第一章 金属的晶体结构和结晶R.ppt

1、第1章金属的结构和结晶，1-1金属的晶体结构，1。克里斯托，1。晶体：指原子(或离子)有规则和周期性排列的物质。一般来说，固体金属都是晶体。相反，它是无定形的。例如，一些固体物质如玻璃、松香和沥青是无定形的。当在不同方向测量非晶性质时，它们的值彼此没有区别。当在不同方向测量晶体特性时，它们的值彼此不同。非晶质：各向异性：各向同性：晶格：代表晶体中原子排列形式的空间晶格称为晶格。有很多种方法来取单元，一般取平行六面体。晶胞：它是构成晶格的最基本的几何单位。晶体和非晶的区别：晶体的原子排列是规则的、周期性的，有一定的熔点，而各向异性非晶的原子排列是不规则的、非周期性的，没有一定的熔点，各向同性。不

2、同的结构有不同的性能。3.晶体结构描述、晶体结构、晶格常数(晶格参数):晶胞A、B和c(如右图所示)单位(10-10m)各边的尺寸，晶胞各边之间的夹角表示为、和。钢珠模型的格子单元；2.金属键和金属的特性；1.金属键：固体金属的特性是由金属键的性质引起的。例如，它在固体金属中具有以下特征：(1)它具有良好的导热性；具有良好的导电性；具有良好的延展性；电阻的正温度系数等。在固体金属中，电子云和正离子之间的吸引力与正离子和电子之间的排斥力的平衡形成的结合模式称为金属键。金属键图，由于金属键的方向性和饱和性，大多数金属倾向于紧密排列，因此绝大多数金属晶体属于三种紧密排列的晶格形式，约占90%。金属晶

3、体中有三种常见的晶格类型，测量晶体中原子排列紧密度的方法有：配位数法和密度法。a:配位数：晶格中任何原子周围最近的等距原子数。(定性)，b:密度：(定量)，立方：即立方a=b=ca=90o .(1)体心立方晶格，八个原子占据立方体的八个角，在立方体的体积中心还有一个原子。(如下图所示)，1 .电池中的原子序数：1/88 1=2，2。原子半径：a，3。协调号：8，4。密度：体心立方晶胞示意图，(2)面心立方，八个原子占据立方体的八个角，在立方体的每个面的中心还有一个。(如下所示)，1 .细胞中的原子数是1/88 1/26=4，2。原子半径是a，3。协调号码是12，4。密度是面心立方晶胞的示意图，

4、而(3)六边形晶格cph排列紧密，以12个原子为顶点形成一个简单的六边形圆柱体，它位于圆柱体上下底面的中心。理论计算表明：c/a=1.633，1。单元中的原子序数：1/612 1/22 3=6，2。原子半径：a/2，3。协调号码：12，4。密度：当c/a=1.633时，K0.74=74%。-铁、铬等。对于体心立方晶格也相对“硬”；铜、金、银、铝等。非常“软”，容易变形，具有面心立方晶格。这也从一个角度说明了晶格类型对晶体性能有很大的影响。4、晶面和取向，该平面由晶格中的原子中心形成。晶面，晶向指数：晶面：晶面：穿过晶体中两个以上原子中心的方向(直线)，代表各种晶面和晶向的统一标记，(1)立方晶

5、体晶面指数的测定和表示方法，1。确定坐标系，2。找到截距，3。取倒数，并确定三个元素：原点。例如，(110)，立方晶格中通常使用三个晶面，如图所示，它们是：晶面指数通常可以写成。如果晶面得到负截距，它将在所获得的指数之上用负号标记，如()、(hkl)、(110)、(111)、(100)、(2)立方晶体取向指数的测定和表示方法，1。确定坐标系，并确定三个要素：原点、坐标轴和单位长度，2。引入平行线。例如112，晶体取向指数通常可以写成。如果晶体方向得到一个负的坐标值，一个负号被放置在所获得的索引之上。例如，注意：一个晶面指数或晶体取向指数代表一组相互平行的。此外，在立方晶格中，具有相同折射率和晶

6、体取向的晶面彼此垂直。在立方晶格中，有三个晶体取向，如右图所示，它们分别是：110、111和100，并且有三个晶体取向，即晶面或晶体取向(其上的原子以相同的方式排列)、uvw、(iii)晶面族hkl和晶向族hkl:它们表示不同的取向但相同的原子排列。它表示一组具有不同方向但相同原子排列的晶体取向，例如：(100)、(010)、(001)等。它代表一组晶体取向，如100，010，001等。在立方晶体的晶格中，最实际的晶面是111、110，100中包含的最实际的晶面是、从公式中可以知道，即使在同一晶格中，不同晶面和取向的原子密度也是不同的，以体心立方晶格为例：三个主晶面和取向的原子密度如表1-2所

7、示，晶面的面积和规则性：相互接触的晶面和取向是排列最密集的。我们也称之为“密集面”和“密集方向”。表1-2体心立方晶格110中三个主要晶面和取向的原子密度相似，面心立方晶格和密排六方晶格的密排面和方向也可以得到。总结的结果如下表所示：我们将会看到，金属晶格的密堆积面和方向的确定对我们研究金属性质具有重要意义。晶体的各向异性，当我们从不同方向测量一些量时(如弹性模量E、强度极限B、屈服极限S、电阻率、磁导率、线膨胀系数、耐腐蚀性等)。)，我们会得到不同的值。例如，Fe (Fe) 111方向E=2.80105MNm2 100方向E=1.30105MNm2，这引出了一个新概念：由于不同晶面和晶向的原

8、子密度不同，晶体在不同方向上具有不同的性质。各向异性是晶体不同于非晶的重要标志。晶体的各向异性：1-2实际金属的晶体结构，1。单晶和多晶，1。单晶，内部晶格取向完全一致的晶体，晶粒，在(这些)金属中晶格取向一致的小颗粒晶体称为晶粒。(尺寸为10-110-3毫米)，晶界：晶粒间的边界。(如图所示)，(2)多晶：由内部的多个晶粒组成的晶体结构，多晶晶粒的示意图，多晶晶粒的显微照片，以及多晶中两个相邻晶粒之间的原子取向差通常大于15。事实上，在每个晶粒内部的不同区域中，晶格取向可能有微小的差异(102012)。(3)亚颗粒：(这些)晶格取向差异小的颗粒内小区域称为亚颗粒；相应子颗粒之间的界面称为子颗

9、粒边界。实际金属晶体中的缺陷，晶体缺陷：原子在实际晶体中不规则排列的地方。这里晶格失去了完整性。根据几何形状，晶体缺陷可分为三类：(点、线、面)；(1)点缺陷，其几何特征是在X、Y和Z方向上的小尺寸(原子尺寸)。常见：空位置：在晶格节点的正常位置没有原子(由于热振动等原因离开)。)。间隙原子：晶格间隙中有额外的原子。点缺陷的存在会扭曲周围的晶格并产生局部内应力，从而影响晶体的性质。其中，间隙原子只产生枕形畸变(原子压应力)；而空位只会产生负变形(原子拉伸应力)。取代原子：晶体中的点缺陷，(2)线缺陷位错(线):其几何特征在两个方向上较小，在另一个方向上较大(像线)，也称为一维缺陷。位错(位错线

10、):晶格中规则交错排列的原子。最基本的位错之一是边缘位错(如图1-10所示)，它由符号形象地表示。还有其他类型的位错。图1-10边缘位错，位错密度：单位晶体中位错线的总长度。用电子显微镜可以观察到位错线，显示出一条黑线(如图1-11所示)。图1-11位错线，(3)实际晶体中的平面缺陷晶界和亚晶界，其几何特征是一个方向的尺寸小，另两个方向的尺寸大。由于位错的存在，会有扭曲(管状扭曲)。金属中的位错密度通常为1041012厘米/厘米3。位错对金属的机械性能有很大的影响。这种晶体缺陷的存在是由晶体中不同晶格位置向相邻晶粒过渡形成的表面缺陷(如图1-12a所示)。亚晶粒边界的晶体缺陷是由亚晶粒间微小的

11、晶格取向差异形成的表面缺陷(如图1-12b所示)。它可以被视为位错的堆积或“位错墙”。图112中的晶界(a)和亚晶界(b)的示意图。晶体缺陷对金属性能的影响，(1)伪各向同性：由于金属由许多晶粒组成，虽然每个晶粒都是各向异性的，但不同取向的晶粒的综合作用使实际金属在各个方向的性能都是相同的，这似乎是各向同性的，所以称为伪各向同性。原因是平均粒径为10-110-3毫米，1cm3中有106个晶粒。因此，所有的颗粒相互学习彼此的强度，使其性质各向同性，并隐藏其各向异性。由于金属晶体中的上述晶体缺陷，破坏了晶格原子排列的规则性和完整性，导致晶格的局部畸变，对金属的性能特别是力学性能有很大影响。(2)对

12、机械性能的影响：缺陷点阵的变形可以提高强度(点状缺陷降低韧性)。晶界细化了晶界面积、表面缺陷强度和韧性(综合机械性能)。一般来说，位错密度越高，金属的强度越大。通过下面的研究，我们将知道通过剧烈的冷变形，晶体的位错密度可以达到很高(1012厘米/厘米3)。增加位错密度是提高金属强度的常用方法之一。通过细化晶粒来提高金属材料的强度和韧性的方法称为“细晶强化”。1-3金属结晶，1。结晶的基本概念，(1)凝固和结晶：凝固最小二乘法的过程(从液体到固体)，结晶最小二乘法晶体的过程(从液体到固体)，(2)理论结晶温度：所有纯元素(金属和非金属)符号。理论上，上述温度是液态和晶态的分界线：当TT0时，S1

13、(从固态到液态)，当TT0时，LS(从液态到固态)，当TT0时，LS(液态和固态的平衡共存)，自由能量：这部分能量(f)可以自动地将其多余的能量释放到外部世界或者可以在外部做功，称为自由能量。任何物体都有释放能量和减少能量的趋势，使其趋于稳定和平衡。例如，高物质，两个物体在不同的温度下接触，而结晶或凝固的过程是一个减少能量的过程，其驱动力是。“自由能差”(F)，T0，如右图所示，液体和晶体的原子结构不同，所以自由能F随温度t的变化也不同。，T F；但是FLFS，相交T0，当TnT0时，F=F1-FS L S晶体，当TnT0时，F=FS-F1 S晶体，当TnT0时，F=0 S晶体。可以看出，自由

14、能差f是由T=T0Tn得到的，所以T是结晶过程中的一个重要参数。没有驱动力，例如平面上的球和两个等温物体，这表明金属的实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0。(4)过冷度：实际结晶温度(Tn)与平衡结晶温度(T0)之差：T=T0-Tn。过冷度t越大，f越大，结晶驱动力越大，结晶趋势越大。一般来说，在液体结晶成晶体的过程中，由自由能差产生的剩余能量会以热量的形式释放到外界，我们称之为“结晶潜热”。过冷度越大，自由能差越大，结晶潜热越大。此外，结晶过程中潜热的沉淀将补偿结晶物质向环境散热所导致的温度下降，从而降低过冷度。结果，将形成动态平衡，其可以保持过冷度t恒定。换句话说，在某些环境条件下，晶

15、体的结晶温度是恒定的，并且结晶过程在恒定的温度下进行，直到结晶完成。利用上述现象，我们可以测量晶体的实际结晶温度，这就是所谓的“结晶温度”。在这种方法中，测量的晶体首先被加热和熔化，然后以低速冷却。冷却速度越慢，过冷度T越小，测得的实际结晶温度与理论结晶温度越接近。在冷却过程中，记录温度随时间的变化。对于纯元素晶体，可以得到下图所示的“冷却曲线”。热分析方法，纯金属结晶冷却曲线示意图，(5)冷却曲线：液态冷却结晶过程中物体形成的T曲线。(如右图所示)，冷却曲线中水平步骤的温度是实际结晶温度。金属结晶的基本过程：晶核的形成和生长。(如左图所示)，(1)晶核的形成，当金属结晶时，(1)均匀成核或自

16、发成核：在成核过程中，金属本身直接在液体中生成晶核。成核有两种方式：液态金属中原子的热运动很强，所以原子的排列是无序的。然而，随着结晶温度的接近，一些小尺度的规则排列的原子团将出现在液态金属中。当这些原子团的半径大于某一临界值rc时，它们将继续增长，这将导致系统自由能降低，因此它们可以自发增长，这些原子团将成为结晶核心。Rc称为晶核的临界半径，它随过冷度的增加而减小。当过冷度较高时，不能成为结晶核的小原子团也可能成为结晶核。2。不均匀成核或非自发成核：在成核过程中，外来颗粒(如现有的模具壁或液体中未熔化的高熔点杂质颗粒)被用作结晶的核心。晶核是一个能真正长成晶体的原子团。(2)晶核生长，晶核生长方式：金属的生长形式通常是枝晶生长(如图所示)；(3)金属锭和金属铸件。在实际生产中，液态金属通常在模具中凝固成固态，而金属锭(具有一定形状的金属块，通常需要经过塑性加工和变形后才能使用)或铸件(具有特定产品形状的金属零件，通常需要经过一定的工艺过程。这个过程可以称为铸造。对于金属锭，它一般由表面细晶区、柱状