金属的晶体结构.ppt

1、金属材料与热处理,学习要点,第2章 金属的晶体结构,1、晶格类型 2、实际金属的组织与结构 3、单晶体金属塑性变形 4、位错运动 5、实际金属的晶体结构 6、多晶体金属塑性变形 7、金属的结晶 8、同素异构转变,第2章 金属的晶体结构,2.1 金属晶体结构 2.2金属的结晶及同素异构转变,1、晶体 ：物质内部的原子作有序、有规则的排列 非晶体 ：在物质内部的原子呈无序堆积状况。 * 一般固态金属都是晶体。,2、晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子 3、晶胞：能够完整反映晶格特征最小几何单元。,2.1 金属晶体结构,晶格参数和晶面、晶向,晶格参数：晶格常数a、b、c和棱边边夹角、,晶面：在晶格

2、中由一系列原子组成的平面。 晶向：在晶格中原子列的位向。,1、体心立方晶格： 晶胞是一个立方体，金属原子排列在立方体的中心和八个顶角上。 *金属有-Fe、Cr、Mo、V等。,晶格类型：,晶格致密度： 晶胞中原子所占有的体积与晶胞体积之比,2、面心立方晶格：晶胞是一个立方体，金属原子排列在立方体的六个面的中心和八个顶角上。 金属有-Fe、Cu、Al、Ni、Au等。,单晶体：晶格位向完全一致晶体。 晶粒：外形不规则，晶格位向一致的小晶体。 多晶体:许多位向不同，外形不规则的小晶粒组成 晶界：多晶体金属内各晶粒间的交界面。,单晶体与多晶体,单晶体金属塑性变形,理论上 整体滑移：每一个原子都移动。 整

3、体滑移所需的理论力远大于实际所需的力。,位错运动和孪生,线缺陷/位错：晶格中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。 位错运动机理：位错的半原子面受到前后两边原子的排斥，处于不稳定的状态，只需加很小的力就能打破力的平衡，位错的半原子面移动很小的距离（小于一个原子间距），达到虚线位置，使位错前进一个原子间距。在切应力作用下，位错继续移动到晶体表面。大量位错移动到晶体表面，就形成宏观塑性变形。,实际滑移通过,实现,金属的塑性变形主要是由位错运动引起滑移完成。,实际金属的晶体结构,晶格畸变：晶格中原子偏离平衡位置，使晶格发生扭曲 破坏了原子的平衡状态。 点缺陷：晶格中存在空位、间隙原子、置换原子

4、等点缺陷的存在，从而引起晶格畸变。 性能变化：使金属的电阻率增加，强度、硬度升高，塑性、韧性下降。,线缺陷,线缺陷/位错：晶格中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。 常见的有刃型位错和螺型位错 金属的塑性变形主要是由位错运动引起滑移形成。 阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,面缺陷,面缺陷/晶界：多晶体金属内各晶粒间的交界面。 晶界/大角晶界：相邻晶粒位向相差15以上。 亚晶粒：在一个晶粒内部，晶格位向相差很小 （2-3 ）的小晶。 亚晶界/小角晶界：,晶界特性,1、晶界原子排列紊乱，对位错运动有阻碍作用，是金属中的强化部位（在常温下，强度、硬

5、度较高）。 金属的晶粒越细，晶界总面积就越（ ），金属的强度也越（ ） 2、晶界处的原子处于不稳定的状态，能量比晶内的高(高出叫晶界能） 晶界熔点低、耐蚀性差、原子扩散快。 晶界的缺陷比晶内多，因而外来原子易在晶界上偏聚，其浓度高于晶内，称为内吸附。 晶界还是固态相变的优先形核部位。,多晶体金属塑性变形,分析角度：晶粒位向、晶界、晶粒大小 1、晶粒位向：位向不同，使滑移阻力增加， 使塑性变形抗力增加。 塑性变形不均匀和逐步扩展，产生内应力,2、晶界：晶界原子排列紊乱，阻碍位错移动,3、晶粒大小：粒小，晶界多，不同位向晶粒多，塑性变形抗力大 强度（ ）。 晶粒大小影响韧性、塑性：A 变形量均匀分

6、散在更多的晶粒内，不致集中少数晶粒，造成变形严重；B 晶粒小，晶界多且曲折，不利于裂纹传播，断裂前能承受大的塑性变形，吸收较多的功故韧性、塑性（ ）,冷塑性变形后金属的组织与性能,1、位错密度增加，产生加工硬化 优点：A、强化金属手段；B、增加构件的安全性；C、有利于金属进行均匀变形，是塑性变形成形的重要因素； 缺点：进一步冷塑性变形困难。 2、冷塑性变形引起各项异性：A、组织纤维化 B、结构（晶粒）方向性 3、产生残余内应力,残余内应力1,宏观残余内应力：由于金属材料各部分变形不均匀 而造成的宏观范围内残余应力。,弯曲变形后,残余内应力2,微观残余内应力：多晶体的各晶粒的变形不均匀， 而使各

7、晶粒间产生残余内应力。,残余内应力3,晶格畸变应力：金属在塑性变形后，增加了位错 及空位等晶体缺陷，使晶体中一部分原子其偏离 平衡而造成晶格畸变，从而产生的残余内应力。 需要部分原子范围内（几百，几千）来相互平衡。,残余内应力,残余内应力：残留金属内部用于平衡的内部应力。 类别：1、宏观残余内应力 2、微观残余内应力 3、晶格畸变应力（90%） 引起残余内应力的原因： 塑性变形、温度急剧变化、结晶、固态相变等 有害影响：1、降低工件的承载能力 2、 使工件尺寸和形状发生变化 3、降低工件的耐蚀性,金属结晶,1、结晶：液态金属凝固成晶体结构的过程。也是原子由不规则排列的液态逐步过渡到原子规则排列

8、的晶体的过程。,2、理论/平衡结晶温度：理论上凝固点与熔点一致的温度 3、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。T0-T1=T,*冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度越大。,结晶过程,结晶过程：形核及晶核长大的过程。,晶核：结晶的核心质点（原子小集团）。,晶粒的大小取决于晶核的形成速率和长大速度 。,控制过冷度：过冷度对形核率和长大速度都有影响。,铸锭的形成,1、表面细晶粒层 2、柱状晶区 3、中心等轴区,变形金属加热时组织和性能的变化,1、回复：加热温度低，显微组织无明显变化，机械性能变化不大，残余残余应力显著下降的阶段。 2、原因：温度低，原子短距离扩散，使空位与间隙原子合并，空位与位

9、错发生交互作用而消失，晶格畸变减轻，残余应力显著下降。但位错密度未显著减少，加工硬化的主要原因未消除。机械性能在回复阶段变化不大。,3、冷变热处理方法应用：去应力退火 回复/冷卷弹簧（250-300 ），青铜丝弹簧（120-150 ）。,变形后的金属，晶格畸变，原子内能升（ ）而处于不稳定状态，具有自发地恢复原来稳定状态的趋势。室温，原子活动能力（ ），而温度高，（ ），其组织和性能（ ）。变化阶段（ ）。,2、再结晶,4、冷变热处理方法应用： （再结晶退火）为工件 拉延、弯曲继续进行的中间热处理。,1、再结晶：加热温度较高，显微组织（ ），加工硬 化（性能）和残余应力（ ）。,2、再结晶过程

10、：温升，原子活动能力大，在晶界等晶格畸变严重处，形核，长大成等轴晶粒。晶格畸变轻，位错密度减轻到变形前，残余应力和加工硬化（ ）。 注：再结晶前后，晶粒晶格（ ）。晶粒形状（ ）。 3、再结晶温度；温度范围最低温度。 T再=（0.35-0.4）T熔,3、晶粒长大,晶粒长大：温升或保温，晶界迁移位向改变， 晶粒被吞并而长大,金属热变形加工（热锻/热轧）,1、冷热变形加工区别：以再结晶温度划分。 钨/1200，锡/-7 。 2、热加工特点：冷加工+再结晶同时进行。 热加工时，由于金属原子结合力减小，而且 形变强化现象随时被再结晶消除，从而使金属的强度、硬度提高，塑性提高，因此热加工比冷加工易进行。 3、适用场合：A、热加工可应用于截面尺寸大，变形量大、材料在室温下脆性较高。 B、冷加工适于截面尺寸小、加工尺寸和表面质量要求较高的金属制品。,金属热变形加工时组织和性能的变化,1）形成纤维组织 2）消除和改善铸态金属的组织缺陷 （如：气泡缩孔焊和、缩松压实、使材料致密；铸态时粗大的柱状晶经热变形加工变成细小的等轴晶粒；大块碳化物被打碎，使成分均匀。,金属的同素异构转变,同素异构转变：金属在固态下，随着温度改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 遵守结晶