第二章金属的晶体结构与结晶

楚雄技师学院金属工艺学（多媒体课件）杨润美第二章金属的结构与结晶重点：纯金属的晶体结构难点：晶体结构内容：纯金属的晶体结构、纯金属的结晶、纯铁的同素异构转变、合金的结构目的：掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备第一节纯金属的晶体结构

一、晶体的基本知识1、晶体和非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。晶体：在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列（水晶、金刚石、金属）非晶体：中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）

晶体的特点原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列；具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性；在一定条件下有规则的几何外形晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。

非晶体的特点原子在三维空间呈不规则的排列。

没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。晶格：抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。2、晶格与晶胞晶胞：能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元称为晶胞整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以（晶格常数）棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。3、晶面、晶向晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。

原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。

致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数v′为单个原子体积V为晶胞体积。

二、常见金属的晶格类型

原子排列特征：八个顶角和立方体中心各有一个原子晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。晶胞所含原子数2个原子。致密度68%。具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。

体心立方晶格

原子排列特征八个顶角和六个面的中心各有一个原子。

晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。晶胞所含原子数4个原子。致密度74%。具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag面心立方晶格（fcc晶格）

密排六方晶格原子排列特征12个顶角和上下面中心各有一个原子，晶胞内还有3个晶格常数晶胞所含原子数6个原子。致密度74%。具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

金属的实际晶体结构

1.多晶体结构

单晶体：晶体内部的晶格位向完全一致。

晶粒：外形不规则，呈颗粒状的小晶体。

晶界：晶粒与晶粒之间的界面。多晶体：由许多晶粒组成的晶体。

2.晶体缺陷（１）点缺陷

晶格空位和间隙原子强度和硬度增加，塑性和韧性降低

（２）线缺陷刃型位错使材料的强度、硬度增加，塑性、性下降。

（３）面缺陷（晶界和亚晶界）面缺陷使金属强度、硬度增高，塑性变形困难——“细晶强化”。第二节纯金属的结晶与铸锭

（二、三节合并）凝固与结晶的基本概念冷却曲线和过冷现象金属的结晶过程晶粒大小对金属力学性能的影响金属的铸态组织一、凝固与结晶的基本概念凝固：物质由液态转变成固态的过程。结晶：如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶热分析法二、冷却曲线与过冷现象

To时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)T0：平衡结晶温度（理论结晶温度）

T1：纯金属的实际结晶温度

过冷度：ΔT=T0–T1

过冷是结晶的必要条件。纯金属结晶时的冷却曲线三、金属的结晶过程结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。金属结晶过程示意图晶核的长大方式—树枝状金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶四、晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能均有很大影响。

细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐蚀性好。作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则磁导率越大，磁滞损耗减少。

金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形成数目（mm3.s）]和长大率G（mm/s）过冷度的影响NG晶粒越细细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度V冷△TN晶粒细小2）进行变质处理3）附加振动：机械振动超声波振动电磁搅拌等。五、金属的铸态组织表面细晶层力学性能虽好，但由于该层很薄，故对整个铸锭的性能影响不大。

柱状晶区比较致密，对于塑性较好的非铁金属，希望得到较大的柱状晶区。另外柱状晶沿其长度方向的强度较高，所以对于那些主要承受单向载荷的机械零件，常采用定向凝固法获得柱状晶组织。但柱状晶组织的交界面常聚集易溶杂质.

中心等轴晶区的性能没有方向性，但该晶区结晶时易形成很多微小的缩孔（缩松），这种疏松的组织致使力学性能降低。第四节纯铁的同素异构转变同素异构概念：金属在固态下，随着温度的改变其晶体结构发生变化的现象。同素异构意义：

可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材料的组织，从而达到改善材料性能的目的。纯铁的同素异构转变1394℃912℃体心立方面心立方体心立方

δ-Feγ-Feα-Fe第五节合金的相结构

纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb

=0Fe-C合金(0.45%C)

正火态:σb

=610MPa合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。组元:

组成合金的最基本独立单元。相:

是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组织:

是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。

纯金属合金结晶过程：液固两相共存结晶过程：液固两相共存

熔点以上：液相熔点以上：液相结晶完毕：单一固相

结晶完毕：组元发生相互作用化合物组元彼此均匀溶解固溶体固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。一、固溶体（一）定义：一种组元的原子溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分（二）分类：2.间隙固溶体1.置换固溶体1.置换固溶体

溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。

形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。2.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。

形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般

r溶质/r溶剂≤0.59时，才能形成间隙固溶体。间隙固溶体置换固溶体（三）固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相。

3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电阻率下降，电阻升高，电阻温度系数减小。二、金属化合物（一）定义

合金组元间按一定的原子数比发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属化合物。（二）性能

熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。三、混合物混合物：两种或两种以上的相按一定的质量百分数组合成的物质。特点：保持各组元的晶格类型。性能：性能取决于各组成相的性能及分布状态。PFe3C第五节合金的结晶及其相图相图：指表达处于复相平衡状态下的物系中，诸相区的温度、成分及其组织的极限图解。一、二元合金相图的建立（以铜镍合金为例）1、配制一系列不同成分的铜镍合金2、用热分析法测出各成分的合金冷却曲线。3、曲线特点：（1）A、B两点是纯铜、纯镍都有一个平台，结晶在恒温下进行（一个临界点）（2）中间的四条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行（两个临界点）。（3）将各临界点描绘在温度－成分坐标系中得到图（b）。二、匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时，所构成的相图称为二元合金相图。1、相图分析液相线之上为液相区，用L表示液相线与固相线之间是液、固两相，用L+α

固相线下方为固相区，用α表示A点为铜的熔点B点为镍的熔点以图中K点成分合金为例分析合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出α固溶体；随着温度的下降，α相增多，而L相减少；至2点时，结晶过程结束，L相全部转变为α相2、合金结晶过程分析注：在结晶过程中，合金处于L+α区时，液相成分随液相线变化，固相成分随固相线变化。例：K点成分的合金从高温液态缓慢冷却至3点时，其液相部分具有3/点的成分，而固相部分具有3//点的成分。液相与固相的平均成分才是K点的成分。三、共晶相图：二元共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图称为二元共晶相图。共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复合混合物的反应。共晶体：共晶反应的产物是共晶体。共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。1、相图分析（1）共晶点

C点－－α相＋β相（2）共晶线

ECF线－－LC→αE+ΒF

(3)固溶体脱溶线

α固溶体或β固溶体随着温度的下降，溶解度也不断的下降。图中ES线表达了α固溶体脱溶的变化规律，FG线表达了β固溶体的变化规律。ES、FG线称为固溶体脱溶线。

α固溶体脱溶产物是β相，称为二次β相（β1）

β固溶体脱溶产物是α相，称为二次α相（α1）恒温2、结晶过程分析：（1）共晶成分的合金

C点成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷却过程中经过C点时发生共晶反应，生成共晶体。

L→(α+β)(2)亚共晶成分的合金

E、C点之间成分的合金，称为亚共晶合金。如图合金Ⅱ，在冷却过程中经过1点时结晶出α1相；经过2点时，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；继续冷却α1相还会脱溶出βⅡ相。C室温组织为α1＋βⅡ＋(α+β)。L→L+α1→α1＋(α+β)→α1＋βⅡ＋(α+β)122以下(3)过共晶成分的合金

C、F点之间成分的合金，称为过共晶合金。如图合