金属工艺学第二章40-4

空位
间隙原子
置换原子
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点缺陷( point defect )
空位(vacancy ) ： 晶格结点处无原子； 置换原子(substitutional atom)
晶格结点处为其它原子占据；
间隙原子(interstitial atom)： 原子占据晶格间隙。
间隙原子、置换原子示意图
2
8
0.68
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②、面心立方晶胞FCC —— Face-Centered Cube
晶胞
晶体学参数
原子半径
晶胞原子数
配位数
致密度
FCC
a=b=c,=b==90o
4
12
0.74
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③、密排六方晶胞HCP—— Hexagonal Close-Packed
晶胞
晶体学参数
⑴放出结晶潜热--平台 ⑵过冷现象(supercooling) 过冷度 ( degree of
时间 纯金属结晶时的冷却曲线 supercooling )
实Tn
ΔT = To – Tn
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3．结晶热力学 体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功 或向外释放的能量叫自由能.
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（3）、中心粗大等轴晶区
一些未熔杂质被推到了中心或者柱状晶的枝晶被 冲断飘移到中心，作为晶核，但散热已失去了方 向性——粗大的等轴晶区。
7、铸锭的缺陷：
缩孔 疏松 气泡
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1.疏松—是指钢的不致密性的表现。多出现在钢的上 部与中心。
原子半径 a/2
晶胞原子数 6
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配位数 12
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致密度 0.74
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HCP
a=b≠c, c/a=1.633, =b=90o, =120o
体BCC、面FCC、密HCP晶胞的重要参数
晶 胞 BCC 晶体学参数 a=b=c,=b==90o
原子 晶胞原 半径 子数
配位 数
致密 度
2
8
0.68
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晶核的长大方式—树枝状
Cu --20%Ni的铜合金
金属结晶微观过程
两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
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形核、长大
5、晶粒尺寸的控制:
（1）晶粒度—— 晶粒的尺度。
单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。
（2）过冷度对形核一长大的影响
在一定ΔT范围内， ΔT越大，N ／G 越大，晶粒越细小。
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3．晶胞的描述： 表示了晶胞大小和形状。 晶格常数：
Z
a、b、c；
α、β、γ 。
c
β
α
γ
α Y
X
Engineering Materials MAT,SWJTU
b
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4．三种典型的金属晶体结构类型(图)
体心立方晶胞bcc
属于此类结构的金 属有：铁（-Fe）、W, 铬Cr、Mo、V等
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习题：
—、名词解释
晶体
晶胞 致密度
多晶体
过冷度
变质处理
二、简答题
1、常见的金属晶格类型有哪几种？它们的晶格常数和原子排列 有什么特点？ 2．为什么单晶体具有各向异性？多晶体的结构特点？ 3．在实际金属中存在哪几种晶体缺陷？它们对金属的力学性能 有何影响？ 4．金属结晶的基本规律是什么？工业生产中采用哪些措施细化 晶粒?举例说明。
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2．晶体结构：晶体中的原子、分子或者离子在空间
的具体排列称为晶体结构。 空 间 规 则 排 列 的 原 子 → 构 成 了 晶 格 (crystal
lattice) →晶胞( unit cell )（具有周期性最小组
成单元，或能完全反映晶格特征的最小几何单元)。
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过冷是结晶的必要条件！
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过冷度与冷却曲线：
冷速越快，过冷度越大。
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4、结晶的过程 ： a.形核： 自发形核； 非自发形核 。
变质处理：铸造时，液体中加入 -----
b.长大：平面长大、树枝状长大 形核和长大是结晶的基本规律。
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第二章 金属的晶体结构与结晶
What? ―结构”
组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌。
它可以是单相的，也可以是(由一定数量、形态、大小和 分布方式的)多相组成。
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镁合金组织图
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T12钢退火组织
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本章重点 1.晶体结构的基本概念 —— 晶体，晶格，晶胞， 三种常见金属的晶体结构。 2. 单晶体，晶粒，多晶体，组织。 3. 金属的结晶、结晶过程、晶核的形成，长大规律 及影响因素。 4. 过冷度的概念，形核、长大与过冷度的关系。 5. 晶体缺陷。 一般要求 1. 晶面，晶向，晶格常数，晶格的致密度；晶体的 各向异性。 2. 晶粒度，同素异构转变。
离的原子数目。（体心：8）
致密度：
晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积。体心：0.68
（原子占有68%体积，其余32%的体积作为空隙存在。）
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①、体心立方晶胞BCC ——Body-Centered Cube
晶胞
晶体学参数
原子半径
晶胞原子数 配位数
致密度
BCC
a=b=c,=b==90o
思 考 题
1 在纯金属的冷却曲线上为什 么会出现一水平台阶？ 2 为什么晶粒越细小其力学性 能越好？
3 如果结晶时晶核不多而生 长速度快，则结晶后的晶粒是 粗还是细？
问 题 什么是过冷现象和过冷度？ 什么是晶体和晶体结构？ 什么是晶体缺陷？可分为几类？对晶体 的性能有哪些影响？
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晶面(crystal face):
在晶格中由一系列原子所
构成的平面称为晶面。
晶面指数—晶面的符号
例：（110）
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晶面指数的例子
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§2.2 实际晶体：
实际晶体——多晶体并存在着晶体缺陷. 单晶体：内部晶格位向完全一致。 1、多晶体：由许多位向各不相同的单 晶体块组成。
结晶驱动力——自由 能差ΔG。
可见，过冷度越大，结晶的驱动 力也就越大；过冷度等于0，Δ G也等 于0。
Tn To
液、固两相的自由能 随温度变化示意图
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没有驱动力结晶不能进行！
实验证明，纯金属液体被冷却到熔点Tm（理论 结晶温度）时保温，无论保温多长时间结晶都不会 进行，只有当温度明显低于Tm时，结晶才开始。也 就是说，金属要在过冷 (Undercooled)的条件下才 能结晶。 结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度。
（2）、柱状晶区
一方面模壁已升温，另一方面金属凝固后的收缩， 形成——空气层，造成继续散热困难。 此外细晶区的形成还释放了大量结晶潜热，所以 铸模温度升高，形核困难。
结晶主要靠晶粒的继续长大来进行。
垂直模壁方向散热快，侧面受到彼此的限制而不能
侧向生长，∴形成柱状晶区。
柱状晶在性能上显示各向异性。
点缺陷产生晶格畸变从而强度、硬度升高.
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B、线缺陷(line defect)——位错( dislocation ) ：
——二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排.
刃型位错(blade dislocation ) 螺型位错 (screw dislocation )
钛合金中的位错线
d 孪生
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（1）、表面为细等轴晶粒
原因： 温度较低的模壁有强烈吸热和散热作用——极大 过冷； 模壁表面杂质可作为非自发形核的晶核； 散热没明显方向，可同时向各个方向生长。
细等轴晶粒区，晶粒细小、组织细密、机械性能好。但太薄。
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铸锭组织示意图： 1-表面细晶粒区； 2-柱状晶粒层； 3-心部等轴晶粒区
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位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、 塑变等影响显著。
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C、面缺陷( surface defect ) ：不规则区域在两
个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小。
例如：晶界、亚晶界。 晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。 亚晶界( sub-boundary ）
面心立方晶胞fcc
属于此类结构的金 属有：Al、Cu、 Ag、 金(Au)、Ni、Pb、
铁（－Fe)等
密排六方晶胞hcp
属于此类结构的金 属有：钛T i、锆Z r、 Mg、Z n等
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晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目 （体心：2） 配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距
FCC HCP
a=b=c,=b==90o
a=b≠c, c/a=1.633, =b=90o, =120o
4
a/2
12 12
0.74 0.74
6
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5.晶向指数与晶面指数： 晶向(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之 间的连线所指的方向。
晶向指数-晶向的符号 例：[111]
掌握金属结晶的规律用来指导铸造和焊接工艺；
掌握金属结晶的规律用来不断提高产品的质量；
结晶规律也适用于固态下的相变过程，可以用
来分析相变过程。
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金属结晶实验
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2.结晶时的现象：
温 度
理 To
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
书上3、4节移到第四章讲！
1．结晶与凝固的区别：
凝固：物质由液态转变成固态的过程。
结晶：由一种原子排列状态转变为晶体状态的过程。
通常把金属从液态转变为 固体晶态的过程称为一次结 晶。而把金属从一种固体晶 态转变为另一种固体晶态的 过程称为二次结晶或重结晶
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结晶过程研究的目的 ：
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控制晶粒大小（晶粒度）的因素：
①过冷度△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒细化
②变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核 的核心，以细化晶粒和改善组织。 ③振动，搅拌等。
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6 、金属铸锭的组织特点
在实际生产中，液态金属在铸锭模或铸型中凝固的（铸 锭、铸件），结晶时整个截面有明显的温度梯度，将铸 锭刮开可看到。
§2.1 金属的晶体结构
金属和非金属，按原子排列方式（聚集状态）分为晶 体和非晶体。
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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，周期性排列(金属在固态下是晶体！)。 非晶体－材料的原子（离子、分子）无规则、杂 乱的堆积在一起。
区
别
(a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确定的熔点 (d)、是否各向异性。
A B C D
晶界
亚晶界
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工业纯铁 的晶界
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3、晶体缺陷对晶体性能的影响：
点缺陷 点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服 强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。 附近的晶格畸变，对强度影响显著。强度 的变化与位错密度有关。
线缺陷
位错密度很低或者很 高时 晶体的强度比 较高。
强 度
位错密度
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面缺陷：晶格发生畸变，晶界增多能显著提高 材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但 是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。 细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方 法称为细晶强化。
强化材料的重要方法之一。
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§2.3 金属的结晶与铸锭组织
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纯铁的冷却曲线
1600 温 1500 度 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1534℃
1394℃
δ - Fe γ - Fe
912℃
α - Fe
时间
Pb-0.26% Sb合金胞状组织
a 单晶体
b 弹性变形
c 滑移变形
晶粒、晶界
2．晶体缺陷( crystal defect )
实际晶体中排列不规则的区域称 为晶体缺陷。
a、 点缺陷
b、 线缺陷（位错） c、 面缺陷
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缺陷分类：（按空间尺寸分） A、点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺 寸都很小。 例如：空位、置换原子、间隙原子。
空位 间隙原子 置换原子