2.1金属晶体与金属结晶 课件(共25张) - 中职《金属材料及热处理（第三版）》同步教学（劳动版）

模块二金属与合金模块二金属与合金任务三铁碳合金及其相图任务二合金的基本组织与性能任务一金属晶体与金属结晶01金属晶体与金属结晶在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体，例如，普通玻璃、松香、石蜡等均属于非晶体；相反，凡原子呈有序、规则排列的，称为晶体，例如，石英、食盐等。金属在固态下一般均属于晶体。晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，而非晶体没有固定熔点；晶体在不同的方向上表现出不同的性能，即各向异性，而非晶体却表现出各向同性等。任务一金属晶体与金属结晶一、晶体与非晶体1．晶体结构的概念晶体内部原子是按一定几何规律排列的，为了便于理解，可以把原子看成一个小球，则金属晶体就是由这些小球按一定规律堆积而成的，如图2-2所示。任务一金属晶体与金属结晶二、金属的晶体结构为了更加直观地表示晶体中原子的排列规律，再将原子简化成一个质点，用假想的线将这些质点连接起来，就形成了具有一定规律性的空间格架，这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格，如图2-3a所示。由图可见，所谓原子在晶体中的排列规律，其中之一就是具有明显的周期性，即晶格是由许多形状、大小完全相同的几何单元重复堆积而成的。能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2-3b所示。任务一金属晶体与金属结晶2．金属晶格的类型金属晶格的类型很多，见表2-1。金属的性能与其晶格类型和原子间的结合力有着密切关系。如在金属晶体中，不同平面和方向上原子排列的疏密程度不同，原子间的结合力也就不同，从而呈现各向异性。由于面心立方晶格晶体可以产生多方位的变形，因此，此类晶格的金属都具有良好的塑性。任务一金属晶体与金属结晶1．纯金属的冷却曲线及过冷度纯金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，图2-4所示为热分析法装置示意图。将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，每隔一段时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度（T）—时间（t）坐标图中，便获得了纯金属的冷却曲线，如图2-5所示。任务一金属晶体与金属结晶三、纯金属的结晶由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断向外散失，温度不断下降。当冷却到a点时，液态金属开始结晶。在结晶过程中，由于释放出来的结晶潜热补偿了冷却时散失的热量，使结晶温度并不随时间的延长而下降，在冷却曲线上出现了“平台”。直到b点结晶终了时，温度才继续下降。a、b两点之间的水平线即结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。理论上金属冷却时的结晶温度（凝固点）与加热时的熔化温度（熔点）相同，即金属的理论结晶温度T0。任务一金属晶体与金属结晶实际上当液态金属冷却到理论结晶温度T0

时并不开始凝固，而是冷却到T0

以下某一温度T1

时，才开始结晶，如图2-6所示。金属的实际结晶温度T1

总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷。理论结晶温度T0

和实际结晶温度T1

之差称为过冷度（ΔT=T0-T1）。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。任务一金属晶体与金属结晶2．纯金属的结晶过程图2-7所示是纯金属的结晶过程示意图。结晶过程可以分为以下几个步骤。（1）形成晶核。在一定过冷度条件下，从液态金属中首先形成一些微小而稳定的小晶体，然后以它为核心逐渐长大。这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。任务一金属晶体与金属结晶（2）晶核长大。在晶核长大的同时，液态金属中又不断产生新的晶核，并不断长大。（3）结晶完成。晶核长大直至互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。因此，结晶过程是晶核形成与长大的过程。在结晶完成后，每个晶核成长为一个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界，图2-8所示是在金相显微镜下观察到的纯铁的晶粒和晶界的图像。任务一金属晶体与金属结晶结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体（见图2-9a），如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗。单晶体中的原子排列位向是完全一致的，其性能表现为各向异性。但是单晶体的形成条件十分严格，需要采用特殊方法才能获得。大多数晶体结晶后是由许多位向不同的晶粒组成的，称为多晶体（见图2-9b）。由于多晶体内各晶粒位向互不一致，它们自身的各向异性彼此抵消，因此整体表现出各向同性，也称为“伪无向性”。金属在正常冷却条件下得到的都是多晶体。任务一金属晶体与金属结晶3．金属结晶后的晶粒大小（1）晶粒大小对力学性能的影响金属的晶粒大小对其力学性能有很大的影响。在常温下，金属的晶粒越细小，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好。因此，生产中通常希望获得细小晶粒的金属。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-2。任务一金属晶体与金属结晶（2）晶粒大小的控制为了提高金属的力学性能，对金属的结晶过程加以控制，使之结晶后获得细小晶粒是十分重要的。根据金属结晶的形核与长大规律可知，金属晶粒大小取决于结晶时的形核率（单位时间、单位体积内所形成的晶核数目）与晶核的长大速度。形核率越高，长大速度越慢，则结晶后的晶粒越细小。生产中常用细化晶粒的方法有以下几种。任务一金属晶体与金属结晶1）增加过冷度。如图2-10所示，金属的形核率N和长大速度ν均随过冷度而发生变化，但两者变化速率并不相同，在很大范围内形核率比晶核长大速度增长得更快，因此增加过冷度能使晶粒细化。这种方法只适用于中、小型铸件，对于大型铸件则要用其他方法使晶粒细化。任务一金属晶体与金属结晶2）变质处理。在浇铸前向液态金属中加入一些细小的形核剂（又称为变质剂或孕育剂），使它分散在金属液中作为人工晶核，可使晶核数量显著增加，或者降低晶核的长大速度，这种细化晶粒的方法称为变质处理。大型铸件或厚壁铸件要获得很大的冷却速度是很困难的，因此要得到细晶粒铸件，可进行变质处理。例如，向钢液中加入钛、锆、铝等，向铁液中加入硅铁、硅钙等，均能起到细化晶粒的作用。3）振动处理。在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动或电磁振动等，使晶体在长大过程中不断被破碎，碎晶块又可作为新的晶核，从而提供更多的结晶核心，达到细化晶粒的目的。任务一金属晶体与金属结晶有些金属在较高温度结晶后，随着温度的继续降低，其晶格类型还会发生变化。金属在固态下随温度的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变特性的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。以不同晶格形式存在的同一种金属元素的晶体称为该金属的同素异构体。同一种金属的同素异构体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α、β、γ、δ等表示。任务一金属晶体与金属结晶四、同素异构转变铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。图2-11所示是纯铁的冷却曲线，由图可见，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δ-Fe，继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转变为具有面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又发生同素异构转变，γ-Fe转变为具有体心立方晶格的α-Fe。曲线在770℃时还有一个平台，但该温度并不是同素异构转变点，而是纯铁的磁性转变点（居里点）。所以，α-Fe冷却到室温，晶格类型不再发生变化。纯铁的同素异构转变可以用下式表示。任务一金属晶体与金属结晶金属同素异构转变与液态金属的结晶过程有许多相似之处，如有一定的转变温度，转变时有过冷现象；放出和吸收潜热；转变过程也是一个形核和晶核长大的过程，如图2-12所示。所以同素异构转变实质上是固态下的结晶过程。为了把这种固态下进行的转变与液态结晶相区别，所以又称为二次结晶或重结晶。另一方面，同素异构转变属于固态相变，又具有本身的特点，如转变时新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核；转变需要较大的过冷度；晶格的变化伴随着金属体积的变化；转变时会产生较大的内应力等。任务一金属晶体与金属结晶1．点缺陷——空位、间隙原子和置代原子如果晶格中应有原子的位置没有被原子占有，在那里就会出现“空洞”，这种原子堆积上的缺陷叫作空位。如果晶格中不应有原子的空隙处出现多余的原子或挤入外来原子，这种缺陷叫作间隙原子。如果晶格中应有原子的位置被外来原子所占有，这种缺陷叫作置代原子，如图2-13所示。任务一金属晶体与金属结晶2．线缺陷——位错晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律错排的现象叫作位错。形式比较简单的一种叫作刃型位错，如图2-14所示。晶体某一平面（ABCD）的上方多出一个半原子面（EFGH），这个半原子面如同刀刃插入晶体，故称刃型位错。位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材料的塑性变形就是通过位错的运动来实现的。在晶体中，位错的晶格畸变发生在沿半原子面端面的狭长区域，故称为线缺陷。任务一金属晶体与金属结晶3．面缺陷——晶界和亚晶界前面已经说明，实际生产中所使用的金属材料几乎都是多晶体，它们是由大量外形不规则的晶粒相互衔接组成的，晶粒与晶粒之间的分界面就称为晶界。由于各晶粒彼此之间的位向不同，因此晶界处的原子排列是不规则的，如图2-15所示。试验证明，即使在一颗晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完全一致，而是分隔成许多尺寸更小、位向差别不大的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所形成的小晶界，如图2-16所示。任务一金属晶