金属的晶体结构与结晶.

１.２金属的晶体结构与结晶按原子排列的特征，可将固体金属物质分为晶体和非晶体两大类。晶体：物质内部的原子是按一定的次序有规律排列的。如金刚石、石墨等，固态金属一般属于晶体。非晶体：非晶体内部的原子则是无规则排列的，如玻璃、松香和沥青等。非晶体晶体固体物质1.2.1金属的晶体结构晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，简称晶格，如图1-4b)所示。晶胞：即晶格中最小的几何单元。图１－4晶体结构示意图晶体结构晶格晶胞常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种类型。１.体心立方晶格体心立方的晶格是一个立方体，其中心和八个角上各有一个原子，如图1－5所示。属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、W、V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。图１－5体心立方球体模型及其晶格2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其六个面中心和八个角上各有一个原子，如图1－5所示。属于这类晶格的金属有γ-Fe、Cu、Al、Ni等。它们都具有较好的塑性。图1－6面心立方球体模型及其晶胞３.密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，其上下底面的中心和十二个角上各有一个原子，且在六方柱体的中间还有三个原子，如图1－7所示。属于这类晶格的金属有Ｍg、Ｚn、Ｃd、Ｂe等。这类金属塑性较差。图1－7密排六方球体模型及其晶胞1.2.2金属的结晶过程１.金属的结晶即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成晶体的过程。纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8所示。图1-8纯金属的冷却曲线T0——理论结晶温度Tn——实际结晶温度ΔT——过冷度ΔT温度T0Tn时间2.过冷过冷：即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下而没有发生凝固的现象。过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度。即：ΔT=T0-Tn式中ΔT——过冷度（℃）；T0——金属的理论结晶温度（℃）；Tn——金属的实际结晶温度（℃）。金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。冷却速度越快过冷度也越大。3.金属的结晶过程动画演示金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段，并持续到液相全部转变成固相为止。金属的结晶过程动画演示了金属从形核、晶体长大直至结晶完毕整个过程。(1)形核形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两种方式。1）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷度下，金属液中的一些原子自发聚集在一起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。2）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融金属内原有的或加入的异质点作为晶核或晶核衬底的形核过程。形核(2)晶核长大晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全部消失、长大的晶体互相接触为止。晶粒：多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的位向）基本相同的小晶体称为晶粒。晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。4.晶粒度及其控制晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定量表征。（1）晶粒度对金属力学性能的影响通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内部的结合力。（2）细化晶粒的方法生产中常采用加入形核剂、增大过冷度、动力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。1)加入形核剂加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态金属中某些元素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。2）增大过冷度形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核率的增长比长大速率的增加要快，过冷度ΔT越大，单位体积中晶核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。３）动力学法通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。４）其它方法热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。1.2.3金属的同素异构转变同素异构转变：金属在固态下随温度的变化改变其晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。如纯铁的同素异构转变。二次结晶:金属的同素异构转变过程与液态金属的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程，故常称为重结晶或二次结晶。纯铁的同素异构转变图１－9纯铁的同素异构转变液态纯铁冷却到1538℃时结晶成体心立方晶格的δ－Fe,继续冷却1394℃时发生同素异构转变,转变成立方晶格的γ-Fe,再继续冷却到912℃时又发生同素异构转变,转变成体心立方晶格的-1.2.4合金的晶体结构合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成的金属材料。组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金。合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元相互之间作用方式不同，可以形成固溶体、金属化合物和机械混合物三种结构。组元1组元2组元3合金1.固溶体(1)固容体的类型间隙固溶体：当溶质原子很小时，只能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙固溶体。如图1-10a所示。如C、H、O等原子易形成间隙固溶体。置换固溶体：当溶质和溶剂的原子直径较接近时，只能替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，称为置换固溶体。如图1-10b所示。如Fe-Ni、Cu-Ni等。图1-10a间隙固溶体图1-10b置换固溶体(2)固溶强化固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。如图1-10c、1-10d所示。1-10c间隙固溶体晶格畸变1-10d置换固溶体晶格畸变2.金属化合物金属化合物：即由两组元的原子按一定的数量比相互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。碳钢中的Fe３C、合金钢中的TiC、WC、VC等均属于金属化合物。Fe３C的晶格如图1-11b所示。图1-11a石墨的晶格图1-11b渗碳体的晶格3.机械混合物机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定的重量比组成的物质。机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组成物的晶粒。机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间，并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能介于二者之间。思考题1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒细化的机理是什么？3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构转变与液态结晶的异同点。返回目录