工学金属的结构与结晶材料.pptx

2024/4/7 周日1第一章金属的结构与结晶第一章金属的结构与结晶（材料第一章）（材料第一章）（材料第一章）（材料第一章）1-2 金属的实际结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷1-3 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭1-1 金属的晶体结构金属的晶体结构2024/4/7 周日2 物质由原子组成。原子的结物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物合方式和排列方式决定了物质的性能。质的性能。原子、离子、分子之间的结原子、离子、分子之间的结合力称为合力称为结合键结合键。它们的具。它们的具体组合状态称为体组合状态称为结构结构。C601-1 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体概念一、晶体概念一、晶体概念一、晶体概念 二、三种常见的金属晶格二、三种常见的金属晶格二、三种常见的金属晶格二、三种常见的金属晶格*二二二二、立方晶系晶面、晶向指数、立方晶系晶面、晶向指数、立方晶系晶面、晶向指数、立方晶系晶面、晶向指数四、晶体的各向异性四、晶体的各向异性2024/4/7 周日3一、晶体概念一、晶体概念 l1、晶体与非晶体、晶体与非晶体l晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主常态下金属主要以晶体形式存在。要以晶体形式存在。晶体具有各向异性晶体具有各向异性。l非晶体非晶体是指原子呈无序排列的固体。是指原子呈无序排列的固体。在一定条件在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。下晶体和非晶体可互相转化。2024/4/7 周日42 2、晶格与晶胞、晶格与晶胞、晶格与晶胞、晶格与晶胞l 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。的三维空间格架。直线的交点（原子直线的交点（原子中心）称结点。中心）称结点。由由结点形成的空间点结点形成的空间点的阵列称空间点阵的阵列称空间点阵(晶格晶格)2024/4/7 周日5l 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。2024/4/7 周日6l 晶系：晶系：l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c，=90 l六方晶系六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数：晶格常数：晶晶胞各边的尺寸胞各边的尺寸 a、b、c。l各棱间的夹角用各棱间的夹角用、表示。表示。2024/4/7 周日7l 原子半径：原子半径：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相邻子密度最大方向上相邻原子间距的一半。原子间距的一半。l 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内一个晶胞内所包含的原子数目。所包含的原子数目。l*配位数：配位数：晶格中与任一晶格中与任一原子距离最近且相等的原子原子距离最近且相等的原子数目。数目。l*致密度致密度：晶胞中原子本晶胞中原子本身所占的体积百分数。身所占的体积百分数。2024/4/7 周日8*二二二二、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法l晶体中各方位上的晶体中各方位上的原子面称原子面称晶面。晶面。l各方向上的原子列各方向上的原子列称称晶向。晶向。l晶面指数晶面指数l表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数晶面指数。l其确定步骤为：其确定步骤为：2024/4/7 周日9l 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。坐标轴上的截距。l 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（加圆括弧，形式为（hkl）。）。2024/4/7 周日10l例一例一.求截距为求截距为、1、晶面的指晶面的指数数 截距值取倒截距值取倒数为数为0、1、0，加圆括弧得，加圆括弧得（010）l例二例二.求截距为求截距为2、3、晶面的指晶面的指数数 取倒数为取倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧化为最小整数加圆括弧得（得（320）l例三例三.画出（画出（112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2,化成化成最小整数为最小整数为2、2、1，即为，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距2024/4/7 周日11l 晶向指数晶向指数l表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：其确定步骤为：2024/4/7 周日12l 确定原点，确定原点，建立坐标系，过建立坐标系，过原点作所求晶向原点作所求晶向的平行线。的平行线。l 求直线上任求直线上任一点的坐标值并一点的坐标值并按比例化为最小按比例化为最小整数，加方括弧。整数，加方括弧。形式为形式为uvw。2024/4/7 周日13l例一、例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。，求该直线的晶向指数。l将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、例二、已知晶向指已知晶向指数为数为110,画出该画出该晶向。晶向。l找出找出1、1、0坐标点坐标点,连接原点与该点的连接原点与该点的直线即所求晶向。直线即所求晶向。1102342024/4/7 周日14l l 晶面族与晶向族晶面族与晶向族晶面族与晶向族晶面族与晶向族l(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。l指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作面称作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用hkl和和表表示。示。2024/4/7 周日15立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：2024/4/7 周日16110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY2024/4/7 周日17立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：2024/4/7 周日18111111111111XZY2024/4/7 周日19说明：说明：在立方晶系中，指在立方晶系中，指数相同的晶面与晶数相同的晶面与晶向相互垂直向相互垂直。遇到负指数，遇到负指数，“-”号放在该指数的上号放在该指数的上方。方。-晶向具有方向性，晶向具有方向性，如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)2211101102024/4/7 周日20三、三种常见的金属晶格三、三种常见的金属晶格l1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构l金属原子是通过正离子与自金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，由电子的相互作用而结合的，称为称为金属键金属键。l金属原子趋向于紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l常见纯金属的晶格类型有常见纯金属的晶格类型有体心立方体心立方(bcc)、面心立方面心立方(fcc)和和密排六方密排六方(hcp)晶格。晶格。2024/4/7 周日21 体体心心立立方方晶晶格格2024/4/7 周日22体心立方晶格体心立方晶格2024/4/7 周日23体心立方晶格的参数体心立方晶格的参数2024/4/7 周日24l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数：8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径：2024/4/7 周日25 面面心心立立方方晶晶格格2024/4/7 周日26面心立方晶格面心立方晶格2024/4/7 周日27面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数2024/4/7 周日28 a42r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格2024/4/7 周日29 密排六方晶格密排六方晶格2024/4/7 周日30密排六方晶格的参数密排六方晶格的参数*2024/4/7 周日31*2024/4/7 周日32a21r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格2024/4/7 周日332024/4/7 周日34l 三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向l单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度晶面原子密度。l单位长度晶向上的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线32024/4/7 周日35三种常见晶格的密三种常见晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密密排排六六方方晶晶格格面面心心立立方方晶晶格格体体心心立立方方晶晶格格2024/4/7 周日36体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面2024/4/7 周日37l四、晶体的各向异性四、晶体的各向异性 由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能便有所差同，因而晶体在不同方向上的性能便有所差异，这叫异，这叫晶体的各向异性晶体的各向异性。2024/4/7 周日381-1-2 2 金属的实际结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几，铸造金属可达几mm。纯铁组织纯铁组织晶晶粒粒示示意意图图l一、一、多晶体结构多晶体结构l单晶体：单晶体：其内部晶格方位完全其内部晶格方位完全一致的晶体。一致的晶体。l晶粒：晶粒：实际使用的金属材料是实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶规则的小晶体组成，这些小晶体称为体称为晶粒晶粒。2024/4/7 周日39沿晶断口沿晶断口沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织铅锭宏观组织2024/4/7 周日40l l晶界：晶界：晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图2024/4/7 周日41l二、二、晶体缺陷晶体缺陷l晶格的不完整部位晶格的不完整部位称称晶体缺陷晶体缺陷。l实际金属中存在着实际金属中存在着大量的晶体缺陷，大量的晶体缺陷，按形状可分三类，按形状可分三类，即即点点、线线、面面缺陷。缺陷。2024/4/7 周日42l 点缺陷点缺陷 l空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子2024/4/7 周日43la.空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。lb.间隙原子：间隙原子：挤进晶挤进晶格间隙中的原子。格间隙中的原子。可可以是基体金属原子，以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙2024/4/7 周日44lc.置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原取代原来原子位置的外来原子称置换原子。子称置换原子。l点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称态，使晶格发生扭曲，称晶晶空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子格畸变格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。2024/4/7 周日45空位和间隙原子引起的晶格畸变空位和间隙原子引起的晶格畸变2024/4/7 周日46l 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错l位错：位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上已滑移区与未滑移区的交界线称作滑移，滑移面上已滑移区与未滑移区的交界线称作位错位错。刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。2024/4/7 周日47l位错密度：位错密度：单位体积内所包单位体积内所包含的位错线总长度。含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2l位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的金属的塑性变形主要由位错运动引塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。化金属的主要途径。l减少或增加位错密度都可以减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2)加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2)2024/4/7 周日48电子显微镜下的位错观察电子显微镜下的位错观察2024/4/7 周日49 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510个原子间距，位向个原子间距，位向差一般为差一般为2040。亚晶粒亚晶粒是晶粒内部的尺寸很小是晶粒内部的尺寸很小,位向差也很小位向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。亚晶界也可看作位错壁。晶界示意图亚晶界示意图亚晶组织2024/4/7 周日50l晶界的特点：晶界的特点：原子排列不规则原子排列不规则。熔点低熔点低。耐蚀性差耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸附，外来原子，外来原子易在晶界偏聚。易在晶界偏聚。阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化部，是强化部位，因而实际使用的金属位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。力求获得细晶粒。是相变的优先形核部位是相变的优先形核部位 显微组织的显示显微组织的显示2024/4/7 周日51l一、结晶的概念一、结晶的概念l物质由液态转变为固态的物质由液态转变为固态的过程称为过程称为凝固凝固。l物质由液态转变为晶态的物质由液态转变为晶态的过程称为过程称为结晶结晶。l物质由一个相转变为另一物质由一个相转变为另一个相的过程称为个相的过程称为相变相变。因因而结晶过程是相变过程。而结晶过程是相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶第三节金属的结晶与铸锭第三节金属的结晶与铸锭第三节金属的结晶与铸锭第三节金属的结晶与铸锭2024/4/7 周日52纯金属都有一个理论结晶温度纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度熔点或平衡结晶温度)。在该。在该温度下温度下,液体和晶体处于动平液体和晶体处于动平衡状态。衡状态。自由能自由能（）（）：物质中能够自动：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够向外界释放出其多余的或能够对外作功的这一部分能量。对外作功的这一部分能量。理论结晶温度理论结晶温度（0）：结晶速度：结晶速度与溶解速度相等时所对应的温与溶解速度相等时所对应的温度度(液液=晶晶）。）。结晶驱动力结晶驱动力液液晶晶2024/4/7 周日53冷却曲线冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关金属结晶时温度与时间的关系曲线称系曲线称冷却曲线。冷却曲线。曲线上水平阶段曲线上水平阶段所对应的温度称所对应的温度称实际结晶温度实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的潜热引起的.结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结晶温度下才能进行。过冷过冷：液态金属在理论结晶温度以下开：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称始结晶的现象称过冷过冷。过冷度过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度：理论结晶温度与实际结晶温度的差的差 T称称过冷度过冷度 T=T0 T1过冷度大小与冷却速度有关，过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，冷速越大，过冷度越大过冷度越大。2024/4/7 周日54二、结晶时晶核的形成和成长过程二、结晶时晶核的形成和成长过程二、结晶时晶核的形成和成长过程二、结晶时晶核的形成和成长过程l1、结晶的基本过程、结晶的基本过程l结晶由结晶由晶核的形成晶核的形成和和晶核的长大晶核的长大两个基本过程组成两个基本过程组成.l液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时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，称为聚时散，称为晶坯晶坯。在。在T0以下以下,经一段时间后经一段时间后(即孕育即孕育期期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核晶核。l晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。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。晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。l2、晶核的形成方式、晶核的形成方式l形核有两种方式，即形核有两种方式，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。l由液体中排列规则的原子团形成晶核称由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核（自发晶核）。均匀形核（自发晶核）。l以液体中存在的固态杂质为核心形核称以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核（外来晶核非均匀形核（外来晶核）。）。非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。2024/4/7 周日563、晶核的长大方式、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，晶核的长大方式有两种，即即均匀长大均匀长大和和树枝状树枝状长大长大。实际金属结晶主要以树实际金属结晶主要以树枝状长大枝状长大.因因晶核棱晶核棱角处的散热条件好角处的散热条件好，生长快，先形成生长快，先形成一次一次轴轴，一次轴又会产生，一次轴又会产生二次轴二次轴，树枝间最，树枝间最后被填充。后被填充。树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察2024/4/7 周日58树枝状结晶树枝状结晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶2024/4/7 周日59二、结晶时晶核的形二、结晶时晶核的形成和成长过程成和成长过程结晶过程：晶核的形成和成长（晶核分自发晶核与外来晶核）。成长方式：枝晶成长。2024/4/7 周日60缺陷的形成缺陷的形成：在枝晶成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用和彼此间的碰撞，以及杂质元素的影响等种种原因，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的嵌镶块、亚晶界、位错等。三、影响晶核的形成和成长速率的因素三、影响晶核的形成和成长速率的因素过冷度影响因素液体中的不熔杂质表面细晶粒层四、金属铸锭的组织四、金属铸锭的组织柱状晶粒层 中心等轴晶粒层细晶组织机械性能较粗晶好细晶组织机械性能较粗晶好。2024/4/7 周日612024/4/7 周日62l在实际生产中，液态金在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。模具中成型则得到铸件。l铸锭铸锭(件件)的组织及其存的组织及其存在的缺陷对其加工和使在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。用性能有着直接的影响。2024/4/7 周日63l 表层细晶区：表层细晶区：浇注时，浇注时，由于冷模壁产生很大的由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。细的等轴晶粒区。2024/4/7 周日64l 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。方向生长而形成柱状晶区。2024/4/7 周日65l中心粗等轴晶区中心粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。轴晶粒。2024/4/7 周日66铸造时细化晶粒的主要方法1、增加冷却速度增加冷却速度:例如：由砂型铸造改为金属模铸造，可以提高铸件的力学性能。2、变质处理变质处理:例如铸铁和铝硅合金（前者加Si-Fe合金，后者加NaF+NaCl混合盐)3、物理方法物理方法:振动、搅拌等2024/4/7 周日67