1、第二章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶【教學(xué)內(nèi)容】金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 。【教學(xué)要求】了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 1、 晶體與非晶體 一切物質(zhì)都是由原子組成的，根據(jù)原子排列的特征，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體與非晶體兩類(lèi)。晶體的原子是按一定的幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列，如金剛石、石墨、冰、固態(tài)金屬與合金等。非晶體的原子是無(wú)規(guī)律雜亂地堆積在一起，如玻璃、瀝青、松香等。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2、晶格與晶胞為了便于描述和理解晶體中原子在三維空間排列的規(guī)律性，可把晶體內(nèi)部原子近似地視為剛性質(zhì)點(diǎn)，用一些假想的直線(xiàn)將各質(zhì)點(diǎn)中心連接起來(lái)，形成一個(gè)空間格子。這種抽象地用于描述原子在

2、晶體中排列形式的空間幾何格子，稱(chēng)為晶格。晶格中直線(xiàn)的交點(diǎn)稱(chēng)為結(jié)點(diǎn)。 晶格中能代表原子排列規(guī)律的基本幾何單元稱(chēng)為晶胞。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 二、常見(jiàn)的晶格類(lèi)型1、體心立方晶格 體心立方晶格的晶胞是立方體，立方體的八個(gè)頂角和中心各有一個(gè)原子，每個(gè)晶胞實(shí)有原子數(shù)是2個(gè)。屬于這種晶格類(lèi)型的金屬有Cr、W、Mo、V、Nb、-Fe等 。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2、面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心各有一個(gè)原子，每個(gè)晶胞實(shí)有原子數(shù)是4個(gè)。屬于這種晶格類(lèi)型的金屬有Al、Cu 、Ni、Pb、Au、Ag、-Fe等 。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)3、密排六方晶格 密排六方晶格的晶

3、胞是六方柱體，在六方柱體的十二個(gè)頂角和上下底面中心各有一個(gè)原子，另外在上下面之間還有三個(gè)原子，因此，每個(gè)晶胞實(shí)有原子數(shù)是6個(gè)。屬于這種晶格類(lèi)型的金屬有Mg、 Zn 、Be、Cd、-Ti等 。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格密排六方晶格體心立方晶格第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 三、配位數(shù)和致密度 配位數(shù)：晶格中任一原子周?chē)o鄰的等距離的原子數(shù)。體心立方晶格的配位數(shù)是8，面心立方和密排六方晶體的配位數(shù)為12。 致密度=原子占有體積/晶胞體積 致密度越大，晶格中的原子排列越緊密。 體心立方晶格的致密度為68 ，面心立方和密排六方晶格的致密度為74 。第二節(jié) 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)概念：如果一塊晶體內(nèi)部的晶格位

4、向(即原子排列的方向)完全一致，稱(chēng)這塊晶體為單晶體。由許多晶粒組成的晶體稱(chēng)為多晶體。多晶體材料內(nèi)部以晶界分開(kāi)的、晶體學(xué)位向相同的晶體稱(chēng)為晶粒。將任何兩個(gè)晶體學(xué)位向不同的晶粒隔開(kāi)的內(nèi)界面稱(chēng)為晶界在晶界上原子的排列不象晶粒內(nèi)部那樣有規(guī)則性，這種原子排列不規(guī)則的部位稱(chēng)為晶體缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何特點(diǎn)，可將晶體缺陷分為以下三種：點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷、面缺陷。第二節(jié) 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)第二節(jié) 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu) (一)點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷是晶體中呈點(diǎn)狀的缺陷，即在三維空間上的尺寸都很小的晶體缺陷。最常見(jiàn)的缺陷是晶格空位和間隙原子。 原子空缺的位置稱(chēng)為空位。 存在于晶格間隙位置的原子稱(chēng)為間隙原子。第二節(jié) 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu) (

5、二)線(xiàn)缺陷 線(xiàn)缺陷是指晶體內(nèi)部某一平面上沿一方向呈線(xiàn)狀分布的缺陷。這種缺陷主要是指各種類(lèi)型的位錯(cuò)。 位錯(cuò)是指晶格中一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 由于位錯(cuò)存在，造成金屬晶格畸變，并對(duì)金屬的性能，如強(qiáng)度、塑性、疲勞及原子擴(kuò)散、相變過(guò)程等產(chǎn)生重要影響。第二節(jié) 實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu) (三)面缺陷 面缺陷是指晶體內(nèi)部呈面狀分布的缺陷，通常是指晶界。 在晶界處由于原子呈不規(guī)則排列，使晶格處于畸變狀態(tài)，它在常溫下對(duì)金屬的塑性變形起阻礙作用，從而使金屬材料的強(qiáng)度和硬度有所提高。第三節(jié) 純金屬的結(jié)晶 一、冷卻曲線(xiàn)與過(guò)冷一、冷卻曲線(xiàn)與過(guò)冷度度將金屬熔化，然后以緩慢的速度冷卻，在冷卻過(guò)程中，每隔一定時(shí)間測(cè)

6、定一次溫度，最后將測(cè)量結(jié)果繪制在溫度時(shí)間坐標(biāo)上，即可得到純金屬冷卻曲線(xiàn)。在冷卻曲線(xiàn)上出現(xiàn)水平線(xiàn)段，這個(gè)水平線(xiàn)段所對(duì)應(yīng)的溫度就是金屬的理論結(jié)晶溫度(T0)。金屬在實(shí)際結(jié)晶過(guò)程中，從液態(tài)必須冷卻到理論結(jié)晶溫度 (T0)以下才開(kāi)始結(jié)晶，這種現(xiàn)象稱(chēng)為過(guò)冷。理論結(jié)晶溫度T0和實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差T，稱(chēng)為過(guò)冷度。 試驗(yàn)研究指出：金屬結(jié)晶時(shí)的過(guò)冷度并不是一個(gè)恒定值，而是與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過(guò)冷度就越大，金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度也就越低。 金屬結(jié)晶必須在一定的過(guò)冷度下進(jìn)行，過(guò)冷是金屬結(jié)晶的必要條件，但不是充分條件。金屬要進(jìn)行結(jié)晶，還要滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)條件，如必須有原子的移動(dòng)和擴(kuò)散等。15第三節(jié)純金屬的結(jié)晶金屬?gòu)?/p>

7、液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過(guò)程稱(chēng)為結(jié)晶。純金屬的結(jié)晶在固定的溫度下進(jìn)行。1、純金屬的冷卻曲線(xiàn)與過(guò)冷度金屬在緩慢的冷卻過(guò)程中，溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)冷卻曲線(xiàn)。圖中，to是理論結(jié)晶溫度t1是實(shí)際結(jié)晶溫度to與t1之差(to-t1)稱(chēng)為過(guò)冷度t，過(guò)冷是結(jié)晶的必要條件。第三節(jié) 純金屬的結(jié)晶 2 2、金屬的結(jié)晶過(guò)程、金屬的結(jié)晶過(guò)程 實(shí)驗(yàn)證明：液態(tài)金屬在達(dá)到結(jié)晶溫度時(shí)，首先形成一些極細(xì)小的微晶體，稱(chēng)為晶核。隨著時(shí)間的推移，已形成的晶核不斷長(zhǎng)大。與此同時(shí)，又有新的晶核形成、長(zhǎng)大，直至液態(tài)金屬全部凝固。二、晶核的形成與長(zhǎng)大 1、自發(fā)形核與非自發(fā)形核 自發(fā)形核：在一定過(guò)冷條件下，僅依靠本身的原子有規(guī)則排列而形成晶核。 非自發(fā)形核：通常金屬液中總是存在著各種固態(tài)雜質(zhì)微粒，依附于這些雜質(zhì)表面很容易形成晶核。 2、晶核的長(zhǎng)大 三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小三、金屬結(jié)晶后的晶粒大小1晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響 晶粒大小對(duì)金屬的力學(xué)性能有很大影響。一般情況下，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、硬度愈高，塑性、韌性愈好。 2細(xì)化晶粒的方法(1)加快液態(tài)金屬的冷卻速度，如降低澆注溫度。 (2)變質(zhì)處理（孕育處理） 。所謂變質(zhì)處理