金属晶体结构

1、金属与合金的金属与合金的晶体结构与结晶晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构一、晶体与晶格固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体 原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。晶体 原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨及固态金属等。两者的性能差异：晶体具有一定的凝固点和熔点，非晶体没有；晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。 晶体中原子在空间是按一定规律堆砌排列的。晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，有必要把原子抽象化，把每个原子看成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点用直线连接起来，便形成一个空间格子，叫做晶格。2.1.1 晶体结构的基础知识结点 晶格中每个点叫结

2、点。晶胞 晶格的最小单元叫做晶胞，它能代表整个晶格的原子排列规律。结点结点晶胞晶胞晶格常数 晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数，其大小用来度量（1 =10-8cm）。晶格常数a=b=c，而=90o的晶胞为简单立方晶胞 。 2.1.2 最常见的晶格类型1、体心立方晶格a）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。b）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。c）致密度0.68属于这类晶格的金属有：-Fe、Cr、V、W、Mo等。2、面心立方晶格a）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。b）每个体心立方晶胞中仅包含4个原子。c）致密度0.74属于这类晶格的金属有：-Fe、Al、Cu、Pb等。3、密排六方晶格a）原子分布

3、在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。b）每个密排六方晶胞中包含6个原子。c）致密度0.74属于这类晶格的金属有：Mg、Zn等。2.1.3 金属的实际晶体结构工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的多晶体，每个小晶体称为晶粒。如果一整块金属仅由一个晶粒组成，则称为单晶体。反之则为多晶体。晶界：晶粒与晶粒之间的界面。显微组织：在显微镜下观察到的晶粒的大小、形态和分布。1、单晶体和多晶体在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷。按缺陷的几何形态分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬

4、度。 2、晶体缺陷1）点缺陷：空位和间隙原子 晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位；某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格，即发生了“晶格畸变”。点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度。 2）线缺陷：即位错 在晶体中，有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。 位错对金属的性能有着重要影响3）面缺陷：晶界和亚晶界 晶界是晶粒与晶粒之间的界面，另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。2.2 金属的结晶液态转变为固态的过程称为凝固。液态金属的凝固过

5、程就称为结晶。 1、结晶2、冷却曲线与过冷度1)冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律。通过热分析法测量绘制，即使熔化后的液体金属缓慢冷却，每隔一定时间记录下温度值，将温度T和对应时间t绘制成T-t曲线。 时间t温度TT0Tn 2)过冷度 图中T0为理论结晶温度，金属实际结晶温度(Tn)总是低于理论结晶温度的现象，称为过冷现象。而 过冷度T=T0TnT=T0Tn2、结晶的过程晶核的形成和长大过程3、金属结晶后的晶粒大小一般来说，晶粒愈细，强度和硬度愈高，同时塑性和韧性也愈好。晶粒大小控制: 晶核数目: 多细(晶核长得慢也细)冷却速度: 快细(因冷却速度受限,故多加外来质点)

6、晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方面入手.细化晶粒的方法细化晶粒的方法 1、过冷度大：冷却速度愈大，过冷度愈大，晶 粒愈细。2、变质处理：在实际生产中，有意向金属液中加入某些物质（称为变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。3、振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒细化。2.3 二元合金相图二元合金相图一、基本概念 1、合金 由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。 2、组元 组元是指组成合

7、金的最基本的、能独立存在的物质。根据组元数目的多少，可将合金分为二元合金、三元合金等。 3、显微组织 在显微镜下观察到的组成相的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织，因此相是组成组织的基本物质。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。 3、合金系 合金系是指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。4、相 相是指在合金中，凡成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。二、合金中的相结构 合金中常见的相有： 液相 纯金属 固溶体 金属化合物。1、固溶体 溶质原子溶入金属溶剂中所组成的合金。 特点：其点阵结构仍保持溶剂金属的结构，只是由于溶质原子的溶入引起晶格参数发生改变。

8、固溶强化由于各原子大小不一，化学性质也不尽相同，无论组成置换固溶体还是间隙固溶体，都造成固溶体的晶格扭曲。结果，固溶体的强度和硬度升高。置换固溶体置换固溶体 当合金中的二组元的原子半径相近时，更易形成这种置换固溶体。有些置换固溶体的溶解度有限，称有限固溶体，但当溶剂与溶质原子的半径相当，并具有相同的晶格类型时，它们可以按任意比例溶解，这种置换固溶体称为无限固溶体。溶剂结点上的部分原子被溶质原子替代所形成的固溶体溶剂结点上的部分原子被溶质原子替代所形成的固溶体间隙固溶体： 溶质原子在固溶体中处于溶剂晶体结构的间隙位置。 溶质原子不占据正常的晶格结点，而是嵌入晶格间隙中，由于溶剂的间隙尺寸和数量有

9、限，所以只有原子半径较小的溶质（如碳、氮、硼等非金属元素）才能溶入溶剂中形成间隙固溶体，且这种固溶体的溶解度有限。固溶体的性能：固溶体与纯金属相比，不仅具有高的强度和硬度，还有良好的塑性与韧性。一般合金都是以固溶体作为基体相。 固溶强化：无论形成哪种固溶体，都将破坏原子的规则排列，使晶格发生畸变，随着溶质原子数量的增加，晶格畸变增大。晶格畸变导致变形抗力增加，使固溶体的强度增加，所以获得固溶体可提高合金的强度、硬度，这种现象称为固溶强化。固溶强化是提高金属材料性能的重要途径之一。 2、金属化合物 合金元素间相互作用而形成的新相。 特点： 1）其晶格类型和性能不同于任一组元； 2）一般具有更复杂

10、的晶体结构，熔点高，硬而脆； 3）能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。 4）它的组成一般可用分子式来表示 如碳素钢中的Fe3C、铜铝合金中的CuAl2、合金钢中的Cr23C6及Fe4W2C等都是金属化合物。 二、二元合金相图相图测定方法：相图测定方法：最常用的相图测定方法为热分析法，即对合金系中不同成分的合金进行加热熔化，观察在极其缓慢加热和冷却过程中内部组织的变化，测出其相变临界点，并标于“温度成分”坐标中，绘成相图。1、二元合金相图的建立1）配置各种成分的合金；2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；3）建立坐标系。作出临界点4）连接开始转变点和转变终了点并标注

11、数字、字母和各区内的相或组织名称。以以Cu-Ni合金为例合金为例,说明二元合金相图的建立说明二元合金相图的建立时间时间温度温度I合金成分Cu:100%Ni:0%CuNi80604020IIIIIIVVVI合金成分Cu:0%Ni:100%合金成分Cu:80%Ni:20%合金成分Cu:60%Ni:40%合金成分Cu:40%Ni:60%合金成分Cu:20%Ni:80%温度温度二元合金相图分析二元合金相图分析一个液相区，位于相图的最上方，常用L表示；一个固相区，位于相图的下方，用表示；1、相图分析、相图分析位于两个区之间的区域则是液、固共存区。用 + L 表示该点表示纯Cu的熔点该点表示纯Ni的熔点现以含Ni 40%的合金为例来分析其结晶过程当合金温度高于A点温度时，合金处于液态当合金由高温缓