第二章纯金属与合金的结晶

1、1第第2 2章章 金属材料的晶体金属材料的晶体结构与结晶结构与结晶 2材料的结构材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。表明材料的组元及其排列和运动方式。对材料内部结构水平的认识：对材料内部结构水平的认识：宏观、微观宏观、微观。3“组织结构组织结构”4相：相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。广义的讲广义的讲组织结构包括了组织结构包括了成分、相、组织、结构成分、相、组织、结构等概念。等概念。组织：组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌，用肉眼或显微镜观察

2、到的材料的微观形貌，它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大它可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和分布方式的多种相组成。小和分布方式的多种相组成。52.1 金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织2.2 合金的晶体结构和组织合金的晶体结构和组织2.3 铁碳合金相图铁碳合金相图62.1 纯纯金属的晶体结构和结晶金属的晶体结构和结晶2.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 1晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、 周期性排列。周期性排列。非晶体非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液：材料

3、的原子（离子、分子）无规则堆积，和液 体相似，亦称为体相似，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。(a)、是否具有周期性、对称性；、是否具有周期性、对称性；(b)、是否长程有序；、是否长程有序；(c)、是否有确定的熔点；、是否有确定的熔点；(d)、是否各向异性。、是否各向异性。区区 别别72晶体结构的基本知识晶体结构的基本知识 a.理想晶体理想晶体实际晶体的理想化实际晶体的理想化p 三维空间无限延续，三维空间无限延续，无边界无边界；p 严格按周期性规划排列，是严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷完整的、无缺陷；p 原子在其平衡位置原子在其平衡位置静止不动静止不动。 b. 理想晶

4、体的晶体学抽象理想晶体的晶体学抽象（见下图见下图） 空间规则排列的空间规则排列的原子原子刚球刚球模型模型晶格晶格（刚球抽（刚球抽象为象为晶格晶格结点，构成结点，构成空间格架空间格架）晶胞晶胞（具有周期性（具有周期性最小组成单元）最小组成单元）晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。82.1 理想晶体的晶体学抽象示意理想晶体的晶体学抽象示意 92.2 晶胞的描述晶胞的描述 晶体学参数：晶体学参数：a, b, c,晶格常数：晶格常数：a, b, c晶系晶系轴轴( (棱边棱边) )之间的夹角之间的夹角三斜晶系三斜晶系 单斜晶系单斜晶系 斜方

5、晶系斜方晶系 正方晶系正方晶系 菱方晶系菱方晶系 六方晶系六方晶系 立方晶系立方晶系 cXZYOba七个晶系：七个晶系：10布拉菲空间点阵晶胞布拉菲空间点阵晶胞11晶向晶向(crystal direction):(crystal direction): 在晶格中在晶格中, ,任意两原子之间的连线所指的方向。任意两原子之间的连线所指的方向。晶向指数晶向指数: : 用密勒用密勒(Miller)(Miller)指数对指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。行标定。n确定方法确定方法:n设置坐标设置坐标; ;n求投影坐标求投影坐标; ;n取最小整数。取最小整数。1

6、2晶面晶面(crystal face):(crystal face):在晶格中由在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。一系列原子所构成的平面称为晶面。n确定方法确定方法: n设置坐标设置坐标; ;n求截距求截距; ;n取倒数。取倒数。晶面指数晶面指数(indices of crystallographic plane ):用密勒用密勒(Miller)(Miller)指数对晶格中指数对晶格中 某一晶某一晶面进行标定。面进行标定。 13晶胞原子数晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。：是指在一个晶胞中所含的原子数目。8*1/8+1=2 原子半径原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻

7、两原子间：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。致密度致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。排系数。 致密度致密度=（晶胞中原子所占有的体积（晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积）晶胞的体积）X100%配位数配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。143三种典型的金属晶体晶胞三种典型的金属晶体晶胞(图图) 属于此类结构的属于此类结构的金属有：碱金属、金属有：

8、碱金属、难溶金属（难溶金属（V V、NbNb、TaTa、CrCr、MoMo、W W）a-a-FeFe等等 属于此类结构的金属于此类结构的金属的有：属的有：Al、贵重金、贵重金属、属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不以及奥氏体不锈钢等锈钢等。 属于此类结构的属于此类结构的金属有：金属有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。等。体心立方晶胞体心立方晶胞bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcp15161、体心立方晶胞、体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子

9、数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% 43a17 属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等等182、面心立方晶胞、面心立方晶胞FCC- Face-Centered Cube晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% 42a19FCC刚球模型刚球模型 属于此类结构属于此类结构的金属有：的金属有：Al、贵、贵重金属、重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd

10、、Pt以及奥以及奥氏体不锈钢等。氏体不锈钢等。203、密排六方晶胞、密排六方晶胞HCP -Hexagonal Close-Packed 晶胞晶胞 晶体学参数晶体学参数 原子半径原子半径 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数 致密度致密度 HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 21 属于此类结属于此类结构的金属有：构的金属有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等。等。HCP刚球模型刚球模型22BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞的重要参数 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b

11、=c,a=b=g=90o 2 8 68% FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 23密排面与密排方向密排面与密排方向110, 111, 底面底面, 底面上任底面上任 意相邻原子的连线意相邻原子的连线244金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构 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多晶体多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各向异性晶体缺陷：晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离实际晶体中

12、存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分（破坏）晶格周期性和规则性的部分。 a、点缺陷点缺陷b、线缺陷线缺陷（位错）c、面缺陷面缺陷单晶体单晶体多晶体多晶体晶体的各向异性即沿晶格的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同，这就是晶体的各向异性。25A、 点缺陷点缺陷 晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。 u空位空位 (vacancy )：晶格结点处无原子晶格结点处无原子 u置换原子置换原子(gap atom )：晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据u间隙原子间隙原子(substit

13、utional atom )：原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙 空位、间隙原子、置换原子示意图空位、间隙原子、置换原子示意图 空位空位26点缺陷导致晶格畸变点缺陷导致晶格畸变置换原子置换原子引起的晶格畸变引起的晶格畸变空位引起的晶格畸变空位引起的晶格畸变27B B、 线缺陷线缺陷( line defect ) 位错位错( dislocation )： 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。 u刃型位错刃型位错( screw dislocation ) u螺型位错螺型位错 ( blade dislocation )28c、 面缺陷面缺陷( surface

14、-defect )一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。 晶界晶界( grain boundary ):晶粒与晶粒之间的界面。晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界亚晶界( sub-boundary ):相邻晶粒位向很小相邻晶粒位向很小( (一般一般1 12 2) )的小角度晶界。的小角度晶界。表面表面（surface）：）：表面与内部不同。表面与内部不同。 区域：区域：大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界2930 Cu-Ni 合金中的亚结构合金中的亚结构312.1.2、纯金属的结晶、纯金属的结晶1结晶与凝固的区别结晶与凝固的

15、区别 凝固凝固：LS S可以是非晶可以是非晶结晶结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。 一次结晶：一次结晶：LS晶态晶态 二次结晶：二次结晶：SS晶态晶态LiquidSolid322结晶驱动力结晶驱动力F0，而不是过冷度，而不是过冷度T 自然界的自发过程进行的热力学条件都是自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0 体系中各种能量的总和叫做内能体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外，其中可以对外做功或向外释放的能量叫做功或向外释放的能量叫自由能自由能F，F=U-

16、TS（熵）（熵）过冷度：过冷度： T=Tm-Tn , F用来克服界面能用来克服界面能Tma 当温度当温度TTm时，时，FsFL, 液相稳定液相稳定b 当温度当温度TTm时，时，FsL+初初-L+初初+（ c+ e)- 初初+（ c+ e)- 初初+ II+（ +） 亚共晶合金组织亚共晶合金组织 6162相组成物相组成物：， 室温下室温下：组织相对量组织相对量： 在共晶温度时在共晶温度时： 室温下室温下： 初初-+ II 63L=M+fg64合金合金IV：（：（ 过共晶合金）过共晶合金）-作业作业 组织标注相图组织标注相图 IVIIII(+ )相（%）组织（%）65四、合金性能与相图的关系四、合

17、金性能与相图的关系 1、合金的使用性能与相图的关系、合金的使用性能与相图的关系66p 溶质元素溶质元素晶格畸变大晶格畸变大强度、硬度强度、硬度，（，（50%最大）最大）p 复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平均值。均值。HB=HBa a * a a% + HB*%p 对组织较敏感的性能对组织较敏感的性能强度，与组成相或组织组成物的强度，与组成相或组织组成物的形态有很大关系。组成相或形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高组织组

18、成物越细密，强度越高（共晶点共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强度可达度可达最高值最高值。）。）672、合金的工艺性能、合金的工艺性能 68na. 铸造性能铸造性能液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的液态合金的流动性以及产生缩孔，裂纹的倾向性等。液固相线距离愈小，倾向性等。液固相线距离愈小，结晶温度范围愈小结晶温度范围愈小合合金的流动性好金的流动性好有利于浇注有利于浇注。 液固相线距离大液固相线距离大枝晶偏析倾向愈大，合金流动性枝晶偏析倾向愈大，合金流动性也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使铸造性能恶化，也愈差，形成分散缩孔的倾向也愈大，使

19、铸造性能恶化，所以铸造合金的成分常取所以铸造合金的成分常取共晶成分共晶成分和和接近共晶成分接近共晶成分或或选选择结晶温度间隙最小择结晶温度间隙最小的成分。的成分。n b.锻造、轧制性能锻造、轧制性能u单相固溶体合金单相固溶体合金u单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好单相组织变形抗力小，变形均匀，不易开裂，塑性好69一般要求一般要求u1.晶格的致密度，晶体的各向异性；u2.金属中的扩散;u3.复习并进一步熟悉强度，塑性等机械性能指标;u4.金属铸锭的组织特征及缺陷；u5.形成稳定化合物的相图；u6.合金相图与性能的关系。70重点掌握重点掌握 n1.有关晶体结构的基本概念：金属键，晶面，晶向，晶体，晶格，晶粒