金属的结构和组织

金属的结构和组织

一金属的晶体结构

一、金属的组成及一般特性

1.金属的组成:

(1) 原子结合的特点

a.靠金属键，电子共有化；

b.正、负原子与电子之间排列的具体形式没有特殊要求。

2. 金属的特性

a.良好的导电性，导热性；

b.强度高；

c.具有塑性；

d.具有一定光泽；

e.晶体特性：有规则排列；有固定熔点；各向异性。

二、纯金属的晶体结构(7大类,14种)

1.晶体的基本概念:

a.晶格：利用假想直线将各阵点连接起来，使其构成三维空间格子

晶胞、晶轴和点阵矢量晶胞

b.晶胞：晶格中最能代表原子排列规律的最小几何单元

c.晶格常数：晶胞三维方向尺寸

表示方法:用ａ、ｂ、ｃ单位Å (1 Å=10-8cm)和棱角夹角α、β、γ

2.金属常见晶体结构

a.体心立方结构(bcc) ａ=ｂ=ｃα=β=γ=90°每个晶胞中含有2 个原子

b.面心立方晶格(fcc) ａ=ｂ=ｃα =β =γ =90°每个晶胞中含有4 个原子

c.密排六方晶格（正六棱柱）(hcp) a=b≠c,α=120°,β=γ=90,每个晶胞中有6个原子

3.晶体结构的致密度

致密度：反映晶体中原子排列的紧密程度。用原子体积与晶胞体积之比来表示.金属晶胞体积中原子所占有得体积百分数.

表示方法：K=nv/V 其中n 为晶胞原子数；v是一个原子体积；V是晶胞体积.

a.体心立方K=68%

b.面心立方K=74%

c.密排六方K=74%

4.晶面和晶向

①晶面：晶格中各个方位的原子层所构成的平面

②晶向：晶格中各种原子排列的位向。

③晶面族：晶向族

二实际金属的晶体结构

一、实际金属的多晶体结构

1.单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体

特征：同一位向如金刚石、水晶单晶硅等

2.多晶体：由不同位向的小晶体所组成

特性：整体无各向异性

a.晶粒：每一个小晶体称为一个晶粒

b.晶界：晶粒与晶粒之间的晶面称为晶界；多晶体金属中，结构、成分相同但位向不同的相邻晶粒之间的界面

二、金属晶体的缺陷

1.晶体缺陷：实际晶体中原子偏离规则排列的局部区域

2.晶体缺陷的三种形式

a.点缺陷：4种类性

b.线缺陷：又称位错，是晶体中某一处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

分刃型位错和螺型位错两类。

c.面缺陷：主要有晶界亚晶界。

晶界的许多特性都是由晶界原子排列混乱导致能量较高所造成的。

3.晶体缺陷对金属材料带来的性能影响

缺陷的存在对金属的物理性能和机械性能都有一定的影响，利用缺陷强化金属；

点缺陷：固溶强化；

线缺陷：加工硬化；面缺陷：细晶强化

三金属晶体的形成

一、金属结晶的概念

1.结晶：由液态金属转变为固态金属的过程称凝固。

金属的凝固主要是晶核形成和晶体长大的过程，所以也称为结晶。

2.金属结晶的研究方法

热分析法得金属的冷却曲线

3.现象

T0温度：平衡结晶温度（理论结晶温度）；

Tn温度：实际结晶温度；

△T=T0-Tn ：过冷度

二、金属结晶的条件

1.必要条件:

①过冷度: △T=T0-Tn

纯金属的冷却曲线

②发过程，由结晶时的能量条件决定的

两相的自由能差值△F是两相间发生相转变的驱动力。过冷度越大，液态和固态的相的自由能差越大，即相变驱动力越大，所以凝固速度越快。

③影响△T的因素（△T不是一个恒定值）

a.金属本性

b.杂质。金属越纯过冷度越大

c.冷却速度冷却速度越大，过冷度越大（滞后现象）

2.另一个条件：

原子扩散（基本存在的）---- 结构起伏；

与温度有关，温度升高，扩散增强

三、金属结晶的过程和规律

1.结晶过程

①晶核：a.自发：均匀形核

b.非自发：非均匀形核

②晶粒形成与长大

2.结晶的速度和结晶后晶粒的大小

①形核率n ②长大率G

两者均与过冷度有关

3.晶粒大小（粗细）对金属性能的影响

升高HB 升高改善

4.控制晶粒大小的措施

①增大过冷度不同型壁大铸铁：加冷铁

②变质处理增加非自发形核

③振动