第二章--金属的晶体结构与结晶

第二章金属的晶体结构与结晶,内容金属的晶体结构合金的晶体结构实际金属的晶体结构目的掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备,第一节金属的晶体结构,一、晶体的基本知识,非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）,晶体,非晶体,固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。,1、晶体和非晶体,原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；具有一定的熔点，如铁的熔点为1538，铜的熔点为1083晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性；在一定条件下有规则的几何外形,晶体的特点,原子在三维空间呈不规则的排列。没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。,非晶体的特点,晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。,为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。,2、晶体结构的基本概念,由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞,整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。,在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以（晶格常数）棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。,表1-2晶系,2.晶系按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表1-2。,表示晶面的符号称为晶面指数。,在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。,任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。,表示晶向的符号称为晶向指数。,3、立方晶系的晶面、晶向表示方法,晶向指数的确定方法1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如101。,具体晶向指数如图所示，其形式为uvw,晶面指数的确定方法1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。3)求三个截距值的倒数。4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数。,如图所示形式为（hkl）,注意：1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。,晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。,原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。,致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv/V。式中，n为晶胞所含原子数v为单个原子体积V为晶胞体积。,3、常见金属的晶格类型,晶格常数a=b=c,=90。原子半径。晶胞所含原子数2个原子。,体心立方晶格（bcc晶格）原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。,致密度68%。具有体心立方晶格的金属：-Fe、-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。,晶格常数a=b=c,=90。原子半径。晶胞所含原子数4个原子。(5)致密度74%。(6)具有面心立方晶格的金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。,面心立方晶格（fcc晶格）原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。,晶格常数原子半径晶胞所含原子数6个原子。(5)致密度74%。(6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、-Ti等。,密排六方晶格（hcp晶格）原子排列特征密排六方晶格的晶胞如图所示。,第二节金属的实际晶体结构,晶体的基本概念金属晶体的缺陷：,点缺陷晶体空格、间隙原子线缺陷位错面缺陷晶界、亚晶界,一、单晶体和多晶体,晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。实际使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。,二、晶体缺陷,实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：点缺陷、线缺陷、面缺陷,1、点缺陷晶格空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。,由于空位和间隙原子的存在，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。晶体中空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。,2、线缺陷位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。,位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。,3、面缺陷面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。,晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所示。亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。,第三节纯金属的结晶与铸锭,凝固与结晶的基本概念冷却曲线和过冷现象金属的结晶过程晶粒大小对金属力学性能的影响金属的铸态组织,一、凝固与结晶的基本概念,凝固物质由液态转变成固态的过程。,结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。,物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。,近程有序结构,结构起伏,结晶,远程有序结构,热分析法,二、冷却曲线与过冷现象,差热分析法原理,T0：平衡结晶温度（理论结晶温度）T1：纯金属的实际结晶温度,纯金属结晶时的冷却曲线,过冷是结晶的必要条件。,过冷度：T=T0T1,为什么？,三、金属的结晶过程,结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。,自发形核T=200非自发形核T=20,金属结晶过程示意图,晶核的长大方式树枝状,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,四、晶粒大小对金属力学性能的影响,晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大影响。细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀性好。作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则磁导率越大，磁滞损耗减少。,金属结晶后晶粒大小取决于形核率N晶核形成数目（mm3.s）和长大率G（mm/s）,过冷度的影响,细化晶粒的途径,1）提高冷却速度，增加过冷度,晶粒细小,2）进行变质处理,3）附加振动：机械振动超声波振动电磁搅拌等。,五、金属的铸态组织,表面细晶层力学性能虽好，但由于该层很薄，故对整个铸锭的性能影响不大。柱状晶区比较致密，对于塑性较好的非铁金属，希望得到较大的柱状晶区。另外柱状晶沿其长度方向的强度较高，所以对于那些主要承受单向载荷的机械零件，常采用定向凝固法获得柱状晶组织。但柱状晶组织的交界面常聚集易溶杂质.中心等轴晶区的性能没有方向性，但该晶区结晶时易形成很多微小的缩孔（缩松），这种疏松的组织致使力学性能降低。,第四节合金的相结构,纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。,例如：Fe:b=250MPaC:b=0Fe-C合金(0.45%C)正火态:b=610MPa,性能,组织:是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。,合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。,相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。,组元:组成合金的最基本独立单元。,固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。,一、固溶体,（一）定义：,一种组元的原子溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。,根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分,（二）分类：,1.置换固溶体,溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。,形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。,2.间隙固溶体,溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。,形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般r溶质/r溶剂0.59时，才能形成间隙固溶体。,间隙固溶体,置换固溶体,（三）固溶体的特性,1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相。3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。,二、金属间化合物,（一）定义合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合物，或称中间相。,（二）性能熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。,（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）,1.正常价化合物组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。,2.电子化合物组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。此类化合物在许多有色金属中作为重要的强化相。,3.间隙化合物由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。,间隙相当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。,复杂结构的间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均属于这类化合物。,间隙相与间隙化合物的晶体结构,第五节二元合金相图,相图：指表达处于复相平衡状态下的物系中，诸相区的温度、压力、成分的极限图解。注：物系为合金系的情况下，其压力通常视为定值，因此坐标为温度和成分。,一、二元合金相图的建立（以铜镍合金为例）1、配制一系列不同成分的铜镍合金2、用热分析法测出各成分的合金冷却曲线。3、曲线特点：,（1）A、B两点是纯铜、纯镍都有一个平台，结晶在恒温下进行（一个临界点）（2）中间的四条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行（两个临界点）。（3）将各临界点描绘在温度成分坐标系中得到图（b）。,二、匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时，所构成的相图称为二元合金相图。1、相图分析,液相线之上为液相区，用L表示液相线与固相线之间是液、固两相，用L+固相线下方为固相区，用表示A点为铜的熔点B点为镍的熔点,以图中K点成分合金为例分析合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出固溶体；随着温度的下降，相增多，而L相减少；至2点时，结晶过程结束，L相全部转变为相,2、合金结晶过程分析,注：在结晶过程中，合金处于L+区时，液相成分随液相线变化，固相成分随固相线变化。例：K点成分的合金从高温液态缓慢冷却至3点时，其液相部分具有3/点的成分，而固相部分具有3/点的成分。液相与固相的平均成分才是K点的成分。,三、共晶相图：,二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复合混合物的反应。共晶体：共晶反应的产物是共晶体。共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。,1、相图分析（1）共晶点C点相相（2）共晶线ECF线LCE+F(3)固溶体脱溶线固溶体或固溶体随着温度的下降，溶解度也不断的下降。图中ES线表达了固溶体脱溶的变化规律，FG线表达了固溶体的变化规律。ES、FG线称为固溶体脱溶线。固溶体脱溶产物是相，称为二次相（1）固溶体脱溶产物是相，称为二次相（1）,恒温,2、结晶过程分析：