第01章 金属的结构与结晶

1、第一章 金属的结构与结晶 第一章 金属的结构与结晶 金属的特性和金属键；金属的特性和金属键； 金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一；金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一； 实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其 是力学性能有着重大的影响；是力学性能有着重大的影响； 纯金属结晶过程；纯金属结晶过程； 晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细 化晶粒的途径和方法。化晶粒的途径和方法。 晶粒细化晶粒细化 1.1 金属的特征金属的特征 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构

2、1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 1.5 晶粒大小控制晶粒大小控制 第一章 金属的结构与结晶 与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良 好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力） 和金属光泽。和金属光泽。 1.1 金属的特征金属的特征 1. 1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性有的非金属也可能表现出上述某些特性： 如：石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽； 2. 2. 各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：

3、鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍 锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。 因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属 是不够充分的。 3. 3. 金属的特征：金属的特征：正的电阻温度系数正的电阻温度系数 1.1 金属的特征金属的特征 主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关 金属为何具有上述这些特性呢？金属为何具有上述这些特性呢？ 金属键金属键金属键是金属原子之间的结合键，它 是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层 子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子）， 成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之 间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属 正离子与自由电子云之间的强烈静电

4、吸引力（库 仓引力），这种结合方式称为金属键。 1.1 金属的特征金属的特征 金属材料金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征： u良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。 u正的电阻温度系数： 金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动， 从而使电阻升高。 u不透明，有光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后 由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收 的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。 u具有延展性： 金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时， 其结合键不会

5、被破坏，从而具有延展性。 1.1 金属的特征金属的特征 返回返回 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 晶体：晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则， 周期性排列长程有序。 非晶体：非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”短程 有序。 晶体晶体 金刚石、NaCl、冰 等。 液体液体 非晶体非晶体 蜂蜡、玻璃 等。 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 微晶：微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要 小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度； 准晶：准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和 非晶体之间； 液晶：液晶：二维长程有序。 1.2 1.2 金属的金属

6、的 晶体结构晶体结构 返回返回 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 a 原子堆垛模型b 空间点阵c 晶格 z x y a a b b c c d 晶胞 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 空间点阵空间点阵 将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无 数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点 子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。 晶格晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形 成的空间网络称为空间格子，也称晶格。 晶胞晶胞 为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点 阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单

7、元， 这个平行六面体称为晶胞。 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 七大晶系，十四个空间点阵：七大晶系，十四个空间点阵： 简单三斜 简单单斜底心单斜简单正交体心正交面心正交底心正交 简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方 描述金属晶体结构的一些重要概念描述金属晶体结构的一些重要概念 晶胞原子数晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的 计算方法。 原子半径原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。 配位数配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数 致密度致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比 1.2 1.2 金属的金

8、属的 晶体结构晶体结构 常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构 工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构， 其中最典型的为以下三种：其中最典型的为以下三种： （1 1）体心立方晶格体心立方晶格bccbcc （2 2）面心立方晶格面心立方晶格fccfcc （3 3）密排六方晶格密排六方晶格hcphcp 体心立方晶格体心立方晶格 在立方晶胞的八个顶 角上各有一个原子， 在体中心有一个原子， 每个原子与空间点阵 中的一个阵点相对应。 属于这种晶体结构的 纯金属有- Fe, Cr, Mo, W,V等。 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构

9、体心立方体心立方晶胞晶胞 晶格常数：a=b=c； =90 晶胞原子数： 原子半径： 致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3 X Y Z a b c 2 2r r 2 2r r a a 2 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 返回返回 面心立方晶格面心立方晶格 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 面心立方面心立方晶胞晶胞 晶格常数：a=b=c； =90 晶胞原子数： 原子半径： 致密度：0.74 X Y Z a b c 密排方向 4 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 返回返回 C（石墨）、Mg、Zn 等

10、 晶格常数晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90 晶胞原子数：6 原子半径：a/2 致密度：0. 74 密排六方晶格密排六方晶格 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 返回返回 X Y Z a b c 晶面晶面 通过原子中心的平面 晶向晶向 通过原子中心的直线所指的方向 X Y Z a b c 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 a.a.晶向指数的确定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

11、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。 立方晶系的晶面、晶向表示方法立方晶系的晶面、晶向表示方法 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 b.b.晶面指数的确定方法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，其形式为（hkl）。 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体

12、结构 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。 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 返回返回 （1 1）有确定的熔点）有确定的熔点 熔点 晶体 非晶体 时间 温度 晶体和非晶体的熔化曲线 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 （2 2）各向异性）各向异性 不同晶面或晶向上原子密度 不同引起性能不同的现象 X Y Z X Y Z 1.2 1.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构 返回返回 1.

13、3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 p 理想晶体：理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶 格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构 成理想的单晶体。 p 实际晶体：实际晶体：多晶体+晶体缺陷 p 晶体缺陷：晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域， 按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 晶粒（单晶体）晶粒（单晶体） 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 一、一、 点缺陷点缺陷 1. 1. 点缺陷的概念点缺陷的概念 是晶体中在 X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶 体缺陷。 2. 2. 点

14、缺陷的类型点缺陷的类型 主要有四类，即 空位；间隙原子（有同类和异类之 分）；置换原子（有大小之分）； 复合空位。 置换原子 空位 复合空位间隙原子 置换 原子 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 二、二、 线缺陷线缺陷 线缺陷的概念线缺陷的概念: :晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另 外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是 位错。 位错位错是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错 排现象。 位错的类型位错的类型: :刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 刃位错 刃位错 刃型位错示意图 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷

15、实际晶体中的缺陷 螺型位错示意图 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 位错密度位错密度 ：单位体积中位错线的总长度, 或 单位面积上位错线的根数,单位cm2 位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发 生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。 实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度 有如图的对应关系, 当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相 反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。 但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶 须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高 易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高, 这为材料强度的提高提供途径。 三、三、 面缺陷面缺陷 概念：概念：是指晶体中在

16、二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很 小的晶体缺陷。 类型：类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和 相界面等。 1. 1. 晶界晶界 根据晶体中各晶粒之间的位向差不同，又 可将晶界分为大角度晶界（10）和小 角度晶界（10）两类。 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 对称倾对称倾側側晶界晶界 扭转晶界扭转晶界 1.3 1.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 2.2.亚晶界亚晶界 亚晶界亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向 差一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶 粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对 称倾側晶界和扭转晶界。 亚晶界亚晶界 1.3 1.

17、3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 返回返回 液体 固体（晶体 或 非晶体）- 液体 晶体 - 晶体晶体 液体液体 结晶结晶 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 一、液态金属的结构一、液态金属的结构 经研究发现在略高于熔点时， 液态金属的结构具有以下特 点： 是近程有序远程无序结构， 见右图； 存在着能量起伏和结构起伏。 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 局部的近程有序局部的近程有序 二、结晶过程的宏观现象二、结晶过程的宏观现象 研究液态金属结晶的最常用、最 简单的方法是热分析法。它是将金属 放入坩埚中，加热熔化后切断电源， 用热电偶测量液态金属的温度与时间 的关系曲线

18、，该曲线称为冷却曲线或 热分析曲线，见右图。 Tm T T 理论结晶温度 开始结晶温度 T = Tm - T 时间时间 温温 度度 纯金属结晶的条件就是应 当有一定的过冷度（克服 界面能） 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 液态金属必须冷却到理论结晶温度Tm以下某一个温度T时 才开始结晶，这个现象称为过冷。 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 三三. . 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 过冷后，液固相自由能之差G就是金属结晶的驱动力，过冷度 越大，驱动力越大。 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 四、金属结晶的微观基本过程四、金属结晶的微观基本过程 形

19、核长大过程形核长大过程 液态金属形核晶核长大 完全结晶 结晶过程示意图 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 1 1）形核）形核 液态金属在结晶时，其形核方式一般认为主要有两种：即均质形核均质形核 （对称均匀形核）和异质形核异质形核（又称非均匀形核）。 （1 1） 均质形核均质形核 从过冷液态金属中自发形成晶核的过程就称为均质形核。 （2 2） 异质形核异质形核 液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核 的过程，称为异质形核。 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 2 2）晶体的长大）晶体的长大 晶核形成以后就会立刻长大，晶核长大的实质就是液态金属原 子向晶核表面堆砌的过程，也是固液界面向液体中迁移的过程。 界面 距离 温度 Tm 固液 过冷度 界面 距离 温度 Tm 固液 过冷度 固液界面正、负温度梯度 1.4 1.4 金属的结晶过程金属的结晶过程 两种长大方式：平面生长方式平面生长方式(a)(a)和树枝状生长方式和树枝状生长方式(b)(b)。 界面前方正温度梯度条件下的平面生长界面前方负温度梯度条件下的枝晶生长