金属学及热处理课件：金属的结构与结晶

金属的结构与结晶[目标]1.了解金属的晶体结构;

2.掌握纯金属结晶过程;

[重点]1.金属结构相关概念:晶体、晶格、单晶体、多晶体、晶面、晶向，金属晶格的三种常见类型；

2.实际金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响

3.金属结晶条件；

4.细化晶粒措施；

[难点]

1.实际金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响；2.铸锭组织及缺陷。金属的结构与结晶金属的结构与结晶2.1金属的结构与结晶固态物质按其原子(或分子)聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。2.1.1金属晶体1.晶体和非晶体晶体:原子(离子或分子等)按一定的几何规律呈周期性地重复排列。非晶体：原子(离子或分子等)则是无规则的堆积在一起。空间点阵：把原子(离子或分子等)抽象为在空间规则排列的几何质点，称为阵点或结点。

用假象线条将阵点连接起来即形成空间点阵（晶格）晶胞：晶格中最小的几何单元。2.空间点阵和晶胞晶胞晶体结构：晶体中原子（离子或分子等）在空间排列的方式。常见的有：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。7大晶系2.1.2三种常见的金属晶体结构七个晶系晶格常数；轴(棱边)之间的夹角三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°

单斜晶系a≠b≠c，α=γ=90°≠β正交晶系a≠b≠c，α=β=γ=90°

六方晶系a=b≠c，α=β=90°，γ=120°

菱方晶系a=b=c，α=β=γ≠90°

四方晶系a=b≠c，α=β=γ=90°

立方晶系a=b=c，α=β=γ=90°

14种晶格类型a=b=c，a=b=g=90

立方晶系简单立方晶格

体心立方晶格面心立方晶格

aaaaaaaaa最常见的金属晶体结构面心立方结构Face-centeredcubic体心立方结构Body-centeredcubic密排六方结构Hexagonal

close-packed体心立方点阵bcc面心立方点阵fcc密排六方点阵hcp由8个原子组成的立方体，且在立方体的体中心还有1个原子。如：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、α-铁α-Fe1.体心立方晶格刚球模型质点模型晶胞原子数模型立方体的8个角和6个面中心各有一个原子。如:AI、Cu、Ni、Pb(γ-Fe)等。2.面心立方晶格刚球模型质点模型晶胞原子数模型由位于晶胞角上的12个原子组成六方柱体，且上、下底面中心各有1个原子，六方柱体中心有3个原子。如：铍(Be)、Mg、Zn、镉(Cd)等。

3.密排六方晶格刚球模型质点模型晶胞原子数模型致密度：晶胞中原子排列的紧密程度。2.1.3三种典型晶格的致密度

致密度=晶胞中原子总体积/晶胞体积

面心立方致密度＝密排六方致密度＞体心立方致密度致密度大→致密度小：体积↑（膨胀）晶胞的描述：原子数、配位数、致密度晶格常数、晶向、晶面、密排面xyz

晶格常数:三个棱边的长度a、b、c轴间夹角:α、β、γacb2.1.4三种典型晶格的晶面和晶向分析1.晶面和晶向：晶向：晶体中任意两原子之间的连线所指的方向晶面：晶体中由一系列原子所构成的平面晶面晶向2.晶面指数求法：

求截距—化最小整数—加（）—取倒数例：X轴坐标

——1Y轴坐标

——1Z轴坐标

——1111()xyzo(111)(110)(100)立方晶格中的三种重要晶面一系列原子排列情况相同的晶面。加｛｝表示例：晶面族(111)={111}例：oxyzX轴坐标——1Y轴坐标——1Z轴坐标——1111[

][111]3.晶向指数求法：

建坐标系—化最小整数—加[]—求点坐标[100][110][111]立方晶格中三种重要晶向例：[111]=<111>[100]=<100>晶向族一系列原子排列情况相同的晶向。加<>表示指数数字相同的晶向与晶面相互垂直例：[110]与(110)[100]与(100)[111]与(111)晶向[uvw]位于或平行于{hkl}时，则：

hu+kv+lw=04.晶面指数和晶向指数的关系fcc{111}<110>bcc{110}<111>hcp{0001}密排面密排方向晶体结构<1120>5.三种典型晶格的密排面和密排方向三种典型晶格的密排面和密排方向数量2.2.1单晶体和多晶体单晶体:晶体内部所有晶格位向完全一致的晶体。多晶体：由多个小晶体组成的晶体结构。晶界：多晶体内各晶粒之间原子排列的过渡区域。2.2金属的实际晶体结构和晶体缺陷晶粒晶界各向异性和各向同性

单晶体具有各向异性，多晶体内各晶粒的位向取向是随机的，晶体的各向异性被相互抵消，使金属材料表现为各向同性。单晶多晶2.2.2晶体缺陷晶体缺陷：

实际晶体中原子排列与理想晶体的差别，即原子排列不规则区域。晶体缺陷给材料性能带来显著影响，可采用改变晶体缺陷以达到改变金属性能的目的。

分为三类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。点缺陷：在空间三维方向上尺寸都很小（原子尺寸大小）的缺陷。如：空位、间隙原子、置换原子（1）是由于原子的热振动产生的原子跳跃使原子不能保持在其平衡位置上而形成。（2）使晶格发生畸变，从而使金属材料性能改变。1.点缺陷原因：使其附近原子偏离原结点位置，造成小区域的晶格畸变。效果：（1）电阻↑定向流动的电子在点缺陷处增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)；（2）扩散迁移速度↑空位可作为原子运动的周转站；（3）形成其他晶体缺陷集中的空位可形成内部空洞；呈一定线型排列的点缺陷形成位错；（4）改变材料的力学性能晶格畸变会增加位错运动阻力。会使强度提高，塑性下降。点缺陷对材料性能的影响线缺陷：在空间两维方向上尺寸很小，在另一维方向尺寸相对很大，呈线状分布。如：刃型位错、螺型位错。2.线缺陷刃型位错示意图螺型位错示意图可分为左螺旋位错、右螺旋位错，图中为右螺旋位错。金属晶体中的位错线往往大量存在，其数量通常采用单位体积内位错线长度即位错密度来表示。位错线的密度通常在104~1012cm/

cm3范围内，相互连结呈网状分布，金属通过位错运动实现塑性变形，位错受阻或堆积，将使金属强度提高。位错密度及位错运动面缺陷：空间一维方向上的尺寸很小，另外两维方向上的尺寸相对很大。如：晶界、亚晶界、相界。大角度晶界示意图

小角度晶界示意图晶粒内还存在许多小尺寸、小位向差的晶块，这些小晶块称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面称为亚晶界。简单的亚晶界可看成是一系列刃型位错组成的小角度晶界。3.面缺陷晶粒的尺寸，在钢铁材料中，一般在10-1~10-3mm左右，在显微镜下才能看见。变形组织位错胞亚晶界晶界高锰钢奥氏体组织

原奥氏体晶粒亚晶粒透射形貌晶界特点（1）阻碍位错运动强度（2）容易聚集其他元素、金属化合物；裂纹易沿晶界上的硬脆相扩展（3）优先被腐蚀和氧化（4）晶界熔点较低（5）晶界处原子扩散速度较快（6）优先形成新相晶界原子排列紊乱，晶格畸变程度大，故晶界处能量比晶内较高，从而具有不同于晶内的性能。结晶

←

形核＋长大↑↑原子晶体液体多晶组织2.3.1纯金属的结晶过程2.3纯金属的结晶与铸锭纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线1.结晶温度结晶推动力↑2.过冷度ΔT=T0–T1↑3.恒温转变

冷却速度↑2.3.2晶核形成与长大方式1．晶核的形成方式晶核的形成有：自发形核和非自发形核。从液体内部自发生成结晶核心的为自发形核，又称均匀形核。实际液态金属中常含有一些杂质、难熔微粒，则可依附这些外来质点在其表面或锭模内壁形核，称为非自发形核，又称非均匀形核。过冷度越大，结晶的推动力越大，生成的自发晶核越多。但当过冷度过大时，原子活动能力太低扩散受阻，形核的速率反而减小。晶体液体结晶2．晶核的长大方式（1）晶核长大的实质：原子由液体向晶核表面聚积的过程。主要有：平面长大方式、枝晶长大方式。（2）平面长大方式所需的过冷度较小，当过冷度较大，或金属液体存在非自发形核时，晶核主要以枝晶的方式长大。

树枝晶生长示意图晶核长大初期外形规则，随着晶体棱角形成，棱角处散热更快，棱角处优先生长，生长出一次晶轴，在一次晶轴增长的同时，其侧面又会分枝长出二次晶轴、三次晶轴......直到液体全部凝固。树枝晶形成晶粒

枝晶长大方式“枝晶成长”行为观察1350℃高温共聚焦显微镜下原位观察加热过程中高温δ铁素体相“枝晶成长”行为δ相主要在γ晶界处形核析出；除γ晶界外，γ晶内δ相形核也出现。冷却速度（或加热速度）愈大，过冷度（或过热度）愈大，枝晶成长的特点便愈明显。某些晶轴发生偏移或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、位错等各种缺陷。2.3.3晶粒大小的控制1.晶粒度晶粒的大小称为晶粒度。晶粒度与形核速率N和长大速度G有关。金属形核率N和长大速度G与过冷度的关系形核速率N

：单位时间、单位体积中晶核的数目。长大速率G：晶体长大的线速率。凡是促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。（1）增加过冷度

随过冷度ΔT增加，形核速率N和长大速率G都增加，并达到最大值，但随着ΔT的进一步增加，两者都减小。（2）变质处理

又称孕育处理，在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以增加非自发形核的数目而细化晶粒。(3)振动和搅拌用机械振动、超声波振动、电磁振动以及搅拌等方法，打碎正在长大的枝晶，增加晶核细化晶粒。2．细化晶粒的方法1.铸锭组织的形成

由于表面和中心冷却条件不同，铸锭的组织是不均匀的，由外向内分为：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区。铸锭剖面结晶组织示意图2.3.4金属铸锭的组织与缺陷该区组织较致密，但柱状晶平行排列呈现各向异性，且在不同方向生长的柱状晶交界处，低熔点或非金属杂质较多，形成明显脆弱界面，在锻造、轧制时易形成裂纹或开裂。(1)表面细晶粒区（激冷层）型壁处过冷度大，形核快，型壁还有人工晶核作用。该区晶粒很细，但厚度不大。(2)并排柱伏晶粒区随型壁温度升高，剩余液体过冷度减小，形核率降低，相对长大率占优势。此时垂直于型壁方向散热最快，晶核则沿该方向长大。(3)中心等轴晶粒区铸型中心区域液体过冷度更小，不易形核；温度趋于均匀失去方向性，晶核向各方向均匀长大，形成较粗大等轴晶粒区。该区不存在明显脆弱面，力学性能均匀。

（1）钢锭一般不希望得到柱状晶组织，生产上经常采用振动浇注或变质处理等方法来抑制结晶时柱状晶粒层的扩展。

（2）对于需沿一定方向能承受较大的负荷的零件（如涡轮叶片），则常采用定向凝固法获得各向异性的柱状晶。

（3）对具有良好塑性的有色金属(如铜、铝等)也希望得到柱状晶组织。因这种组织较致密，对机械性能有利；又由于这些金属本身具有良好的塑性，并不致于在压力加工中发生开裂。2.铸锭组织的选择（1）缩孔：最后一部分液体凝固后所产生的收缩孔隙没有得到及时补充留下的孔洞。可通过合理设计浇注系统