第2章 常見金屬的晶體結構與結晶

1、第第2章章 常見金屬的晶體結構與結晶常見金屬的晶體結構與結晶2.1 金屬的晶體結構2.2 純金屬的結晶 2.3 合金的相結構及二元合金相圖 2.4 合金性能與相圖的關系 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.1.1 晶體與非晶體晶體與非晶體 固體物質按其內部原子或分子排列方式的不同，可分為晶體和非晶體兩大類。晶體是指材料內部的原子或分子按一定規(guī)律規(guī)則排列的物質，如金剛石、水晶、氯化鈉等。晶體具有固定的熔點或凝固點，具有各向異性。非晶體是指材料內部的原子或分子無規(guī)則地堆積在一起的物質，如瀝青、松香、玻璃等。非晶體沒有固定的熔點或凝固點，表現(xiàn)出各向同性。 2.1 金屬的晶體結構 第2章 常見金屬的晶

2、體結構與結晶2.1.2 金屬的晶體結構金屬的晶體結構 1.晶體結構 （1）晶格晶格：抽象的、用來描述原子在晶體中排布規(guī)律的空間格架。節(jié)點：晶格中直線的交點。晶格的結點為金屬原子(或離子)振動平衡中心的位置。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）晶胞 晶胞：晶格中能完全反映該晶格特征的最小幾何單元。晶胞在三維空間作周期性重復排列即構成晶格。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（3）晶格常數(shù)晶格常數(shù)：晶胞中各棱邊的長度。晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長a、b、c和三條 、 等六個參數(shù)來描述。 當晶格常數(shù)a=b=c，且棱邊夾角=90時，這種晶胞稱為簡單立方晶胞，具有簡單立方晶胞的晶格稱為簡單立方

3、晶格。金屬的晶格常數(shù)一般為(17)10-10m。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（4）晶面和晶向 晶面：晶體中通過原子中心的平面。晶向：通過原子中心的直線所代表的晶格空間的方向。在同一晶格的不同晶面和晶向上，原子排列的密度不同，使得原子結合力不同，從而在不同的晶面和晶向上顯示出不同的性能，使晶體具有各向異性。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.常見的金屬晶體結構 （1）體心立方晶格 晶胞中，立方體的八個頂角和中心各有一個原子，原子在立方體對角線上緊密排列。一個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為：2個。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）面心立方晶格 晶胞中，立方體的八個頂角和六個面的中心各有一

4、個原子，原子在每個面對角線上緊密排列。 一個面心立方晶胞所含的原子數(shù)為：4個。第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（3）密排六方晶格晶格常數(shù)用正六邊形的邊長a和柱體的高c來表示，且c/a=1.633，兩相鄰側面之間的夾角為120, 側面與底面之間的夾角為90。一個密排六方晶胞所含的原子數(shù)為：6個。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.1.3 金屬的實際晶體結構金屬的實際晶體結構 晶體內部晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體。實際使用的金屬材料都是由許許多多的小晶體組成的，稱為多晶體。 這種外形不規(guī)則的顆粒狀的小晶體稱為晶粒，晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。由于各晶粒的位向是任意的，其性能是位向不同晶粒的

5、平均值，表現(xiàn)出各向同性的特點，這種現(xiàn)象稱為“偽各向同性”。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶1.點缺陷 點缺陷是指在空間三維尺寸上都很小的，不超過幾個原子直徑的缺陷。 （1）空位 在晶體的晶格中, 某些結點未被原子占有，這種空缺的位置稱為空位。 （2）間隙原子位于晶格間隙之中的多余原子稱為間隙原子。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（3）置換原子金屬中的異類原子占據(jù)了晶格中的節(jié)點位置，代替了金屬原來的原子，則這種異類原子稱為置換原子。 由于點缺陷的存在，使其周圍的原子偏離了原來的平衡位置，晶格發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為晶格畸變，對于金屬強化起著重要作用。晶格中的空位和間隙原子總是處于不停的運動和變

6、化之中，是金屬中原子擴散的主要方式之一。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.線缺陷線缺陷是指空間兩維尺寸都很小而第三維尺寸很大的缺陷。主要是指在晶體中某部位出現(xiàn)一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為位錯。晶體中的位錯主要有刃型位錯和螺型位錯兩種。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（1）刃型位錯 在晶體ABC晶面的E點以上，多出一個垂直方向的原子面，使得晶體上下兩部分產(chǎn)生錯排現(xiàn)象，這個多余的原子面猶如刀刃一樣插入晶體，在刃口EF附近形成缺陷，稱為刃型位錯，EF線稱為刃型位錯線。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）螺型位錯 在晶體ABCD晶面上，左右兩部分的原子排列上下錯動了一個原

7、子的距離，使不吻合的過渡區(qū)域（BC線附近區(qū)域）的原子排列呈螺旋狀，故稱螺型位錯，BC線稱為螺型位錯線。 位錯的存在使得其附近區(qū)域產(chǎn)生嚴重的晶格畸變，是強化金屬的重要方式之一，位錯的運動及其密度的變化對金屬的性能、塑性變形過程等都起重要作用。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶3.面缺陷 面缺陷是指在空間兩維方向上尺寸都很大而第三維尺寸很小的呈面狀分布的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要是指晶界和亞晶界。 （1）晶界實際金屬為多晶體，相鄰晶粒之間的晶格位向是不同的，位向差一般大于1015，稱為大角度晶界。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）亞晶界 一般晶粒內部也是由許多位向相差很小的亞晶粒組成的。亞

8、晶粒之間的邊界稱為亞晶界。 由于晶界和亞晶界處的原子排列極不規(guī)則，晶格畸變程度很大，而且位錯密度很高，在常溫下對金屬的塑性變形起阻礙作用，使得晶界處具有較高的強度和硬度。 晶粒越細，晶界和亞晶界越多，金屬強度和硬度就越高。細化晶粒是強化金屬的一個重要手段。第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.2 純金屬的結晶 金屬由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程稱為結晶。2.2.1 純金屬的冷卻曲線和過冷度純金屬的冷卻曲線和過冷度 冷卻曲線是純金屬的結晶時溫度與時間的關系曲線，通常用熱分析法進行測量。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶純金屬在冷卻速度極其緩慢的條件下測得的結晶溫度稱為理論結晶溫度(T0)。金屬的實際結

9、晶溫度總是低于理論結晶溫度，這種現(xiàn)象稱為過冷。理論結晶溫度與實際結晶溫度之差稱為過冷度，用 T表示，即T= T0- T1。 過冷度與冷卻速度有關。金屬結晶時，冷卻速度越快，過冷度就越大，其實際結晶溫度也就越低。第2章 常見金屬的晶體結構與結晶金屬結晶之所以要在一定過冷度下進行，是由液相和固相的自由能差決定的。只有在過冷的條件下，固相自由能才小于液相自由能，液相才能自發(fā)地向固相轉變，即開始結晶。過冷度T越大，液相與固相的自由能差E也越大，結晶的推動力就越大。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.2.2 純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程1.晶核的形成 金屬結晶時，首先由液態(tài)金屬內部生成一些極細小晶

10、體作為結晶的核心，這些細小晶體稱為晶核。 （1）自發(fā)形核當溫度降到結晶溫度以下時，液態(tài)金屬中的短程有序原子集團變得穩(wěn)定，不再消失，成為結晶核心，這一過程稱為自發(fā)形核。由液態(tài)金屬內部自發(fā)形成的晶核稱為自發(fā)晶核。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）非自發(fā)形核實際金屬中往往含有許多雜質，當液態(tài)金屬降到一定溫度后，這些固態(tài)的雜質質點可附著金屬原子，成為結晶核心，這一過程稱為非自發(fā)形核。依附于雜質而形成的晶核稱為非自發(fā)晶核。 在液態(tài)金屬中，自發(fā)形核和非自發(fā)形核是同時存在的，但實際金屬結晶時往往以非自發(fā)形核為主，它起著優(yōu)先和主導作用。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.晶核的長大晶核的長大的實質就是

11、原子由液體向固體表面的轉移。（1）平面長大 當過冷度很小或在平衡狀態(tài)時，金屬晶體以其結晶表面向前平行推移的方式長大。在長大過程中，晶體一直保持著規(guī)則的形狀，直到與其他晶體接觸后，規(guī)則的外形才被破壞。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）樹枝狀長大 當過冷度較大，尤其是液態(tài)金屬中存在非自發(fā)形核時，金屬晶體常以樹枝狀的形式長大。在晶核長大的初期，晶體的外形是較為規(guī)則的。但隨著晶體的繼續(xù)長大，晶體的棱角和棱邊由于散熱條件優(yōu)越而優(yōu)先生長，成為伸入到液體中的晶枝。結晶后得到的是樹枝狀的晶體，稱為枝晶。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.2.3 晶粒大小對金屬力學性能的影響晶粒大小對金屬力學性能的影響

12、金屬結晶后是由許多晶粒組成的多晶體，晶粒的大小對金屬力學性能有很大的影響。晶粒大小通常用單位截面積上晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來表示。一般來說，晶粒越細小，則金屬的強度越高，同時塑性和韌性也越好。細化晶?？梢蕴岣呓饘俚牧W性能，這種方法稱為細晶強化。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.2.4 影響晶粒大小的因素及晶粒大小的控制影響晶粒大小的因素及晶粒大小的控制 1.影響晶粒大小的因素金屬結晶后的晶粒大小主要取決于形核速率和長大速率。形核率是指單位時間內在單位體積液態(tài)金屬中產(chǎn)生的晶核數(shù)，長大率是指單位時間內晶核長大的線速度。形核率越大，單位體積中所生成的晶核數(shù)目越多，晶粒就越細小；若形核率一定，

13、長大率越小，則結晶時間越長，生成的晶核越多，晶粒也越細小。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.晶粒大小的控制 （1）增大金屬的過冷度 當過冷度較小時，形核率增加速度小于長大率；隨著過冷度的增大，形核率比長大率增大得更快，使晶粒細化；當過冷度過大或溫度過低時，形核率和長大率反而下降。 增大過冷度的方法主要是提高液態(tài)金屬的冷卻速度。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）變質處理 在澆注前向液體金屬中加入某些物質，形成大量分散的固體質點，增加非自發(fā)晶核的數(shù)量，使晶粒得到細化。加入的物質稱為變質劑，如向鑄鐵液中加入的硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金。 （3）振動或攪拌采用機械振動、超聲波振動或電磁攪拌等方法

14、，促使液態(tài)金屬劇烈運動，造成正在生長中的較大的樹枝狀晶體折斷、破碎，破碎的晶枝又成為新的晶核，增大了形核率，使晶粒細化。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.3 合金的相結構及二元合金相圖 2.3.1 合金的相結構合金的相結構 1. 合金的基本概念 （1）合金 由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素，通過熔化或其他方法結合在一起的具有金屬特性的物質。（2）組元 組成合金的最基本的獨立的物質叫做組元。組元可以是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（3）合金系 由兩個或兩個以上組元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，這一系列合金構成一個合金系統(tǒng)，稱為合

15、金系。 （4）相 合金中具有相同化學成分、相同晶體結構并有界面與其它部分分開的均勻組成部分稱為相。 （5）組織 通過肉眼、放大鏡或顯微鏡等所觀察到的材料內部的微觀形貌圖象稱為組織。用肉眼或放大鏡觀察到的組織稱為宏觀組織，在光學或電子顯微鏡下觀察到的組織稱為顯微組織。（6）結構 晶體中原子的排列方式稱為結構。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2. 合金的相結構 合金的相結構是指合金組織中相的晶體結構。 （1）固溶體 在固態(tài)下合金組元之間相互溶解形成的均勻的相稱為固溶體。固溶體是單相，其晶格類型與其中某一組元相同，該組元稱為溶劑，另一組元稱為溶質。 按溶質原子在溶劑晶格中存在的位置不同，固溶體可分

16、為置換固溶體和間隙固溶體兩類。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶 置換固溶體 溶質原子代替了部分溶劑原子而占據(jù)了溶劑晶格某些結點位置的固溶體。 按溶質原子在溶劑中的溶解度不同，置換固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。 形成置換固溶體時，溶質在溶劑中的溶解度主要取決于兩者在周期表中的相互位置、晶格類型和原子半徑差。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶 間隙固溶體 是溶質原子嵌入溶劑晶格的間隙內形成的固溶體。 隨著溶質原子的溶入，晶格將發(fā)生畸變，增大了位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形更加困難，從而提高固溶體的強度和硬度。這種通過溶入溶質原子，使固溶體的強度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強化。 第2章

17、常見金屬的晶體結構與結晶（2）金屬化合物 合金組元相互作用形成的具有金屬特性的新相稱為金屬化合物。一般可用分子式來表示。 當金屬化合物呈細小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時，使合金的強度、硬度和耐磨性提高，而對塑性和韌性影響不大，這一現(xiàn)象稱為彌散強化。 正常價化合物 指嚴格遵守原子化合價規(guī)律的化合物，如Mg2Sn、Mg2Si、ZnS等。 電子價化合物 指不遵守一般的化合價規(guī)律，但按一定電子濃度化合的化合物，如CuZn、FeAl、Cu5Zn8、CuZn3等。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶 間隙化合物指由原子直徑較大的過渡族金屬元素和原子直徑較小的非金屬元素形成的化合物，如VC、WC、Fe3C、

18、Cr7C3、Cr23C6等。 Fe3C是一種具有復雜晶體結構的間隙化合物，通常稱為滲碳體。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.3.2 二元合金相圖二元合金相圖 合金相圖是表示合金系在平衡條件下合金的成分、溫度與合金狀態(tài)之間關系的圖解，也稱為平衡圖或狀態(tài)圖。平衡是指在一定條件下合金系中參與相變過程的各相的成分和質量分數(shù)不再變化所達到一種狀態(tài)。此時合金系的狀態(tài)穩(wěn)定，不隨時間改變。合金在極其緩慢冷卻的條件下的結晶過程，一般可以認為是平衡的結晶過程。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶用熱分析法建立銅鎳合金相圖的步驟：（1）配制一系列不同成分的銅鎳合金； （2）用熱分析法分別測定各成分合金的冷卻曲線；

19、 （3）根據(jù)冷卻曲線上的轉折點或平臺溫度，確定各合金的相變點；（4）將各成分合金的相變點分別標注在成分-溫度的坐標圖中，并連接意義相同的相變點，得到銅鎳二元合金相圖。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.3.3 二元合金相圖的基本類型二元合金相圖的基本類型 1. 勻晶相圖 合金的兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶的合金相圖稱為勻晶相圖。 具有這類相圖的二元合金系主要有Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Cr、Fe-Ni等。這類合金結晶時，都會由液相結晶出單相固溶體，這種結晶過程稱為勻晶轉變。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（1）相圖分析 A點為純銅熔點(1083)，B點為純鎳熔點(1452)。ACB線

20、為合金開始結晶的溫度線，稱為液相線；ADB線為合金結晶終了的溫度線，稱為固相線。液相線以上為液相區(qū)，用L表示；固相線以下為固相區(qū)，合金全部形成均勻的單相固溶體，用表示；液相線與固相線之間為液相與固相共存的區(qū)域，稱為兩相區(qū)，用（L+）表示。第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）合金的結晶過程 以wNi=60%的銅鎳合金為例進行分析： 在t1溫度時，開始從成分為L1(wNi=60%)的液相中結晶出的是成分為1的固溶體；溫度降至t2時，通過原子擴散，固溶體的成分沿固相線變化為2，液相的成分則沿液相線變化為L2；溫度進一步降至t3時，結晶終了，全部轉變?yōu)槌煞峙c原合金相同的3(wNi=60%)的固溶體。

21、 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（3）晶內偏析 在實際生產(chǎn)中，由于冷卻速度較快，原子來不及充分擴散，使晶粒內部產(chǎn)生化學成分不均勻的現(xiàn)象，稱為晶內偏析；由于晶粒通常是以樹枝狀方式長大的，故又稱枝晶偏析。 在銅鎳合金的實際結晶過程中，先結晶的樹枝狀晶軸含高熔點的鎳較多，而后結晶的分枝及枝間部分則含低熔點的銅較多，造成晶粒內呈現(xiàn)出心部鎳含量較多，表層鎳含量較少。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶2.共晶相圖 合金的兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，且在結晶過程中發(fā)生共晶轉變所形成的相圖，稱為共晶相圖。具有這類相圖的二元合金系主要有：Pb-Sn、Pb-Sb、Ag-Cu、Al-Si等。這類合金結晶

22、時，在一定溫度(共晶溫度)下，從具有一定成分的液相中同時結晶出兩種不同的固相，這種結晶過程稱為共晶轉變或共晶反應。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（1）相圖分析 A點為純鉛熔點，B點為純錫熔點；C點為共晶點，其成分為wSn=61.9%，溫度為183。 具有共晶成分的液態(tài)合金在共晶溫度(183)將發(fā)生共晶轉變，同時結晶出E點成分的相和F點成分的相。 183 LC E+ F 共晶轉變產(chǎn)物為兩個固相的機械混合物，稱為共晶體。第2章 常見金屬的晶體結構與結晶ACB線為液相線，AECFB線為固相線；ED線為錫在鉛中的固溶線，F(xiàn)G線為鉛在錫中的固溶線。水平線ECF為共晶轉變線，成分在EF范圍內的合金平衡

23、結晶時都會發(fā)生共晶反應。合金系有L、和三個相，L為鉛錫合金形成的液相，相為錫溶于鉛中的固溶體，相為鉛溶于錫中的固溶體。相圖中有L、和三個單相區(qū)，(L+)、(L+) 、(+)三個雙相區(qū)。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶（2）典型合金的結晶過程 合金 1點以上 合金為液相； 12點 合金從1點開始結晶出固溶體，到2點全部結晶為 固溶體；23點 固溶體不發(fā)生任何結構變化； 3點以下 從3點開始，將從相中不斷析出相。合金的室溫組織為+。第2章 常見金屬的晶體結構與結晶 合金 合金為共晶成分(wSn=61.9%)，當液態(tài)合金冷卻到1點(183)時，將發(fā)生共晶轉變，同時結晶出E和F固溶體。 183 LC

24、 E+ F 共晶轉變是在恒溫(183)下進行的，直到液相全部消失為止。合金的室溫組織全部為共晶體(+)。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶 合金 1點以上 合金為液相； 12點 合金從1點開始發(fā)生勻晶轉變，結晶出固溶體。到2點時，剩余液相將發(fā)生共晶轉變，合金組織為初生固溶體和共晶體 (+)。 2點以下 初生相中將不斷析出相。合金的室溫組織為+(+)。 第2章 常見金屬的晶體結構與結晶3.包晶相圖 合金的兩組元在液態(tài)無限互溶，在固態(tài)有限互溶，且在結晶過程中發(fā)生包晶反應所形成的相圖，稱為包晶相圖。由一種液相與一種固相在恒溫下相互作用而轉變?yōu)榱硪环N固相，這種結晶過程稱為包晶轉變或包晶反應。圖中e點為包晶點，e點對應的溫度為包晶溫度，水平線ced為包晶轉變線。 1186 C+ LD E 第2章