第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

楚雄技師學(xué)院金屬工藝學(xué)（多媒體課件）楊潤(rùn)美第二章金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶重點(diǎn)：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)難點(diǎn)：晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容：純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的結(jié)晶、純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、合金的結(jié)構(gòu)目的：掌握晶體結(jié)構(gòu)及其對(duì)材料的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好理論知識(shí)的準(zhǔn)備第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一、晶體的基本知識(shí)1、晶體和非晶體固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為體和非晶體兩大類(lèi)。晶體：在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列（水晶、金剛石、金屬）非晶體：中原子（或分子）則是無(wú)規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）

晶體的特點(diǎn)原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；具有一定的熔點(diǎn)，如鐵的熔點(diǎn)為1538℃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；在一定條件下有規(guī)則的幾何外形晶體不同方向上性能不同的性質(zhì)叫做晶體的各向異性。

非晶體的特點(diǎn)原子在三維空間呈不規(guī)則的排列。

沒(méi)有固定熔點(diǎn)，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動(dòng)性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。各個(gè)方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。晶格：抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡(jiǎn)稱(chēng)晶格。2、晶格與晶胞晶胞：能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元稱(chēng)為晶胞整個(gè)晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿其三條棱邊作三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z，并稱(chēng)之為晶軸，而且規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以（晶格常數(shù)）棱邊長(zhǎng)度和棱面夾角來(lái)表示晶胞的形狀和大小。在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱(chēng)為晶面。任意兩個(gè)原子之間的連線(xiàn)稱(chēng)為原子列，其所指方向稱(chēng)為晶向。3、晶面、晶向晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。

原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。

致密度（K）是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即K=nv′/V。式中，n為晶胞所含原子數(shù)v′為單個(gè)原子體積V為晶胞體積。

二、常見(jiàn)金屬的晶格類(lèi)型

原子排列特征：八個(gè)頂角和立方體中心各有一個(gè)原子晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。晶胞所含原子數(shù)2個(gè)原子。致密度68%。具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。

體心立方晶格

原子排列特征八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子。

晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。晶胞所含原子數(shù)4個(gè)原子。致密度74%。具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag面心立方晶格（fcc晶格）

密排六方晶格原子排列特征12個(gè)頂角和上下面中心各有一個(gè)原子，晶胞內(nèi)還有3個(gè)晶格常數(shù)晶胞所含原子數(shù)6個(gè)原子。致密度74%。具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

1.多晶體結(jié)構(gòu)

單晶體：晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致。

晶粒：外形不規(guī)則，呈顆粒狀的小晶體。

晶界：晶粒與晶粒之間的界面。多晶體：由許多晶粒組成的晶體。

2.晶體缺陷（１）點(diǎn)缺陷

晶格空位和間隙原子強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性降低

（２）線(xiàn)缺陷刃型位錯(cuò)使材料的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、性下降。

（３）面缺陷（晶界和亞晶界）面缺陷使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度增高，塑性變形困難——“細(xì)晶強(qiáng)化”。第二節(jié)純金屬的結(jié)晶與鑄錠

（二、三節(jié)合并）凝固與結(jié)晶的基本概念冷卻曲線(xiàn)和過(guò)冷現(xiàn)象金屬的結(jié)晶過(guò)程晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響金屬的鑄態(tài)組織一、凝固與結(jié)晶的基本概念凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程。結(jié)晶：如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱(chēng)為結(jié)晶熱分析法二、冷卻曲線(xiàn)與過(guò)冷現(xiàn)象

To時(shí)間溫度理論冷卻曲線(xiàn)實(shí)際冷卻曲線(xiàn)T1結(jié)晶平臺(tái)(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)T0：平衡結(jié)晶溫度（理論結(jié)晶溫度）

T1：純金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度

過(guò)冷度：ΔT=T0–T1

過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件。純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線(xiàn)三、金屬的結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶時(shí)晶體在液體中從無(wú)到有（晶核形成），由小變大（晶核長(zhǎng)大）的過(guò)程，同時(shí)存在同時(shí)進(jìn)行。金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖晶核的長(zhǎng)大方式—樹(shù)枝狀金屬的樹(shù)枝晶金屬的樹(shù)枝晶冰的樹(shù)枝晶四、晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響晶粒的大小對(duì)金屬的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能均有很大影響。

細(xì)晶粒組織的金屬?gòu)?qiáng)度高、塑性和韌性好、耐腐蝕性好。作為軟磁材料的純鐵，晶粒越粗大，則磁導(dǎo)率越大，磁滯損耗減少。

金屬結(jié)晶后晶粒大小取決于形核率N[晶核形成數(shù)目（mm3.s）]和長(zhǎng)大率G（mm/s）過(guò)冷度的影響NG晶粒越細(xì)細(xì)化晶粒的途徑1）提高冷卻速度，增加過(guò)冷度V冷△TN晶粒細(xì)小2）進(jìn)行變質(zhì)處理3）附加振動(dòng)：機(jī)械振動(dòng)超聲波振動(dòng)電磁攪拌等。五、金屬的鑄態(tài)組織表面細(xì)晶層力學(xué)性能雖好，但由于該層很薄，故對(duì)整個(gè)鑄錠的性能影響不大。

柱狀晶區(qū)比較致密，對(duì)于塑性較好的非鐵金屬，希望得到較大的柱狀晶區(qū)。另外柱狀晶沿其長(zhǎng)度方向的強(qiáng)度較高，所以對(duì)于那些主要承受單向載荷的機(jī)械零件，常采用定向凝固法獲得柱狀晶組織。但柱狀晶組織的交界面常聚集易溶雜質(zhì).

中心等軸晶區(qū)的性能沒(méi)有方向性，但該晶區(qū)結(jié)晶時(shí)易形成很多微小的縮孔（縮松），這種疏松的組織致使力學(xué)性能降低。第四節(jié)純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)概念：金屬在固態(tài)下，隨著溫度的改變其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的現(xiàn)象。同素異構(gòu)意義：

可以用熱處理的方法即可通過(guò)加熱、保溫、冷卻來(lái)改變材料的組織，從而達(dá)到改善材料性能的目的。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1394℃912℃體心立方面心立方體心立方

δ-Feγ-Feα-Fe第五節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)

純金屬具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，但機(jī)械性能差，故工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb

=0Fe-C合金(0.45%C)

正火態(tài):σb

=610MPa合金：一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過(guò)熔煉或其他方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元:

組成合金的最基本獨(dú)立單元。相:

是指合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開(kāi)的、均勻的組成部分。組織:

是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。

純金屬合金結(jié)晶過(guò)程：液固兩相共存結(jié)晶過(guò)程：液固兩相共存

熔點(diǎn)以上：液相熔點(diǎn)以上：液相結(jié)晶完畢：?jiǎn)我还滔?/p>

結(jié)晶完畢：組元發(fā)生相互作用化合物組元彼此均勻溶解固溶體固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類(lèi)。一、固溶體（一）定義：一種組元的原子溶入另一組元的晶格中形成的均勻固相。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格種所處位置不同分（二）分類(lèi)：2.間隙固溶體1.置換固溶體1.置換固溶體

溶質(zhì)原子置換了部分溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上某些原子而形成的固溶體。

形成置換固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者的晶格類(lèi)型、原子直徑及它們?cè)谥芷诒碇械奈恢谩?.間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中而形成的固溶體。

形成條件：溶質(zhì)原子半徑很小而溶劑晶格間隙較大,一般

r溶質(zhì)/r溶劑≤0.59時(shí)，才能形成間隙固溶體。間隙固溶體置換固溶體（三）固溶體的特性1、保持溶劑的晶格特征。2、溶質(zhì)原子溶入導(dǎo)致固溶體的晶格畸變而使金屬?gòu)?qiáng)度、硬度提高——即固溶強(qiáng)化，同時(shí)有較好的塑性和韌性。因此常作為結(jié)構(gòu)材料的基本相。

3、在物理性能方面，隨溶質(zhì)原子濃度的增加，固溶體的電阻率下降，電阻升高，電阻溫度系數(shù)減小。二、金屬化合物（一）定義

合金組元間按一定的原子數(shù)比發(fā)生相互作用而形成的晶格類(lèi)型和特性完全不同于任一組元且具有金屬特性的新相即為金屬化合物。（二）性能

熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大。合金中一般作為強(qiáng)化相存在。三、混合物混合物：兩種或兩種以上的相按一定的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)組合成的物質(zhì)。特點(diǎn)：保持各組元的晶格類(lèi)型。性能：性能取決于各組成相的性能及分布狀態(tài)。PFe3C第五節(jié)合金的結(jié)晶及其相圖相圖：指表達(dá)處于復(fù)相平衡狀態(tài)下的物系中，諸相區(qū)的溫度、成分及其組織的極限圖解。一、二元合金相圖的建立（以銅鎳合金為例）1、配制一系列不同成分的銅鎳合金2、用熱分析法測(cè)出各成分的合金冷卻曲線(xiàn)。3、曲線(xiàn)特點(diǎn)：（1）A、B兩點(diǎn)是純銅、純鎳都有一個(gè)平臺(tái)，結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行（一個(gè)臨界點(diǎn)）（2）中間的四條曲線(xiàn)都有兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)結(jié)晶是在一個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行（兩個(gè)臨界點(diǎn)）。（3）將各臨界點(diǎn)描繪在溫度－成分坐標(biāo)系中得到圖（b）。二、勻晶相圖兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無(wú)限互溶時(shí)，所構(gòu)成的相圖稱(chēng)為二元合金相圖。1、相圖分析液相線(xiàn)之上為液相區(qū)，用L表示液相線(xiàn)與固相線(xiàn)之間是液、固兩相，用L+α

固相線(xiàn)下方為固相區(qū)，用α表示A點(diǎn)為銅的熔點(diǎn)B點(diǎn)為鎳的熔點(diǎn)以圖中K點(diǎn)成分合金為例分析合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻到1點(diǎn)溫度時(shí)，開(kāi)始從液相中結(jié)晶出α固溶體；隨著溫度的下降，α相增多，而L相減少；至2點(diǎn)時(shí)，結(jié)晶過(guò)程結(jié)束，L相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?、合金結(jié)晶過(guò)程分析注：在結(jié)晶過(guò)程中，合金處于L+α區(qū)時(shí)，液相成分隨液相線(xiàn)變化，固相成分隨固相線(xiàn)變化。例：K點(diǎn)成分的合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻至3點(diǎn)時(shí)，其液相部分具有3/點(diǎn)的成分，而固相部分具有3//點(diǎn)的成分。液相與固相的平均成分才是K點(diǎn)的成分。三、共晶相圖：二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)所構(gòu)成的相圖稱(chēng)為二元共晶相圖。共晶反應(yīng)：是指冷卻時(shí)由液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)固相的復(fù)合混合物的反應(yīng)。共晶體：共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是共晶體。共晶組織：共晶體的顯微組織是共晶組織。1、相圖分析（1）共晶點(diǎn)

C點(diǎn)－－α相＋β相（2）共晶線(xiàn)

ECF線(xiàn)－－LC→αE+ΒF

(3)固溶體脫溶線(xiàn)

α固溶體或β固溶體隨著溫度的下降，溶解度也不斷的下降。圖中ES線(xiàn)表達(dá)了α固溶體脫溶的變化規(guī)律，F(xiàn)G線(xiàn)表達(dá)了β固溶體的變化規(guī)律。ES、FG線(xiàn)稱(chēng)為固溶體脫溶線(xiàn)。

α固溶體脫溶產(chǎn)物是β相，稱(chēng)為二次β相（β1）

β固溶體脫溶產(chǎn)物是α相，稱(chēng)為二次α相（α1）恒溫2、結(jié)晶過(guò)程分析：（1）共晶成分的合金

C點(diǎn)成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷卻過(guò)程中經(jīng)過(guò)C點(diǎn)時(shí)發(fā)生共晶反應(yīng)，生成共晶體。

L→(α+β)(2)亞共晶成分的合金

E、C點(diǎn)之間成分的合金，稱(chēng)為亞共晶合金。如圖合金Ⅱ，在冷卻過(guò)程中經(jīng)過(guò)1點(diǎn)時(shí)結(jié)晶出α1相；經(jīng)過(guò)2點(diǎn)時(shí)，剩余液相發(fā)生共晶反應(yīng)生成共晶體；繼續(xù)冷卻α1相還會(huì)脫溶出βⅡ相。C室溫組織為α1＋βⅡ＋(α+β)。L→L+α1→α1＋(α+β)→α1＋βⅡ＋(α+β)122以下(3)過(guò)共晶成分的合金

C、F點(diǎn)之間成分的合金，稱(chēng)為過(guò)共晶合金。如圖合