第二章__金属的晶体结构与结晶.

第二章金属及合金的晶体结构与结晶•内容金属的晶体结构合金的晶体结构实际金属的晶体结构•目的掌握晶体结构及其对材料的力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备第一节金属的晶体结构与结晶一、金属的晶体结构晶体在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。(金属一般都是晶体)非晶体非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）1、晶体和非晶体为了便于研究晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。2、晶体结构的基本概念从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞晶胞的形状和大小可用晶胞的棱边长度a、b、c(晶格常数）和棱面夹角α、β、γ来表示。晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。(1)体心立方晶格（bcc晶格）a）其晶胞形状为立方体b）原子分布在立方晶体的各个结点及中心。c）每个体心立方晶胞中仅包含2个原子。d)晶胞中原子所占的体积与晶胞的体积之比即致密度为0.68属于这类金属的有：á-Fe、Mn、Cr、V、W、Mo等3、常见金属的晶格类型(2)面心立方晶格（fcc晶格）a）其晶胞为立方体。b）原子分布在立方体的各个结点及各面的中心处。c）每个晶胞中含有4个原子。d)致密度为0.74具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等。(3)密排六方晶格（hcp晶格）a）其晶胞形状为六方柱体。b）原子分布在各个结点及上下两个正六方面的中心，另外在六方柱体中心还有三个原子。c）每个晶胞中含有6个原子。d)致密度为0.74属于这类金属的有：Mg、Zn、á-Ti等。二、金属的实际晶体结构与晶体缺陷1.单晶体和多晶体晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。工业上使用的金属都是由许多小晶体组成的多晶体.每个小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称晶界。亚晶粒之间的交界称为亚晶界。晶粒晶界2、晶体缺陷实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为三种：•点缺陷•线缺陷•面缺陷(1)点缺陷——晶格空位和间隙原子在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑如:合金化(2)线缺陷——位错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。位错的主要类型有刃型位错和螺旋位错。(3)面缺陷——晶界、亚晶界晶界和亚晶界上的原子排列，是从一种位向过渡到另一种位向。在这个过渡层中的原子排列是不规则的，晶格发生畸变；亚晶界实际是由一系列的刃型位错堆积而成的。晶粒细→晶界面积大→强度高如:晶粒细化晶体缺陷与性能的关系1.晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性,使晶格产生畸变,晶格能量增加,因而晶格缺陷相对于完整的晶体来说是处于一种不稳定状态,它们在外界条件(温度外力等)变化时会首先发生变化,从而引起金属性能的变化.2.晶体缺陷的存在影响金属的强度,一般情况下,强度随晶体缺陷的增加而增加,可通过增加缺陷的办法,提高金属的强度.点缺陷→合金化增加缺陷的办法线缺陷→增加塑性变形(如加工硬化)面缺陷→晶粒细化3.晶体缺陷≠金属缺点四、金属的结晶凝固物质由液态转变成固态的过程。结晶如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。通常,金属的凝固过程属于结晶过程。例如：北方冬天窗花热分析法1.冷却曲线与过冷现象差热分析法原理To时间温度实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)纯金属结晶时的冷却曲线T0：理论结晶温度T1：实际结晶温度过冷：实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象过冷度∆T=T0-T1（冷速↑→∆T↑）结晶的必要条件：过冷理论冷却曲线2.金属的结晶过程结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。结晶过程是晶核不断形成和长大的过程晶核长大过程是按树枝状骨架方式长大晶核的长大方式—树枝状金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶3.晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒越细→塑性、韧性越好；强度、硬度越高金属结晶后晶粒大小取决于形核率N（单位时间、单位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核长大率G（单位时间内晶核长大的线速度）NG晶粒越细细化晶粒的途径1）提高冷却速度，增加过冷度V冷△TN晶粒细小2）进行变质处理3）附加振动：机械振动超声波振动电磁搅拌等。*对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快→变形、开裂,因此只适用于小铸件，简单件常用于大铸件，实际效果较好4.金属的铸锭组织1)表面细等轴晶层力学性能虽好，但由于该层很薄，故对整个铸锭的性能影响不大。2)柱状晶区比较致密，对于塑性较好的非铁金属，希望得到较大的柱状晶区。另外柱状晶沿其长度方向的强度较高，所以对于那些主要承受单向载荷的机械零件，常采用定向凝固法获得柱状晶组织。3)中心粗等轴晶区的性能没有方向性，但该晶区结晶时易形成很多微小的缩孔（缩松），这种疏松的组织致使力学性能降低第四章合金的结构与相图纯金属具有良好的导电导热性，但机械性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb=0Fe-C合金(0.45%C)正火态:σb=610MPa组织:是指用显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组元:组成合金的最基本独立单元。(元素或化合物)一、合金的概念相与组织是影响合金性能的重要因素。PFe3C1.固溶体（一）定义：一种组元的原子溶入另一组元的晶格中形成的均匀固相。根据溶质原子在溶剂晶格种所处位置不同分（二）分类：2.间隙固溶体1.置换固溶体二、固态合金中的相结构（1）置换固溶体溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子半径差及它们在周期表中的位置。（2）间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般r溶质/r溶剂≤0.59时，才能形成间隙固溶体。间隙固溶体置换固溶体固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相2.金属间化合物（一）定义合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合物。（二）特征•有金属性质•晶体结构不同于任何组元•成分可用分子式表示,如:Fe3C（三）性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。（2）电子化合物组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。此类化合物在许多有色金属中作为重要的强化相。（3）间隙化合物由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。（四）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）（1）正常价化合物组元间负电性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。三、二元合金相图相图：表示在平衡状态下，合金系的相与温度、成分之间关系的图形。（又称状态图，平衡图）二元合金相图的建立（以铜镍合金为例）1）配置各种成分的合金；2）测定每一种合金在缓冷条件下的冷却曲线，得到临界点；3）建立一个以温度为纵坐标、成分为横坐标的直角坐标系。自横坐标上的成分向上作成分垂线，把临界点分别标注在成分垂线上；4）把开始转变点和转变终了点分别用光滑的曲线连接起来，并根据已知条件和实际分析结果写上数字、字母和各区内的相或组织名称.（1）纯铜、纯镍结晶在恒温下进行（一个临界点）（2）中间的三条曲线都有两个转折点结晶是在一个温度区间进行（两个临界点）（3）将各临界点描绘在温度－成分坐标系中得到图（b）。1.匀晶相图两组元在液态和固态均能无限互溶时且形成无限固溶体。1)相图分析液相线之上为液相区，用L表示液相线与固相线之间是液、固两相，用L+α固相线下方为固相区，用α表示A点为铜的熔点B点为镍的熔点以图中K点成分合金为例分析合金从高温液态缓慢冷却到1点温度时，开始从液相中结晶出α固溶体；随着温度的下降，α相增多，而L相减少；至2点时，结晶过程结束，L相全部转变为α相2）合金结晶过程分析例：K点成分的合金从高温液态缓慢冷却至3点时，其液相部分具有3/点的成分，而固相部分具有3//点的成分。液相与固相的平均成分才是K点的成分。固溶体合金结晶的特点：•在一定温度范围内结晶；•已结晶的固相成分不断沿固相线变化，剩余液相不断沿液相线变化。2.共晶相图：两组元在液态时无限互溶，固态时有限互溶，并发生共晶反应所构成的相图。1）相图分析（1）共晶反应：是指冷却时由液相同时结晶出两个固相的复合混合物的反应。L→α+Β（2）共晶体：共晶反应的产物（α相＋β相）是共晶体。（3）共晶点：E点（4）共晶线：MEN线(5)共晶组织：共晶体的显微组织是共晶组织。(6)亚共晶合金：成分在M～E间的合金。(7)过共晶合金：成分在E～N间的合金。（1）共晶成分的合金E点成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷却过程中经过E点时发生共晶反应，生成共晶体。L→(α+β)结晶终了后的合金其室温组织为(α+β)共晶体2）典型合金结晶过程分析：（2）无共晶反应的合金M点左侧和N点右侧的合金在冷却过程中不会发生共晶反应。如图合金Ⅳ冷却至1点时结晶出α1相,经过2点时全部转变为α1相,经过3点时,开始脱溶出βⅡ相,即L→L+α1→α1→α1＋βⅡ同理，N点右侧的合金在冷却过程中也会有β1相和αⅡ相生成。最终组织为β1＋αⅡ。(3)亚共晶成分的合金在冷却过程中经过1点时结晶出α1相；经过2点时，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；继续冷却α1相还会脱溶出βⅡ相。室温组织为α1＋βⅡ＋(α+β)。L→L+α1→α1＋(α+β)→α1＋βⅡ＋(α+β)122以下(4)过共晶成分的合金在冷却过程中经过1点时结晶出β1相；经过2点，剩余液相发生共晶反应生成共晶体；在继续冷却β1相脱溶出αⅡ相，最终组织为β1＋αⅡ＋(α+β)。122以下L→L+β1→β1＋(α+β)→β1＋αⅡ＋(α+β)3）合金的相组分与组织组分4.共析相图二元合金相图中高温通过匀晶转变形成的固溶体，在冷却到某一温度时，又发生分解而形成两个新的固相，这种相图称为共析相图。由一个固相中同时析出两个不同成分的固相转变，称为共析转变.c为共析点，dce为三相共存的共析线，在该温度下（共析温度），从c点成分（共析成分）的α固溶体中同时析出d点成分的βⅠ和e点成分的βⅡ固相，反应式为α→βⅠ+βⅡ共析与共晶转变的对比•同：恒温转变，同时生成两个成分、结构不同的固相•异：共析——母相是固相，在固态转变•共晶——母相是液相，在液态转变1）共析转变需要有较大的过冷度。2）共析转变形核率高，得到的共析体比共晶体更细密3）共析转变前后晶体结构不同，转变会引起体积变化，从而会产生较大的内应力。（一）判断题1)冷却速度越快，过冷度越大。2)对细晶粒金属来说，不但强度、硬度高，而且塑性、韧性好。3)由两种或两种以上的元素组成的物质称为合金。4)根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的相结构主要有固溶体和金属化合物两大类。5)凡具有规则外形的物体都是晶体。6)凡使合金的强度、硬度提高的现象都可称为固溶强化.7)变质处理可视为往金属液体中加入人工晶核。8)晶胞中原子排列的规律能代表整