第2章材料的结构

1、第第 2 2 章章金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构工程材料与热加工工程材料与热加工2.1 原子的结合方式原子的结合方式2.2 晶体结构的概念晶体结构的概念2.3 金属的结构金属的结构本章讲授与学习内容本章讲授与学习内容2.4 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭2.12.1 原子的结合方式原子的结合方式结合键结合键 组成物质的质点组成物质的质点( (原子、分子或离子原子、分子或离子) )之间之间的互相作用而联系在一起的结合力的互相作用而联系在一起的结合力分分 类类 分子键分子键离子键离子键共价键共价键金属键金属键离离 子子 键键当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子相当周期表中

2、相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子相互接近时，正电性元素原子失去外层电子变为互接近时，正电性元素原子失去外层电子变为正离子正离子，负电，负电性原子获得电子变为性原子获得电子变为负离子。负离子。正负离子通过静电引力互相吸引，当引正负离子通过静电引力互相吸引，当引力与离子间的斥力相等时便形成稳定的力与离子间的斥力相等时便形成稳定的NaClNa+Cl-离子键离子键NaCl、MgO等都是典等都是典型的离子键化合物型的离子键化合物通过离子键结合的材料的特点通过离子键结合的材料的特点良好的绝缘体良好的绝缘体高强度高强度高硬度高硬度高熔点高熔点脆性大脆性大离子键结合力大离子键结合力大受到外力的作用下离

3、子受到外力的作用下离子之间将失去电的平衡作之间将失去电的平衡作用，导致键被破坏用，导致键被破坏离子键中没有自由电子存离子键中没有自由电子存在，故在常温下导电性很差在，故在常温下导电性很差共共 价价 键键两个相同原子或性质相差不大的原子互相靠近，两个相同原子或性质相差不大的原子互相靠近，电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形成共价键。而结合，形成共价键。如金刚石、如金刚石、SiC。共价键共价键Si 原子原子Si的的4个共价键个共价键通过共价键结合的材料的特点通过共价键结合的材料的特点高强度高强度高硬度高硬度高熔点高熔点脆性大脆性大导电性导电

4、性较差较差共价健本身很强，而且键之间有固共价健本身很强，而且键之间有固定的方向关系，所以，当具有共价定的方向关系，所以，当具有共价键的晶体发生弯曲时，不能像具有键的晶体发生弯曲时，不能像具有金属健的原子那样彼此位置跟随发金属健的原子那样彼此位置跟随发生改变，而是其键必受到破坏，因生改变，而是其键必受到破坏，因此，材料硬而脆此，材料硬而脆金金 属属 键键由金属正离子和自由电子之间相互作用而由金属正离子和自由电子之间相互作用而将所有的离子结合在一起的方式将所有的离子结合在一起的方式金属键金属键金属原子的特点金属原子的特点最外层价电子少，易失去最外层价电子少，易失去金属原子金属原子失去外失去外层电子

5、层电子正离子正离子价电子价电子围绕金属正离子运动的电子云围绕金属正离子运动的电子云价电子在金属中自由运价电子在金属中自由运动，成为与若干正离子动，成为与若干正离子相吸引的电子云相吸引的电子云通过金属键结合的材料的特点通过金属键结合的材料的特点金属键无方向性金属键无方向性良好的塑性良好的塑性良好的导电性良好的导电性良好的导热性良好的导热性维持离子在一起的维持离子在一起的电子并不固定在一电子并不固定在一定的位置上定的位置上外电压的作用下，价电子发生运动外电压的作用下，价电子发生运动自由电子的存在自由电子的存在金属发生弯曲时，金属键金属发生弯曲时，金属键方向随之变动，金属原子方向随之变动，金属原子便

6、改变它们彼此之间的位便改变它们彼此之间的位置关系，而不破坏键置关系，而不破坏键分分 子子 键（范得瓦尔键）键（范得瓦尔键）存在于中性原子或分子间微弱的结合力存在于中性原子或分子间微弱的结合力范得瓦尔力范得瓦尔力分子键分子键一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电部分，通过这种吸引力结合在一起的带负电部分，通过这种吸引力结合在一起的方式方式分子键结合的固体材料特点：分子键结合的固体材料特点：范得瓦尔力很弱范得瓦尔力很弱 熔点和硬度都比较低熔点和硬度都比较低 良好的绝缘体良好的绝缘体无自由电子的存在无自由电子的存在不同结合键能的比较不同结合键能的比较结合键

7、结合键熔点熔点硬度硬度导电性导电性键的方向性键的方向性离子键离子键高高高高固态不导固态不导电电无无共价键共价键高高高高不导电不导电有有金属键金属键有高有低有高有低有高有低有高有低良好良好无无分子键分子键低低低低不导电不导电有有不同结合键能的比较不同结合键能的比较又称聚合物，它的结合键是共价键，由于高分子材料的分又称聚合物，它的结合键是共价键，由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也就很大，因而也具有很好子很大，所以分子间的作用力也就很大，因而也具有很好的力学性能。的力学性能。结合键主要是金属键，也有共价键结合键主要是金属键，也有共价键( (如灰锡如灰锡) )和离子键和离子键( (如金如金

8、属间化合物属间化合物Mg3 3Sb2 2) )结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主，所结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主，所以陶瓷材料有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。以陶瓷材料有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料高分子材料高分子材料2.2 2.2 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念1. 晶体与非晶体晶体与非晶体固态物质固态物质晶体晶体非晶体非晶体按原子在空按原子在空间的排列方式间的排列方式晶体晶体原子或分子在空间有秩序地排列原子或分子在空间有秩序地排列金属、食盐、金属、食盐、单晶硅单晶硅晶体具有固定的熔点，原子排列有序，其各个晶体具有

9、固定的熔点，原子排列有序，其各个方向上原子密度不同，具有各向异性方向上原子密度不同，具有各向异性非晶体非晶体原子或分子在空间无序排列原子或分子在空间无序排列普通玻璃、普通玻璃、石蜡、松香石蜡、松香注：注：晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化非晶体无固定的熔点，原子排列无序，具有各向同性非晶体无固定的熔点，原子排列无序，具有各向同性2. 2. 晶晶 格格原子原子所形成的空间点的阵列所形成的空间点的阵列钢球钢球结点结点空间点阵空间点阵用假想的直线将这些结点连接用假想的直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架起来所形成的三维空间格架晶晶 格格晶格能直观地晶格能直

10、观地表达晶体中原表达晶体中原子的排列规律子的排列规律3. 3. 晶晶 胞胞晶晶 胞胞从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元的最小几何单元晶晶 格格晶晶 胞胞晶格常数晶格常数晶胞各边的尺寸晶胞各边的尺寸a, b, c晶胞原子数晶胞原子数指一个晶胞内所包含的原子数目指一个晶胞内所包含的原子数目配位数配位数晶格中与某一原子最相邻且等距的原子数目晶格中与某一原子最相邻且等距的原子数目致密度致密度晶胞中原子本身所占的体积的百分数晶胞中原子本身所占的体积的百分数原子半径原子半径晶胞中原子密度最大方向上相晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半尺寸邻原子

11、间距的一半尺寸基本概念基本概念4. 4. 立方晶系的晶面和晶向表示方法立方晶系的晶面和晶向表示方法晶晶 面面晶晶 向向晶体中各方位上的原子面晶体中各方位上的原子面各方向上的原子列各方向上的原子列晶面指数晶面指数表示晶面的符号表示晶面的符号晶向指数晶向指数表示晶向的符号表示晶向的符号由英国晶体学家W.H.Miller于1939年提出晶晶 面面 指指 数数 的的 标标 定定3. .将所得数值化为最简单整数，用将所得数值化为最简单整数，用圆括号括起，就成为该晶面的晶面圆括号括起，就成为该晶面的晶面指数指数(hkl)。1. .以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐标轴，以晶格常数

12、为单位长度，求出标轴，以晶格常数为单位长度，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。所求晶面在三个坐标轴上的截距。2. .将所得的三个截距值变为倒数。将所得的三个截距值变为倒数。若截距为负，则在相应的指数上方加负号。若截距为负，则在相应的指数上方加负号。（110）（111）（001）（100）（010）注注：(hkl)代表的是一组互代表的是一组互相平行的晶面。相平行的晶面。原子排列完全相同，只是原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面空间位向不同的各组晶面称为晶面族。用称为晶面族。用hkl晶晶 向向 指指 数数 的的 标标 定定2.2.将空间坐标值按比例化为最小将空间坐标值按比例化为最小简单整数

13、，加上方括号，即为晶简单整数，加上方括号，即为晶向指数向指数uvw。如果有负值则在相。如果有负值则在相应指数上加负号。应指数上加负号。1. .以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐标轴，以晶格常数为单位长度，过原标轴，以晶格常数为单位长度，过原点引一平行于待定晶向的直线，求出点引一平行于待定晶向的直线，求出该直线上任一结点的坐标值。该直线上任一结点的坐标值。注：指数相同的晶面和注：指数相同的晶面和晶向是互相垂直的晶向是互相垂直的010100111110110uvw代表的是一组互相平行的晶向代表的是一组互相平行的晶向原子排列完全相同，只是空间原子排列完全相同，只是空间位向不

14、同的各组晶向称为晶向位向不同的各组晶向称为晶向族，用族，用晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度晶向的原子密度晶向的原子密度该晶向上单位长度该晶向上单位长度上的原子个数上的原子个数晶面的原子密度晶面的原子密度该晶面上单位面积中该晶面上单位面积中的原子个数的原子个数正是由于这种密度的差异，引起正是由于这种密度的差异，引起相互间结合力的大小的不同，从相互间结合力的大小的不同，从而导致了金属理想状态的单晶体而导致了金属理想状态的单晶体在不同方向上表现出不同的性能，在不同方向上表现出不同的性能，即各向异性。即各向异性。单晶体都具有各向异性。单晶体都具有各向异性。2.3 2.3 金属的晶体结构金属的晶

15、体结构一、 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构二、 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构三、 合金的晶体结构合金的晶体结构一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构纯金属常见的晶体结构纯金属常见的晶体结构l 密排六方晶格密排六方晶格l 体心立方晶格体心立方晶格l 面心立方晶格面心立方晶格1.1.体心立方晶格体心立方晶格（b.c.c）在立方体的八个角点上各有一个与相邻晶胞共有在立方体的八个角点上各有一个与相邻晶胞共有的原子，并在立方体的中心有一个原子的原子，并在立方体的中心有一个原子Body-Centred Cubic Lattice模模 型型晶晶 胞胞晶胞原子数晶胞原子数体心立方晶格的基本参数体心

16、立方晶格的基本参数晶格常数晶格常数abc，故只用，故只用a即可表示即可表示2，每个顶点的原子为八个晶胞所共有，每个顶点的原子为八个晶胞所共有晶胞原子数晶胞原子数原子半径原子半径a43配位数配位数8致密度致密度0.68n属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等等 一个晶胞中一个晶胞中所包含的原所包含的原子数目子数目晶格中原子密晶格中原子密度最大方向上度最大方向上相邻原子间距相邻原子间距的一半尺寸的一半尺寸晶体中与任一原晶体中与任一原子最近的且相等子最近的且相等的原子数目的原子数目晶胞中原子晶胞中原子本身所占有本身所占有的体积百分的体积百分数数2.2.面心立方晶格

17、面心立方晶格(f.c.c) Face-Centred Cubic Lattice在立方体的八个角点和六个面的中心上，各有一个与相邻在立方体的八个角点和六个面的中心上，各有一个与相邻晶胞共有的原子晶胞共有的原子模模 型型晶晶 胞胞晶胞原子数晶胞原子数面心立方晶格的基本参数面心立方晶格的基本参数晶格常数晶格常数a 晶胞原子数晶胞原子数4原子半径原子半径a42致密度致密度配位数配位数12属于这种晶格的金属有：属于这种晶格的金属有：-Fe，Ni，A1，Cu，Pb，Au，Rh等0.7481/8+61/2面的对面的对角线角线3.3.密排六方晶格密排六方晶格(c.p.h)Close-Packed Hexag

18、onal Lattice正六棱柱体，在上下两面的角点和中心，各有一个与相邻正六棱柱体，在上下两面的角点和中心，各有一个与相邻晶胞共有的原子，并在上下两面中间有三个原子晶胞共有的原子，并在上下两面中间有三个原子模模 型型晶晶 胞胞晶胞原子数晶胞原子数密排六方晶格的基本参数密排六方晶格的基本参数a21晶格常数晶格常数a和和c晶胞原子数晶胞原子数6原子半径原子半径配位数配位数12致密度致密度0.74属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有Mg，Zn，Be，Cd等等六棱柱底面六棱柱底面的边长和高的边长和高121/6+21/2+3底面边长底面边长的一半的一半与面心立与面心立方晶格相方晶格相同同注：注：当

19、金属从当金属从高配位数高配位数结构向结构向低配位数低配位数结构发生同结构发生同素异构转变时，随着致密度的减小和晶体体积的膨素异构转变时，随着致密度的减小和晶体体积的膨胀，原子半径同时发生变化。由此可见，胀，原子半径同时发生变化。由此可见，同种原子同种原子处于不同的晶格中，其处于不同的晶格中，其原子半径也是不同原子半径也是不同的的三种晶格的比较三种晶格的比较二、实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体结构1.1.多晶体结构多晶体结构晶体内部晶格位向完全一晶体内部晶格位向完全一致且不发生改变的晶体致且不发生改变的晶体单晶体单晶体多晶体多晶体有许多外形不规则的有许多外形不规则的单晶体组成单晶体组成晶界晶

20、界晶粒晶粒晶晶 粒粒组成多晶体的单晶体组成多晶体的单晶体晶晶 界界晶粒和晶粒之间的交界处晶粒和晶粒之间的交界处金属材料的晶粒一般很小，钢铁材料金属材料的晶粒一般很小，钢铁材料的晶粒尺寸仅为的晶粒尺寸仅为10-2-210-1-1mm晶体缺陷晶体缺陷晶格不完整的部位晶格不完整的部位影响金属的性能影响金属的性能 面缺陷面缺陷 点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷2.2.晶体缺陷晶体缺陷1 1）点点 缺缺 陷：陷：空间三维尺寸都很小的缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子晶格上没有原子的结点称为空位晶格上没有原子的结点称为空位在晶格结点以外的存在的原子在晶格结点以外的存在的原

21、子 空空 位位 间隙原子间隙原子空位空位间隙间隙原子原子占据晶格结点的异类原子占据晶格结点的异类原子 置换原子置换原子置换原子置换原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子点缺陷的点缺陷的存在破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，存在破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称称晶格畸变晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。点点 缺缺 陷对性能的影响陷对性能的影响2 2）线）线 缺缺 陷：陷：晶体中的位错晶体中的位错刃形位错立体图刃形位错立体图正刃形位错和负刃形位错正刃形位错和负刃形位错位错线位错线正刃形位错正刃形位错负刃形位错负刃形位错位错：位错

22、：是晶体中某处一列或数列原子发生有规律的位置移动是晶体中某处一列或数列原子发生有规律的位置移动 生产中一般是采用增加位错的办法提高生产中一般是采用增加位错的办法提高强度，但塑性随之降低强度，但塑性随之降低位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的减少或增加位错密度都可以提高金属的强度强度; ;位错对性能的影响位错对性能的影响：3 3）面缺陷）面缺陷 晶晶 界界晶粒与晶粒之间的交界面晶粒与晶粒之间的交界面晶界对位错运晶界对位错

23、运动有阻碍作用动有阻碍作用金属中的强化部分金属中的强化部分金属的晶粒越细，金属的晶粒越细，晶界总面积越大晶界总面积越大金属的强度金属的强度也越高也越高实际使用的金实际使用的金属材料力求获属材料力求获得细的晶粒得细的晶粒晶界处的原子排列不规律，是两个不同晶界处的原子排列不规律，是两个不同位向的晶粒的过渡位向的晶粒的过渡晶体中一维尺寸很小，另两维尺寸很大的缺陷晶体中一维尺寸很小，另两维尺寸很大的缺陷 亚晶界亚晶界晶粒内部也不是理想的晶体，而是位向差很小的，晶粒内部也不是理想的晶体，而是位向差很小的，称为镶嵌块的小晶块所组成，称为称为镶嵌块的小晶块所组成，称为亚晶粒亚晶粒对金属同样也有强化作用对金属

24、同样也有强化作用亚晶粒的交界称亚晶粒的交界称亚晶界亚晶界 晶界的特点晶界的特点 原子排列不规则；原子排列不规则； 熔点低；熔点低； 耐蚀性差；耐蚀性差； 阻碍位错运动，是强化部阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒；求获得细晶粒； 是相变的优先形核部位。是相变的优先形核部位。 三、合金的晶体结构三、合金的晶体结构合金的定义合金的定义指由两种或两种以上金属元素，或金属元素和非金属指由两种或两种以上金属元素，或金属元素和非金属元素经熔炼、烧结或其他方法结合在一起组成的具有元素经熔炼、烧结或其他方法结合在一起组成的具有金属特性的物质金属特性的物质黄黄铜铜铜

25、铜锌锌钢钢铁铁碳碳组成合金最简单、最基本且能独立存在的物质组成合金最简单、最基本且能独立存在的物质组元组元合金中含有两种或两种以上元素的原子，这些原子之间必合金中含有两种或两种以上元素的原子，这些原子之间必然相互发生作用，使得结晶形成的小晶体（晶粒）具有也然相互发生作用，使得结晶形成的小晶体（晶粒）具有也含有两种或两种以上的元素。含有两种或两种以上的元素。由多种元素构成的小晶体的化学成分和晶格类型可以是完由多种元素构成的小晶体的化学成分和晶格类型可以是完全均匀一致的，也可以是不一致的，它们组成了合金中的全均匀一致的，也可以是不一致的，它们组成了合金中的相和组织相和组织基本概念基本概念在金属或合

26、金中，凡化学成分相同、晶体在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同，并与其他部分有界面分开的均结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀组织部分匀组织部分相相相相金属化合物金属化合物固溶体固溶体组组织织指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观指用肉眼或显微镜所观察到的材料的微观形貌，包含合金不同形状、大小、数量和形貌，包含合金不同形状、大小、数量和分布的相分布的相基本概念基本概念 固溶体固溶体定定 义义表示方法表示方法、溶剂溶剂与合金晶体结构相同的元素与合金晶体结构相同的元素除溶剂以外的其它元素除溶剂以外的其它元素溶质溶质 根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不同根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置的不

27、同固溶体固溶体分分 类类置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体合金中其晶体结构与组成元素之一的晶体结构合金中其晶体结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相相同的固相（1）置换固溶体）置换固溶体溶质原子取代溶剂原子而占据晶格中某些结溶质原子取代溶剂原子而占据晶格中某些结点位置而形成的固溶体点位置而形成的固溶体 定义定义（2）间隙固溶体间隙固溶体定义定义溶质原子较小，如碳、氢等，它们位于溶剂晶溶质原子较小，如碳、氢等，它们位于溶剂晶格间隙形成的固溶体格间隙形成的固溶体溶质元素通常溶质元素通常为原子半径较为原子半径较小的非金属元小的非金属元素素溶剂一般溶剂一般为过渡族为过渡族元素元素（3）固溶体的溶

28、解度）固溶体的溶解度定义定义溶质原子在固溶体中的极限浓度溶质原子在固溶体中的极限浓度根据溶解度的不同根据溶解度的不同固溶体固溶体有限固溶体有限固溶体无限固溶体无限固溶体组成元素无限互溶的固溶体组成元素无限互溶的固溶体溶解度有一定限度的固溶体溶解度有一定限度的固溶体形成无限固溶体的条件形成无限固溶体的条件溶质与溶剂组元的晶格类型必须相同，原子溶质与溶剂组元的晶格类型必须相同，原子的尺寸相差不大，得失电子的能力相当。的尺寸相差不大，得失电子的能力相当。由于晶格间隙有限，所以间隙固溶体都是有限固溶体由于晶格间隙有限，所以间隙固溶体都是有限固溶体（4）固溶体的性能）固溶体的性能晶格畸变晶格畸变溶质原子

29、和溶溶质原子和溶剂原子的半径剂原子的半径不同不同固溶体强度、固溶体强度、硬度上升，韧硬度上升，韧性下降性下降固溶强化固溶强化通过形成固溶体而使金属强度、通过形成固溶体而使金属强度、硬度增加的现象硬度增加的现象 金属化合物金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相相同的固相定定 义义特特 点点较高的熔点、硬度和较大的脆性，可用分较高的熔点、硬度和较大的脆性，可用分子式来表示子式来表示，如如Fe-C合金中的合金中的Fe3C根据形成条件及结构特点根据形成条件及结构特点金属化合物金属化合物间隙化合物间隙化合物正常价化合物正常价化合物电子化合物电

30、子化合物2.4 2.4 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上是原子由近程金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。有序状态过渡为长程有序状态的过程。物质由液态转变为晶态的过程称为物质由液态转变为晶态的过程称为结晶结晶。凝固：凝固：物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为凝固凝固。凝凝 固：固：指物质从液态经冷却转变为固态的过程；指物质从液态经冷却转变为固态的过程； 凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体凝固后的固态物质可以是晶体，也可以是非晶体结结 晶：晶：通过凝固形成晶体物质的过程通过凝固形成

31、晶体物质的过程金属的凝固过程金属的凝固过程玻璃的凝固过程玻璃的凝固过程结晶过程结晶过程非晶体凝固过程非晶体凝固过程金属从液态过渡为固体晶态的转变金属从液态过渡为固体晶态的转变一次结晶一次结晶金属从一种固态过渡到另一种固体晶态的金属从一种固态过渡到另一种固体晶态的过程过程二次结晶二次结晶性能发生突变性能发生突变逐渐变化逐渐变化2.4 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭1) ) 熔融液体的粘度熔融液体的粘度粘度粘度表征液体表征液体中发生相对运中发生相对运动的阻力动的阻力粘度越大，表粘度越大，表示液体越粘稠示液体越粘稠液体层间的内摩擦力液体层间的内摩擦力越大，相对运动也越越大，相对运动也越困难困难原子

32、无法迁移排成晶体原子无法迁移排成晶体形成无规则的原子排列形成无规则的原子排列金属材料熔体的金属材料熔体的粘度值极小粘度值极小，熔点附近原子的迁移能，熔点附近原子的迁移能力极强，绝大多数能凝固为晶体。力极强，绝大多数能凝固为晶体。2) ) 熔融液体的冷却速度熔融液体的冷却速度冷却速度越大冷却速度越大阻止金属材料阻止金属材料中原子的迁移中原子的迁移非晶态的金属材料非晶态的金属材料影响凝固状态的因素影响凝固状态的因素热力学定律：在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统热力学定律：在等压条件下，一切自发过程都是朝着系统自由能降低自由能降低的方向进行的方向进行液液 态态固固 态态T0温度升高温度升高自由能

33、下降自由能下降同一物质的液体和晶体在不同同一物质的液体和晶体在不同温度下自由能的变化温度下自由能的变化T0理论结晶温度理论结晶温度低于低于T0高于高于T0物质处于晶体状态稳定物质处于晶体状态稳定物质处于液体稳定物质处于液体稳定 或者说，金属从高温冷却下来时，必须使温度低于或者说，金属从高温冷却下来时，必须使温度低于T0结晶过结晶过程才能进行。程才能进行。液液 态态固固 态态T0液体与晶体的液体与晶体的自由能自由能- -温度曲线温度曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线T0冷却曲线：冷却曲线：测定液体金属结晶时温度和时间的变化关测定液体金属结晶时温度和时间的变化关 系作出的曲线系作出的曲线平台现象

34、平台现象：曲线上曲线上水平阶段水平阶段是由于结晶时放出是由于结晶时放出结晶潜热结晶潜热引起的引起的.纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线T0理论结晶温度（理论结晶温度（熔点熔点）结晶时的过冷现象结晶时的过冷现象金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象实际结晶温度实际结晶温度TTT0过冷度过冷度TT0 T注：对于某种金属来说，过冷度不注：对于某种金属来说，过冷度不是恒定值，它的大小与冷却速度有是恒定值，它的大小与冷却速度有关，关，冷却速度越大，过冷度也越大冷却速度越大，过冷度也越大，则金属的实际结晶温度越低。则金属的实际结晶温度越低。由于在结晶由于在结晶时释放

35、出结时释放出结晶潜热晶潜热过冷是结晶过冷是结晶的必要条件的必要条件3.3.结晶的结构条件结晶的结构条件形成晶核形成晶核固态金属固态金属原子作长程有序规则排列原子作长程有序规则排列金属结晶的实质金属结晶的实质: :由短程有序的排列的由短程有序的排列的液态金属转变成具有长程有序排列的固液态金属转变成具有长程有序排列的固态金属态金属在一定条件下短程有序排列的在一定条件下短程有序排列的原子团有可能成为原子团有可能成为结晶的核心结晶的核心液态金属冷却到液态金属冷却到T T0 0以下以下经过一段时间经过一段时间晶核晶核固态金属原子排列固态金属原子排列液态金属原子排列液态金属原子排列孕育孕育期期液态金属液态

36、金属原子作短程有序规则排列原子作短程有序规则排列二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程结晶过程结晶过程晶核不断形成晶核不断形成晶核不断长大晶核不断长大液体冷却到液体冷却到T0 0温度以下温度以下出现新的晶核出现新的晶核液液 体体经过一段时间经过一段时间( (称为孕育期称为孕育期) )晶晶 核核各个方向生长各个方向生长不断生核不断生核不断长大不断长大液体完全消失液体完全消失一些尺寸极小、一些尺寸极小、原子规则排列原子规则排列的小晶体的小晶体1. 结晶的基本过程结晶的基本过程晶晶 体体每一个晶核每一个晶核 一个小晶粒一个小晶粒 多晶体结构多晶体结构1）晶核的形成方式）晶核的形成方式晶核的形晶核的

37、形成方式成方式自发成核自发成核非自发成核非自发成核2. 2. 结晶后晶粒的大小结晶后晶粒的大小晶核可以由近程有序结构液体中晶核可以由近程有序结构液体中规则排列的原子团形成规则排列的原子团形成由液体中的固态杂质微粒作晶核由液体中的固态杂质微粒作晶核注：注：在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核同时在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核同时存在，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍存在，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍2) 晶核的长大方式晶核的长大方式晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状长大树枝状长大均匀长大均匀长大主要方式主要方式过冷度很小时过冷度很小时实际金属结晶实际金属结晶时冷却速度较时冷却速

38、度较大大晶核树枝状长大示意图晶核树枝状长大示意图3）晶粒大小）晶粒大小表示晶粒大小的一种尺寸表示晶粒大小的一种尺寸l 晶粒度晶粒度晶粒就是由一个晶核长大的晶体晶粒就是由一个晶核长大的晶体 晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或晶粒大小一般以单位面积的晶粒数目或以晶粒的平均直径来表示以晶粒的平均直径来表示标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。钢的晶粒度示意图（钢的晶粒度示意图（100 X 100 X ）2 2级级1 1级级8 8级级7 7级级6 6级级5 5级级4 4级级3 3级级3.3.晶粒大小对材料性能的影响晶粒大小对材料性能的影响晶粒越细，常温下的力学

39、性能越好晶粒越细，常温下的力学性能越好晶粒直径晶粒直径抗拉强度抗拉强度屈服强度屈服强度伸长率伸长率7.0mm7.0mm180MPa180MPa38MPa38MPa30.6%30.6%0.1mm0.1mm278MPa278MPa116MPa116MPa50%50%对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因对于在高温下工作的金属材料，晶粒应粗一些。因为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变为在高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大为减弱而致形的阻力大为减弱而致多晶体纯铁的晶粒大小与力学性能多晶体纯铁的晶粒大小与力学性能多晶铁的拉伸变形多晶铁的拉伸变形室温室温高温高温 决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素晶粒的大小晶粒的大小长大的速度长大的速度形核率形核率单位时间单位体积内形成晶核的数目单位时间单位体积内形成晶核的数目形核率（形核率（N）晶核的长大速度（晶核的长大速度（G）单位时间晶体生长的线长度单位时间晶体生长的线长度形核率与长大速度的比值形核率与长大速度的比值N/G越大越大晶粒越细晶粒越细晶粒度晶粒度-N,G-N,G-过冷度关系曲线过冷度关系曲线 控制晶粒尺寸的方法控制晶粒尺寸的方法1） 控制过冷度控制过冷度过冷度增