第3講：金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第四節(jié)純金屬的結(jié)晶第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體1、晶體凡原子按一定規(guī)律排列的固態(tài)物質(zhì)，稱為晶體。

(如:金剛石、石墨和一切固態(tài)金屬及其合金

)1）原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。2）有固定的熔點(diǎn)如鐵的熔點(diǎn)1538℃，銅的熔點(diǎn)1083℃。3）晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性。2、非晶體及其特性

(如:塑料、玻璃、瀝青)

內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)無規(guī)則的堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體。與晶體相反，沒有固定的熔點(diǎn)；表現(xiàn)出各向同性。晶體與非晶體在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。非晶體：蜂蠟、玻璃等。晶體金剛石、NaCl、冰等。原子（離子）的剛球模型二、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)1、晶格

假設(shè)原子為剛性小球，利用假想的幾何線條連接起來構(gòu)成一個(gè)空間格架，這種抽象的，用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架就叫晶格。晶格中的每個(gè)點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。晶格中各種不同方位的原子面稱為晶面。2、晶胞組成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞。實(shí)際上整個(gè)晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。3、晶格常數(shù)晶胞的各棱邊長為a、b、c和棱邊夾角α、β、γ。其中，棱邊長度稱為晶格常數(shù)。。XYZabc晶格常數(shù)a，b，c1、體心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等四、常見金屬晶格類型體心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：2原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2、面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：4原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向3、密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn等晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74五、晶體結(jié)構(gòu)致密度致密度：是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比。1、

體心立方的致密度2、面心立方與密排六方的致密度計(jì)算同體心立方，均為0.74。在晶體中，致密度越大，原子排列就越緊密。所以，當(dāng)鐵在冷卻時(shí)，由于晶格致密度較大（0.74）的面心立方晶格r-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裰旅芏容^?。?.68）的體心立方晶格α-Fe，就會(huì)發(fā)生體積膨脹而引起應(yīng)力和變形。六、金屬晶體中的晶面和晶向XYZabc在金屬晶體中各原子組成的平面，稱為晶面。通過兩個(gè)以上原子中心連線直線所指方向稱為晶向。XYZabc立方晶格中不同方向的晶面與晶面指數(shù)

具有一定晶格類型金屬，在晶體的各個(gè)晶面與晶向上原子排列緊密程度是不同的，原子間相互作用也就不同，因而使晶體在不同方向上性能就有差異，這就是金屬晶體具有各向異性的原因。立方晶格中不同晶向與晶向指數(shù)

第二節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)一、合金的基本概念合金：兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬元素熔合而成，并具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。例如：元素、穩(wěn)定化合物。如，F(xiàn)e-C合金中，F(xiàn)e、C均為組元。相：是指合金中成分、結(jié)構(gòu)均相同的組成部分，相與相之間有明顯的界面。合金中有兩類基本相

——固溶體和化合物二、合金的相結(jié)構(gòu)1、固溶體合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格保持不變的組元稱溶劑，晶格消失的組元稱溶質(zhì)。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。如，F(xiàn)e(C)固溶體。（1）固溶體的分類1）置換固溶體：若溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑中的某些結(jié)點(diǎn)位置，稱為置換固溶體。2）間隙固溶體：溶質(zhì)原子在溶劑晶格中并不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)的位置，而是在結(jié)點(diǎn)間的空隙中，這種形式的固溶體稱為間隙固溶體。固溶體分類ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ（2）固溶體的性能由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，變形抗力增大，使金屬的強(qiáng)度硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。當(dāng)溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)適當(dāng)時(shí)，固溶體不僅有著較純金屬高的強(qiáng)度和硬度，而且有著好的塑性和韌性。

固溶強(qiáng)化形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象正常晶格晶格畸變晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變2、金屬化合物金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的一種新相，其晶格類型和性能不同于其中任一組元，因此性能也不同于組元。

（1）金屬化合物的分類

1）正常價(jià)化合物

——這類金屬化合物通常由金屬元素與周期表中第IV、V、Ⅵ族的元素組成的。例如MgS、MnS、Mg2Si等，其分子式符合原子價(jià)規(guī)律，并且成分是固定不變的。

2)電子化合物——這類金屬化合物是按一定電子濃度組成的具有一定晶格類型的化合物。

電子濃度C為化合物中的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之間的比值，即：

C電=價(jià)電子數(shù)/原子數(shù)

3)

間隙化合物

——間隙化合物一般是由原子直徑較大的過渡族金屬元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）與原子直徑較小的非金屬元素（H、C、N、B等）組成。

間隙化合物桑中分為兩類，一類是具有簡單晶格形式的間隙化合物。如VC、WC、TIC等。另一類是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物，如Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。

VC的晶體結(jié)構(gòu)Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)Fe3C是鐵碳合金中的一種重要間隙化合物，其碳原子與鐵原子的半徑之比為0.63。

（2）金屬化合物的性能金屬化合物的熔點(diǎn)一般較高，具有較高硬度，但脆性較大。當(dāng)它呈細(xì)小顆粒均勻分布在固溶體基體上時(shí)，將使合金的強(qiáng)度、硬度及耐磨性明顯提高，這一現(xiàn)象稱為彌散強(qiáng)化。因此，金屬化合物在合金中作為強(qiáng)化相存在，它是許多合金鋼、有色金屬和硬質(zhì)合金的重要組成相。第三節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、單晶體與多晶體單晶體：晶體內(nèi)部的晶格方位完全一致，這晶體稱為單晶體。如單晶Si半導(dǎo)體。多晶體：這種實(shí)際上由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。其中每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒，通常稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。

晶粒（單晶體）二、晶體的缺陷

晶體中原子完全為規(guī)則排列時(shí)，稱為理想晶體。實(shí)際上，金屬由于多種原因的影響，內(nèi)部總是存在著大量缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何特點(diǎn)，常分為：點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子線缺陷：位錯(cuò)面缺陷：晶界與亞晶界1、點(diǎn)缺陷：

點(diǎn)缺陷是指長、寬、高尺寸都很小的缺陷。常見的點(diǎn)缺陷是空位和間隙原子。如果間隙原子是其它元素就稱為:異類原子（雜質(zhì)原子）空位

間隙原子置換原子在空位和間隙原子附近，由于原子間作用力的平衡被破壞，使周圍原子發(fā)生靠攏或撐開，因此，發(fā)生晶格畸變，使金屬的強(qiáng)度提高，塑性下降。

正刃位錯(cuò)

負(fù)刃位錯(cuò)

2、線缺陷—刃型位錯(cuò)

線缺陷是在空間的一個(gè)方向上尺寸很大，其余兩個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。晶體中的線缺陷通常是指各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。3、面缺陷面缺陷是在兩個(gè)方向的尺寸很大，第三個(gè)方向的尺寸很小而呈面狀的缺陷，這類缺陷主要指晶界與亞晶界。（1）晶界晶界處實(shí)際上是原子排列逐漸從一種位向過渡到另一種位向的過渡層。晶粒越細(xì)小，晶界越多，它對(duì)塑性變形的阻礙作用就越大，金屬的強(qiáng)度、硬度也就越高。晶粒（單晶體）晶界亞晶界（2）亞晶界

亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所組成的小角度晶界。亞晶界作用與晶界相似，對(duì)金屬強(qiáng)度也有著重要影響，亞晶界越多，強(qiáng)度也越高。第四節(jié)純金屬的結(jié)晶一、純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象1、

通過熱分析法測(cè)定冷卻曲線2、

冷卻曲線分析純金屬結(jié)晶時(shí)，在冷卻曲線上出現(xiàn)平臺(tái)的原因，是由于金屬在結(jié)晶過程中，釋放的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了外界散失的熱量，使溫度并不隨冷卻時(shí)間的增加而下降，直到金屬結(jié)晶終了后，已沒有結(jié)晶潛熱補(bǔ)償散失的熱量，故溫度又重新下降。冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}T過冷度T=T0-Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）3、

過冷現(xiàn)象金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象。過冷度△T=T0－Tn，過冷是結(jié)晶的必要條件。同一金屬，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，過冷度越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。二、純金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶的過程是不斷形核和長大的過程。液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶1、

形核液體中存在著許多類似于晶體的小集團(tuán)，當(dāng)?shù)陀诶碚摻Y(jié)晶溫度時(shí)，這些小集團(tuán)中的一部分就成為穩(wěn)定的結(jié)晶核心，稱為晶核。

兩種形核方式——自發(fā)形核與非自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。

2、

長大晶體的長大過程是液體中原子遷移到固體表面，使液—固界面向液體中推移的過程。兩種長大方式

——

平面生長與樹枝狀生長。平面長大樹枝狀長大三、晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響1、概念1）

晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以單位截面上晶粒數(shù)目或晶粒的平均直徑來表示。2）

形核率——指單位時(shí)間、單位體積中所形成的晶核數(shù)目。3）

長大速度——指單位時(shí)間內(nèi)晶核向周圍長大的平均線速度。2、金屬晶粒的細(xì)化方法在常溫下的細(xì)晶粒金屬比粗晶粒金屬具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性。這是因?yàn)椋壕ЯＴ郊?xì)，塑性變形越可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，使塑性變形越均勻，內(nèi)應(yīng)力集中越?。痪ЯＴ郊?xì)，晶界就越曲折，晶粒與晶粒間犬牙交錯(cuò)的機(jī)會(huì)就越多，越不利于裂紋的傳播和發(fā)展，彼此就越緊固，強(qiáng)度和韌性就越好。晶粒度

(晶粒數(shù)/mm2)b

(N/mm2)s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5表3-1

純鐵的晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系（1）提高過冷度形核率N

、長大速度G與過冷度T的關(guān)系TG，NGN（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3）振動(dòng)結(jié)晶——機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。