第2章金属的晶体结构与结晶

1、第第2章章 金属的晶体结构和结晶金属的晶体结构和结晶n知识目标：知识目标：q了解三种典型金属晶体结构的特点及常见金属。q了解金属的实际结构与晶格缺陷。q掌握纯金属的结晶的条件、基本过程和细化晶粒的主要方法。q掌握纯铁的同素异构转变。n技能目标：技能目标：q能运用金属晶体结构的知识分析典型金属的性能差异。q能运用细化晶粒的措施提高铸件的力学性能。 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构 2.2 金属的结晶金属的结晶2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变第第2章章 金属的晶体结构和结晶金属的晶体结构和结晶2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构n2.1.1 晶体与非晶体n2.1.2 晶体结构的概念

2、n2.1.3 金属晶格的类型2.1.1 晶体与非晶体 晶体晶体：在物质内部，凡原子（或分子）在三维空间呈有序、有规则排列的物体。 非晶体非晶体：在物质内部，凡原子（离子或分子）在三维空间呈无序堆积状况的物体。 晶体晶体金刚石、NaCl、冰 等。非晶体非晶体 蜂蜡、玻璃 等。2.1.1 晶体与非晶体项 目晶晶 体体非非 晶晶 体体定义 凡原子（或分子）在三维空间呈有序、有规则排列的物体 凡原子（离子或分子）在三维空间呈无序堆积状况的物体性能特点 具有规则的几何形状 有一定的熔点，性能呈各向异性 没有规则的几何形状 有固定的熔点，性能呈各向同性 典型物质 石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精

3、玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶 晶体和非晶体的对比2.1.2 金属的晶格类型金属的晶格类型2.1.2.1晶格和晶胞晶格和晶胞 为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似看做是一个个刚性小球，则金属晶体就是由这些刚性小球按一定几何规则紧密堆垛而成的物体。 晶体内部原子排列示意图晶体中原子的排列2.1.2 金属的晶格类型金属的晶格类型2.1.2.1晶格和晶胞晶格和晶胞 晶格：晶格：为了清楚地表示晶体中原子排列的规律，将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，形成一个能反映原子排列规律的空间格架。晶 格2.1.2 金属的晶格类型金属的晶格类型晶胞晶胞：晶格中能够完整地反映晶体晶格特征的最小几何单

4、元。晶 胞2.1.2 金属的晶格类型金属的晶格类型2.1.2.2 晶格常数晶格常数 zxy a ab bc c图23 简单立方晶格的晶胞的表示方法棱边长度都相等（a=b=c） 三个晶轴之间的夹角也相等=90 晶格常数晶格常数：晶胞的棱边长度称为晶格常数 2.1.2 金属的晶格类型金属的晶格类型2.1.2.3 晶面和晶向晶面和晶向晶面晶面：在晶体中由一系列原子中心所构成的平面称为晶面。晶向晶向：通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。2.1.3 金属晶格的类型金属晶格的类型每个晶胞原子数每个晶胞原子数n=8n=81/8+1=1/8+1=2(2(个个) )属于属于

5、体心立方晶格体心立方晶格类型的金属有类型的金属有-Fe-Fe（912912以下的钝铁）、铬、以下的钝铁）、铬、钼、钨钼、钨等。等。2.1.3.1 体心立方晶格体心立方晶格2.1.3 金属晶格的类型金属晶格的类型2.1.3.2 面心立方晶格面心立方晶格每个晶胞中的原子数为每个晶胞中的原子数为n=8n=81/8+61/8+61/2=1/2=4(4(个个) )属于属于面心立方晶格面心立方晶格类型的金属有类型的金属有-Fe-Fe（13941394912912的钝的钝铁）、铝、铜、银铁）、铝、铜、银等。等。2.1.3 金属晶格的类型金属晶格的类型2.1.3.3 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶胞中的原

6、子数密排六方晶胞中的原子数n=12n=121/6+21/6+21/21/23=3=6(6(个个) )有有密排六方晶格密排六方晶格的金属有的金属有镁（镁（MgMg）、锌（）、锌（ZnZn）、铍（）、铍（BeBe）、镉（）、镉（CdCd）等。等。 金属材料是如何得到的？冶炼冶炼矿石矿石金属材料金属材料凝固凝固液态液态固态固态2.2 金属的结晶金属的结晶炼铁2.2 金属的结晶金属的结晶2.2.1 纯金属的冷却曲线及过冷度2.2.2 纯金属的结晶过程2.2.3 晶粒大小对金属力学性能的影响2.2.4 金属晶体结构的缺陷2.2 金属的结晶金属的结晶液体液体固体固体 结晶结晶：金属由原子不规则聚集不规则聚

7、集的液体转变为原子规则排列规则排列的固体的过程。结晶结晶2.2.1 纯金属的冷却曲线及过冷度纯金属的冷却曲线及过冷度 研究方法：热分析法。研究方法：热分析法。1 1、纯金属的冷却曲线、纯金属的冷却曲线结晶潜热：结晶潜热：结晶的过程中放出的热量。 2.2.1 纯金属的冷却曲线及过冷度纯金属的冷却曲线及过冷度 金属结晶的条件:必须有一定的过冷度T1T理论结晶温度实际结晶温度T = T0 T1t tT TT0过冷度过冷度: :理论结晶温度和实际结晶温度（T1）之间存在的温度差（T= T0 T1）。 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度T也就越大。 液态金属必须冷却到理论结晶温度T

8、0以下某一个温度T时才开始结晶，这个现象称为过冷。2 2、过冷现象和过冷度、过冷现象和过冷度纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程晶核长大晶核长大形核形核2.2.2 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程2.2.2 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程1.1.形核形核长大长大形 核长 大自发形核：自发形核：在一定过冷条件下，仅依靠自身原子有规则排列而形成晶核 非自发形核：非自发形核：液态金属中常存在着各种固态的杂质微粒，依附于这些固态微粒而形成晶核形核形核2.2.长大长大按树枝状长大的方式长大按树枝状长大的方式长大冰花枝晶纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图液态金属的结晶条

9、件：一定过冷度的条件下液态金属的结晶条件：一定过冷度的条件下2.2.2 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程2.2.3 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响 实验表明，细晶粒金属比粗晶粒金属具有更高的强度、硬度、塑性和韧性。 形核率越高，长大速度越小，结晶后的晶粒越细小。因此，细化晶粒的根本途径是提高形核率及降低晶核长大速度。 表表21 晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶粒大小对纯铁力学性能的影响晶体平均直径/mRm/MPaReL/MPaA/%701843430.6252164539.52.02685848.81.62706650.72.2.3 晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小

10、对金属力学性能的影响在长大速率相同的情况下，形核越多，晶粒越细。形核率（形核率（N）：）：单位时间单、位体积内形成晶核的数目。长大速率（长大速率（G）：）：晶核在单位时间内生长的长度。 晶粒大小的控制晶粒大小的控制 细化晶粒的方法：细化晶粒的方法： 1.增加过冷度 2.变质处理 3.振动处理 2.2.4 金属晶体结构的缺陷金属晶体结构的缺陷n晶体缺陷：晶体缺陷：晶体中原子（或分子）周期性排列受到干扰而破坏的现象2.2.4.1点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷：指在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷 置换原子 2.2.4金属晶体结构的缺陷金属晶体结构的缺陷2.2.4.2 线缺陷线缺陷 线缺陷线缺陷：指晶体内

11、部呈线状分布的缺陷即位错位错刃型刃型位错位错：是晶格中有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。 刃刃型位错型位错刃型位错刃型位错2.2.4金属晶体结构的缺陷金属晶体结构的缺陷2.2.4.2 线缺陷线缺陷 螺型位错螺型位错：晶体右边的上部原子相对于下部的原子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，若将错动区的原子用线连起来，则具有螺旋型特征2.2.4金属晶体结构的缺陷金属晶体结构的缺陷2.2.4.3 面缺陷面缺陷 面缺陷面缺陷：是指晶体中的晶界和亚晶界 2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变 同素异构转变同素异构转变：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 1394912-FeFeFe 体心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处：有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程是一个形核和晶核长大的过程。 2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变同素异构转变属于固态相变，又具有本身的特点。在同素异构转变时，新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核，转变后形成的晶粒较细小；转变需要较大的过冷度，一般液体金属结晶的过冷度为几度到几十度，而固态相变时的过冷度可达