金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals

1、金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals第一节 金属的晶体结构 Crystal Structure of Metals为什么要研究金属的结构？一、晶体的概念1、晶体 原子（离子、分子）在三维空间作有 规则的周期性重复排列所构成的物体。 即：（long-range order）金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals晶体非晶体金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals2、空间点阵（Space lattice） 将晶体中原子或离子抽象为纯几何点（阵点 lattic

2、e point），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列空间点阵（晶格）。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 3、晶胞 (Unite cells ) 从晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列形式的特征，这种最基本的几何单元称为晶胞。（代表原子排列特征的最基本几何单元）。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals1、体心立方晶格金属的结构与结晶StructureandCrystallizationof

3、Metals金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 晶格常数：a=b=c, =900 晶胞中原子位于立方体的八个顶角和中心 晶胞原子数：1/88+1=2 原子半径：r= a/4 属于这种晶格的金属有： -Fe,Cr,W,Mo,V,Nb 等。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals2、面心立方晶格金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals金属的结构与结晶Structurean

4、dCrystallizationofMetals金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 晶格常数：a=b=c, =900 晶胞中原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心 晶胞原子数：1/88+1/26=4 原子半径： r = a/2 属于这种晶格的金属有：-Fe，Al, Cu, Ag, Au, Pb 等。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals3、密排六方晶格金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals金属的结构与结晶StructureandCrystalliz

5、ationofMetals 晶格常数：a=bc, =900，=1200； a六方柱体底边长，c上下底面的距离； 六方晶格晶胞中，原子位于六方柱体的十二个顶角， 上下底面中心，六方柱体中还有三个原子。 晶胞原子数：1/612+1/22+3=6 原子半径：r = a/2 属于这种晶格的金属有：Mg， Zn， Cd（镉），Be等。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals四、三种典型晶格的致密度及晶面、晶向分析 1、晶格致密度 晶格的致密度是指晶胞中，原子球所占的体积与 晶胞体积之比值：V原子 / V晶胞金属的结构与结晶StructureandCrysta

6、llizationofMetals体心立方晶格的致密度：（ 32%的空隙）面心立方晶格的致密度：0.74 （ 26%的空隙） 密排六方晶格的致密度：0.74 （ 26%的空隙）简单立方晶格的致密度：0.52 （ 48%的空隙） 金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 一般而言，晶格致密度大，空隙体积小，晶 格溶解其他原子的能力就小。 体心立方晶格中虽然空隙所占体积较大，但它 的空隙分散，单个空隙的尺寸小；而面心立方晶格 虽然空隙体积小，但空隙集中，空隙尺寸大。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals

7、因此对于同一溶质，在面心立方晶格中的溶解 度往往大于在体心立方晶格中的溶解度。 如： 碳在-Fe中的最大溶解度为2.11%，而在 -Fe中的最大溶解度为0.0218%金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals2、晶格的配位数 所谓晶格的配位数是指晶格中任一原子周围所紧 邻的且等距离的原子数。显然配位数越大，晶格中的 原子排列越紧密。 体心立方晶格的配位数：8 面心立方晶格的配位数：12 密排六方晶格的配位数：12金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals3、晶面及晶向指数（密勒指数） 晶面：若干原子连成的平

8、面。 晶向：各种方向上的原子列。 研究晶体结构常需分析不同晶面、晶向的原子分 布特点，故需定义晶面、晶向指数密勒指数金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 晶面指数的定义： 、在晶格中设置坐标轴X、Y、Z，坐标原点应位于 待定指数的晶面之外、求出待定晶面在各个坐标轴上的截距，并用晶轴 的单位长度（晶胞的晶格常数）作为截距的单位， 2-2，3b-3，1c-1 、取截距的倒数，然后化为最小的简单整数，加上 小括号，即得晶面指数。若晶面与晶轴相截于负 方向，则将负号标于该数的上方。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationo

9、fMetals 晶向指数的定义： ， 、以晶胞的晶轴为坐标轴，以晶 胞的边长为坐标轴的长度单位、使待定晶向的直线通过坐标原点或通过原 点作一直线平行于待定晶向、在通过原点的直线上选出距原点最近的 一个结点，确定该结点的坐标值、将三个坐标值化为互质整数，再加上方括 号，即为该待定晶向的晶向指数。如果 其中某一数值为负，则将负号标注在该 数值上方。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals4、晶面及晶向的原子密度 晶面的原子密度是指晶面上单位面积的原子数。 晶向的原子密度是指晶向上单位长度的原子数。 体心立方晶格： 100晶面1/a2 晶向 1/a 11

10、0晶面 2 晶向 0.7/a 111晶面 2 晶向 1.16/a金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals所以体心立方晶格： 最大原子密度晶面是：110晶面最大原子密度晶向是：晶向同样对于面心立方晶格： 最大原子密度晶面是：111晶面 最大原子密度晶向是：晶向金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals5、晶体的各向异性 由于晶体中不同晶面、晶向上的院子密度 不同，故晶体在不同方向上的性能也不同，呈 现各向异性，这是晶体区别于非晶体的重要标 志之一。 如：体心立方的铁晶体，在晶向上 E=290000MN/m2

11、；而在晶向上， E=1350000MN/m2金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals第二节 金属的实际结构和晶体缺陷1、多晶体结构 单晶体：晶体内部晶格方位完全一致 多晶体：晶体内部包含很多小晶体，每个小 晶体内 部晶格方位完全一致，而各 个小晶体之间彼此的晶格方位都不 相同。 晶粒： 组成金属晶体的小晶体，因其外型呈 不规格 的颗粒状故称晶粒。 晶界： 晶粒之间的界面。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals晶界的特性： a.晶界处能量高，杂质多。 b.晶界易被腐蚀。 c.晶界熔点比晶内低。 d.相变

12、首先在晶界处发生。 e.晶界阻碍位错的运动，因此晶界不易发 生塑性变形。 亚晶：每个晶粒内部，存在晶格位向有微 小差异的小区域，位向差很小10-20， 最多 1-2，这些小区域称为亚晶。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals返回金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals返回金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals2、晶体缺陷 点缺陷（零维缺陷） 晶格空位：晶格中的原子脱离晶格结点，形成空位。 间隙原子：从晶格结点上脱离的原子转移到晶格间隙。 间隙原子。 晶格

13、中晶格空位，间隙原子的存在，会改变其周围原子 的平衡，造成晶格畸变。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 线缺陷（一维缺陷） 位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。 位错包括刃型位错，螺型位错及混合位错。位错线 周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，使周围的 晶格发生了畸变。 面缺陷（二维缺陷） 晶界，亚晶界金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals螺型位错 刃型位错 金属的结构与结晶StructureandC

14、rystallizationofMetals第三节 金属的结晶与铸锭一、结晶的概念 金属由液体凝固为晶体的过程，称为结晶。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals1、热分析法 将纯金属放入加热炉内的坩埚中加热使之熔化， 然后缓慢冷却，用记录仪将冷却过程中的温度与时 间记录下来，得到冷却曲线，从而可测的金属的实 际结晶温度的方法，称为热分析法。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals2、过冷度 金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。 T=Tm-T0金属的结构与结晶StructureandCryst

15、allizationofMetals3、金属结晶的热力学条件 由于液体与晶体的结构不同，其在同一温度下 的自由能是不同的，液相与固相的自由能曲线的交 点对应的温度即是理论结晶温度。 当温度低于理论结晶温度时，由于液相的自由 能高于固相，液相就会向固相转变，即发生结晶， 结晶的推动力就是液相与固相的自由能差F, F 越大结晶越容易。而过冷度T越大，F越大。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 自由能F温度TTmT1TF液相固相金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals二、金属的结晶规律 金属的结晶规律与

16、非金属的结晶规律一样，都是 分两个步骤：晶核的形成 晶核的成长 金属从液态冷却过程中，首先产生不稳定的原子 排列小集团（晶胚），随着温度的降低，形成稳定的 晶核，晶核形成的初期，原子排列规则，但随着晶核 的成长，由于棱角处的散热条件优于其它部位，因而 便得到优先成长，即呈“枝晶成长”，首先长出枝干， 再长出分枝，最后把晶间填满。过冷度越大，枝晶成 长的特点越明显。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 金属实际结晶过程中，结晶开始时， 晶核数量少，结晶很慢；随着温度的降 低，晶核大量形成并成长，结晶速度加 快。当晶体长大并相互抵触时，结晶速 度又

17、变慢。正是由于结晶过程中各晶体 的成长相互抵触、相互限制，所以最后 形成的晶粒具有不规则的外形，并产生 各种缺陷。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals三、影响金属结晶的因素 1、过冷度的影响 不同过冷度T对晶核形成率N和晶核成长 率G 的影响为抛物线。 当过冷度较低时，晶核的形成率和成长率 均很小，随着过冷度的增大，二者都增大，并 在一定的过冷度时达到最大值；当过冷度进一 步增大，二者又逐渐减小，直至过冷度很大时， 又先后趋于零。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 过冷度对晶核形成率和成长率的

18、上述影响， 主要是因为在结晶过程中有两个相反因素在同 时起作用： 过冷度越大，液相与固相的自由能差F越大， 结晶的推动力越大。 过冷度越大，液体中原子的迁移能力或扩散能 力越小，晶核的形成和成长越难。金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals 当过冷度很大时，金属不再通过结晶方式凝固， 而是形成了非晶态的金属激冷凝固工艺。 如：金属镍 Tm=1725K， Tg=425K， 临界冷速 Vc=31010K/s 通过激冷凝固工艺目前已经能够生产宽100mm, 长350m，厚10m-150m2m的非晶态金属 薄板。如图：金属的结构与结晶StructureandCrystallizationofMetals激冷凝固工