晶体的结构与结晶

第二章材料的结构与性能内容提要：本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷。学习目标：本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。学习建议：1晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。2晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法。,第一节金属的晶体结构一、晶体的基本知识1、晶体和非晶体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。,非晶体,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）,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,晶体中的原子排列,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。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，并以棱边长度（晶格常数）和棱面夹角（、）来表示晶胞的形状和大小。,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,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%K=nv/V具有体心立方晶格的金属：-Fe、-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。,2个原子,晶格常数a=b=c,=90原子半径晶胞所含原子数(5)致密度74%。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,4个原子。,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。,在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。表示晶面的符号称为晶面指数。,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。,4、立方晶系的晶面、晶向表示方法,晶面指数的确定方法在立方晶系中,由于原子的排列具有高度的对称性,往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面,这些晶面总称为晶面族,用大括号表示,如100。,晶向指数的确定方法,原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向统称为晶向族,用尖括号表示,如:=100+010+001,密排面和密排方向不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。,体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度,体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度,5、金属晶体具有各向异性在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的力学、物理和化学等方面的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。例如单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，在方向上为2.90105MPa,而在方向上只有1.35105MPa。单晶体铁在磁场中沿方向磁化，比沿方向磁化容易。所以制造变压器用的硅钢片的方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。但是对于实际使用的金属,由于其内部有许许多多个晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性就显示不出来了。,第二节实际金属的结构,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。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。二、晶体缺陷实际金属不是理想完美的单晶体,由于受到结晶及其他加工条件的影响，使得晶粒存在有许多不同类型的缺陷。,1.点缺陷点缺陷是指在三维尺度上都很小的,不超过几个原子直径的缺陷。（1）空位在晶体晶格中,若某结点上没有原子,则这结点称为空位。（2）间隙原子位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。（3）异类原子,异类原子比金属原子半径大,异类原子比金属原子半径大,点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位间隙原子置换原子,2.线缺陷线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。这就是位错,由晶体中原子平面的错动引起。（1）刃型位错在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。（2）螺型位错晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。,刃型位错,螺型位错,不锈钢中的位错,3.面缺陷面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有两种:（1）晶界晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。（2）亚晶界晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。,第三节金属的结晶与同素异构转变金属一般都要经过熔炼、浇注成形或浇注成铸锭再经冷加工成形，这样结晶形成的组织直接影响金属内部的组织与性能，所以了解金属的结晶规律是十分必要的。（冶炼、注锭）一、纯金属的结晶物质从液体状态转变为固态晶体的过程称为结晶（crystallize）。广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态（晶态）的过程均属于结晶过程。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。,液态金属中，金属原子作不规则运动。但在小范围内，原子会出现规则排列。这些小范围内的规则排列称近程有序。这种近程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。通常的固态金属属于晶体材料，金属原子是规则排列，也叫远程有序。,近程有序结构,结构起伏,结晶,远程有序结构,热分析法,（一）、冷却曲线与过冷度,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,冷却曲线中To为金属的熔点(又称理论结晶温度),T1为开始结晶温度。曲线中斜线段为液态金属逐渐冷却,水平段温度低于理论结晶温度,这种现象称为过冷现象。理论结晶温度To与开始结晶温度T1之差叫做过冷度,用T表示。T=To-T1过冷度是结晶的必要条件,自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。液态金属和固态金属的自由能-温度关系曲线中，两条曲线交点所对应的温度To即为理论结晶温度或熔点。液态金属要结晶，温度必须低于To，也就是说要有一定的过冷度。此时金属在液态和固态之间存在一个自由能差（F）。F就是液态金属结晶的动力。,（二）、结晶过程金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。1.形核液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心叫做晶核。形核有两种方式。(1)自发形核在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。这种由液态金属内部由金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。,自发形核T=200,(2)非自发形核实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。这种依附于杂质而形成的晶核叫做非自发晶核。,非自发形核T=20,2.晶体的长大晶体的长大有两种方式:(1)平面长大当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较快。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。,平面长大的规则形状晶体,(2)树枝状长大当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,二、金属的同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。这类金属在冷却或加热过程中，其晶格形式会发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。,纯铁的同素异构转变,金属的同素异构转变的意义可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为二次结晶或重结晶。在发生同素异构转变时金属也有过冷现象，也会放出潜热，并具有固定的转变温度。新同素异构晶体的形成也包括形核和长大两个过程。同素异构转变是在固态下进行，因此转变需要较大的过冷度。由于晶格的变化导致金属的体积发生变化，转变时会产生较大的内应力。例如-Fe转变为-Fe时，铁的体积会膨胀约1。它可引起钢淬火时产生应力，严重时会导致工件变形和开裂。,第四节晶粒大小及其控制一、晶粒度的概念金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小即晶粒度用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。晶粒度号越大晶粒越细。,二、晶粒度的控制一般情况下,晶粒越小,则金属的强度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。根据结晶过程的基本概念，为了获得细晶粒的结构，原则上可以采取以下几种措施：,晶粒大小不同时纯铁的力学性能,（一）、提高金属的过冷度一定体积的液态金属中,若生核速率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3s)越大,则结晶后的晶粒越多,晶粒就越细小;晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度,mm/s)越快,则晶粒越粗。金属单位体积中晶粒的总数目Zv与生核速率和长大速度之间存在着以下关系：,随着过冷度的增加,成核速率和长大速度均会增大。但当过冷度超过一定值后，成核速率和长大速度都会下降。这是由于液体金属结晶时成核和长大，均需原子扩散才能进行。当温度太低时，原子扩散能力减弱，因而成核速率和长大速度都降低。对于液体金属，一般不会得到如此大的过冷度，通常处于曲线的左边上升部分。所以,随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值N/G也增大,结果使晶粒细化。,成核速率、长大速度与过冷度的关系,工业生产中，增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度,采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模,比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。,（二）、进行变质处理变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。（三）、采用振动（搅拌）方法在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动或电磁搅拌等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。,第五节铸锭的结构一、铸锭结构铸锭分为三个各具特征的晶区：1.细等轴晶区液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。2.柱状晶区细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。,3.粗等轴晶区随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某