搜索
主编：东南大学戴枝荣张远明主讲：张建学时：54工程材料（工程材料及机械制造基础Ⅰ）第二章晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构一、晶体概念晶体：指原子按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体。非晶体：指原子无规律、无次序地堆聚在一起的物体。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构晶格：把晶体中的原子假想为几何结点，并用直线从原子的中心连接起来形成的表示晶体中原子排列形式的空间格子晶面：晶格中各种方位的原子面晶向：晶格中由原子组成的任何一直线所代表的方向晶胞：构成晶格的最基本几何单元晶格常数：用以表示晶胞大小和形状的参数（基本尺寸为A°,1A°=10-8cm）特点：晶格类型、晶格常数不同，则呈现出不同的物理、化学、机械性能。二、常见的金属晶格(一)体心立方晶格组成：由八个原子构成一个立方体，并在立方体的体积中心有一个原子。晶胞：如图致密度：68%(组成晶胞原子所占晶胞体积的比例)此类金属：αFe、Cr、MO、W、V(二)面心立方晶格组成：由八个原子构成一个立方体，并在立方体的六个侧面的中心各一个原子。晶胞：如图致密度：74%此类金属：γFe、Cu、Al、Ni(三)密排六方晶格组成：由上、下底面六个角及中心各有一个原子构成一个六方柱体，并在六方柱体的三个侧面的中心各有一个原子。晶胞：如图致密度：74%此类金属：Be、Mg、Zn、Cd三、单晶体的各向异性各向异性：在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能不同的现象。形成原因：各晶面、晶向上的原子排列密度不同。单晶体：结晶方位完全一致的晶体，具有各向异性的特征.多晶体示意图单晶体示意图多晶体示意图单晶的制备：垂直提拉法和尖端形核法。第二节实际金属结构一、多晶体结构晶粒：具有不规则颗粒形状的小晶体晶界：晶粒之间界面特点：晶界上原子排列总是不规则的多晶体：由多种位向不同的晶粒组成的晶体结构特点：多晶体不显示各向异性（原因：在多晶体中各个晶粒的位向紊乱）晶粒尺寸:钢铁为0.1～0.001mm；有色金属较大显微组织：在显微镜下观察到各种晶体的形态、大小和分布性况多晶体示意图二、晶格缺陷晶格缺陷：是由于晶体中的某些原子偏离正常位置而造成的晶格畸变(一)点缺陷点缺陷：是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。包括：晶格空位、置换原子、间隙原子形成原因：原子在各自平衡位置做不停的热运动结构特点：如图空位间隙原子小置换原子大置换原子(二)线缺陷线缺陷：晶体中呈线状分布的缺陷典型结构：刃型位错、螺型位错影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从-关系看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃型位错（白点为原子）(三)面缺陷面缺陷：一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等。晶界：不同位向晶粒的过度部位。宽度为5～10个原子间距，位向差一般为20～40°。亚晶粒：位向差很小（10’～2°)的小晶块。亚晶界：亚晶粒之间的交界面称。亚晶界也可看作位错壁。晶界的过渡结构示意图亚晶界结构示意图结论：金属存在晶格缺陷，其性能会发生改变。①实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。②点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。③位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。④点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。第三节非金属晶体晶体的分类：金属晶体、离子晶体、共价晶体、分子晶体(一)离子晶体离子晶体：以离子键的静电引力形成的晶体，基本为面心立方晶格性能：硬度高、强度大、脆（离子键合力较大）(二)共价晶体共价晶体：以共价键的电子共有形成的晶体，基本为面心立方晶格(三)高分子晶体（高分子聚合物）(四)金属晶体金属晶体：如前所述第四节金属的结晶一、结晶的概念结晶：金属由液态转变为固态，原子由不规则排列转变有规则的排列，形成晶体的过程。热分析法测定：将液态金属放在坩锅中缓慢冷却，在冷却过程中记录温度随时间变化的数据并将其绘成曲线，即得冷却曲线。结晶特点：金属的结晶是在恒温下进行的，此时的温度即为金属的理论熔点。过冷度ΔT：是实际结晶温度T1、理论结晶温度T0之差，即△T=T0-T1二、金属的结晶过程结晶过程：①形核：温降活动能力降，局部原子形成小晶体（晶核）②核长：晶核按自方向吸附周围原子自由长大③两者同时并行图纯金属结晶过程示意图枝晶的形成：晶核各方向的长大速度不一致，棱角处以较大的速度长成主干，主干不断生成分枝（棱角散热好）冰的树枝晶三、影响生核长大的因素形核率Ν：在单位时间内、单位体积中所产生的晶核数长大速度G：单位时间内晶核长大(一)过冷度的影响影响:如图2--19图2-19过冷度对晶粒大小的影响(二)难溶杂质的影响影响：难溶杂质越多、形核率越大(三)晶粒大小及控制(1)晶粒度的概念晶粒度:是晶粒大小的度量评价指标:单位体积中晶粒的数目ZV单位面积中晶粒的数目ZS晶粒的平均线长度(或直径)影响因素:形核率N、长大速度GZV=0.9(N/G)3/4ZS=1.1(N/G)1/2(2)晶粒大小的控制1)增大过冷度影响：过冷度越大，N/G愈大，晶粒愈细措施：①提高液态金属的冷却速度②提高液态金属的过冷能力2)变质处理变质处理:是有意地向液态金属中加入某些变质剂以细化晶粒和改善组织，提高材料性能的方法。措施:①孕育处理:在液态金属中加入孕育剂，直接增加形核核心的处理②变质处理:在液态金属中加入变质剂，改善晶核的生长条件，强烈地阻碍晶核的长大或改善组织形态的处理.四、金属的同素异构性同素异构性：一种金属具有两种或两种以上的晶体结构现象同素异构转变：金属的晶体结构随着温度的变化而改变的现象铁的同素异构转变：如图1394°C912°CδFe≒γ–Fe≒αF体心立方面心立方体心立方五、金属铸锭的组织特点(一)表面细晶粒层特点:①过冷度大、形核率高，形成细晶粒；②无方向性、致密、力学性能好、热加工性能好(二)柱状晶粒层特点:①过冷度小、垂直于型壁方向散热，相部晶粒之间的长大余地小，形成粒状；②致密、晶界有低熔点杂质(三)中心粗大等轴晶粒层特点:①中心区温度较均匀、过冷度小、形成粗大的等轴晶粒；②组织疏松、杂质多、力学性能差、易裂金属铸锭的组织1－细晶区2－柱状晶区3－中心等轴晶区(四)铸造缺陷1.缩孔与疏松：液体金属在凝固时发生体积收缩得不到补充而形成的空洞2.偏析：低熔点杂质集中于最后凝固区域，形成的成分不平衡的现象