合金的晶体结构与结晶.ppt

第二章 金属的晶体结构与结晶,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）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。,第一节 金属与合金的晶体结构,1、晶格 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 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,（二）、晶格、晶胞、晶格常数,第一节 金属与合金的晶体结构,3、晶格常数 以棱边长度 和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小。,第一节 金属与合金的晶体结构,（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(bbc),第一节 金属与合金的晶体结构,晶胞原子数 2,原子半径：,晶胞体积为a3，晶胞内含有2个原子所以它的致密度是：,已知：体心立方结构的原子半径,第一节 金属与合金的晶体结构,原子个数：2致密度：0.68属于该类晶格的常见金属有-Fe(1400oC)、Cr、W、Mo、V等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,第一节 金属与合金的晶体结构,2、面心立方晶格（fcc）,第一节 金属与合金的晶体结构,晶胞原子数 4,原子半径：,致密度：,0.74,第一节 金属与合金的晶体结构,3、密排六方晶格,第一节 金属与合金的晶体结构,原子个数：6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,第一节 金属与合金的晶体结构,第一节 金属与合金的晶体结构,二、实际金属的晶体结构,单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成.,第一节 金属与合金的晶体结构,单晶体的各向异性,同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同,铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E）示意图,第一节 金属与合金的晶体结构,第一节 金属与合金的晶体结构,三、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、线缺陷和面缺陷。,第一节 金属与合金的晶体结构,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。,空位间隙原子置换原子,第一节 金属与合金的晶体结构,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。,第一节 金属与合金的晶体结构,2、线缺陷位错,线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是“刃型位错”.,第一节 金属与合金的晶体结构,刃位错的形成,刃位错滑移_立体图,第一节 金属与合金的晶体结构,第一节 金属与合金的晶体结构,地毯挪动,第一节 金属与合金的晶体结构,第一节 金属与合金的晶体结构,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，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。,第一节 金属与合金的晶体结构,四、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。,第一节 金属与合金的晶体结构,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。,第一节 金属与合金的晶体结构,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。,第一节 金属与合金的晶体结构,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。,第一节 金属与合金的晶体结构,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。,第一节 金属与合金的晶体结构,凝固与结晶的概念结晶的现象与规律同素异晶(构)转变,第二节 纯金属的结晶,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。,第二节 纯金属的结晶,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,第二节 纯金属的结晶,时间,2.过冷现象与过冷度,过冷现象 金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的现象。过冷度 金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷.过冷是结晶的必要条件。,第二节 纯金属的结晶,3.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,第二节 纯金属的结晶,二).结晶的一般规律,形核长大,第二节 纯金属的结晶,第二节 纯金属的结晶,1.晶核的形成,当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。形核有自发形核和非自发形核两种方式。自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多。,第二节 纯金属的结晶,2.晶核的长大方式树枝状,雾凇,第二节 纯金属的结晶,2.晶核的长大方式树枝状,第二节 纯金属的结晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,第二节 纯金属的结晶,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,第二节 纯金属的结晶,过冷度的影响,过冷度：T大，形核率N和长大速度G都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细。,当过冷度很大时，金属不再通过结晶方式凝固，而是形成了非晶态的金属激冷凝固工艺,第二节 纯金属的结晶,三）细化晶粒的途径,1）提高冷却速度,晶粒细小,2）变质处理 工业生产中，常向液体金属中加入难熔杂质来细化晶粒，这种方法叫做变质处理，如在铝中加入微量的钛；铸铁中加入硅、钙等。,3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。,第二节 纯金属的结晶,纯铁的同素异晶转变反应式:,-Fe-Fe-Fe,第三节 金属的同素异晶转变,纯铁的冷却曲线,第三节 金属的同素异晶转变,-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。,第三节 金属的同素异晶转变,合金(alloy)组元(元)(element)相(phase)显微组织(microscopic structure),第四节 二元合金相图,1、合金,合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。例如碳钢就是铁和碳组成的合金,2、组元,组成合金的基本的物质称为组元。,3、合金系,给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。如：Cu-Ni,Fe-Fe3C,Cu-Zn等。,第四节 二元合金相图,第四节 二元合金相图,4、相,相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。,5、组织,组织泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。,液态物质称为液相;固态物质称为固相,第四节 二元合金相图,不同含碳量的显微组织,第四节 二元合金相图,