金属的晶体结构

第一节
金属的晶体结构
三、晶体中的晶面和晶向
晶体各向异性的原因：对于实际使用的金属,由于其内部有许许多多个 晶体各向异性的原因 晶粒组成,每个晶粒在空间分布的位向不同,因而在宏观上沿各个方向上的 性能趋于相同,晶体的各向异性就显示不出来了。 在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶 面与该晶向互相垂直,如(111)[111]。
第四节
二.固溶体 固溶体
合金的晶体结构
(1)定义：溶质原子溶于溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的使金相称为固 溶体。 固溶体用α、β、γ等符号表示。 (2)固溶体的分类： ①按溶质原子在溶剂晶格中的位置,固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体 两种。 ②按溶质原子在溶剂中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体 两种。 ③按溶质原子在固溶体中分布是否有规律，固溶体分无序固溶体和有序固 溶体两种。
晶面与晶向互相垂直
第一节
金属的晶体结构
四、三种常见的金属晶体结构
1.体心立方晶格 胞) 体心立方晶格(胞 体心立方晶格 2.面心立方晶格 胞) 面心立方晶格(胞 面心立方晶格 3.密排六方晶格 胞) 密排六方晶格(胞 密排六方晶格
第一节
金属的晶体结构
(1)体心立方晶格 胞) 体心立方晶格(胞 体心立方晶格
第五节
合金的结晶
四、共晶相图及发生共晶反应的合金的结晶
(1)Pb-Sn合金共晶相图分析 Pb-Sn合金相图中有三种相:①Pb与Sn形成的液溶体L相, ②Sn溶于Pb中的 有限固溶体α相, ③Pb溶于Sn中的有限固溶体β相。 相图中有三个单相区:L、α、β 三个双相区：L+α、L+β、α+β 一条L+α+β的三相共存线(水平线cde)。 这种相图称为共晶相图。 d点为共晶点。 水平线cde为共晶反应线。cf线为Sn在Pb中的溶解度线(或α 相的固溶线)。eg线为Pb在Sn中溶解度线(或β相的固溶线)。
第一节
体心立方晶胞特征： 体心立方晶胞特征：
金属的晶体结构
(1)体心立方晶格 胞) 体心立方晶格(胞 体心立方晶格
③原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半,或晶胞中原子 密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。
④致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为 致 密度(也称密排系数)。体心立方晶胞的致密度为： 即晶胞(或晶格)中有68%的体积 被原子所占据,其余为空隙。
细化铸态金属晶粒有以下措施: 细化铸态金属晶粒有以下措施
2.变质处理—就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和 变质处理 改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。例 如，在铝合金液体中加入钠盐；钢水中加入钛、钒、铝等，都可使晶粒 细化。 3.振动 振动 4.电磁搅拌 电磁搅拌
第Hale Waihona Puke Baidu节
金属的晶体结构
三、晶体中的晶面和晶向
通过晶体中原子中心的平面叫做晶面； 通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。 晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。
第一节
金属的晶体结构
三、晶体中的晶面和晶向
主要晶面
[100]晶向族 晶向族
ABB‘A’晶面指数即为(100)，ACC＇A＇和ACD＇的晶面指数分别为(110)、(111)。 OA的晶向指数为[100]，OB、OC的晶向指数分别为[110]、[111]
绪
论
第二章 金属的晶体结构
金属材料通常都是一种晶体材料。 金属材料通常都是一种晶体材料。金属的晶体结构指的 是金属材料内部的原子排列的规律。它决定着材料的显 是金属材料内部的原子排列的规律。 微组织和材料的宏观性能。 微组织和材料的宏观性能。
第一节
一、金属晶体的特性
金属的晶体结构
(1)组成晶体的基本原子在三维空间是有一定规律的 (2)金属晶体具有确定的熔点 (3)金属晶体具有各向异性
第四节
二.固溶体 固溶体
(3)固溶体的性能
合金的晶体结构
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的 阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这 种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提 高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。
第三节
1.增大金属的过冷度 增大金属的过冷度
细化晶粒
细化铸态金属晶粒有以下措施: 细化铸态金属晶粒有以下措施
增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度,采用冷却能力 较强的模子。例如采用金属型铸模,比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要 细小。 成核速率、长大速度与过冷度的关系
第三节
细化晶粒（重点内容） 细化晶粒（重点内容）
第三节
1.增大金属的过冷度 增大金属的过冷度
细化晶粒
细化铸态金属晶粒有以下措施: 细化铸态金属晶粒有以下措施
原理：一定体积的液态金属中,若成核速率N越大,则结晶后的晶粒 越多,晶粒就越细小;晶体长大速度G越快,则晶粒越粗。 随着过冷度的增加,形核速率和长大速度均会增大。但当过冷度超 过一定值后，成核速率和长大速度都会下降。对于液体金属，一般不会 得到如此大的过冷度，通常处于曲线的左边上升部分。所以,随着过冷 度的增大，成核速率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因而比值 N/G也增大,结果使晶粒细化。
第五节
合金I的结晶过程示意图
合金的结晶
四、共晶相图及发生共晶反应的合金的结晶
（2）二元共晶相图的结晶过程分析： ）二元共晶相图的结晶过程分析：
共晶合金Ⅱ的结晶过程示意图 亚共晶Ⅲ合金的结晶过程示意图
共晶合金组织的形态
亚共晶合金组织
过共晶合金组织
第五节
合金的结晶
五、发生包晶反应的合金相图分析
具有密排六方晶格 密排六方晶格示意图
面与底面之间的夹角为90°。 ②晶胞原子数： ③原子半径 ④致密度：0.74(74%)
的金属有镁、镉、锌、 铍等。
第二节
金属的结晶过程
平面长大
树枝状长大
平面长大的规则形状晶体
树枝状长大的树枝状晶体
第三节
细化晶粒
金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长 成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度来 表示，晶粒度越大晶粒越细。
第四节
一、基本概念
合金的晶体结构
(1)合金 ： 一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结 合在一起所形成的具有金属特性的物质。 (2)组元 ：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、 非金属元素或稳定化合物。由两个组元组成的合金称为二元合金 (3)“组织” ：是指用肉眼或借助于放大镜、显微镜观察到的材料内部的形 态结构。一般将用肉眼和放大镜观察到的组织称为宏观组织，在显微镜下 观察到组织称为显微组织。 (4)相 ：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其 它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物质为液相，固态物质为固 相。 固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。
第四节
四、合金的组织
合金的晶体结构
合金的组织组成可能出现以下几种状况： ①由单相固溶体晶粒组成； ②由单相的金属化合物晶粒组成； ③由两种固溶体的混合物组成； ④由固溶体和金属化合物混合组成。
第五节
一、概述
合金的结晶
合金的结晶过程较为复杂, 通常运用合金相图来分析合金的结晶过程。表 示在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态之间关系 的坐标图形，称为合金相图。 图中的每一点表示一定成分的合金 在一定温度时的稳定相状态。例如， A点表示，含30%Ni的铜镍合金在 1200℃时处于液相L+固相α的两相 状态;B点表示,含60%Ni的铜镍合金 在1000℃时处于单一α固相状态。
第一节
二、纯金属的晶体结构
金属的晶体结构
晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。 通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。 这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。
晶体
晶格
第一节
二、纯金属的晶体结构
金属的晶体结构
晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间 的夹角α、β、γ等六个参数来描述。其中a、b、c为晶格常数。 金属的晶格常数一般为1×10-10m～7×10-10m。
第四节
三、金属化合物
合金的晶体结构
(1)定义：合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的 新相即为金属化合物,或称中间相。金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性 大。合金中含有金属化合物时,强度、硬度和耐磨性提高,而塑性和韧性降 低。 (2)金属化合物的分类： ①正常价化合物 ②电子化合物 ③间隙化合物
晶粒度 单位面积 晶粒数 （个/mm2） 晶粒平均 直（mm） 1 16 2 32
晶粒度表
3 64 4 128 5 256 6 512 7 1024 8 2048
0.250
0.177
0.125
0.088
0.062
0.044
0.031
0.022
在一般情况下,晶粒越小,则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶 粒细化,是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。
第一节
金属的晶体结构
(2)面心立方晶格 胞) 面心立方晶格(胞 面心立方晶格
金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。 面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。 面心立方晶胞特征： 面心立方晶胞特征：
面心立方晶格示意图
①晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90° ②晶胞原子数： ③原子半径 ④致密度：0.74(74%)
体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角 上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原 子紧靠。 体心立方晶胞特征： 体心立方晶胞特征： ①晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90° ②晶胞原子数：一个体心立方晶胞所 含的原子数为2个。
体心立方晶格示意图 具有体心立方晶格 的金属有钼、钨、钒、 α-铁等。
第五节
二、相图的建立
合金的结晶
相图最常用的实验方法是热分析法，现以铜镍二元合金为例来说明二元 相图的建立。
第五节
合金的结晶
三、匀晶相图的结晶过程
以b点成分的合金( Ni含量为b%)为例分析结晶过程。在1点温度以上, 合 金为液相L。缓慢冷却至1-2温度之间时, 合金发生匀晶反应: L→α, 从液相中 逐渐结晶出α固溶体。2点温度以下, 合金全部结晶为α固溶体, 其它成分合金 的结晶过程也完全类似。
具有面心立方晶格 的金属有铝、铜、镍、 金、银、γ-铁等。
第一节
金属的晶体结构
(2)密排六方晶格 胞) 密排六方晶格(胞 密排六方晶格
金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。 面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。 密排六方晶胞特征： 密排六方晶胞特征： ①晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之 间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120°,侧