教学材料工程材料-第二章

第一节金属的晶体结构材料的内部组织结构决定了材料的性能。固态物质按其原子（离子或分子）在三维空间是否有序排列分为晶体和非晶体两大类。晶体材料具有固定的熔点，即在熔化过程中温度保持不变，而非晶体材料在加热中由固态转变为液态时温度逐渐变化；晶体具有各向异性（在不同方向性能不同），非晶体具有各向同性（在各个方向上性能完全相同）。金属材料在一般情况均为晶体，因为其由金属键结合，其内部离子在三维空间有规则地排列。金属材料包括纯金属和合金两类。纯金属的晶体结构为了便于研究，用假想的直线将原子中心连接起来所形成三维空间格架，即为晶格（图２－１）。下一页返回第一节金属的晶体结构直线的交点（原子中心）称为节点。由节点形成的空间点的阵列称为空间点阵。而晶胞是能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。用晶胞的６个晶格参数：晶格常数（三条棱边的尺寸）ａ、ｂ、ｃ和各棱间的夹角α，β，γ来描述晶胞的几何特征（图２－２）。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系（图２－３）。晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半为原子半径。一个晶胞内所包含的原子数目为晶胞原子数。晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目为配位数。晶胞中原子本身所占的体积分数为致密度。常见纯金属的晶格类型有体心立方（ｂｃｃ）晶格、面心立方（ｆｃｃ）晶格和密排六方（ｈｃｐ）晶格。上一页下一页返回第一节金属的晶体结构１.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞中，一个原子处于立方体的中心，８个原子在立方体的角上，中心原子和角上８个原子紧挨着（图２－４）。常见金属有α－Ｆｅ、Ｃｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔｉ等。体心立方晶胞的特征如下：（１）晶格常数：ａ（ａ＝ｂ＝ｃ），α＝β＝γ＝９０°；（２）原子半径：ｒ＝因为体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线；（３）原子个数为１/８×８＋１＝２，因为在体心立方晶胞中，每个角上的原子在晶胞中同时属于８个相邻的晶胞，即每个角的原子只有１／８属于一个晶胞，体心还有一个原子；上一页下一页返回第一节金属的晶体结构（４）配位数为８；（５）致密度为２.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞中，一个原子处于立方体的６个面的中心，８个原子在立方体的角上，面中心原子和该面四个角上的原子紧挨着（图２－５）。常见金属有γ－Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｂ、Ａｕ等。面心立方晶胞的特征如下：上一页下一页返回第一节金属的晶体结构（１）晶格常数：ａ（ａ＝ｂ＝ｃ），α＝β＝γ＝９０°；（２）原子半径：ｒ＝，因为面心立方晶胞中原子相距最近的方向是面对角线；（３）原子个数为１/８×８＋１/２×６＝４，因为在面心立方晶胞中，每个角上的原子在晶胞中同时属于８个相邻的晶胞，即每个角的原子只有１／８属于一个晶胞，面心还有一个原子同属于两个相邻的晶胞，即每个面心的原子只有１／２属于一个晶胞；（４）配位数为１２；（５）致密度为上一页下一页返回第一节金属的晶体结构３.密排六方晶格密排六方晶格（图２－６）的晶格常数：底面边长ａ和高ｃ，而且ｃ／ａ＝１.６３３，原子半径ｒ＝ａ/２，原子个数为６，配位数为１２，致密度为０.７４，常见金属有Ｍｇ、Ｚｎ、Ｂｅ、Ｃｄ等。实际金属的晶体结构实际金属由单晶体或多晶体组成，单晶体是指其内部晶格方位完全一致的晶体，多晶体是由许多彼此方位不同、外形不规则的多晶粒组成的晶体结构。晶粒之间的交界面称为晶界，晶粒越细小，晶界面积越大。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷，对材料的性能产生很大的影响。上一页下一页返回第一节金属的晶体结构１.点缺陷点缺陷是指空间三维尺寸都很小的缺陷，包括空位、间隙原子和置换原子。（１）空位，即晶格中一些缺排原子的空节点；（２）间隙原子，即挤进晶格间隙中的原子，是基体金属原子或外来原子；（３）置换原子，即取代原来原子位置的外来原子，包括大置换原子、小置换原子或与尺寸接近的置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，即为晶格畸变，从而使材料的强度、硬度提高，塑性、韧性下降。上一页下一页返回第一节金属的晶体结构２.线缺陷线缺陷常指晶体中的位错（图２－７），位错是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移时，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线，包括刃型位错和螺型位错。刃型位错是指一个完整晶体的某处像刀刃一样切入晶体的多出半个原子面的边界，包括正位错和负位错。正位错是指半原子面在滑移面以上（图２－８），用“┴”表示。而负位错是指半原子面在滑移面以下，用“┬”表示。金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。螺型位错是指晶体上部的原子相对于下部的原子向后错动一个原子间距，具有螺旋特征，根据螺旋线的旋向可分为右螺型位错和左螺型位错。上一页下一页返回第一节金属的晶体结构位错具有以下的特点：位错具有不稳定的特点，在外力或热作用下会产生移动；而且位错会产生晶格畸变，产生内应力；刃型位错容易吸纳置换原子。３.面缺陷面缺陷主要包括晶界与亚晶界两种，晶界是指不同位向晶粒的过渡部位，宽度为５～１０个原子间距，位向差一般为２０°～４０°。亚晶界是指尺寸很小，位向差也很小（１０°～２°）的组成晶粒的亚晶粒之间的交界面。晶界具有以下特点：原子排列不规则，熔点低，耐蚀性差，易吸附外来原子，是相变的优先形核部位，而且能阻碍位错运动，因此实际使用的金属力求获得细晶粒。上一页返回第二节纯金属的结晶凝固是指物质由液态变成固态，而结晶是物质由液态变成晶态。金属材料冶炼后浇铸到铁模或锭模中，冷却后金属由液态变成固态，获得一定形状的铸件或铸锭。而固态金属一般是晶体结构，因此金属从液态变为晶态是结晶过程。纯金属的结晶条件纯金属通过热分析法测得液态金属结晶时温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线，如图２－９所示。图中Ｔ０为理论结晶温度，Ｔ１为实际结晶温度。过冷度就是理论结晶温度减去实际结晶温度，用ΔＴ表示，即ΔＴ＝Ｔ０－Ｔ１，过冷度与冷却速度有关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大。下一页返回第二节纯金属的结晶纯金属的结晶过程金属的结晶过程包括晶核的形成和晶体的长大两个基本过程（图２－１０）。液态金属结晶时，首先在液体中形成极小的晶核，晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生，晶核又不断形成和长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。１.晶核的形成晶核的形成方式有两种：均匀形核（自发形核）和非均匀形核（非自发形核）。上一页下一页返回第二节纯金属的结晶１）均匀形核均匀形核是指由液体中排列规则的原子团形成晶核。金属液体中存在大量不同尺寸的短程有序的原子团，特别是在高于结晶温度时不稳定，但当温度降低到结晶温度以下，存在一定的过冷度时，液体中一些大于临界晶核尺寸的短程有序的原子团开始变得稳定，最后成为晶核。过冷度越大，临界晶核尺寸就越小。２）非均匀形核实际金属都是非均匀形核较多，因为实际金属往往含有一些杂质，液体中的固态杂质常常促进晶核的形成。以液体中存在的固态杂质为核心而进行形核，称为非均匀形核，固态杂质一般都要与金属具有“结构相似、尺寸相近”的特点才易在其表面生出晶核，如图２－１１所示。上一页下一页返回第二节纯金属的结晶一些难溶杂质不满足上述要求，但是因为其表面微小坑有时能残留一些未熔金属，也能促进非均匀形核。均匀形核和非均匀形核在金属结晶时同时存在，而且非均匀形核比均匀形核更能起主导作用。２.晶体的长大晶核的长大方式有均匀长大和树枝状长大两种。１）均匀长大在正温度（温度变大）梯度下（图２－１２），即过冷度较小的时候，晶体生长以平面状态向前推进。２）树枝状长大上一页下一页返回第二节纯金属的结晶实际金属结晶主要以树枝状长大，包括柱状树枝晶和胞状树枝晶。因为存在负温度梯度（图２－１３），且晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成一次轴，在一次轴上又生长出二次轴……树枝间最后被填充，如图２－１４和图２－１５所示。上一页返回第三节纯铁的同素异构转变钒、钨、钼等金属在固态时随温度变化而晶体结构不会改变，都是体心立方晶格；银、铝、铜等金属也具有一样的特点，但都是面心立方晶格。而铁、钛、钴等金属在不同温度下的固态时存在两种及以上的晶格形式，即具有同素异构的特点。同素异构是指物质在固态下晶体结构随温度变化而发生变化的现象。铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化（图２－１６），其变化为α－Ｆｅ、δ－Ｆｅ为体心立方结构（ｂｃｃ），γ－Ｆｅ为面心立方结构（ｆｃｃ），都是铁的同素异构体（图２－１７和图２－１８）。返回图２－１晶体、晶格和晶胞示意图返回图２－２晶格参数返回图２－３七种晶系返回图２－４体心立方晶格返回图２－５面心立