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本章的重点：1、三种常见的晶体结构及其基本性能。2、实际金属的晶体缺陷及其对性能的影响。3、结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。难点：结晶机理、晶面指数与晶向指数的确定。第一章金属的晶体结构与结晶§1-1金属的晶体结构一、晶体的概念晶体：原子在空间呈长程有序排列的固态物质。非晶体：原子或分子无规则的堆积在一起的固态物质。二、晶体的特征1、原子在空间呈长程有序排列；2、是各向异性的；3、有固定的熔点；4、有特定的几何外形。⑴晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。三、晶体中几个基本概念为描述晶体内部原子的排列，将原子视为刚性球体。刚性球体—原子浓缩成一个点（空间点阵）用假想的直线连接起来，形成空间格子（晶格）取出一个有代表性的最小几何单元—单位晶体（晶胞）⑵晶胞：晶体中有代表性的最小的几何单元，称为晶胞。⑶晶格常数：晶胞的三个棱边的尺寸a、b、c。用埃（Å）表示：各棱间的夹角用、、表示。立方六方四方菱方正交单斜三斜⑷晶胞类型根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。晶体中用以描述原子排列几何方式的晶胞有14种。分别为（1）简单立方（2）面心立方（3）体心立方（4）简单立方（5)体心四方（6）密排六方（7）简单正交（8）体心正交（9）底心正交（10）面心正交（11）菱形（12）简单三斜（13）底心单斜（14）三斜•由于金属是以金属键结合，结合力强而有无饱和性，使金属中原子具有趋于密排的趋势，形成具有高度对称、晶格比较简单的晶体结构。90%的金属元素属于立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c，==90，=120具有以下三种典型的晶体结构：体心立方、面心立方、密排六方。⑸原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。⑹晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。⑺配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。①体心立方晶格body-centeredcubiclattice(bcc)体心立方晶格的参数体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)ar43原子半径：②面心立方晶格face-centeredcubiclattice(fcc)面心立方晶格的参数a42r：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格③密排六方晶格a21r：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633密排六方晶格四、晶体中的晶面和晶向通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。确定晶面指数的步骤如下：①设不在欲定晶面上的晶格中任一结点为原点，以晶格的三棱边为空间坐标轴OX、OY、OZ，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。②将所得三截距之值变为倒数。③再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（hkl）。（1）晶面指数注：1）（hkl）是泛指晶格中所有与其平行的晶面，并非特指某一晶面。2）在一种晶格中，某些位向不同但原子排列情况相同的晶面，如（100）（010）（001），称为晶面族{hkl}。①确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。②取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。例一.求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二.求截距为2、3、晶面的指数取倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧得（320）例三.画出（112）晶面取三指数的倒数1、1、1/2,即为X、Y、Z三坐标轴上的截距晶体中原子间的连线即晶向。其确定步骤为：⑵晶向指数①确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。②求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为[uvw]。注：1）[UVW]是泛指晶格中所有与其平行，位向相同的晶向。2）在一种晶格中，某些位向不同但原子排列情况相同的晶向，如[100][010][001]，称为晶向族-UVW。3）立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。例二、已知晶向指数为[110],画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。[110][234]⑶晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶面和晶向。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。立方晶系常见的晶面为：)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()101()110(:}110{)001()010()100(:}100{、、、、、、、、、、{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常见的晶向为：]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、111[111][111][111][111]XZY说明：①在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]--④数值相同，符号相反的晶面如(110)与(110)晶面互相平行。⑷晶面与晶向原子密度单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}61114面心立方晶格{111}41106密排六方晶格六方底面1底面对角线3体心和面心立方晶格的密排面和密排方向不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。下页的两个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和紧密程度。在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为{110},称为密排面。原子密度最大的晶向为111,称为密排方向。在面心立方晶格中,密排面为{111},密排方向为110。体心立方晶格面心立方晶格晶面指数晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积)晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积){100}{110}{111}体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方晶格面心立方晶格晶向指数晶向原子排列示意图晶向原子密度(原子数/长度)晶向原子排列示意图晶向原子密度(原子数/长度)100110111体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度五、晶体的各向异性单晶体在不同方向和不同晶面上原子排列紧密程度不同，所以在不同方向上的性能也不同，这就叫晶体的各向异性。如bcc铁晶体在[111]向上E=290000MN/m2，在[100]向上E=135000MN/m2。§1－2实际金属的晶体结构一、多晶体结构和亚结构单晶体：晶体材料内部原子规律排列，位向不发生改变的晶体。多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶体结构，称为多晶体。实际晶体是由许多不同位向小单晶体组成的多晶体。这些小单晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的交界叫晶界。一个晶粒内晶格位向有微小差别的小区域叫亚结构。既然实际晶体是多晶体组成，是否还存在着单晶体的各向异性？为什么？二、晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。①点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。c.置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格产生畸变，阻碍原子的移动，必需施加更大的外力，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位间隙原子小置换原子大置换原子位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象。分刃型位错和螺型位错。②线缺陷—（在一维方向上尺寸较大的缺陷)刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬”表示。位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位错线越近晶格畸变越大，应力越大。螺型位错：晶体右前边的点相对于左边的距点向下错动一个原子间距，即右边前部相对于左部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线缺陷称螺型位错。位错密度：单位体积位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2位错对性能的影响：不论刃型位错还是螺型位错，以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷大的多，因此对材料性能的影响也大的多。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。强度不论刃型位错还是螺型位错，以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷大的多，因此对材料性能的影响也大的多。位错密度：单位体积位错线长度之和。工业金属=104~1012cm/cm3。的改变可有效的改变材料的性能。透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）③面缺陷（一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域）㈠晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。小角度晶界是由相距一定距离的刃型位错组成。大角度晶界原子排列紊乱，具有非晶态特征。晶界的重要特性：1）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动起阻碍作用，从而使晶粒小即晶界多的材料的强度、硬度高—细晶强化。2）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀。固态下结构的改变首先从晶界开始。晶界示意图㈡亚晶界：亚晶粒的交界，位向差小于2º。以上金属的多晶体结构与晶体缺陷是怎样形成的？需从金属的结晶谈起。晶界亚晶界ABCD§1-3纯金属的结晶与铸锭组织一、几个概念1、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形成无规则结构。冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷却速度大于10ºC/S时，可阻止金属及合金的结晶，获得非晶态金属材料。72、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。3、自由能：物质能自动向外界释放出多余的或能够对外作功的能量叫自由能。据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，总是向能量最低状态转变。理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度（undercooling)，用ΔT表示。ΔT=T0—Tn液体金属在结晶时的温度-时间曲线称为冷却曲线。结晶的条件1.必需要有过冷度。过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过冷度为236ºC。2.与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度越小。3.与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度低，过冷度大。体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能。自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能≤0结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度