金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶ppt課件

1、. .金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 按原子排列的特征，可將固體金屬物質(zhì)分為晶體和按原子排列的特征，可將固體金屬物質(zhì)分為晶體和非晶體兩大類。非晶體兩大類。晶體：晶體： 物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定的次序有規(guī)律排列的。如物質(zhì)內(nèi)部的原子是按一定的次序有規(guī)律排列的。如金剛石、石墨等，固態(tài)金屬一般屬于晶體。金剛石、石墨等，固態(tài)金屬一般屬于晶體。非晶體：非晶體內(nèi)部的原子則是無規(guī)則排列的，如玻璃、非晶體：非晶體內(nèi)部的原子則是無規(guī)則排列的，如玻璃、松香和瀝青等。松香和瀝青等。非晶體非晶體晶體晶體固體固體物質(zhì)物質(zhì)1.2.1 1.2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格晶格：為了便于理解和描述晶體中原子排列

2、的規(guī)律，可以近似地將晶體中每一個(gè)原子看成為了便于理解和描述晶體中原子排列的規(guī)律，可以近似地將晶體中每一個(gè)原子看成是一個(gè)點(diǎn)，并將各點(diǎn)用假想的線連接起來，就得到一個(gè)空間骨架，簡(jiǎn)稱晶格，如圖是一個(gè)點(diǎn)，并將各點(diǎn)用假想的線連接起來，就得到一個(gè)空間骨架，簡(jiǎn)稱晶格，如圖1-4b)1-4b)所所示。示。晶胞晶胞：即晶格中最小的幾何單元。即晶格中最小的幾何單元。圖圖4 4 晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)示意圖晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶格晶格晶胞晶胞 常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三種類型。常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三種類型。. .體心立方晶格體心立方晶格 體心

3、立方的晶格是一個(gè)立方體，其中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子，如圖體心立方的晶格是一個(gè)立方體，其中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子，如圖1 15 5所示。所示。 屬于這屬于這類晶格的金屬有類晶格的金屬有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。它們都具有較好的塑性和較大的強(qiáng)度。等。它們都具有較好的塑性和較大的強(qiáng)度。圖圖5 5 體心立方球體模型及其晶格體心立方球體模型及其晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，其面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，其六個(gè)面中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子，如圖六個(gè)面中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原子，如圖1 15 5所示。屬于這類晶格的金屬有所示。屬于這類晶格的金

4、屬有 -Fe -Fe 、CuCu、AlAl、NiNi等。等。它們都具有較好的塑性。它們都具有較好的塑性。 圖圖1 16 6 面心立方球體模型及其晶胞面心立方球體模型及其晶胞. .密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，其上密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，其上下底面的中心和十二個(gè)角上各有一個(gè)原子，且在六下底面的中心和十二個(gè)角上各有一個(gè)原子，且在六方柱體的中間還有三個(gè)原子，如圖方柱體的中間還有三個(gè)原子，如圖1 17 7所示。屬于所示。屬于這類晶格的金屬有這類晶格的金屬有g(shù) g 、n n 、d d 、e e等。等。這類金屬塑性較差。這類金屬塑性較差。圖圖1 17 7 密排六方球

5、體模型及其晶胞密排六方球體模型及其晶胞1.2.21.2.2金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程. .金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶 即液態(tài)金屬凝固時(shí)原子即液態(tài)金屬凝固時(shí)原子占據(jù)占據(jù)晶格的規(guī)定位置形成晶體的過程。晶格的規(guī)定位置形成晶體的過程。 純金屬的結(jié)晶過程可通過熱分析實(shí)驗(yàn)法得到的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，即純金屬的結(jié)晶過程可通過熱分析實(shí)驗(yàn)法得到的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，即冷卻曲線冷卻曲線來表來表示，如圖示，如圖1-81-8所示。所示。圖圖1-8 1-8 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線T T0 0 理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度T Tn n實(shí)際結(jié)晶溫度實(shí)際結(jié)晶溫度TT過冷度過冷度T溫度溫度T0Tn時(shí)間時(shí)間2.2.過冷過冷

6、過冷過冷：即熔融金屬冷卻到平衡的凝固點(diǎn)以下即熔融金屬冷卻到平衡的凝固點(diǎn)以下 而沒有發(fā)生凝固的現(xiàn)象。而沒有發(fā)生凝固的現(xiàn)象。過冷度過冷度: 理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差值 稱為過冷度。稱為過冷度。 即：即： T=TT=T0 0-T-Tn n式中式中 TT過冷度（過冷度（）；）； T T0 0 金屬的理論結(jié)晶溫度（金屬的理論結(jié)晶溫度（）；）； T Tn n 金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度（金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度（）。）。 金屬的過冷度不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。金屬的過冷度不是恒定值，它與冷卻速度有關(guān)。 冷卻速度越快過冷度也越大。冷卻速度越快過冷度也越大。 3. 3.金屬的結(jié)晶過

7、程金屬的結(jié)晶過程 動(dòng)畫演示動(dòng)畫演示金屬的結(jié)晶過程包括形核和晶核長(zhǎng)大兩個(gè)階段，并持續(xù)到液相全部轉(zhuǎn)變成固相為止。金屬的結(jié)晶過程包括形核和晶核長(zhǎng)大兩個(gè)階段，并持續(xù)到液相全部轉(zhuǎn)變成固相為止。金屬的結(jié)晶過程動(dòng)畫金屬的結(jié)晶過程動(dòng)畫 演示了金屬從形核、晶體長(zhǎng)大直至結(jié)晶演示了金屬從形核、晶體長(zhǎng)大直至結(jié)晶 完畢整個(gè)過程。完畢整個(gè)過程。(1)(1)形核形核形核形核：又稱成核，是過冷金屬液中生成晶核的過程，是結(jié)晶的初始階段。形核包括均又稱成核，是過冷金屬液中生成晶核的過程，是結(jié)晶的初始階段。形核包括均質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩種方式。質(zhì)形核和非均質(zhì)形核兩種方式。 1 1）均質(zhì)形核）均質(zhì)形核：又稱自發(fā)形核，是熔融金屬內(nèi)又稱

8、自發(fā)形核，是熔融金屬內(nèi) 僅因過冷而產(chǎn)生晶核的過程。在一定過冷僅因過冷而產(chǎn)生晶核的過程。在一定過冷 度下，金屬液中的一些原子自發(fā)聚集在一度下，金屬液中的一些原子自發(fā)聚集在一 起，按晶體的固有規(guī)律排列起來形成晶核。起，按晶體的固有規(guī)律排列起來形成晶核。 2 2）非均質(zhì)形核）非均質(zhì)形核：又稱非自發(fā)形核，是以熔融又稱非自發(fā)形核，是以熔融 金屬內(nèi)原有的或加入的異質(zhì)點(diǎn)作為晶核或金屬內(nèi)原有的或加入的異質(zhì)點(diǎn)作為晶核或 晶核襯底的形核過程。晶核襯底的形核過程。形核形核(2)(2)晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大：即金屬結(jié)晶時(shí)，晶粒長(zhǎng)大成為晶體的過程。即金屬結(jié)晶時(shí)，晶粒長(zhǎng)大成為晶體的過程。結(jié)晶過程中，已經(jīng)形成的晶

9、核不斷長(zhǎng)大，同時(shí)液態(tài)金屬中又會(huì)不斷地產(chǎn)生新的晶核并不斷結(jié)晶過程中，已經(jīng)形成的晶核不斷長(zhǎng)大，同時(shí)液態(tài)金屬中又會(huì)不斷地產(chǎn)生新的晶核并不斷長(zhǎng)大，直至液態(tài)金屬全部消失、長(zhǎng)大的晶體互相接觸為止。長(zhǎng)大，直至液態(tài)金屬全部消失、長(zhǎng)大的晶體互相接觸為止。 晶粒晶粒：多晶體材料內(nèi)，晶體學(xué)位向（即原子排列的多晶體材料內(nèi)，晶體學(xué)位向（即原子排列的 位向）基本相同的小晶體稱為晶粒。位向）基本相同的小晶體稱為晶粒。 晶界：相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。晶界：相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。4.4.晶粒度及其控制晶粒度及其控制晶粒度晶粒度：指多晶體內(nèi)晶粒的大小，可用晶粒號(hào)、晶粒平均直徑、單位面積或單位體積的晶指多晶體內(nèi)晶粒的大小

10、，可用晶粒號(hào)、晶粒平均直徑、單位面積或單位體積的晶粒數(shù)目來定量表征。粒數(shù)目來定量表征。（1 1）晶粒度對(duì)金屬力學(xué)性能的影響）晶粒度對(duì)金屬力學(xué)性能的影響 通常，金屬的晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好。晶粒細(xì)，晶界就多，晶粒間犬牙交錯(cuò)，相互通常，金屬的晶粒越細(xì)，力學(xué)性能越好。晶粒細(xì)，晶界就多，晶粒間犬牙交錯(cuò)，相互楔合，從而加強(qiáng)了金屬內(nèi)部的結(jié)合力。楔合，從而加強(qiáng)了金屬內(nèi)部的結(jié)合力。（2 2）細(xì)化晶粒的方法）細(xì)化晶粒的方法 生產(chǎn)中常采用加入形核劑、增大過冷度生產(chǎn)中常采用加入形核劑、增大過冷度 、動(dòng)力學(xué)法等來細(xì)化晶粒，以改善金屬材料、動(dòng)力學(xué)法等來細(xì)化晶粒，以改善金屬材料性能。性能。1)1)加入形核劑加入形核劑 2

11、 2）增大過冷度）增大過冷度 形核率和晶核長(zhǎng)大速度都隨著過冷度的增大而增大，但形核率的增長(zhǎng)比長(zhǎng)大速率的增加要快，形核率和晶核長(zhǎng)大速度都隨著過冷度的增大而增大，但形核率的增長(zhǎng)比長(zhǎng)大速率的增加要快，過冷度過冷度TT越大，單位體積中晶核的數(shù)目越多，故能使晶粒細(xì)化。冷卻速度越大，過冷度也就越大，越大，單位體積中晶核的數(shù)目越多，故能使晶粒細(xì)化。冷卻速度越大，過冷度也就越大，故可通過增加冷卻速度的方法來使晶粒細(xì)化。故可通過增加冷卻速度的方法來使晶粒細(xì)化。）動(dòng)力學(xué)法）動(dòng)力學(xué)法通過機(jī)械振動(dòng)、電磁攪拌等方式使金屬中產(chǎn)生對(duì)流，從而使生長(zhǎng)中的晶核折斷而增加晶核通過機(jī)械振動(dòng)、電磁攪拌等方式使金屬中產(chǎn)生對(duì)流，從而使生長(zhǎng)

12、中的晶核折斷而增加晶核數(shù)目，細(xì)化晶粒。數(shù)目，細(xì)化晶粒。）其它方法）其它方法熱處理、塑性變形等方法也能使金屬細(xì)化。熱處理、塑性變形等方法也能使金屬細(xì)化。1.2.3 1.2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：金屬在固態(tài)下隨溫度的變化改變其金屬在固態(tài)下隨溫度的變化改變其 晶格類型的過程稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。晶格類型的過程稱為金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 如純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)缂冭F的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。二次結(jié)晶二次結(jié)晶:金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程與液態(tài)金屬 的結(jié)晶過程很相似，也有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷的結(jié)晶過程很相似，也有一定的轉(zhuǎn)變溫度和過冷 度，同樣包括

13、晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)過程，度，同樣包括晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)過程， 故常稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。故常稱為重結(jié)晶或二次結(jié)晶。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變液態(tài)純鐵冷卻到1538時(shí)結(jié)晶成體心立方晶格的Fe,繼續(xù)冷卻1394時(shí)發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變成立方晶格的-Fe,再繼續(xù)冷卻到912時(shí)又發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變成體心立方晶格的-1.2.4 1.2.4 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元合金：是兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬與非金屬元 素所組成的金屬材料。素所組成的金屬材料。組元：組成合金的最基本的、獨(dú)立的單元稱為組元。組元：組成合金的最基本

14、的、獨(dú)立的單元稱為組元。 按照組元的數(shù)目，合金可以分為二元合金、三元合金。按照組元的數(shù)目，合金可以分為二元合金、三元合金。 合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間作用方式不同，可以形成固溶體、合金的晶體結(jié)構(gòu)比純金屬復(fù)雜，根據(jù)組成合金的組元相互之間作用方式不同，可以形成固溶體、金屬化合物和機(jī)械混合物三種結(jié)構(gòu)。金屬化合物和機(jī)械混合物三種結(jié)構(gòu)。組元組元1 1組元組元2 2組元組元3 3合合 金金 1.1.固溶體固溶體(1)(1)固容體的類型固容體的類型間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子很小時(shí)，只能處間隙固溶體：當(dāng)溶質(zhì)原子很小時(shí)，只能處于溶劑原子的間隙中，稱為間隙固溶體。于溶劑原子的間隙中，稱為間

15、隙固溶體。如圖如圖1-10a1-10a所示。如所示。如C C、H H、O O等原子易形成等原子易形成間隙固溶體。間隙固溶體。置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)和溶劑的原子直徑較置換固溶體：當(dāng)溶質(zhì)和溶劑的原子直徑較接近時(shí)，只能替代一部分溶劑原子而占據(jù)接近時(shí)，只能替代一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置，稱為置換固溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置，稱為置換固溶體。溶體。 如圖如圖1-10b 1-10b 所示。所示。 如如Fe-NiFe-Ni、Cu-NiCu-Ni等。等。(2)(2)固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化：通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶強(qiáng)化：通過溶入某種溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)固溶體而使金屬的

16、強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。象。如圖如圖1-10c1-10c、1-10d1-10d所示。所示。1-10c 1-10c 間隙固溶體晶格畸變間隙固溶體晶格畸變1-10d 1-10d 置換固溶體晶格畸變置換固溶體晶格畸變2.2.金屬化合物金屬化合物金屬化合物金屬化合物：即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互化合而形成的一種新的具有金屬特即由兩組元的原子按一定的數(shù)量比相互化合而形成的一種新的具有金屬特性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。 金屬化合物具有與各組元完全不同的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，通常具有較高的熔點(diǎn)和硬度，且金屬化合物具有與各組元完全不同的復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)，通常具有較高的熔點(diǎn)和硬度，且脆性較大。碳鋼中的脆性較大。碳鋼中的FeFe

17、C C、合金鋼中的、合金鋼中的TiCTiC、WCWC、VCVC等均屬于金屬化合物。等均屬于金屬化合物。 FeFeC C的的晶格如圖晶格如圖1-11b1-11b所示。所示。圖圖1-11a 1-11a 石墨的晶格石墨的晶格圖圖1-11b 1-11b 滲碳體的晶格滲碳體的晶格3.3.機(jī)械混合物機(jī)械混合物機(jī)械混合物：即由純金屬、固溶體或化合物按一定機(jī)械混合物：即由純金屬、固溶體或化合物按一定 的重量比組成的物質(zhì)。的重量比組成的物質(zhì)。 機(jī)械混物各組成物的原子仍然按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，在顯微鏡下可明顯機(jī)械混物各組成物的原子仍然按自己原來的晶格形式結(jié)合成晶體，在顯微鏡下可明顯區(qū)別出各組成物的晶粒。區(qū)別出各組成物的晶粒。 機(jī)械混合物的力學(xué)性能通常介于各組成物之間，并取決于各組成物的含量、性能、分機(jī)械混合物的力學(xué)性能通常介于各組成物之間，并取決于各組成物的含量、性能、分布和形態(tài)。布和形態(tài)。 如碳鋼中的珠光體就是由化