第二章材料

1、2.1金属的晶体结构金属的晶体结构2.2合金的晶体结构合金的晶体结构2.3实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2.4纯金属的结晶与同素异晶转变纯金属的结晶与同素异晶转变第第2章章 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构2.1 金属的晶体结构n2.1.1晶体的基础知识晶体的基础知识n1.晶体和非晶体晶体和非晶体n晶体晶体内部原子、离子、分子和其他原子内部原子、离子、分子和其他原子集团的排列有对称性、周期性、有序性的集团的排列有对称性、周期性、有序性的规律，如金属材料、光学材料等。规律，如金属材料、光学材料等。n非晶体非晶体-内部原子的排列不十分规则，甚至内部原子的排列不十分规则，甚至毫无规则，

2、如松香、玻璃等毫无规则，如松香、玻璃等晶体与非晶体晶体与非晶体1. 1. 晶体晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液过冷液体体”或或“无定形体无定形体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。2. 2. 区别区别(a)(a)是否具有周期性、对称性是否具有周期性、对称性(b)(b)是否长程有序是否长程有序(c)(c)是否有确定的熔点是否有确定

3、的熔点(d)(d)是否各向异性是否各向异性金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态Si2O的结构的结构晶面晶向晶晶 格格晶晶 面面晶晶 向向晶晶 胞胞返回主页2.晶格、晶胞、晶格常数晶格、晶胞、晶格常数2. 2. 金属的结晶：原子由金属的结晶：原子由无序状态向有序状态转无序状态向有序状态转变的过程。有晶体形成变的过程。有晶体形成。1. 1. 三种常见的金属的晶格三种常见的金属的晶格类型：类型： 体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架间格架。直线的交点（即原子中心）称。直线的交

4、点（即原子中心）称结点结点。由结点形成由结点形成的空间的阵列称的空间的阵列称空间点阵空间点阵。晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元能代表晶格原子排列规律的最小几何单元. .3 3）晶胞的描述）晶胞的描述 晶体学参数：晶体学参数：a,b,c,a,b,c,晶格常数：晶格常数：a,b,ca,b,c4)4)晶系：晶系：根据晶胞参数不同，根据晶胞参数不同， 将晶体分为七种晶系。将晶体分为七种晶系。90%90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=ca=b=c， = = = = =90=90 六方晶系六方晶系：a1=a2=a3a1=a2=

5、a3 c, c, = = =90=90 , , =120=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜2.2.三种典型的金属晶体晶胞三种典型的金属晶体晶胞( (1 1）体心立方晶胞）体心立方晶胞晶格常数：晶格常数：a a( (a a= =b b= =c c) )ar43 原子半径：原子半径：原子个数原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、 W、Mo、V、Nb等等（2 2）面心立方晶胞）面心立方晶胞 晶格常数：晶格常数：a aa42r ：原原子子半半径径原子个数：原子个数：4 4配位数：配位数： 1212致密度：致密度：0.

6、740.74常见金属：常见金属： -Fe-Fe、NiNi、 AlAl、CuCu、PbPb等等(3)(3)密排六方晶胞密排六方晶胞 晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a a 和高和高 c c， c/a=1.633c/a=1.633a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6 6配位数：配位数： 1212致密度：致密度：0.740.74常见金属：常见金属： MgMg、ZnZn、Be、Cd等等 1.合金合金是指由一种金属元素与另一种或几种其他元素，是指由一种金属元素与另一种或几种其他元素，通过一定方法结合在一起的具有通过一定方法结合在一起的具有金属特性金属特性的物质。的物质。Al-Cu两相

7、合金两相合金2.2 2.2 合金合金的晶体结构的晶体结构 2.组元组元合金的最基本的、合金的最基本的、稳定的组成部分。稳定的组成部分。分为分为二元合金、三元合金及二元合金、三元合金及多元合金。多元合金。n3.相相是合金组织的基本组成部分。是合金组织的基本组成部分。n组织组织实质上是指用肉眼或在显微实质上是指用肉眼或在显微镜所观察到的不同相或相的镜所观察到的不同相或相的形态、形态、分布及各相之间分布及各相之间的组合状态。的组合状态。n2.2.2合金的晶体结构合金的晶体结构n铁碳铁碳合金中的合金中的组织组织分为分为固溶体固溶体、金属化合物金属化合物和和机械混合物机械混合物三三类。类。1 1、固溶体

8、、固溶体合金组元通过溶解形成一种成分均匀、性能稳定的，合金组元通过溶解形成一种成分均匀、性能稳定的，且晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同的固态相且晶格类型与其中某一组元的晶格类型相同的固态相称为固溶体称为固溶体A A（B B）。）。A A：溶剂：溶剂 B B：溶质：溶质分类分类1 1）按溶质原子的位置分）按溶质原子的位置分置换固溶体置换固溶体 其中溶质原子占据溶剂原子点阵位置的其中溶质原子占据溶剂原子点阵位置的 固溶体。晶格类型相同固溶体。晶格类型相同, ,原子半径相差原子半径相差 不大不大, ,电化学性质相近电化学性质相近. .间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位溶质原子

9、位于溶剂原子点阵的间隙位 置中的固溶体，置中的固溶体， 原子半径较小。原子半径较小。2 2）按溶解度分）按溶解度分 有限固溶体有限固溶体 无限固溶体无限固溶体3 3）按分布有序度分）按分布有序度分 有序固溶体有序固溶体 无序固溶体无序固溶体 固溶强化固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。 溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错运动阻力上升位错运动阻力上升金属金属塑性变形困难塑性变形困难强度、硬度升高。强度、硬度升高。 金属化合物金属化合物 定义：定义：合金相

10、中，组成合金的几种原子有固定的比例，而且合金相中，组成合金的几种原子有固定的比例，而且晶体结构与组成组元均不同，则这种合金相称晶体结构与组成组元均不同，则这种合金相称金属化合物金属化合物。 金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。示其组成。当合金中出现金属化合物时，可当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3C机械混合机械混合物物 机械混合物机械混合物是各组元在固态下

11、既互不溶解，又不形成金属化合物是各组元在固态下既互不溶解，又不形成金属化合物，而是按照一定的重量比例，以混合的方式存在着，形成各组元，而是按照一定的重量比例，以混合的方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。晶体的机械混合物。它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之它可以是纯金属、固溶体或化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。间的混合。机械混合物各相保持原有的晶格，因此，机械混合物的性能介于机械混合物各相保持原有的晶格，因此，机械混合物的性能介于各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还于各相的形各组成相之间，它不仅取决于各相的性能和比例，还于各相的形状、大小和分布有关。

12、状、大小和分布有关。如：青铜、钢、生铁等如：青铜、钢、生铁等 2.3实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 理想晶体理想晶体+ +晶体缺陷晶体缺陷实际晶体实际晶体 实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体 单晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。：内部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶体多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向 异性异性 1 1晶体缺陷晶体缺陷实际晶体中存在着偏离（破坏实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分）晶格周期性和规则性的部分(1)(1)点缺陷点缺陷晶格结点处或晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的间隙处

13、，产生偏离理想晶体的变化变化 空位空位 晶格结点处无原子晶格结点处无原子 置换原子置换原子 晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据 间隙原子间隙原子 原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙 空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错(2)(2)线缺陷线缺陷( (位错位错) ) 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排

14、位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错位错。有。有刃型位错刃型位错和和螺型螺型位错位错两种类型。两种类型。n刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是是刃型位错刃型位错。n半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表示。表示。n半原子面在滑移面以下的称半原

15、子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“”表示。表示。电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)(3)(3)面缺陷面缺陷 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等界、亚晶界、表面等 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5 5- -1010个原子间距，个原子间距，位位向差一般为向差一般为2020- -4040。位向差很小（。位向差很小（10 10 - -2 2 ) )的小晶块为的小晶块为亚晶粒亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称。亚晶粒之间的交界面称

16、亚晶界亚晶界。亚晶界也可看作。亚晶界也可看作位错壁位错壁。2.4.1金属的结晶过程金属的结晶过程结晶结晶是金属由液体转变为固态晶体是金属由液体转变为固态晶体的现象的现象1.1.冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度1 1）冷却曲线）冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称称冷却曲线。冷却曲线。曲线上水平阶段所对曲线上水平阶段所对应的温度称应的温度称实际结晶温度实际结晶温度T1T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。结晶潜热引起的。 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线2.4 2.4 纯金属的结晶与同素异晶转变纯金属的结晶与同素异晶转

17、变2）过冷与过冷度过冷与过冷度液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称称过冷过冷度度。 T= T0 T1过冷度大小与冷却速过冷度大小与冷却速度有关，度有关，冷速越大，冷速越大， 过冷度越大。过冷度越大。2.纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程1 1）结晶的基本过程结晶的基本过程 结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核晶核 的长大的长大两个基本过程组成两个基本过程组成。 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为时聚时散

18、，称为晶坯晶坯。在。在T0以下，经一段时间后以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为为晶核晶核。界面自由能界面自由能体积自由能体积自由能晶胚晶胚晶核晶核rrcG*自由能变化自由能变化G 晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。触后形成晶界。晶粒晶粒晶界晶界实际的金属材料基本都是多晶体实际的金属材料基本都是多晶体树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶n3.铸件晶粒组织1.表面细晶粒区表面细晶粒区2.柱状晶粒区柱状晶粒区3.中心等轴晶粒区中心等轴晶粒区n金属铸锭三种晶粒区金属铸锭三种晶粒区n1、表面细晶粒区、表面细晶粒区n晶粒细小、区域厚度较小、组织致密、成分均匀、力学性能较好。n2、柱状晶粒区、柱状晶粒区n这种组织在锻造和轧制时，容易使金属沿接合面开裂。n3、中心等轴晶粒区