第二章--金属的晶体结构与结晶.ppt

第二章 金属的晶体结构与结晶 * 实验证明，金属材料的机械性能是由其微观晶体结构决定的。 第一节 金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 非晶体 ： 蜂蜡、玻璃等。 晶体 金刚石、NaCl、冰 等。 液体 晶体 —— 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。 非晶体 —— 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。 1、晶体 2、非晶体 具有规则几何外形 具有固定的熔点 具有各向异性 ◆ 呈不规则的排列 ◆ 无固定熔点 ◆ 具有各向同性 熔点 晶体 非晶体 时间 温度 晶体和非晶体的熔化曲线 原子（离子）的刚球模型 原子中心位置 二、晶体结构 晶胞 点阵（晶格）模型 晶格 晶胞 X Y Z a b c 晶格常数 a，b，c ? ? ? X Y Z a b c 晶面 通过原子中心的平面 晶向 通过原子中心的直线所指的方向 X Y Z a b c 各向异性 不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象 X Y Z X Y Z 1、体心立方晶格 bcc ?-Fe、W、V、Mo 等 三、常见的金属晶体结构 体心立方晶胞 晶格常数：a=b=c； ?=?=?=90? 晶胞原子数： 致密度：0.68 X Y Z a b c 2r 2r a a 2 原子半径： 致密度=Va /Vc， 其中Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积2?4?r3/3 2、面心立方晶格 fcc ?-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni、Pb等 面心立方晶胞 晶格常数：a=b=c； ?=?=?=90? 晶胞原子数： 致密度：0.74 X Y Z a b c 密排方向 原子半径： 4 3、密排六方晶格 hcp C（石墨）、Mg、Zn 等 晶格常数 底面边长a 底面间距c 侧面间角120? 侧面与底面夹角90? 晶胞原子数：6 原子半径：a/2 致密度：0.74 五、实际金属中的晶体缺陷 1、实际金属晶体结构与理想结构的偏离 单晶体：内部晶格位向完全一致?的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。 晶粒（单晶体） 1）点缺陷 如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 （杂质原子） 空位 间隙原子 2、晶体缺陷类型 2）线缺陷 —— 刃型位错 上刃位错 下刃位错 3）面缺陷 晶粒（单晶体） 晶界 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 一、纯金属的结晶条件 晶体 液体 结晶 结晶： 液体 -- 晶体 凝固： 液体 -- 固体（晶体 或 非晶体） 第二节 纯金属的结晶 冷却曲线 t T T0 Tn 理论结晶温度 开始结晶温度 }?T 过冷度 ?T= T 0 - T n 纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能） T1T0， △E0，固态金属处于稳定态，结晶自发进行； T2T0， △E0，液态金属处于稳定态，融化自发进行。 T0 液态 固态 △E0 △E0 T E T1 T2 冷却速度越大，则过冷度越大 二、纯金属的结晶过程 液态金属 形核 晶核长大 完全结晶 形核和晶核长大的过程 1）形核过程 两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核 自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。 非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。 2）晶核长大过程 两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。 平面生长 树枝状生长 三、晶粒度 1、晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级（p111)。 22 31 44 62 88 125 177 250 晶粒平均直径 （μm） 2048 1024 512 256 128 64 32 16 单位面积晶粒数 （个/mm2） 8 7 6 5 4 3 2 1 晶粒度 细晶强化 —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象 比较： 细晶强化--强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化--强度、硬度↑，塑性、韧性↓ 1）提高过冷度 形核率N 、长大速度v 与 过冷度?T 的关系 ?T v，N v N 2、细化晶粒的措施 提高过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度 铸造中通过降低浇铸温度、减小铸型温度升高的速度 （一般用导热系数大的金属铸型代替砂型）来提高冷却速度 2）变质处理 在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。 变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。 3）振动结晶 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加