轮机工程基础 第二章 金属的晶体结构与结晶

第二章金属的晶体结构与结晶实验证明，金属材料的机械性能是由其微观晶体结构决定的。第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体晶体——材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体——原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。1、晶体2、非晶体具有规则几何外形具有固定的熔点具有各向异性◆呈不规则的排列◆无固定熔点◆具有各向同性熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线原子（离子）的刚球模型原子中心位置二、晶体结构晶胞点阵（晶格）模型晶格晶胞XYZabc晶格常数a，b，cXYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ1、体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等三、常见的金属晶体结构体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；===90晶胞原子数：致密度：0.68XYZabc2raa2原子半径：致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/32、面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Ni、Pb等面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；===90晶胞原子数：致密度：0.74XYZabc原子半径：43、密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74五、实际金属中的晶体缺陷1、实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）1）点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子2、晶体缺陷类型2）线缺陷——刃型位错上刃位错下刃位错3）面缺陷晶粒（单晶体）晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高一、纯金属的结晶条件晶体液体结晶：液体--晶体凝固：液体--固体（晶体或非晶体）第二节纯金属的结晶冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）T1T0，△E0，固态金属处于稳定态，结晶自发进行；T2T0，△E0，液态金属处于稳定态，融化自发进行。T0液态固态△E0△E0TET1T2冷却速度越大，则过冷度越大二、纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程但是，对一个晶粒而言，严格区分形核与晶核长大两个过程晶胚：尺寸增大稳定性高的近程有序原子团晶核：尺寸稳定性高的晶胚进一步成长为尺寸极小、原子排列规则的小晶体1）形核过程两种形核方式——自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。2）晶核长大过程两种长大方式——平面生长与树枝状生长。平面生长树枝状生长三、晶粒度1、晶粒度——表示晶粒大小，分8级（p111)。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：细晶强化--强度、硬度、塑性、韧性↑固溶强化--强度、硬度↑，塑性、韧性↓1）提高过冷度形核率N、长大速度v与过冷度T的关系Tv，NvN2、细化晶粒的措施提高过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度铸造中通过降低浇铸温度、减小铸型温度升高的速度（一般用导热系数大的金属铸型代替砂型）来提高冷却速度2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。3）振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。四、同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C纯铁的冷却曲线Tt15381394912}-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770铁磁性重结晶较大内应力热处理的基础