1、第二章第二章 晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶Crystal Structure and Crystallization什么叫晶體 ( crystal ) ？物體內(nèi)部的原子 ( 或離子) 在三維空間中 , 按一定規(guī)律作周期性排列的固體非晶體non- crystal 物體內(nèi)部的原子呈散亂分布807晶體特點(diǎn)原子排列 熔點(diǎn)其它晶體規(guī)則固定 各向異性非晶體不規(guī)則無(wú)各向同性第一節(jié)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)Crystal Structure of the Metal一、晶體學(xué)(crystallography)的基本知識(shí)晶格(crystal lattice):用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間點(diǎn)陣格架晶

2、胞(unit cell)1855年,法國(guó)學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只能有十四種,并歸納為七個(gè)晶系能完全反映晶格特征的最小幾何單元XZYOcba三條邊的尺寸 a、b、 c;各邊間的夾角 、晶格常數(shù) ( lattice constant )布拉菲點(diǎn)陣晶面(crystal face)在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面稱(chēng)為晶面晶面指數(shù)(indices of crystallographic plane):用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中某一晶面進(jìn)行標(biāo)定使用方法設(shè)置坐標(biāo); 求截距;取倒數(shù)晶向(crystal direction)在晶格中,任意兩原子之間的連線(xiàn)所指的方向晶向

3、指數(shù): 用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo)定使用方法設(shè)置坐標(biāo);求截距;取最小整數(shù)二、常見(jiàn)的三種金屬晶格1. 體心立方 (b.c.c) Body-center cubic lattice配位數(shù) ( N ) ：與晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目致密度：晶胞中的實(shí)際原子所占的體積與該晶胞的體積之比，用K表示晶胞中原子數(shù)原子的半徑R致密度K配位數(shù)N2個(gè)68%8a43常見(jiàn)金屬-Fe, Cr, Mo, W, V等2. 面心立方 Face-center cubic lattice(f.c.c)常見(jiàn)的金屬有：-Fe, Cu, Al, Ni, Pb等3. 密排六方

4、Close-packed hexagonal lattice(c.p.h)常見(jiàn)的金屬有：Mg, Zn, Be, Cd, -Ni等晶胞中原子數(shù)原子的半徑R致密度K配位數(shù)N6個(gè)0.5a74%12a = b c = = 90 = 120c/a = 1.633鐵的單晶體及在其各方向上的彈性模量單晶體內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體單晶體各向異性單晶體在各個(gè)晶向上具有不同的物理、化學(xué)和機(jī)械性能原因：不同方位（位向）上原子間距不同三、單晶體的各向異性Max MinCu1.911046.671031.20 104- Fe 2.901041.35 1042.10 104表3-1 單晶體和多晶體彈性模量數(shù)據(jù)對(duì)比單晶E

5、(MN/m2)多晶E(MN/m2)特 點(diǎn)晶粒的排列是隨機(jī)的，從宏觀上看，各個(gè)方向上的性能近乎一致，稱(chēng)為各向同性第二節(jié)第二節(jié) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu) Real Structure of the Metal晶粒 Crystal Grain晶界 Crystal Boundary一、多晶體結(jié)構(gòu) Poly-crystal Structure多晶體由許多方位不相同的單晶體組成的材料理想晶體原子排列有規(guī)則、周期性、無(wú)缺陷實(shí)際晶體原子排列有不規(guī)則地方，有缺陷 點(diǎn)缺陷 Point Defect在x, y, z 三維方向上的尺寸都很小 線(xiàn)缺陷 Line Defect在二維方向上尺寸很小，另一維方向上

6、的尺寸較大 面缺陷 Face Defect在一維方向上尺寸很小，另二維方向上的尺寸較大 缺陷（引起）晶格畸變（引起）材料性能變化二、晶體缺陷 Defects in the Crystal Structure晶格空位Vacancy置換原子Substitute Atom間隙原子Interstitial Atom點(diǎn)缺陷與線(xiàn)缺陷刃型位錯(cuò) Edge Dislocation點(diǎn)缺陷線(xiàn)缺陷面缺陷：晶界和亞晶界晶界 (Grain Boundary)：晶粒間位向差10o亞晶界 Sub-grain Boundary相鄰晶體的位向差較小，幾十分20第四節(jié)第四節(jié) 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶Section Four Cryst

7、allization of Metal一、結(jié)晶的概念 The concept of crystallization 結(jié) 晶v 一般意義：晶體的形成過(guò)程v 特指：原子從液態(tài)無(wú)規(guī)則狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體 結(jié)晶的熱力學(xué)條件：過(guò)冷v 過(guò)冷實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象v 過(guò)冷度(Degree of Under-cooling) ：T 結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件結(jié)構(gòu)起伏(相起伏): 原子短程規(guī)則排列起伏的現(xiàn)象純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線(xiàn)曲線(xiàn)1在理想狀態(tài)下，無(wú)限緩慢地冷卻曲線(xiàn)2實(shí)際生產(chǎn)條件下，實(shí)際結(jié)晶溫度要低于理論結(jié)晶溫度T0 理論結(jié)晶 溫度； T1 實(shí)際結(jié)晶 溫度T過(guò)冷度T = T0 T1二、金屬的結(jié)晶過(guò)程 The p

8、rocess of metal crystallization金屬液體開(kāi)始形核形核和長(zhǎng)大同時(shí)進(jìn)行結(jié)晶結(jié)束金屬的結(jié)晶是一個(gè)不斷形核和晶核長(zhǎng)大的過(guò)程晶坯: 短程排列有序的原子團(tuán)晶核: 超過(guò)一定尺寸,可以長(zhǎng)大為晶粒的晶坯形核方式： v自發(fā)（均勻、均質(zhì)）形核：依靠金屬液體本身的能量起伏，由晶坯直接成核的過(guò)程v 非自發(fā)（非均勻、異質(zhì)）形核：晶坯依附在其它物質(zhì)表面上成核的過(guò)程形核率：?jiǎn)挝粫r(shí)間、體積內(nèi)形成晶核的數(shù)量主要取決于過(guò)冷度1. 形核動(dòng)態(tài)過(guò)冷度0.01-0.05在一般條件下，結(jié)晶以樹(shù)枝狀方式進(jìn)行： 一次晶軸：二次晶軸 ：三次晶軸樹(shù)枝狀晶體 Dendrite晶核的棱角處散熱快，具有較快的生長(zhǎng)速度2. 長(zhǎng)

9、大3. 過(guò)冷度的影響過(guò)冷度 (加快冷速) 形核率;長(zhǎng)大速度 凝固后晶粒越細(xì)T以后的過(guò)冷度很大，凝固后為非晶態(tài)過(guò)冷度與晶體形核率、長(zhǎng)大速度的關(guān)系三、結(jié)晶規(guī)律的應(yīng)用1. 晶粒度控制v 晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度就越高、塑韌性就越好v 有些情況下，希望晶粒粗大: 制作變壓器用的矽鋼片 形核條件：過(guò)冷度 形核方式：變質(zhì)處理(Modification) 加入難熔質(zhì)點(diǎn)作為核心，使的晶核數(shù)增加，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的 結(jié)晶過(guò)程：機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)減小晶核長(zhǎng)大速率，能否細(xì)化晶粒？2. 非晶態(tài)金屬制備3. 鑄錠組織純鐵晶粒度與力學(xué)性能的關(guān)系晶粒度(晶粒數(shù)/mm2)b (N/mm2)s (N/mm2)()6.3237463

10、5.3512747044.819429410847.5金屬鑄錠的組織特點(diǎn) 其它問(wèn)題 縮孔 縮松 偏析 表面細(xì)晶粒層：綜合性能好 柱狀晶粒層：各向異性 中心粗大等軸晶粒層：高溫性能好，力學(xué)性能差四、金屬的同素異構(gòu)性All tropism of the metal同素異構(gòu)現(xiàn)象：同一種金屬隨著狀態(tài)不同，具有不同晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象同素異構(gòu)體具有同素異構(gòu)的金屬：Fe、Mn、Co、Ti、Sn等 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：同樣一種金屬，隨著溫度的變化，從一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變到另外一種晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象1. 純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變BCCCFCCCBCCFeFeFe0091213942 純鐵的冷卻曲線(xiàn)純鐵的冷卻曲

11、- Fe - Fe - Fe 70010006008001200時(shí)間時(shí)間16001500500900110013001400說(shuō)明： 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變也是結(jié)晶過(guò)程，稱(chēng)“重結(jié)晶” 與液固轉(zhuǎn)變的異同點(diǎn)：v 生核一核長(zhǎng)大v 固態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)需更大的T，晶粒較細(xì)v 固態(tài)轉(zhuǎn)變伴隨有體積變化（致密度或比容不同），會(huì)產(chǎn)生組織內(nèi)應(yīng)力 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是熱處理的重要依據(jù)和理論基礎(chǔ)1. 總結(jié)以下概念 (非)晶體，晶格(晶胞)，晶格常數(shù)，結(jié)晶，單(多)晶體，晶粒，變質(zhì)處理，過(guò)冷，同素異晶現(xiàn)象(轉(zhuǎn)變)2. 比較晶體和非晶體的異同，對(duì)晶體缺陷進(jìn)行分類(lèi)。3. 結(jié)晶必須那些條件？如何細(xì)化晶粒？4. 畫(huà)出金屬常見(jiàn)的三種晶體結(jié)構(gòu)，舉出相應(yīng)的2-3種金屬。用剖面表示出某個(gè)原子密排面，用雙箭頭表示面上的原子密排方向。共有多少個(gè)這樣的面和晶向。 p20 : 3, 10,11,12,14復(fù)習(xí)題1. 常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)有哪幾種？它們的原子排列和晶格常數(shù)有什么特點(diǎn)？ Fe、Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各屬何種結(jié)構(gòu)？ 2已知Fe的晶格常數(shù)（a3.63A）要