机械工程材料第3章PPT课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,.,*,第三章 晶体结构与结晶,金属的晶体结构,金属的结晶,本章主要内容,晶体与非晶体,金属的晶体结构,实际晶体结构,结晶过程,影响结晶的因素,金属铸锭的组织特点,结晶条件,1,.,2,.,NaCl,的晶体结构及矿物,食盐,3,.,萤石（,CaF,2,）,的晶体结构,4,.,金刚石 石墨 碳,60,5,.,晶体与非晶体,1.,材料分类,(,按固体材料的原子聚集状态）,晶 体：原子按一定规律周期排列,非晶体：原子排列无规律,非晶体,：蜂蜡、玻璃 等。,晶体,金刚石、,NaCl,、冰,等。,液体,6,.,2.,晶体特点,天然规则外形,各向异性同一性能在不同方向测试，结果不同,一定熔点,熔点,晶体,非晶体,时间,温度,晶体和非晶体的熔化曲线,7,.,原子（离子）的刚球模型,原子中心位置,3.1,金属的晶体结构,晶体,:,是指原子按一定的几何形状有规律的重复排列的物体。即是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。,8,.,晶胞,点阵（晶格）模型：,表示晶体中原子排列形式的空间格子称为,晶格,。构成晶格的最基本的几何单元称为,晶胞,。晶体中各种方位的原子面称为,晶面,。晶体中由原子所组成的任一直线称为,晶向,。,9,.,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数,a，b，c,晶胞的分类：,三斜晶系,单斜晶系,正交晶系,六方晶系,菱方晶系,四方晶系,立方晶系,10,.,晶向指数,晶向是指两点间的直线，是矢量。,以晶胞的某一阵点为原点，以晶胞的晶轴为坐标轴,X,、,Y,、,Z,，以晶格常数作为坐标轴的长度单位。,把欲确定方向指数的阵点直线平移，使其通过原点。,求直线上任一阵点（最好取距离原点最近的那个阵点）的坐标分量为,a,、,b,、,c,。,将此数化为最小整数并加上方括号，即为晶向指数，写成,uvw,的形式。,确定晶向的一般步骤：,11,.,晶面指数,设晶格中，某一阵点为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作,OX,、,OY,、,OZ,三坐标轴，以晶格常数,a,、,b,、,c,分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；,将所得三截距之值变为倒数；,再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号，即为晶面指数。一般表示形式：（,hkl),。,确定晶面的一般步骤：,12,.,1.,体心立方晶格,最常见的金属晶体结构：,体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格,-Fe、W、V、Mo,等,13,.,致密度：晶胞中所含原子体积与晶胞体积之比。,配位数：晶体结构中，与任一原子最近邻并且,等距离的原子数。,体心立方结构的晶胞体积为,a,3,，晶胞内含,2,个原子，所以它的致密度,为,体心立方的配位数为,8,。,14,.,2.,面心立方晶格,-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag,等,15,.,2.,面心立方晶格,面心立方结构的晶胞体积为,a,3,，晶胞内含,4,个原子，所以它的致密度,为,面心立方结构的配位数为,12,。,16,.,3.,密排六方晶格,17,.,密排六方晶格内的原子数：个,致密度：,配位数：,18,.,单晶体的,各向异性,：,同一晶体不同晶面和晶向上的各种性能不同的现象。,19,.,3.2,实际金属结构,单晶体：,一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。,在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”。,晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。,1.,单晶体与多晶体,20,.,金相显微组织：,在金相显微镜下观察到的各种晶粒 的形态、大小、分布、相对含量、颜色等情况。,多晶体：,实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。,多晶体,（,1,）每个晶粒的晶格方向一致；,（,2,）各晶粒方位不同；,（,3,）晶粒与晶粒之间有界面。,单晶体存在各向异性，但实际的金属材料,为什么并不表现出这一现象呢？,思考题,21,.,实际的金属材料属于,多晶体结构,，即实际的金属材料是由许多的晶粒组成的晶体。这些晶粒杂乱无章地堆砌时，理想的单晶体的各向异性就不能表现出来。,光学金相显示的纯铁晶界,多晶体示意图,22,.,存在原子排列的不规则性缺陷,包括：点缺陷、线缺陷、面缺陷,实际晶体=理想晶体+晶体缺陷,2.,晶体缺陷：,23,.,点缺陷：,特征是在三个方向的尺寸都很小（相当于原子的尺寸），即晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。,包括以下三种：,空位：晶格结点处无原子,置换原子：晶格结点处被其它,原子占据,间隙原子：原子占据晶格间隙,24,.,25,.,a,.,空位：晶格中某些缺排原子的空结点。,b,.,间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,26,.,c.,置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。,27,.,点缺陷形成原因：,由于原子在平衡位置不停地作,热振动,，在任何瞬间总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚，跳到晶界处或晶格间隙处，从而形成空位。,28,.,空位,间隙原子,大置换原子,小置换原子,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,点缺陷对金属性能的影响？,29,.,空位和间隙原子引起的晶格畸变,30,.,特征是在二个方向的尺寸都很小（只有几个原子间距），而第三个方向尺寸却很大（几百到几千个原子间距），甚至可以贯穿整个晶体。,晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作,位错,。分为,刃型位错,和,螺型位错,。,线缺陷,位错,刃型位错,螺型位错,31,.,刃型位错：,晶格中出现多余的半个原子面，该多余半原子面的边沿就是位错线，因为多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故陈伟刃型位错。,刃位错的形成,刃位错的运动,32,.,螺型位错：,在简单晶体的右端施加一个切应力,，使其右端上、下两部分晶体沿滑移面,ABCD,发生一个原子间距的相对切变，此时左半部分晶体仍未产生滑移（塑形变形），出现了已滑移区和未滑移区的边界，此即螺型位错位错线。,螺位错的运动,33,.,面缺陷：指原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺度很小。,包括：,晶界、亚晶界、晶体表面、相界、堆垛层错,晶粒（单晶体）,晶界,34,.,晶界,晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，简称晶界。晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为,510,个原子间距，位向差一般为,2040,。,小角度晶界：相邻晶粒位向差小于,10,大角度晶界：相邻晶粒位向差大于,10,35,.,亚晶粒,大角度和小角度晶界,位错壁,亚晶粒,是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小,(10 2,),的小晶块。,亚晶粒之间的交界面称,亚晶界,。,亚晶界也可看作,位错壁,。,36,.,37,.,晶界的特点：,原子排列不规则。,熔点低。,耐蚀性差。,易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。,阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。,是相变的优先形核部位,显微组织的显示,38,.,亚晶界,亚晶界,面缺陷引起晶格畸变，,晶粒越细，则晶界越多，,强度和塑性越高？,晶界越多，晶界的总面积多，每个晶粒数也多，对塑性变形的抗力就愈大,强度好,晶粒越细，在单位体积内的晶粒数愈多，金属的总变形量可分散到更多的晶粒中，使变形愈均匀。晶粒越细，晶界曲折越多，可阻止裂纹的扩展,塑性好,39,.,3.,晶体结构与机械性能的关系,1.,晶格类型不同，性能不同,如塑性：面心立方体心立方密排六方,2.,晶格类型相同，晶格常数不同，性能不同,原子序数 47 29 13,金 属,Ag Cu Al,晶格常数 4.09 3.61 4.05,性能（强度）低,3.,晶体内部缺陷，强度、硬度,晶体缺陷 晶格畸变 塑性变形困难 强度,40,.,3.4,非金属的晶体结构,四种晶体结构及典型代表,金属晶体,：,Al,，,Fe,，,Cu,离子晶体,：,NaCl,共价晶体,：,金刚石,，,硅酸盐,分子晶体：部分塑料、橡胶,41,.,橄榄石 (,Mg.Fe),2,SiO,4,42,.,红柱石,Al,2,O,3,SiO,2,43,.,红柱石,44,.,石墨结构,45,.,高分子折叠结构,折叠成盘状，厚度约为,1020nm,，长度约为,1020mm,。一个分子链可以从一个晶区进入另一个晶区。,缨状微晶胞模型,46,.,3.3,金属的结晶,一、结晶的概念,二、结晶过程,三、影响生核与长大的因素,四、同素异构转变,47,.,金属的结晶,1.,结晶：,液态 固态；,固态1 固态2,一 几个概念,物质由液态转变为固态的过程称为,凝固,。,物质由液态转变为晶态的过程称为,结晶,。,物质由一个相转变为另一个相的过程称,为,相变,。,因而结晶过程是相变过程。,玻璃制品,水晶,相：在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分,48,.,金属的结晶,2.,冷却曲线：,金属结晶时温度与时间的关系曲线称,冷却曲线。,曲线上水平阶段所对应的温度称,实际结晶温度,T,1,。,曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的,.,纯金属的冷却曲线,49,.,过冷实际结晶温度低 于理论结晶温度的现象。,过冷度：,TT,0,T,n,冷速，,T,n,，,T,结晶能力,金属的结晶,50,.,纯金属都有一个,理论结晶温度,T,0,(,熔点,或,平衡结晶温度,),。在该温度下,液体和晶体处于,动平衡状态,。,结晶只有在,T,0,以下的实际,结晶温度下才能进行。,雾凇,3.,过冷与过冷度：,51,.,液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称,过冷,。,理论结晶温度与实际结晶温度的差,T,称,过冷度,T=,T,0,T,1,过冷度大小与冷却速度有关，,冷速越大，过冷度越大,。,52,.,过冷度与冷却曲线,冷速越快，过冷度越大,金属的结晶,53,.,4,结晶驱动力,自然界的自发过程进行的热力学条件都是,G0,液相与固相的自由能差,G0，G,越大结晶越容易。而过冷度,T,越大，,G,就越大。,G=U-TS,可以对外做功或向外释放的能量-自由能,各种能量的总和-内能,系统的混乱程度的量-熵,金属的结晶,当温度,TT,0,时，,G,s,G,L,液相稳定,当温度,TT,0,时，,GsG,L,固相稳定,当温度,T=T,0,时，,Gs=G,L,平衡状态,T,0,T,1,T,液体和晶体自由能随温度变化,54,.,5,结晶与凝固的区别,凝固：,LS S,可以是非晶,结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另,一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程,一次结晶：,LS,晶态,二次结晶：,SS,晶态,金属的结晶,55,.,二、结晶过程,金属的结晶,1,、结晶的基本过程,结晶由,晶核的形成和晶核的长大,两个基本过程组成,.,液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为,晶坯,。在,T,0,以下,经一段时间后,(,即孕育期,),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为,晶核,。,T,0,T,1,T,液体和晶体自由能随温度变化,晶核半径与,G,关系,56,.,晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。,晶核不断形成，不断长大，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。,金属的结晶,57,.,金属的结晶,2,、晶核的形成方式,形核有两种方式，即,均匀形核,和,非均匀形核,。,由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。,以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。,均匀形核,非均匀形核示意图,58,.,3,、晶核的长大方式,晶核的长大方式有两种，即,均匀长大,和,树枝状长大。,均匀长大,金属的结晶,59,.,实际金属结晶主要以树枝状长大,.,这是由于存在,负温度梯度，,且,晶核棱角处的散热条件好,，生长快，先形成,一次轴,，一次轴又会产生,二次轴,，树枝间最后被填充。,负温度梯度,60,.,树枝状长大的实际观察,61,.,树枝状结晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,62,.,2.,结晶规律：,晶核的形成与长大两个基本过程，,它们是交替、同时进行的。,金属的结晶,63,.,三、影响生核与长大的因素,过冷度,T,提高，,N,提高、,G,提高,过冷度,T,太高,(,原子扩散能力降低）,N,降低、,G,降低,金属的结晶,形核率,N:,单位时间内，单位体积中所生成的晶核数目,长大速率,G,：,单位时间内，晶核表面向液体中推进的平,均距离,1.,过冷度,64,.,2.,难熔杂质的影响,在结晶过程中为熔杂质可作为天然晶核，提高晶核的形成率。,变质处理：,在液态金属结晶前，特意加入某些合金或某些难熔固态粉末物质，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法成为变质处理。,金属的结晶,3.,振动和搅拌的影响,振动和搅动可以破碎晶体，破碎的晶体又可作为新晶核，从而大幅度提高形核率。,65,.,增加过冷度 冷速,T,结晶能力形核数,变质处理 难熔颗粒 充当晶核,阻止晶核长大,振动处理 振动 大晶核破裂 细小晶核,晶粒大小控制,金属的结晶,66,.,四、同素异构转变,同素异构现象：,同一金属随温度,(,或压力,),的不同，也可以出现不同的结构类型，这种现象叫同素异构现象。,金属的结晶,同素异构转变：,固态下，随温度的变化,由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的过程。,67,.,L -Fe -Fe -Fe,1538,1394,912,体心立方,体心立方,面心立方,金属的结晶,纯铁的同素异构转变,68,.,金属的结晶,-Fe,、,-Fe,为,体心立方结构,(,BCC),，,-Fe,为,面心立方结构,(,FCC),。都是铁的,同素异构体,。,-Fe,-Fe,69,.,2.,同素异构转变的特点：,形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺陷、特定晶面等）。,过冷度,T,大，转变时间长,晶格类型变化，导致性能变化,金属的结晶,固态相变的晶界形核,(Sn-0.5%Cu,铸态，,255K),锡疫,70,.,五、金属铸锭的组织特点,铸锭的宏观组织：,2,.柱状晶粒层,特点：垂直于模壁且彼此平行的柱状晶粒，组织致密,3,.中心粗大等轴晶粒层,特点：晶粒粗大的等轴晶区，组织疏松，杂质多，力学性能差,金属的结晶,1.,表面细晶粒层（等轴细晶区,）,特点：晶粒细小，组织致密，成分均匀,71,.,铸锭中的缺陷:,1,.缩孔与疏松,大多数金属凝固时体积要收缩，如果没有足够的液体补充，便会形成孔隙。如果孔隙集中在凝固的最后部位，就是缩松。,如果孔隙分散地分布于枝晶间，就是疏松。,3.,偏析,合金中各部分化学成分不均匀的现象,金属的结晶,2.,气孔,液态金属凝固时，如果所析出的气体来不及逸出，就会保留在铸锭内部就形成气孔,72,.,小结,晶格类型、实际晶体结构,性能,结晶,晶粒,细化晶粒,73,.,The End,74,.,