第二章 金属的晶体结构与结晶
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第二章 金属的晶体结构与结晶 教学内容
- 金属及其合金的结构与结晶
教学要求 - 掌握金属材料的晶体结构和金属的三
种典型晶格结构。 - 掌握纯金属和合金的结晶
重点 - 晶体结构基本概念、金属的三种典型
晶体结构
难点 - 相图建立和典型相图分析 - 合金的一些基本概念的掌握
2.1 金属的晶体结构 一、晶体概念
二、晶体缺陷
实际使用的金属,某些区域的原子规 律排列受到破坏,这种区域称为——晶体 缺陷。 (一)点缺陷—三维尺度上都很小, 不超过几个原子直径的缺陷。
① 空位 ② 间隙原子 ③置换原子
点缺陷使周围原子发生靠拢或撑开, 造成晶格畸变。
点缺陷的形成主要是由于原子在各自平 衡位置上做不停的热运动的结果。
(二)难熔杂质的影响 形核有两种方式,即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
所以,某些高熔点的杂质,特别是当杂 质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似 时,将强烈地促使非自发形核,大大提高形 核率。
1.晶体与非晶体
* 晶体:材料的原子(离子、分子)在三维空间 呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、 金属等。
* 非晶体:材料的原子(离子、分子)在三维空 间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等
晶体特点 ① 天然规则外形
② 各向异性——同一性能在不同方向测 试,结果不同
③ 具有一定熔点 非晶体特点
实际使用的金属材料是由许多小晶体 组成的。由许多小晶体组成的晶体称为— —多晶体。
在多晶体中,一般不显示各向异性。
晶界
晶粒
多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理 方法有关,一般在显微镜下才能看到。在显 微镜下观察到各种晶粒的形态、大小和分布 情况,称为显微组织。
晶粒大小对材料的性能影响很大,在 常温下,晶粒愈小,材料的强度愈高,塑性、 韧性愈好。
① 一般没有天然规则外形
② 各向同性——同一性能在不同方向测试, 结果相同
③ 没有一定熔点
晶体结构 晶格
晶胞
晶体结构—晶体中原子(离子或分子) 规则排列的方式.
晶格—假设通过原子结点的中心划出许多空间 直线所形成的空 间格架。
晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。
晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a,b,c
(三)晶粒大小及控制
(1)晶粒度的概念
晶粒度是晶粒大小的量度,用单位体积中晶粒的 数目或单位面积上晶粒的数目表示。也可以用晶粒的 平均线长度(或直径)表示。
影响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。
- N愈大,结晶后的晶粒愈多,晶粒就愈细小。
- 若N不变,晶粒的G愈小,则结晶所需的时间愈长, 能生产的核心愈多,晶粒就愈细。
(二)线缺陷—二维尺度很小而第三维 尺度很大的缺陷。
① 刃型位错 ② 螺型位错
位错线周围的晶 格发生了畸变。
实际金属晶粒内 存在着大量的位错, 晶体中的位错密度以 单位体积中位错线的 总长度来表示。
(3)面缺陷—二维尺度很大而第三维尺 度很小的缺陷。
① 晶界 ② 亚晶界
亚 晶 界
※ 金属晶体缺陷的影响 点缺陷--造成局部晶格畸变,使金属的电阻率; 屈服强度增加,密度发生变化。
个相的过程称为相变。因 而结晶过程是相变过程。
玻璃制品 水晶
最常用的是热分析法。
一、结晶的概念 结晶—金属由液态变为固 态晶体的过程。
T0 —— 理论结晶温度
T1 —— 实际结晶温度
过冷—实际结晶温度低于理论结晶温度的 现象。
过冷度:△T=T0-T1 冷速↑,T1↓—— △T↑,结晶能力↑
实践证明,金属都是在一定的过冷度 下结晶的,所以过冷是金属结晶的必要条 件。
二、 常见的金属晶体结构 ① 体心立方晶格(BCC— Body-Centered Cube)
有:钼(Mo)、钨、钒、铬、铌、 α-Fe等
Cr、δ-Fe、α-Fe等
② 面心立方晶格(FCC— Face-Centered Cube)
面心立方晶格金属有:铝、铜、镍、 金、银、γ-Fe等。
③密排六方晶胞(HCP —Hexagonal Close-Packed)
负温度梯度
树枝状长大的实际观察
金
金
属 的
属 的
树
树Leabharlann Baidu
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
三、影响生核与长大的因素
控制结晶过程
①形核率N↑
②长大速度 G↓
─→ 细化晶粒
(一)过冷度的影响
金属结晶时,形核率和长大速 度都决定于过冷度。在一般的液体 金属的过冷范围内,过冷度愈大, 形核率愈高,则长大速度相对较小, 金属凝固后得到的晶粒就愈细;当 缓慢冷却时,过冷度小,晶粒就粗 大。
线缺陷--形成位错对金属的机械性能影响很大, 位错极少时,金属强度很高,位错密度越大, 金属强度也会提高。
面缺陷--晶界和亚晶界越多,晶粒越细, 金属强度越高, 金属塑性变形的能力越大, 塑性越好。
2.3 金属的结晶 物质由液态转变为固态的
过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的
过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一
标准晶粒度共分八级,一级最粗,八级最细。 通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照 来评级。
(2)晶粒大小的控制
①增加过冷度 ─→ 冷速↑△T↑结晶能力↑ 形核数↑ ②变质处理 ─→ 难熔颗粒 ─→ 充当晶核
└─→ 阻止晶核长大
③振动处理 ─→ 振动 ─→ 大晶核破裂 ─→ 细小晶核
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
雾 凇
二、金属的结晶过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成
T<T0 时
吸附 晶核 ─周─围─原→子 长大
同
时
新晶核 ─→ 长大
同 时
…………
实际金属结晶主要以树枝状长大.
这是由于存在负温度梯度,且晶核棱
角处的散热条件好,生长快,先形成
一次轴,一次轴又会产生二次轴…,
树枝间最后被填充。
密排六方晶格金属有:镁、镉(Cd)、 锌、铍(Be)等。
三、单晶体的各向异性
晶体内部的晶格位向(即原子排 列方向)完全一致的晶体——单晶体。
在晶体中,由于各晶面和各晶向上的原子 排列密度不同,因而导致在同一晶体的不同晶 面晶向上的各种性能也不同,这种现象称为 “各向异性”。
第二节 金属的实际晶体结构 一、多晶体结构
- 金属及其合金的结构与结晶
教学要求 - 掌握金属材料的晶体结构和金属的三
种典型晶格结构。 - 掌握纯金属和合金的结晶
重点 - 晶体结构基本概念、金属的三种典型
晶体结构
难点 - 相图建立和典型相图分析 - 合金的一些基本概念的掌握
2.1 金属的晶体结构 一、晶体概念
二、晶体缺陷
实际使用的金属,某些区域的原子规 律排列受到破坏,这种区域称为——晶体 缺陷。 (一)点缺陷—三维尺度上都很小, 不超过几个原子直径的缺陷。
① 空位 ② 间隙原子 ③置换原子
点缺陷使周围原子发生靠拢或撑开, 造成晶格畸变。
点缺陷的形成主要是由于原子在各自平 衡位置上做不停的热运动的结果。
(二)难熔杂质的影响 形核有两种方式,即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
所以,某些高熔点的杂质,特别是当杂 质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似 时,将强烈地促使非自发形核,大大提高形 核率。
1.晶体与非晶体
* 晶体:材料的原子(离子、分子)在三维空间 呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、 金属等。
* 非晶体:材料的原子(离子、分子)在三维空 间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等
晶体特点 ① 天然规则外形
② 各向异性——同一性能在不同方向测 试,结果不同
③ 具有一定熔点 非晶体特点
实际使用的金属材料是由许多小晶体 组成的。由许多小晶体组成的晶体称为— —多晶体。
在多晶体中,一般不显示各向异性。
晶界
晶粒
多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理 方法有关,一般在显微镜下才能看到。在显 微镜下观察到各种晶粒的形态、大小和分布 情况,称为显微组织。
晶粒大小对材料的性能影响很大,在 常温下,晶粒愈小,材料的强度愈高,塑性、 韧性愈好。
① 一般没有天然规则外形
② 各向同性——同一性能在不同方向测试, 结果相同
③ 没有一定熔点
晶体结构 晶格
晶胞
晶体结构—晶体中原子(离子或分子) 规则排列的方式.
晶格—假设通过原子结点的中心划出许多空间 直线所形成的空 间格架。
晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。
晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a,b,c
(三)晶粒大小及控制
(1)晶粒度的概念
晶粒度是晶粒大小的量度,用单位体积中晶粒的 数目或单位面积上晶粒的数目表示。也可以用晶粒的 平均线长度(或直径)表示。
影响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。
- N愈大,结晶后的晶粒愈多,晶粒就愈细小。
- 若N不变,晶粒的G愈小,则结晶所需的时间愈长, 能生产的核心愈多,晶粒就愈细。
(二)线缺陷—二维尺度很小而第三维 尺度很大的缺陷。
① 刃型位错 ② 螺型位错
位错线周围的晶 格发生了畸变。
实际金属晶粒内 存在着大量的位错, 晶体中的位错密度以 单位体积中位错线的 总长度来表示。
(3)面缺陷—二维尺度很大而第三维尺 度很小的缺陷。
① 晶界 ② 亚晶界
亚 晶 界
※ 金属晶体缺陷的影响 点缺陷--造成局部晶格畸变,使金属的电阻率; 屈服强度增加,密度发生变化。
个相的过程称为相变。因 而结晶过程是相变过程。
玻璃制品 水晶
最常用的是热分析法。
一、结晶的概念 结晶—金属由液态变为固 态晶体的过程。
T0 —— 理论结晶温度
T1 —— 实际结晶温度
过冷—实际结晶温度低于理论结晶温度的 现象。
过冷度:△T=T0-T1 冷速↑,T1↓—— △T↑,结晶能力↑
实践证明,金属都是在一定的过冷度 下结晶的,所以过冷是金属结晶的必要条 件。
二、 常见的金属晶体结构 ① 体心立方晶格(BCC— Body-Centered Cube)
有:钼(Mo)、钨、钒、铬、铌、 α-Fe等
Cr、δ-Fe、α-Fe等
② 面心立方晶格(FCC— Face-Centered Cube)
面心立方晶格金属有:铝、铜、镍、 金、银、γ-Fe等。
③密排六方晶胞(HCP —Hexagonal Close-Packed)
负温度梯度
树枝状长大的实际观察
金
金
属 的
属 的
树
树Leabharlann Baidu
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
三、影响生核与长大的因素
控制结晶过程
①形核率N↑
②长大速度 G↓
─→ 细化晶粒
(一)过冷度的影响
金属结晶时,形核率和长大速 度都决定于过冷度。在一般的液体 金属的过冷范围内,过冷度愈大, 形核率愈高,则长大速度相对较小, 金属凝固后得到的晶粒就愈细;当 缓慢冷却时,过冷度小,晶粒就粗 大。
线缺陷--形成位错对金属的机械性能影响很大, 位错极少时,金属强度很高,位错密度越大, 金属强度也会提高。
面缺陷--晶界和亚晶界越多,晶粒越细, 金属强度越高, 金属塑性变形的能力越大, 塑性越好。
2.3 金属的结晶 物质由液态转变为固态的
过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的
过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一
标准晶粒度共分八级,一级最粗,八级最细。 通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照 来评级。
(2)晶粒大小的控制
①增加过冷度 ─→ 冷速↑△T↑结晶能力↑ 形核数↑ ②变质处理 ─→ 难熔颗粒 ─→ 充当晶核
└─→ 阻止晶核长大
③振动处理 ─→ 振动 ─→ 大晶核破裂 ─→ 细小晶核
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
雾 凇
二、金属的结晶过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成
T<T0 时
吸附 晶核 ─周─围─原→子 长大
同
时
新晶核 ─→ 长大
同 时
…………
实际金属结晶主要以树枝状长大.
这是由于存在负温度梯度,且晶核棱
角处的散热条件好,生长快,先形成
一次轴,一次轴又会产生二次轴…,
树枝间最后被填充。
密排六方晶格金属有:镁、镉(Cd)、 锌、铍(Be)等。
三、单晶体的各向异性
晶体内部的晶格位向(即原子排 列方向)完全一致的晶体——单晶体。
在晶体中,由于各晶面和各晶向上的原子 排列密度不同,因而导致在同一晶体的不同晶 面晶向上的各种性能也不同,这种现象称为 “各向异性”。
第二节 金属的实际晶体结构 一、多晶体结构