第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶教學(xué)目的及要求通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握常用純金屬的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特點(diǎn)，建立金屬材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。主要內(nèi)容1 材料的結(jié)合方式2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶學(xué)時(shí)安排講課2學(xué)時(shí)。教學(xué)重點(diǎn)1金屬的三種典型的晶體結(jié)構(gòu)2晶體缺陷及其對(duì)性能的影響3純金屬的結(jié)晶過(guò)程教學(xué)難點(diǎn)1 金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)2 各類缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)及性能的影響第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體結(jié)構(gòu)：指在晶體內(nèi)部，原子、離子或原子集團(tuán)規(guī)則排列的方式。晶體結(jié)構(gòu)不同，其性能往往相差很大。晶格：為了便于分析研究，通常把將晶體中實(shí)際存在的原子、離子或原子集團(tuán)等物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)，抽象為空間中純粹的幾何點(diǎn)，而完全忽略它

2、的物質(zhì)性，這些抽象的幾何點(diǎn)稱為陣點(diǎn)。用假想的直線把這些陣點(diǎn)連接起來(lái)，得到周期性規(guī)則排列的三維空間格子稱為晶格。晶胞：組成晶格的能反映其特征和規(guī)律的最基本幾何單元，稱為晶胞。晶格可以看作是由許多大小和形狀完全相同的晶胞緊密地堆垛在一起而成的。晶格常數(shù)：晶胞各棱邊的長(zhǎng)度用a、b、c表示，稱為晶格常數(shù)或點(diǎn)陣常數(shù)，其大小通常以埃為計(jì)量單位。晶胞各邊之間的相互夾角分別以、表示。a、b、c、稱為晶胞的六個(gè)參數(shù)。 在研究晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，通常以晶胞作為代表來(lái)考查。配位數(shù)和致密度 ：表示晶格中原子排列的緊密程度。配位數(shù)：指晶格中與任一原子處于相距最近并距離相等的原子數(shù)目；致密度（K）：指晶胞中原子排列的致密程度，即

3、晶胞中原子所占的體積與晶胞體積（V）的比值，比值K越大，致密度越大。二、金屬中常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)類型 三種典型晶體結(jié)構(gòu)特征：特征晶格晶胞內(nèi)原子數(shù)r與a的關(guān)系配位數(shù)致密度最密排原子面最密排原子方向典型金屬體心立方（bcc）2r=a/480.68110< 111>a-Fe,W ,Cr,Mo,V面心立方（fcc）4r=a/4120.74111< 110>Al、Cu、Ag、Au、Ni、Pb、gFe密排六方（hcp）6r=a/2120.740001< 110>Ti、Zr、Mg、Zn晶體結(jié)構(gòu)與材料性能： （一般規(guī)律）面心立方的金屬塑性最好，體心立方次之，密排六方的金屬較差。

4、第二節(jié) 實(shí)際金屬中的晶體缺陷一、常見(jiàn)晶體缺陷及分類晶體缺陷：實(shí)際晶體中排列不規(guī)則的區(qū)域稱為晶體缺陷。分類：按空間尺寸分為三種。1點(diǎn)缺陷。不規(guī)則區(qū)域在空間三個(gè)方向上的尺寸都很小，主要是空位、置換原子、間隙原子。2線缺陷。不規(guī)則區(qū)域在一個(gè)方向的尺寸很大，在另外兩個(gè)方向的尺寸都很小，主要是位錯(cuò)。3面缺陷：不規(guī)則區(qū)域在兩個(gè)方向的尺寸很大，在另外一個(gè)方向的尺寸很小，主要是晶界和亞晶界。二、晶體缺陷對(duì)晶體性能的影響 1點(diǎn)缺陷周圍晶格發(fā)生畸變，材料的屈服強(qiáng)度提高，塑性韌性下降，電阻增加。2線缺陷附近的晶格畸變，對(duì)強(qiáng)度影響顯著。強(qiáng)度的變化與位錯(cuò)密度有關(guān)。位錯(cuò)密度很低或者很高時(shí)，晶體的強(qiáng)度比較高。3面缺陷：晶格

5、發(fā)生畸變，晶界增多能顯著提高材料的強(qiáng)度，也可提高材料的塑性和韌性，但是容易發(fā)生高溫氧化，耐腐蝕性能降低。細(xì)晶強(qiáng)化：通過(guò)細(xì)化晶粒而使材料強(qiáng)度提高的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化，是強(qiáng)化材料的方法之一。第三節(jié) 金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的概念凝固：是物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。結(jié)晶：是物質(zhì)由液態(tài)凝固為固態(tài)晶體的過(guò)程。金屬的結(jié)晶：是指液態(tài)金屬凝固成固態(tài)金屬晶體的過(guò)程。一次結(jié)晶：一是從液態(tài)到固態(tài)晶體的過(guò)程；二次結(jié)晶：從固態(tài)晶體到另一種固態(tài)晶體的過(guò)程。二、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：“近程有序，遠(yuǎn)程無(wú)序”。在液態(tài)金屬中，近程規(guī)則排列的原子集團(tuán)處于時(shí)聚時(shí)散、此起彼伏的變化狀態(tài)，為金屬結(jié)晶提供了重要的結(jié)構(gòu)條件。三、純金屬的

6、結(jié)晶過(guò)程1從宏觀角度看結(jié)晶規(guī)律：（1）金屬的結(jié)晶是在一定的過(guò)冷度下完成的，即存在過(guò)冷現(xiàn)象。（2）結(jié)晶過(guò)程是在恒溫下完成的。 過(guò)冷度：理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差。2從微觀的角度：包括晶核的形成和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程。 液態(tài)金屬冷卻到凝固溫度時(shí)，首先形成晶核，在繼續(xù)冷卻的過(guò)程中，晶核吸收周圍的原子而長(zhǎng)大成小的晶粒，與此同時(shí)，又有新的晶核不斷形核和長(zhǎng)大，直至相鄰晶粒彼此接觸，液態(tài)金屬完全消失，結(jié)晶成金屬晶體。大多數(shù)金屬為多晶體。（1）形核方式自發(fā)形核：液態(tài)金屬中時(shí)聚時(shí)散的原子集團(tuán)是自發(fā)形核的核心，形核均勻，但形核速度慢。非自發(fā)形核：依靠容器壁、金屬液體中的未熔顆粒和雜質(zhì)形核，形核率高，速度快。（2）長(zhǎng)大方式：過(guò)冷度較小時(shí)，以平面方式長(zhǎng)大；過(guò)冷度較大時(shí)，以樹(shù)枝晶形式長(zhǎng)大。四、晶粒大小的控制1晶粒度晶粒度是表示晶粒大小的指標(biāo)。工業(yè)上，通常采用晶粒度等級(jí)來(lái)表示晶粒大小。標(biāo)準(zhǔn)晶粒度一般分為八級(jí)，一級(jí)最粗，八級(jí)最細(xì)。晶粒度級(jí)別越高，晶粒越細(xì)。工業(yè)中常用的細(xì)晶粒是78級(jí)，晶粒尺寸為0.022mm。2.晶粒大小對(duì)力學(xué)性能的影響一般地，金屬的晶粒越細(xì)，常溫下的力學(xué)性能越好。3晶粒大小的控制形核率（N）：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位體積內(nèi)形成