工程材料与热加工基础第二章 金属的晶体结构与结晶

《工程材料与热加工基础》第二章金属的晶体结构与结晶机械工程系金工教研室第一节金属与合金的晶体结构•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物理化学性能、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一、晶体的基本知识（一）、晶体与非晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。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）（二）、晶格、晶胞、晶格常数1、晶格为了便于表明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，各原子的中心就处在格架的几个结点上，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、晶胞由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论通常只从晶格中，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，整个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。3、晶格常数在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。cb、、ar、、（三）、金属中常见晶格由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。1、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。具有体心立方晶格的金属有、等。eFarC2、面心立方晶格面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。具有面心立方晶格的金属有、等。eFrAl3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg、Zn。（四）、晶体结构的致密度晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。在体心立方晶胞中，含有2个原子。这2个原子的体积为2×（4／3）πr3，式中r为原子半径。故体心立方晶格的致密度为：2个原子的体积与晶胞体积之比等于0.68。这表明在体心立方晶格中，有68％的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。二、合金的晶体结构（一）、合金的基本概念由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况——组织所决定的。（二）、合金的相结构由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。1、固溶体合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。固溶体中的晶格畸变示意图a)间隙固溶体b)置换固溶体固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。2、金属化合物金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。三、实际金属的晶体结构（一）、金属材料都是多晶体我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。多晶体示意图（二）、晶体的缺陷晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值。根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：点缺陷线缺陷面缺陷1、点缺陷——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。由于空位和间隙原子的存在，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。•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。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度。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。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。刃型位错示意图a)晶格立体模型b)平面图•3、面缺陷——晶界和亚晶界•实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图2－23、2－24），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。晶界的过渡结构示意图亚晶界结构示意图总结•1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。•2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。•3、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。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。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。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。•第二节纯金属的结晶•凝固与结晶的概念•结晶的现象与规律•同素异晶(构)转变一、凝固与结晶的概念1.凝固物质由液态转变成固态的过程。2.结晶*晶体物质由液态转变成固态的过程。*物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列的过程。To二、结晶的现象与规律一）.结晶的一般过程1.纯金属结晶时的冷却曲线时间温度理论冷却曲线实际冷却曲线T1结晶平台(是由结晶潜热导致)2.过冷现象与过冷度•过冷现象•过冷度ΔT=T0–T1•过冷是结晶的必要条件。2.金属结晶的结构条件近程有序结构结构起伏结晶远程有序结构二).结晶的一般规律•形核•长大形核、长大1.晶核的形成•在一定的过冷度下,当F体≥F表时,晶核就形成。•晶核形成的形式:*自发形核△T=200℃*非自发形核△T=20℃2.晶核的长大方式—树枝状2.晶核的长大方式—树枝状金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素过冷度的影响未熔杂质的影响1)过冷度的影响三）细化晶粒的途径1）提高冷却速度V冷△TN晶粒细小2）变质处理3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。•纯铁的同素异晶转变反应式:第三节金属的同素异晶转变1394°C912°Cbccfccbccδ-Feγ-Feα-Fe纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Feα-Feγ-Fe第四节二元合金相图•合金(alloy)•组元(元)(element)•相(phase)•显微组织(microscopicstructure)一.基础知识1.合金系(alloyseries)2.平衡组织(statenchyma)3.相图(phasediagram)二.相图的建立名称A金属B金属晶格类型bccbcc熔点高低合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%热分析法二.相图的建立时间温度90705030AB温度A温度B温度abab:液相线ab:固相线LL+SSL:液相区S:固相区L+S:液固共存区AB温度TLTSTnbacABabLS温度100°C时,糖在水中的饱和度为80%。90°C时,糖在水中的饱和度为70%。过饱和体的浓度为含糖量90%。1.匀晶相图TLTSTnbac杠杆定理QS=(bc／ab)100%QL=(ac／ab)100%QS+QL=1aQS+bQL=cABabLS温度QLQs2.共晶相图温度成分100%A100%BLSAL+SASBL+SB2.共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SBLXSA+SBY℃SALSALSAL温度成分100%A100%BLL+SAL+SB共晶相图的建立共晶相图SA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SB温度成分100%A100%BLL+SAL+SBSA+(SA+SB)SB+(SA+SB)X%Y℃SA+SB温度成分100%A100%BSS+SAS+SB3.共析相图SXSA+SBY℃共析相图相图与合金物理、力学性能之间的关系合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系合金的流动性、缩孔性质与相图之间的关系