14版-2金属的晶体结构与结晶.

第2章金属的晶体结构与结晶非晶体——原子无规则堆积的集合体◑无固定熔点◑各向同性晶体——原子规则排列的集合体◐具有固定的熔点◐单晶体具有各向异性：不同方向的性能不同学习重点固态金属是晶体材料，其原子的排列规则？a.理想的晶体结构即典型排列b.实际金属晶体结构存在缺陷Celestite天青石Pyrite黄铁矿美丽的晶体Sulfur硫磺我们学习的主线：结构、组织性能用途Thelatticecanhaveaprofoundinfluenceonthematerial'sproperties.Forexample,belowweseetwocrystals-graphiteanddiamond.Theyeachcontainonly1kindofatom-carbon.Thedifferenceisinhowthoseatomsarearranged.DiamondthestructureofdiamondGraphitethestructureofgraphite2.1金属的晶体结构2.1.1晶体结构的基础知识2.晶胞晶格中能全面反映原子排列规律的最小几何单元称为晶胞1.晶格假设通过原子球中心划出许多空间直线，这些直线形成的空间格架称为晶格金属原子(离子)均匀球体假设Unitcelllattice晶格晶胞组成分解◐Theatomsinacrystalareinaregularrepeatingpatterncalledthecrystallinelattice.◐Thisallowsustoseeindividualatoms.BelowisanSTM(thescanningtunnelingmicroscope)imageofaplatinumsurface.NotetheregularrowsofPtatoms.thestructureofdiamondPlatinumPt白金(铂)晶格晶胞3.晶格常数定义一个六面体所需的参数，三个角度和三条边长。4.原子半径邻近原子间距的一半称为原子半径。原子半径晶胞的体积原子的体积晶胞原子数K5.致密度晶系：◐根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。◐90%以上的金属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单斜三斜2.1.2三种常见的金属晶格1.体心立方晶格◐晶胞中的原子数：2a43ra23a43r最近原子间距——体心与顶角之间：致密度：68%原子半径：0.68aa43π342K33◐具有b.C.C的常见金属有α-Fe,Cr,W,Mo,V,Nb◐铁元素是地壳中蕴藏量最大的金属元素，α-Fe具有体心立方晶格。布鲁塞尔的原子球（体心立方结构）2.面心立方晶格晶胞中的原子数：4◐最近原子间距——面心与顶角之间：◐原子半径：◐致密度：74%◐常见金属有：γ-Fe,Al,Cu,Ni,Au,Ag,Pba22a42r3.密排六方晶格◐晶胞中的原子数：6◐最近原子间距——相邻顶角之间：a◐原子半径：◐致密度：74%◐常见金属有：Mg,Zn,Cd,Be2ar体心和面心为正六面体的边长，a。密排六方为a,cc/a轴比＝1.633时排列最紧密，一般轴比在1.57-1.64。晶格类型晶胞中的原子数最近原子间距原子半径致密度常见金属体心立方20.68α-Fe,Cr,W,V面心立方40.74γ-Fe,Cu,Ag,Au密排六方60.74Mg,Zn,Cda23a43a22a42a2a2.1.3晶面指数及晶向指数◐晶体中各种方位上的原子面叫晶面；◐各种方向上的原子列叫晶向。◐不同晶面和晶向上的原子排列的密度是不同的。1.立方晶系晶面指数的确定方法①设坐标为X,Y,Z，坐标轴原点应位于所求晶面之外，以避免出现零截距②求截距，以晶格常数为度量单位③取倒数④化为最小整数⑤列括号，如(100)(110)(111)2.立方晶系晶向指数的确定方法①设坐标为X,Y,Z，坐标轴原点O必须位于所求晶向上②以晶格常数为度量单位，在所求晶向直线上任选一点，求出该点在X,Y,Z轴上的坐标③化为最小整数④列括号，如[100][110][111](hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和uvw表示。我们关注晶体结构的重点是什么？体心、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度如何？哪个是最密排晶面？哪个是最密排方向？问题讨论b.c.c、f.c.c晶格主要晶面的原子排列和密度晶面指数体心立方晶格原子密度（原子数/面积）面心立方晶格原子密度（原子数/面积）{100}1/a22/a2{110}1.4/a21.4/a2{111}0.58/a22.3/a2结论：b.c.c最密排面是体对角线连接面（110），f.c.c最密排面是三个面对角线连接面（111）b.c.c、f.c.c主要晶向的原子排列和密度晶面指数体心立方晶格原子密度（原子数/长度）面心立方晶格原子密度（原子数/长度）﹤100﹥1/a1/a﹤110﹥0.7/a1.4/a﹤111﹥1.16/a0.58/a结论：b.c.c最密排方向是体对角线方向[111]，f.c.c最密排面方向是面对角线方向[110]。金属晶体的各向异性晶体中某些晶面或者晶向原子排列密度不同，从而使金属单晶体的力学、物理、化学等方面的性能在不同方向上表现出差异。这种现象称为单晶体的各向异性。这是区别晶体与非晶体的重要特征。例如：α-Fe单晶体中，弹性模量E在[111]晶向上是2.9×105Mpa；而在[010]方向上只有1.34×105Mpa。2.2金属的实际结构和晶体缺陷2.2.1多晶体结构单晶体：一块晶体内部方位完全一致（排列规则、没有缺陷）的晶体；强度很高。单晶硅singalcrystal实际金属是多晶体：实际金属经过切料、磨光腐蚀在金相显微镜下察，发现其组织类似蜂窝状或石榴状，是由许多个外形不规则，排列方向不同的小晶粒组成MaterialiscommonlyanaggregateofsinglecrystalgrainsGrainstructurevisibleinacasting工业纯铝的晶粒工业纯铁晶粒◐每个小晶粒内部晶格排列基本一致，可以认为相当于一个单晶体；◐晶粒与晶粒之间方位有较大差别，一般为几十分、几度或者几十度，晶粒之间的界面称为晶界。◐这个由许多个方位不同的晶粒组成的晶体称为多晶体。◐一般工业条件下，获得的金属材料均为多晶体材料，也称为晶体。沿晶粒断裂◐单晶体是各向异性的。◐多晶体由于有大量位向（空间排列方位）不同的晶粒组成，经统计分布，其在各个方向上的性能是其平均值。如a-Fe，111E＝2.9×105MN/m2110E=1.34×105MN/m2各个方向E＝2.1×105MN/m2◐多晶体在各个方向上性能近似的性质称为多晶体的伪各向同性。◐实验证明，在金属晶体的一个晶粒内部晶格位向也并非完全一致，而且存在一些位向略有差异的小晶块（位相差一般不超过2°），这些小晶块称为“亚晶”，它们的尺寸一般为10-5~10-3cm，亚晶之间的界面称为“亚晶界”，这种晶粒内部的微细结构称为“亚结构”。亚晶界实际上是由一系列位错组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的能量，与晶界有相似的特性，故细化亚结构，可显著提高金属的强度。2.2.2晶体缺陷(latticedefects)2线缺陷(linedefect)二维尺寸小，三维尺寸很长，几万到几十万个原子间距3面缺陷（facedefect）实际多晶体的结构：晶界1点缺陷(pointdefect)三维尺寸上都很小。不超过几个原子直径的缺陷。点缺陷在晶体的某处有一列或若干列原子，发生了有规律的错排现象1957年薄膜透射电镜材观察到位错线一种非常重要的晶体缺陷刃型位错螺型位错位错线缺陷刃位错线缺陷螺纹错STM下的位错线缺陷单位体积中位错线的总长度位错线位错环位错密度ρ2cmVL线缺陷面缺陷关于晶体缺陷的几点说明：◐(a)晶体缺陷是不可避免的；◐(b)晶体材料仍然是长程有序，局部混乱，仍然保持金属的性质；(c)无论哪种缺陷均引起不同程度的晶格局部或某一范围的畸变，使能量升高，宏观性能改变；(d)缺陷在一定条件下可以运动。如位错的滑移、攀爬、增生、缠结等。晶格畸变位错攀爬位错在晶界处造成混乱：消失、增生、缠结等◐缺陷的存在对金属许多加工过程有重要的影响。◐缺陷是可以利用的。如：金属材料的塑性变形是通过位错运动来实现的；位错密度越大金属的强度越高等。充分退火金属：ρ＝105－108cm-2冷加工硬化、淬火金属：ρ＝1010－1012cm-2晶须加工硬化，淬火σb位错密度2.3金属的结晶与铸锭组织2.3.1纯金属的结晶结晶的概念1液态固态(原子无规则排列)(原子有规则排列)平衡结晶温度=熔点T0纯金属的结晶：纯金属结晶的结晶条件2内在条件：瞬时类晶体（内在核心）液体中瞬时有许多规则排列的原子团，时聚时散◐过冷现象：实际结晶温度T1总是低于平衡结晶（理论）温度T0的现象。◐过冷度：∆T=T0-T1◐结晶的必要条件：过冷（结晶的动力）外在条件：过冷现象的存在纯金属的冷却曲线◐纯金属的结晶特征：“平台”结晶或恒温结晶2.3.2结晶的基本过程晶核不断形成和长大的过程形核晶核长大不断生成新晶核长大相碰晶粒多晶体NucleationandGrainGrowth细晶强化◐一般情况下,晶粒越细小，其强度、塑性、韧性也越高。2.3.3影响形核和长大的因素及细化晶粒的方法◐冷速↑→∆T↑◐对大铸件或厚薄差别大的铸件冷速过快→变形、开裂◐只适用于小铸件，简单件1.提高冷速（提高过冷度）◐常用于大铸件，实际效果较好2.变质处理3.振动搅拌电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图2.3.4金属铸锭组织1.表面细晶粒区2.柱状晶粒区3.中心等轴晶粒区大多数金属在结晶后的冷却过程中，其晶体结构不再发生变化。但某些金属如铁、钛、钴等在结晶后晶格类型会随温度的变化而发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。在常温下的同素异构体一般用希腊字母α表示，较高温度下的同素异构体依次用β、γ、δ表示。Upto910degreesthenChangestoUntil1390degrees2.4金属中的扩散◐前述：过冷是结晶的必要条件，但不是充分条件，要进行结晶，还要满足动力学条件，如原子移动和扩散等。◐金属在固态下发生的许多过程都有明显的扩散性质。扩散是一种传质的过程。◐原子在金属晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象称为扩散。◐影响扩散的主要因素：温度、晶格结构和晶体缺陷。其中温度是最重要的因素。温度越高越容易扩散。本章关键词◐多晶体结构◐位错，位错密度及曲线◐冷却曲线，过冷度◐纯金属的平台结晶（恒温结晶）◐细晶强化◐同素异晶转变◐扩散准晶体◐准晶是一种介于晶体和非晶体之间的固体。准晶具有完全有序的结构，然而又不具有晶体所应有的平移对称性，因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。不列颠数学家罗杰·彭罗斯经过严格推导所得到的二维彭罗斯花砖。彭罗斯花砖过去在装潢中得到广泛运用，特别是穆斯林艺术家对其情有独钟以色列科学家丹尼尔·舍特曼(DanielShechtman)获得了2011年诺贝尔化学奖，其贡献在于发现了准晶体(quasicrystals)。◐准晶，可以说是三维的彭罗斯花砖带来了材料科学的革命。其他诸如8重、12重对称也被人们发现。它们通常具有一些有趣的性质，比如低热导率（这使得它们是热的良导体）和低摩擦（这使得它们光滑）。这使得这些材料能够作为涂料。通常在显示屏中使用的液晶，某种程度上也是准晶。它们也可以被瑞典工程公司山特维克（Sandvik）用来制作坚固的特种轮胎。课堂练习班级_____________姓名_____________学号___________