第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶

第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶一切物質(zhì)都是由原子組成，固體物質(zhì)按其原子排列的特征，可分為晶體和非晶體。非晶體的原子成不規(guī)則排列，如玻璃、松香、塑料等；晶體的原子則按一定的次序做有規(guī)則的排列，如金剛石、石墨及絕大多數(shù)固態(tài)的純金屬和合金就屬于晶體。一、晶體學(xué)基本知識：1、晶體與非晶體第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體：非晶體：原子作有序排列；有固定的熔點；各向異性；如金剛石、石墨。所有的金屬和合金都是晶體。原子作無序排列；沒有固定的熔點；各向同性；如玻璃、松香、塑料、瀝青等。圖2-la晶體中的原子排列

2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶2、晶格、晶胞和晶格常數(shù)表示晶體中原子排列形式的空間格子叫做晶格，圖2-1b。組成晶格最基本的幾何單元叫做晶胞，圖2～1c。在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標(biāo)軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標(biāo)原點的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以棱邊長度a、b、c和棱邊夾角

α、β、γ來表示晶胞的形狀和大小。晶胞中各棱邊的長度叫晶格常數(shù)，用來表示晶胞的大小。2-1b晶格2～1c晶胞及晶格常數(shù)2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶

晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣.2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶

晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶

晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，

=

=

=90六方晶系：a1=a2=a3

c，

=

=90，

=120立方六方四方菱方正交單斜三斜晶格常數(shù)：晶胞各邊的尺寸a、b、c。各棱間的夾角用

、

、

表示。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶3．致密度與配位數(shù)

晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半稱為原子半徑，處于不同晶體結(jié)構(gòu)中的同種原子的半徑是不相向的。一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目稱為晶胞原子數(shù)。晶胞中原子本身所占有的體積與晶胞體積之比稱為致密度；晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子處于等距離并相距最近的原子數(shù)目稱為配位數(shù)。配位數(shù)和致密度反映了原子排列的緊密程度。不同晶體結(jié)構(gòu)的晶胞原子數(shù)、配位數(shù)和致密度均不相同，配位數(shù)越大的晶體致密度越高。體心立方晶格晶胞含2個原子，晶格致密度0.68；面心立方和密排六方晶格均為0.74。晶格致密度越大，原子排列越緊密。

當(dāng)晶體從面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方時，致密度減小而使體積膨脹。

2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶4.晶面、晶向及晶面指數(shù)和晶向指數(shù)在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。任意兩個原子之間的連線所指的方向稱為晶向。金屬中的許多性能和現(xiàn)象都與晶體的特定晶面和晶向有密切關(guān)系。通常為了便于研究，不同位向的晶面或晶向都用一定的符號表示：表示晶面的符號稱為晶面指數(shù)，如圖2-2中的（111）；表示晶向的符號稱為晶向指數(shù)，如圖2-3中的[010]。圖2-2立方晶格中的一些晶面圖2-3立方晶格中的主要晶向2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶二、三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)

在金屬元素中，約有90％以上的金屬晶體結(jié)構(gòu)都屬于下面三種密排的晶格形式。1、體心立方晶格：晶胞是一個長、寬、高相等的立方體，在立方體的八個頂角上和立方體的中心各有一個金屬原子，如圖2-2）所示。鉻、鉬、鎢、釩及鐵(溫度在910℃以下的純鐵)等，皆具有這種晶格形式。故晶胞中實際原子數(shù)為8×1／8＋1＝2（個）。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶1.體心立方晶格2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶2、面心立方晶格：

也是一個立方體，除在立方體的八個頂角各有一個金屬原子外，在立方體六個表面的中心還各有一個金屬原子，如圖2-3）所示。屬這類晶格的金屬有鋁、銅、鎳、鉛和鐵(溫度在1390～910℃的純鐵)等。面心立方晶胞中原子數(shù)為8×1／8＋6×1／2＝4（個）。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶2.面心立方晶格體心立方晶格晶胞含2個原子，晶格致密度0.68；面心立方和密排六方晶格均為0.74。晶格致密度越大，原子排列越緊密。

當(dāng)晶體從面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方時，致密度減小而使體積膨脹。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶3、密排六方晶格：

是一個六方柱體，上下兩個六方面的頂角及中心各有一個金屬原子，而且在這兩個六方面的中間還均勻分布著三個金屬原子，如圖2-4）所示。屬于這種晶格的金屬有鈹、鎂、鋅、鎘等。密排六方晶胞中原子數(shù)為12×1／6＋2×1／2＋3＝6（個）。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶3.密排六方晶格2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶三、金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)1、單晶體與多晶體

原子從一個核心(稱為晶核)按同一方向進(jìn)行排列生長而成的晶體稱為單晶體，一些天然晶體如金剛石、水晶等都是單晶體。而金屬材料通常是由許多不同方位的小晶體組成，稱為多晶體。雖然多晶體中每個晶體都呈各向異性，但是整個金屬的性能則是多晶體性能的平均值。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶晶體缺陷與性能的關(guān)系實際上由于受許多因素的影響，晶體內(nèi)部某些區(qū)域的原子規(guī)則排列往往會受到外界干擾而被破壞，金屬晶體結(jié)構(gòu)中存在的這種不完整的區(qū)域稱為晶體缺陷。按照幾何特性，晶體缺陷主要分為點缺陷、線缺陷和面缺陷。1．點缺陷

點缺陷是指在三維尺度上都很小，尺寸范圍不超過幾個原子直徑的缺陷。主要的點缺陷有空位和間隙原子(圖2—7)；

空位

在晶格中沒有原子的結(jié)點。

間隙原子位于晶格間隙中的原子。晶格畸變導(dǎo)致某些性能改變。

空位和間隙原子的運動是金屬中原子擴散的主要方式。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶①點缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶

刃型位錯線是晶格畸變的中心線，在ABCD晶面的上方位錯線附近的區(qū)域，晶體受到壓應(yīng)力；而在ABCD晶面的下方位錯線附近的區(qū)域，晶體則受到拉應(yīng)力。離位錯線越遠(yuǎn)，晶格畸變越小，應(yīng)力也就越小。

2．線缺陷

線缺陷是指在三維空間中二維尺度很小而另一維尺度很長的缺陷。這類缺陷主要是指在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，這類現(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。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶刃型位錯和螺型位錯刃位錯的形成2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶3．面缺陷

面缺陷是指二維尺度很大而三維尺度很小的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要有晶界和亞晶界兩種；實際的金屬是由大量外形不規(guī)則的小晶粒組成的。晶粒與晶粒之間的接觸面叫做晶界。常溫下晶界強度和晶界硬度較高，熔點低，易腐蝕，晶界處原子擴散快。

尺寸比晶粒小2~3個數(shù)量級，位向差小于1°的亞晶粒之間的邊界叫亞晶界。亞晶界實際上是由一系列刃型位錯所形成的小角度晶界。亞晶界是晶粒內(nèi)部的一種面缺陷。性能類似。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶亞晶粒大角度和小角度晶界位錯壁亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2

)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯壁。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶第二節(jié)金屬的結(jié)晶與同素轉(zhuǎn)變一、純金屬的結(jié)晶

金屬自液態(tài)經(jīng)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程是原子從排列不規(guī)則的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕帕幸?guī)則的晶態(tài)的過程，此過程稱為金屬的結(jié)晶過程。廣義地講，金屬從一種原子排列狀態(tài)過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)的轉(zhuǎn)變都屬于結(jié)晶過程。金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶，而金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶(重結(jié)晶)-同素異晶轉(zhuǎn)變。1、冷卻曲線與過冷度

將純金屬加熱熔化成液體，然后使其緩慢冷卻，在冷卻過程中每隔一段時間測量一次溫度，并記錄下來，這樣就可獲得圖2-18所示的純金屬冷卻曲線。由此曲線可見，液態(tài)金屬從高溫開始冷卻時，由于周圍環(huán)境的吸熱，溫度均勻下降，狀態(tài)保持不變。當(dāng)溫度下降到Tn后，金屬開始結(jié)晶，放出結(jié)晶潛熱，抵消了金屬向四周散出的熱量，因而冷卻曲線上出現(xiàn)了“平臺”。持續(xù)一段時間之后，結(jié)晶完畢，固態(tài)金屬的溫度繼續(xù)均勻下降，直至室溫。曲線上平臺所對應(yīng)的溫度Tn為實際結(jié)晶溫度。金屬的實際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度稱為過冷，理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差△T叫做過冷度，過冷度△T=TO-Tn。金屬的結(jié)晶必須要在一定的過冷度下才能進(jìn)行。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶2、結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶都要經(jīng)歷晶核的形成和晶核的長大兩個過程。（1）晶核的形成：當(dāng)溫度降到結(jié)晶溫度以下時，在液態(tài)金屬內(nèi)部，有一些原子自發(fā)的聚集在一起，并按金屬晶體的固有規(guī)律排列起來，形成規(guī)則排列的原子集團而成為結(jié)晶的核心，稱自發(fā)晶核。液態(tài)金屬中一些外來的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點，也可成為結(jié)晶的核心，稱外來晶核。（2）晶核的長大：當(dāng)晶核開始出現(xiàn)后，液態(tài)金屬的原子就以它為中心，按一定的幾何形狀不斷地向它聚集，即這些晶核不斷地長大。在原有晶核長大的同時，液體中新的晶核仍陸續(xù)產(chǎn)生，而且也不斷長大，這樣，就有許許多多晶核同時在不同程度上長大著，起初，各個小晶體都是按照自己的方位自由的生長，當(dāng)它們長大到與相鄰的晶體互相抵觸時，，這個方向的長大便停止了，當(dāng)全部晶體都長大到各個方向都互相抵觸時，即液態(tài)金屬已全部耗盡，結(jié)晶過程也就完成了。最后便形成了許多外形不規(guī)則的、大小不等的、排列方向不相同的小晶體。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶在結(jié)晶時，由每個晶核長成的不規(guī)則的小晶體叫做晶粒。晶粒與晶粒之間的接觸面或交界面)叫做晶界。圖2—12為金屬結(jié)晶過程示意圖。純金屬的結(jié)晶總是在恒溫下進(jìn)行；總有結(jié)晶潛熱放出。結(jié)晶過程總是遵循形核和核長大規(guī)律，在有過冷度的條件下才能進(jìn)行。

2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶晶核形成后便向各方向生長，同時又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶2、晶核的形成方式形核有兩種方式，即均勻形核和非均勻形核。由液體中排列規(guī)則的原子團形成晶核稱均勻形核。以液體中存在的固態(tài)雜質(zhì)為核心形核稱非均勻形核。非均勻形核更為普遍。均勻形核非均勻形核示意圖2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶3、晶核的長大方式晶核的長大方式有兩種，即均勻長大和樹枝狀長大。實際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.均勻長大樹枝狀長大2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶實際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大.這是由于存在負(fù)溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產(chǎn)生二次軸…，樹枝間最后被填充。負(fù)溫度梯度2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶樹枝狀結(jié)晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶2第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與塑性變形和再結(jié)晶3、結(jié)晶后的晶粒大?。?）晶粒的大小與性能的關(guān)系

晶粒的粗細(xì)對金屬的機械性能影響很大，晶粒愈細(xì)，金屬的機械性能愈好(強度愈高，塑性、韌性愈好)，因此，一般都希望得到細(xì)晶粒組織。用細(xì)化晶粒提高金屬強度的方法是改善材料機械性能的最好手段之一。（2）晶粒的大小的控制

使晶粒細(xì)化是金屬加工工藝的重要任務(wù)之一，常采用的細(xì)化晶粒的方法有：1）加快冷卻速度，即增大過冷度，以提高自發(fā)晶核的形成率，晶核愈多，晶粒就愈細(xì)。例如在鑄造生產(chǎn)中，采用金屬型鑄造比用砂型鑄造所得鑄件的晶粒更細(xì)；2）變質(zhì)處理-在液態(tài)金屬中加入或形成某些細(xì)微固態(tài)質(zhì)點，起外來晶核的作用，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的目的，它在工業(yè)生產(chǎn)中獲得廠泛應(yīng)用，例如在灰口鑄鐵澆鑄之前，向其中加入一些硅鐵或硅鈣合金，使其組織中的石墨晶體細(xì)化，以改善