晶体结构与结晶剖析.ppt

材料的结构和金属结晶,对材料内部结构的认识水平：宏观、微观。广义的讲，它包括了成分、相、组织、结构等概念,材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。,1.1金属的特性,一、金属原子的结构特点,1-1金属,金属？,最外层电子很少，一般为1-2个，最多3个,具有正的电阻温度系数的物质。,原子核：带正电,质子：正电荷,中子：电中性,核外电子：带负电,原子,金属原子的结构特点:,失去电子形成正离子（正电性元素）,11质子12中子,1s22s22p63s1,Na,非金属元素的原子结构特点：最外层4-7个元素得到电子形成负离子（负电性元素）,过渡族金属元素的原子结构特点：,易失去最外层电子和次外层电子,最外层电子很少，一般为1-2个，最多3个,金属原子的结构特点:,失去电子形成正离子（正电性元素）,最外层电子数很少一般为1-2个，最多3个（同于金属原子的结构特点）；,（Ti、V、Fe、Mn、Co等）,次外层未填满、最外层先填充电子,过渡族金属的原子间结合力强，,熔点高、强度高,次外层电子也参与结合,二、金属键,金属的性能：良好的导电、导热性正的电阻温度系数、不透明、具有金属光泽良好的延展性,金属中自由电子与金属正离子之间构成的键合方式,公有化的自由电子与正离子之间的结合方式,离子键：,共价键：,一失一得，静电作用,相邻原子共用它们的外部价电子，形成稳定的满壳层,（金刚石）,（氯化钠）,1.2材料的结构(crystallography),理想晶体,1晶体与非晶体,晶体-材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列(金属在固态下是晶体)。非晶体材料的原子（离子、分子）无规则、杂乱的堆积在一起。,(a)、是否具有周期性、对称性(b)、是否长程有序(c)、是否有确定的熔点(d)、是否各向异性,区别,空间规则排列的原子刚球模型晶格(crystallattice)（空间点阵）晶胞(unitcell)（具有周期性最小组成单元，或能完全反映晶格特征的最小几何单元)。,2理想晶体结构,3晶胞的描述晶体学参数：a,b,c；,晶格常数(latticeconstant)：a,b,c,14种布拉菲点阵,根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型，即7个晶系。按照“每个阵点的周围环境相同“的要求，布拉菲（BravaisA）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，这14种空间点阵也称布拉菲点阵,布拉菲空间点阵晶胞（14种）,晶向(crystaldirection):在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。,晶面(crystalface):在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。,4三种典型的金属晶体晶胞(图),属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）、a-Fe等,属于此类结构的金属有：Al、贵重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。,属于此类结构的金属有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。,体心立方晶胞bcc,面心立方晶胞fcc,密排六方晶胞hcp,晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。（体心：2）,配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。体：8致密度：致密度=晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积。体：0.68,、体心立方晶胞BCCBody-CenteredCube,演示图,、面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube,演示图,、密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed,演示图,体BCC、面FCC、密HCP晶胞的重要参数,同素异构性：,1.3实际晶体,实际晶体多晶体并存在着晶体缺陷.单晶体：内部晶格位向完全一致各向异性1、多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成具有各向同性。,2晶体缺陷(crystaldefect)：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。,a、点缺陷(pointdefect)晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化,空位(vacancy)：晶格结点处无原子置换原子(gapatom)：晶格结点处为其它原子占据间隙原子(substitutionalatom)：原子占据晶格间隙,间隙原子、置换原子示意图,晶格畸变:强度硬度升高.,置换原子引起的晶格畸变,空位引起的晶格畸变,B、线缺陷(linedefect)位错(dislocation)：二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排,刃型位错(screwdislocation)螺型位错(bladedislocation),c、面缺陷(surface-defect),晶界(grainboundary):晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界(sub-boundary,演示图,3-1合金中的相,合金(alloy)：由两种或两种以上的金属或金属和非金属，经熔炼或烧结等材料制备方法而合成的具有金属性质的物质。组元(元)(element)：组成合金最基本的、独立的物质。（合金元素或稳定的化合物）相(phase)：晶体结构相同，成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。（单相合金、多相合金）,合金系(alloysystem)：由给定的组元以不同的比例配成的一系列不同成分合金系统。两个组元组成的为二元系、三个组元组成的为三元系、三个以上组元组成的为多元系。,二元合金：由两个组元组成的合金,三元合金：由三个组元组成的合金,多元合金：由三个以上组元组成的合金,材料的组织：各组成相的形貌、尺寸、数量和分布状况。,显微组织：通过显微镜观察到的组织。,宏观组织：通过肉眼或放大镜观察到的组织。,固溶体(solidsolution)：合金组元之间以不同比例相互混合后形成的固相，其晶体结构与组成合金的某一组元的相同，该组元称为溶剂，其他组元为溶质。金属化合物(中间相)(intermetalliccompound)：固溶体中溶质的含量超过固溶度极限后形成的固相，其晶体结构不同于任一组元的，一般可用分子式来大致表示其组成。大多数金属化合物的原子间结合键是金属键与离子键或共价键相混合的结合方式，因此具有一定的金属性质，所以称其为金属化合物。,3-2合金的相结构,相的分类（根据晶体结构）,1.按溶质原子在晶格中所占位置：置换固溶体：溶质原子置换了溶剂晶格的某些节点位置所形成的固溶体间隙固溶体：溶质原子填入溶剂晶格间隙中所形成的固溶体,（一）固溶体的分类,有限固溶体：溶质组元在固溶体中的浓度有一定的限度（溶解度或固溶度）的固溶体。无限固溶体：溶质原子可以任意比例溶入溶剂晶格中形成的固溶体。（固溶度可达100%）,2.按溶解度分类,无限置换固溶体中两组元素原子置换示意图,（一）固溶体的分类,无序固溶体：溶质在溶剂中任意分布,无规律性有序固溶体：溶质按一定规律分布在溶剂晶格的结点或间隙。,3.按溶质原子在溶剂中的分布特点分类,（一）固溶体的分类,无序固溶体,有序固溶体,过渡,（二）置换固溶体-影响溶解度的因素,1.原子尺寸,原子尺寸相对大小,例如：铁基合金，r0.85固溶体中溶解度较大,否则较小。,置换原子（点缺陷）晶格畸变,置换原子数晶格畸变能,原子尺寸相差晶格畸变能,晶格畸变能稳定性新相,溶质原子是一些原子半径小于0.1nm的非金属元素，如：C(0.077nm);N(0.071nm);O(0.061nm);H(0.071nm)、B(0.097nm)。形成条件：r质/r剂0.59间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。如：碳原子在Fe（最大Wt=0.0218%）Fe（最大Wt=2.11%）,（三）间隙固溶体形成条件、溶解度,二、金属化合物（中间相）,金属化合物,正常价化合物受电负性因素控制,电子化合物受电子浓度控制,间隙化合物、间隙相受原子尺寸控制,小尺寸原子与过渡族金属之间形成,晶体结构取决于电子浓度,服从原子价规律,按形成此类相的主导控制因素分,（一）正常价化合物（valencecompound）,组成：金属元素与电负性较强的A、A、A族元素形成的化合物。特点：符合化合价规律。具有严格的化合比、成分固定不变，可用化学式表示。一般为AB型、AB2型或A2B型、A3B2型。常温时有很高的硬度和脆性。强化相；有害相。,（二）电子化合物（electroncompound）,组成：由B族（Cu、Au、Ag）或过渡族金属（Fe、Co、Ni）与B、A、A族元素形成的金属化合物。特点不遵循原子价规律、按一定的电子浓度的比值形成电子浓度相同,相的晶体结构类型相同。电子浓度=化合物元素价电子总数/化合物原子数电子浓度相晶体结构C电子=21/12相密排六方结构C电子=21/13相复杂立方结构C电子=21/14相体心立方结构以金属键为主，具有金属特性,高熔点、高硬度但脆性很大可用化学式表示,成分可在一定范围内变化，因此视为以化合物为基的固溶体。,（三）间隙相与间隙化合物,组成：过渡族金属与原子半径很小的非金属元素（C、H、N、B等）组成。,特点：受组元的原子尺寸因素的控制：rX/rM0.59间隙化合物（结构复杂）,原子间结合键为金属键与共价键的混合形式,What?“组织结构”,相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是(由一定数量、形态、大小和分布方式的)多相组成。,镁合金组织图,1.4纯金属的结晶及其组织,1结晶与凝固的区别,凝固：LS(S可以是非晶体)物质由液态转变成固态的过程。结晶：由一种原子排列状态（晶态或非晶态）转变为晶体(另一种原子规则排列)状态（晶态）的过程.,纯金属结晶时的冷却曲线,2.结晶时的现象,放出结晶潜热-平台过冷现象(supercooling)过冷度(degreeofsupercooling)T=ToTm,理,实,凝固,结晶,金属由液态转变为固态的过程。,结晶是指从原子不规则排列的液态转变为原子规则排列的晶体状态的过程。,平衡结晶温度或理论结晶温度,金属熔点,通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。,金属结晶的现象,冷却曲线,结晶潜热,结晶温度,结晶过程宏观现象,过冷,结晶潜热,金属结晶的现象,金属结晶的现象,金属结晶微观过程,形核,长大,形成多晶体,两个过程重叠交织,结晶驱动力G,体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能.,3结晶热力学,液、固两相的自由能随温度变化示意图,过冷是结晶的必要条件。,实验证明，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。也就是说，金属要在过冷(Undercooled)的条件下才能结晶。,可见，过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于0，G也等于0，没有驱动力结晶不能进行。,结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度,过冷度与冷却曲线,冷速越快，过冷度越大。,a.形核：自发形核、非自发形核,b.长大：平面长大、树枝状长大,演示图,4、结晶的过程：,晶核的形成和长大过程。,形核和长大是结晶的基本规律。,变质处理：铸造时，液体中加入-,5、晶粒尺寸的控制,（1）晶粒度晶粒的尺度。单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。形核率N越大，长大速率G越慢，晶粒总数目多，晶粒细小。（2）过冷度对形核一长大的影响,（3）控制晶粒度的因素,控制晶粒度的因素过冷度T，N，GN/G增大，晶粒细化变质处理在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。振动，搅拌等,演示图,6、金属铸锭的组织特点,在实际生产中，液态金属在铸锭模或铸型中凝固的（铸锭、铸件）它的结晶过程均遵循结晶普遍规律，结晶时整个截面有明显的温度梯度，将铸锭刮开可看到。,第五节金属的铸锭组织,表面细晶粒区浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。,（一）铸锭的三晶区,（1）、表面为细等轴晶粒,原因：温度较低的模壁有强烈吸热和散热作用极大过冷模壁表面杂质可作为非自发形核的晶核散热没明显方向，可同时向各个方向生长此晶区为细等轴晶粒，晶粒细小、组织细密、机械性能好，但太薄。,（2）、柱状晶区,一方面模壁温度已升高，另一方面由于金属凝固后的收缩，使细晶区和模壁脱离，形成空气层，造成继续散热困难。此外细晶区的形成还释放了大量结晶潜热，所以铸模温度升高，形核困难。结晶主要靠晶粒的继续长大来进行。垂直模壁方向散热快，侧面受到彼此的限制而不能侧向生长，形成柱状晶区。柱状晶在性能上显示各向异性。,（3）、中心等轴晶区,一些未熔杂质被推到了中心或者柱状晶的枝晶被冲断飘移到中心，作为晶核，但散热已失去了方向性粗大的等轴晶区,（二）铸锭（或铸件）缺陷,1.缩孔和缩松,缩松,2.气孔3.成分偏析4.裂纹、非金属夹杂物,7、金属的同素异构性,例：Fe,8、铸锭的缺陷,缩孔疏松气泡,本章重点1.晶体结构的基本概念晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。2.单晶体，晶粒，多晶体，显微组织。3.金属的结