金屬晶體結構

金屬與合金的晶體結構與結晶2.1金屬的晶體結構 一、晶體與晶格固體物質按其原子排列的特征，可分為晶體和非晶體。非晶體原子作不規(guī)則的排列，如松香、玻璃、瀝青等。晶體原子則按一定次序作有規(guī)則的排列，如金剛石、石墨及固態(tài)金屬等。兩者的性能差異：晶體具有一定的凝固點和熔點，非晶體沒有；晶體具有各向異性，非晶體各向同性等。晶體中原子在空間是按一定規(guī)律堆砌排列的。晶格

為了便于表明晶體內部原子排列的規(guī)律，有必要把原子抽象化，把每個原子看成一個點，這個點代表原子的振動中心。把這些點用直線連接起來，便形成一個空間格子，叫做晶格。2.1.1晶體結構的基礎知識結點晶格中每個點叫結點。晶胞晶格的最小單元叫做晶胞，它能代表整個晶格的原子排列規(guī)律。結點晶胞晶格常數(shù)晶胞中各棱邊的長度叫做晶格常數(shù)，其大小用?來度量（1?=10-8cm）。晶格常數(shù)a=b=c，而α=β=γ=90o的晶胞為簡單立方晶胞。

2.1.2最常見的晶格類型1、體心立方晶格a）原子分布在立方晶體的各個結點及中心。b）每個體心立方晶胞中僅包含2個原子。c）致密度0.68屬于這類晶格的金屬有：α-Fe、Cr、V、W、Mo等。2、面心立方晶格a）原子分布在立方晶體的各個結點及中心。b）每個體心立方晶胞中僅包含4個原子。c）致密度0.74屬于這類晶格的金屬有：γ-Fe、Al、Cu、Pb等。3、密排六方晶格a）原子分布在各個結點及上下兩個正六方面的中心，另外在六方柱體中心還有三個原子。b）每個密排六方晶胞中包含6個原子。c）致密度0.74屬于這類晶格的金屬有：Mg、Zn等。2.1.3金屬的實際晶體結構工業(yè)上使用的金屬都是由許多小晶體組成的多晶體，每個小晶體稱為晶粒。如果一整塊金屬僅由一個晶粒組成，則稱為單晶體。反之則為多晶體。晶界：晶粒與晶粒之間的界面。顯微組織：在顯微鏡下觀察到的晶粒的大小、形態(tài)和分布。1、單晶體和多晶體在實際金屬晶體中，存在原子不規(guī)則排列的局部區(qū)域，這些區(qū)域稱為晶體缺陷。按缺陷的幾何形態(tài)分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三種。三種晶體缺陷都會造成晶格畸變，使變形抗力增大，從而提高材料的強度、硬度。2、晶體缺陷1）點缺陷：空位和間隙原子晶格中某個原子脫離了平衡位置，形成空結點，稱為空位；某個晶格間隙擠進了原子，稱為間隙原子。空位與間隙原子周圍的晶格偏離了理想晶格，即發(fā)生了“晶格畸變”。點缺陷的存在，提高了材料的硬度和強度。2）線缺陷：即位錯在晶體中，有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。最簡單的位錯是刃型位錯和螺型位錯。位錯對金屬的性能有著重要影響3）面缺陷：晶界和亞晶界晶界是晶粒與晶粒之間的界面，另外，晶粒內部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，亞晶粒的交界稱為亞晶界。2.2金屬的結晶液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。液態(tài)金屬的凝固過程就稱為結晶。1、結晶2、冷卻曲線與過冷度1)冷卻曲線：是溫度與時間的關系曲線，可用來描述金屬的結晶規(guī)律。通過熱分析法測量繪制，即使熔化后的液體金屬緩慢冷卻，每隔一定時間記錄下溫度值，將溫度T和對應時間t繪制成T-t曲線。時間t溫度TT0Tn

2)過冷度圖中T0為理論結晶溫度，金屬實際結晶溫度(Tn)總是低于理論結晶溫度的現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象。而

過冷度ΔT=T0—TnΔT=T0—Tn2、結晶的過程晶核的形成和長大過程3、金屬結晶后的晶粒大小一般來說，晶粒愈細，強度和硬度愈高，同時塑性和韌性也愈好。晶粒大小控制:晶核數(shù)目:多—細(晶核長得慢也細)冷卻速度:快—細(因冷卻速度受限,故多加外來質點)晶粒粗細對機械性能有很大影響,若晶粒需細化,則從上述兩方面入手.細化晶粒的方法

1、過冷度大：冷卻速度愈大，過冷度愈大，晶粒愈細。2、變質處理：在實際生產中，有意向金屬液中加入某些物質（稱為變質劑），使它在金屬液中形成大量分散的人工制造的非自發(fā)晶核，從而獲得細小的鑄造晶粒，這種處理方法稱為變質處理。3、振動：對正在結晶的金屬施以機械振動、超聲波振動和電磁振動，均可使樹枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使晶粒細化。2.3二元合金相圖一、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組成的、具有金屬特征的物質稱為合金。2、組元組元是指組成合金的最基本的、能獨立存在的物質。根據(jù)組元數(shù)目的多少，可將合金分為二元合金、三元合金等。3、顯微組織在顯微鏡下觀察到的組成相的種類、大小、形態(tài)和分布稱為顯微組織，簡稱組織，因此相是組成組織的基本物質。金屬的組織對金屬的機械性能有很大的影響。3、合金系合金系是指有相同組元，而成分比例不同的一系列合金。4、相相是指在合金中，凡成分相同、晶體結構相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。二、合金中的相結構合金中常見的相有：液相純金屬固溶體金屬化合物。1、固溶體溶質原子溶入金屬溶劑中所組成的合金。特點：其點陣結構仍保持溶劑金屬的結構，只是由于溶質原子的溶入引起晶格參數(shù)發(fā)生改變。固溶強化由于各原子大小不一，化學性質也不盡相同，無論組成置換固溶體還是間隙固溶體，都造成固溶體的晶格扭曲。結果，固溶體的強度和硬度升高。置換固溶體當合金中的二組元的原子半徑相近時，更易形成這種置換固溶體。有些置換固溶體的溶解度有限，稱有限固溶體，但當溶劑與溶質原子的半徑相當，并具有相同的晶格類型時，它們可以按任意比例溶解，這種置換固溶體稱為無限固溶體。溶劑結點上的部分原子被溶質原子替代所形成的固溶體間隙固溶體：溶質原子在固溶體中處于溶劑晶體結構的間隙位置。溶質原子不占據(jù)正常的晶格結點，而是嵌入晶格間隙中，由于溶劑的間隙尺寸和數(shù)量有限，所以只有原子半徑較小的溶質（如碳、氮、硼等非金屬元素）才能溶入溶劑中形成間隙固溶體，且這種固溶體的溶解度有限。固溶體的性能：固溶體與純金屬相比，不僅具有高的強度和硬度，還有良好的塑性與韌性。一般合金都是以固溶體作為基體相。

固溶強化：無論形成哪種固溶體，都將破壞原子的規(guī)則排列，使晶格發(fā)生畸變，隨著溶質原子數(shù)量的增加，晶格畸變增大。晶格畸變導致變形抗力增加，使固溶體的強度增加，所以獲得固溶體可提高合金的強度、硬度，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是提高金屬材料性能的重要途徑之一。2、金屬化合物合金元素間相互作用而形成的新相。特點：

1）其晶格類型和性能不同于任一組元；

2）一般具有更復雜的晶體結構，熔點高，硬而脆；

3）能提高合金的強度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性。

4）它的組成一般可用分子式來表示如碳素鋼中的Fe3C、銅鋁合金中的CuAl2、合金鋼中的Cr23C6及Fe4W2C等都是金屬化合物。二、二元合金相圖相圖測定方法：最常用的相圖測定方法為熱分析法，即對合金系中不同成分的合金進行加熱熔化，觀察在極其緩慢加熱和冷卻過程中內部組織的變化，測出其相變臨界點，并標于“溫度——成分”坐標中，繪成相圖。1、二元合金相圖的建立1）配置各種成分的合金；2）測定每一種合金在緩冷條件下的冷卻曲線，得到臨界點；3）建立坐標系。作出臨界點4）連接開始轉變點和轉變終了點并標注數(shù)字、字母和各區(qū)內的相或組織名稱。以Cu-Ni合金為例,說明二元合金相圖的建立時間溫度I合金成分Cu:100%Ni:0%CuNi80604020IIIIIIVVVI合金成分Cu:0%Ni:100%合金成分Cu:80%Ni:20%合金成分Cu:60%Ni:40%合金成分Cu:40%Ni:60%合金成分Cu:20%Ni:80%溫度二元合金相圖分析一個液相區(qū)，位于相圖的最上方，常用L表示；一個固相區(qū)，位于相圖的下方，用α表示；1、相圖分析位于兩個區(qū)之間的區(qū)域則是液、固共存區(qū)。用α+L表示該點表示純Cu的熔點該點表示純Ni的熔點現(xiàn)以