第三章金屬的晶體

結(jié)構(gòu)與結(jié)晶物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。C60第三章金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。晶體具有固定的熔點(diǎn)。非晶體是指原子呈無(wú)序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

在金屬晶體中，原子是按一定的幾何規(guī)律周期性規(guī)則排列的。為了便于研究，人們把金屬晶體中的原子近似地設(shè)想為剛性小球，并在三維空間中緊密堆積，然后用一些假想的平行直線，將所有質(zhì)點(diǎn)的中心連接起來(lái)，便構(gòu)成了一個(gè)三維的幾何格架。這個(gè)抽象出來(lái)的用于描述原子在晶體中的位置和排列方式的幾何格架，稱為晶格。晶格中各線的交點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)（或陣點(diǎn)）。晶胞

從晶格中取一個(gè)最小的立體單元（最小的平行六面體）稱為晶胞。晶格是晶胞在空間的疊加，晶胞是構(gòu)成晶格的最基本幾何單元。晶胞的選擇原則：①能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性。②晶胞內(nèi)的棱、角相等的數(shù)目最多，且具有盡可能多的直角。③體積要最小。

晶格常數(shù)在晶胞中取某一點(diǎn)為原點(diǎn)（通常取在左下角后面一結(jié)點(diǎn)），建立坐標(biāo)系，以晶胞的三個(gè)棱邊作為坐標(biāo)軸x，y，z（可以是垂直的，也可以不垂直）。以三邊的長(zhǎng)度a，b，c及相互間夾角α，β，γ六個(gè)參數(shù)來(lái)表示晶胞的大小和形狀，其中三棱邊的長(zhǎng)度a，b，c稱為晶格常數(shù)，它們反映了晶胞的大小。晶向與晶面的概念晶向：在晶胞中，通過(guò)若干原子中心（結(jié)點(diǎn)）連接一起的具有不同空間方位的直線——晶向任何兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間的連線即構(gòu)成一個(gè)晶向。晶面：在晶胞中，通過(guò)若干原子中心構(gòu)成的二維平面——晶面二、常見(jiàn)的晶格類型體心立方BCCBody-centeredcubic面心立方FCCFace-centeredcubic密堆六方CPHClose-packedhexagonal1、體心立方（BCC）

結(jié)構(gòu)特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子,體心中有一個(gè)原子a=b=c，α=β=γ＝90°每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為1+8×1/8=2個(gè)常見(jiàn)金屬：α-Fe，V，Ta，Nb，

Cr，Mo，W等2、面心立方（FCC）特征：每個(gè)角頂上各有一個(gè)原子,各個(gè)面中心有一個(gè)原子。

a=b=c，α=β=γ＝90°每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為8×1/8+6×1/2=4個(gè)常見(jiàn)金屬：Ag，Au，Ni，CuPd，Pt，γ-Fe等3、密堆六方特征：12個(gè)頂角各一個(gè)原子、上下面中心各一個(gè)原子，體內(nèi)3個(gè)原子（位于對(duì)稱中心處）a=bc,==90，=120

通常：c/a=1.633每個(gè)晶胞中實(shí)際含有的原子數(shù)為(1/6)×12+2×(1/2)+3=6個(gè)。常見(jiàn)金屬：Mg，Zn，Ti，Zr，等三、晶格的致密度致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)，即晶格的致密度是指晶胞中所含原子的體積與該晶胞的體積之比。

金屬晶體的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其原子趨于最緊密的排列，因而金屬晶格中原子排列的緊密程度是反映金屬晶體結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。晶體中原子排列的緊密程度常用晶格的致密度表示。表3-1三種常見(jiàn)金屬晶格的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

第二節(jié)實(shí)際金屬的結(jié)構(gòu)⑴單晶體結(jié)構(gòu)單晶體：結(jié)晶位向完全一致的晶體。即整個(gè)材料是一個(gè)晶體，這塊晶體就稱之為“單晶體”。如單晶硅，水晶石，金剛石。單晶體在不同的晶面和晶向的的力學(xué)性質(zhì)不同，這種現(xiàn)象稱為各向異性。一、多晶體結(jié)構(gòu)多晶存體：由眾說(shuō)多外轟觀不茅規(guī)則榜，位塘向不忍同的鞋單晶掘體（晶粒）組制成的償晶體蛾結(jié)構(gòu)紛。一般診實(shí)際放材料禍均為勾多晶預(yù)體。晶粒銳：實(shí)際祖使用雷的金集屬材況料是錢由許需多彼雷此方菠位不他同、加外形勁不規(guī)駱則的基小晶否體組宰成，祝這些軋小晶仗體稱赤為晶粒。晶界縫：晶粒攀之間惹的交黑界面樓。晶界津上原詠?zhàn)优欧辛惺堑洳灰?guī)制則的嫁，晶界砌不一丸定是倚平整拾的。沿晶斷口鉛錠宏觀組織多晶群體結(jié)火構(gòu)中紗，一去般晶傭粒尺當(dāng)寸小焰，如稼鋼鐵破材料班晶粒謝尺寸鹽一般腳為10-3～10-1mm左右茶，必咸須通體過(guò)顯恢微鏡待放大多幾十且倍乃蛛至幾衫百倍譜以上愉才能尊觀察校到各期種晶哨粒的株形態(tài)蹦、大縮慧小和欣分布迷情況盆，叫繭做顯淹微組畝織。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖同一糖顆晶隊(duì)粒內(nèi)惜還存總在著有許多肝尺寸庸更小虜、位院向差攪也很事小的歉小晶遵快，炭稱為絕亞晶捏粒，憂亞晶閱粒構(gòu)功成的婦邊界后成為懷亞晶芽界。二、菜晶體港中的暫缺陷晶體務(wù)缺陷烏：正常歉晶體摸中原淘子排盾列受百到破糠壞——缺陷致。實(shí)際沈金屬蹄中存優(yōu)在著換大量某的晶莊體缺潑陷，展缺陷姨會(huì)引雙起材推料性歉能的消巨大皮變化飲，如啟：理電想完立整晶宰體的估強(qiáng)度洲通常毫是實(shí)嫩際晶乏體的凡數(shù)十忠倍，蘭甚至齡數(shù)百校倍。晶體觀缺陷匪的類最型：點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷1、點(diǎn)山缺陷點(diǎn)缺元陷：點(diǎn)缺刪陷是警指長(zhǎng)骨、寬碎、高睜三個(gè)丹方向肢上尺勉寸都院很小(原子姐尺寸神范圍賢內(nèi))的缺極陷。點(diǎn)缺劈燕陷的衫類型：空位在晶臺(tái)格結(jié)狠點(diǎn)位罪置應(yīng)田有原斗子的猛地方玩空缺辛，這叮種缺伶陷稱院為“資空位臣”。間隙渡原子在晶妨格非唉結(jié)點(diǎn)此位置櫻，往鵲往是蛾晶格振的間共隙，悄出現(xiàn)劃了多參余的秧原子齒。它肝們可能碎是同室類原恨子，南也可評(píng)能是涼異類薯原子拾。置換抬原子在一販種類摩型的咬原子臉組成痛的晶焰格中宮，不同背種類的原捕子占熟據(jù)原對(duì)有的見(jiàn)原子掘位置仁。置換原子空位間隙原子大置換原子小置換原子點(diǎn)缺俗陷破議壞了疾原子淹的平泳衡狀征態(tài)，怨使晶黑格發(fā)博生扭甜曲，懂稱晶格喊畸變。從節(jié)而使蒜強(qiáng)度貴、硬窮度提應(yīng)高，賓塑性抄、韌宅性下康降。2、線油缺陷線缺時(shí)陷：線缺忙陷是嗓指晶晨體內(nèi)輛部一壟個(gè)方頃向尺原寸較厲大，幸在另草外兩洗個(gè)方騎向上甜尺寸換較小玻的缺俘陷，犧呈線魔狀分斜布的耳缺陷割，常聾見(jiàn)的帥是各質(zhì)種類約型的禮位錯(cuò)（Di竄sl礎(chǔ)oc籃at岔io雕n）。位錯(cuò)排的形爬式：刃型數(shù)位錯(cuò)恨螺身型位踏錯(cuò)埋混合冶型位豎錯(cuò)刃型懷位錯(cuò)螺型麥位錯(cuò)刃型仙位錯(cuò)紐奉：在晶免體的室某一兄個(gè)晶嘴面的允上、驕下兩衡部分慎的原擺子面惠產(chǎn)生捆錯(cuò)排雄，就圣好像黨沿著忘某方禁位的陶晶面辯插入威的一判個(gè)多顯余原伸子面闊，但際又未進(jìn)插到鋤底，爽猶如像插入挪刀刃常一般鈔，故叼稱為掘刃型蓮位錯(cuò)紋，刃型阿位錯(cuò)。多余需原子賺列位啄于滑辱移面描以上鏟的稱正位降錯(cuò)，用暖“┴”表扎示。多余勢(shì)原子適列位肆于滑范移面蓄以下滅的稱負(fù)位塘錯(cuò)，用劈燕“┬”表達(dá)示。3、面習(xí)缺陷面缺組陷：在三磁維空緩間的帽兩個(gè)脂方向陸上的音尺寸罵很大(晶粒削數(shù)量野級(jí))，另焦外一礙個(gè)方婚向上軌的尺蛙寸很存小(原子費(fèi)尺寸活大小)的晶全體缺紋陷，身是指嫩金屬桑的晶指界和碰亞晶暴界。面缺粒陷的抗形式：晶論界面僻亞晶顧界面羨相界然面一、網(wǎng)金屬親的結(jié)漏晶結(jié)晶：液慘態(tài)金插屬冷轟卻到洗熔點(diǎn)嘉溫度雀時(shí)，莫原子謎由無(wú)馬序狀搭態(tài)轉(zhuǎn)描變?yōu)殛嚢匆缓鸲◣踪惡涡胃钭靼び行蜻b排列怎的過(guò)壩程，廣稱為結(jié)晶。一切嘉物質(zhì)歌從液仁態(tài)到蘿固態(tài)投的轉(zhuǎn)呈變過(guò)扎程稱廢為凝固，如誓凝固質(zhì)后形們成晶體骨結(jié)構(gòu)，則奴稱為結(jié)晶。結(jié)勸晶可冬以是液—固轉(zhuǎn)權(quán)變，也俘可以狗是固—固相么變。第三暮節(jié)核金意屬的軌結(jié)晶1、通爛過(guò)熱分?jǐn)牢龇y(cè)定千冷卻群曲線將純隆金屬峽加熱防熔化興成液犬體，義然后慶使其心緩慢第冷卻靠，在亞冷卻販過(guò)程鑒中，妖每隔根一段漏時(shí)間數(shù)測(cè)量階液體何的溫敲度，泡可得菌到純跟金屬劃的溫素度—時(shí)間捕曲線(又稱蛾冷卻逃曲線)，1、通培過(guò)熱分食析法測(cè)定至冷卻早曲線純金捎屬冷佳卻曲糖線tTT0Tn理論你結(jié)晶軌溫度開(kāi)始循結(jié)晶竊溫度ΔT過(guò)冷新度ΔT=賞T0-Tn}1）、廣冷樓卻曲恭線分醫(yī)析純金淹屬結(jié)撕晶時(shí)閘，在妨冷卻臥曲線攝上出姨現(xiàn)水平爹臺(tái)階的原冬因，資是由課于金踢屬在關(guān)結(jié)晶迷過(guò)程饒中，釋放縮慧的結(jié)鬧晶潛參熱補(bǔ)共償了膽向外紗界散登失的椅熱量黎，使溫澤度并指不隨植冷卻稠時(shí)間都的增胞加而哨下降針，直柱到金瘋屬結(jié)威晶終第了后免，已諒沒(méi)有將結(jié)晶價(jià)潛熱烘補(bǔ)償林散失剪的熱險(xiǎn)量，讀故溫央度又涌重新絹下降片。2）、療過(guò)旗冷現(xiàn)抗象金屬圣的實(shí)賊際結(jié)負(fù)晶溫梨度Tn低于駝理論統(tǒng)結(jié)晶衣溫度T0的現(xiàn)箭象，漫稱為過(guò)冷。過(guò)冷福度ΔT鐵=億T0－Tn，過(guò)冷可是結(jié)中晶的拆必要姑條件。同一黑金屬佳，結(jié)錯(cuò)晶時(shí)柏冷卻懲速度草越大狗，過(guò)掩冷度類越大嚇，金礦屬的言實(shí)際個(gè)結(jié)晶高溫度霸越低閱。2、純氏金屬鴨的結(jié)總晶過(guò)木程金屬剖的結(jié)命晶過(guò)就程液態(tài)盾金屬夕的結(jié)梳晶是卡由晶核午的形克成和晶核沙的長(zhǎng)避大兩個(gè)徑過(guò)程爽來(lái)實(shí)彼現(xiàn)的艇。結(jié)尾晶時(shí)燥，首嶼先在維液體暖中形新成一系些極刊微小太的晶蛋體(稱為煩晶核)，然壁后再陵以它墾們?yōu)榭秃诵牧w不斷毛長(zhǎng)大傅。在臺(tái)這些羨晶體里長(zhǎng)大桐的同鞋時(shí)，端又出運(yùn)現(xiàn)新峰的晶賴核并互逐漸稈長(zhǎng)大勝，直惑至液爭(zhēng)態(tài)金集屬全煌部消銷失。當(dāng)液斷體金嘴屬冷致到實(shí)慶際結(jié)求晶溫心度后輛，液擠體中鄭存在貿(mào)著許懷多類送似于繁晶體大的小冠集團(tuán)宮，這評(píng)些小懇集團(tuán)站中的譯一部秋分就爸成為爹穩(wěn)定案的結(jié)配晶核遙心，售稱為晶核。形核舟有自發(fā)池形核和非自革發(fā)形舉核兩種絨方式帶。自發(fā)乓形核是在昌一定橋條件場(chǎng)下，槐從液么態(tài)金鋒屬中吩直接支產(chǎn)生示，原民子呈鄰規(guī)則策排列混的結(jié)漢晶核爹心；非自昂發(fā)形佛核是液炮態(tài)金亡屬依站附在柏一些衛(wèi)未溶殲顆粒灶表面乎所形喜成的牧晶核隔，非役自發(fā)穴形核酬所需渣能量?jī)H較少袖，它石比自押發(fā)形畏核容偷易得消多。（1）形核形核霞和核捆長(zhǎng)大浩方式晶體匠的長(zhǎng)鈴大過(guò)筆程是質(zhì)液體型中原技子遷脹移到掩固體倘表面究，使液—固界割面向液岡體中截推移顧的過(guò)眼程。長(zhǎng)大盒方式縱：樹(shù)枝異狀生根長(zhǎng)（2）晶核長(zhǎng)大（3）影僻響晶納核形耐成和國(guó)長(zhǎng)大始的因王素1）過(guò)往冷度軌：從金巾屬的頁(yè)結(jié)晶餅過(guò)程絮可知吩，一葉定體驗(yàn)積的恰液態(tài)煎金屬預(yù)中，形成剖的晶掀核數(shù)乘目越躍多，則哨結(jié)晶叫后的晶粒盤越多，晶榜粒就越細(xì)扔小。隨辭著過(guò)冷旋度的廉增大網(wǎng)，晶隸核的垃數(shù)目稱增加，因此盼提高縱過(guò)冷得度可夫以增階加單惰位體誤積內(nèi)使晶?？h的數(shù)肌目，類使晶控粒細(xì)次化。（但富過(guò)冷戚度過(guò)際大或襯溫度執(zhí)過(guò)低囑時(shí)，疲原子熊的擴(kuò)閃散能送力降沉低，刷形核笛的速切率反鐮而減渠少。才）實(shí)際裕生產(chǎn)頁(yè)中，鏈增大秒過(guò)冷響度的稍主要瀉辦法象是提高囑液體火金屬臨的冷充卻速蓄度以偽增加近形核姐數(shù)目。如獻(xiàn)在鑄邀造生承產(chǎn)中藏，金炕屬型炭比砂惹型有芝更大懲的冷預(yù)卻速訓(xùn)度，跌可以顯獲得辭更細(xì)叮的晶述粒。

2）變殃質(zhì)處艙理：金屬饑結(jié)晶紛時(shí)，泳向液消體金損屬中烘加入宣微量愉某種難熔涼雜質(zhì)，以厚求細(xì)逆化金擠屬晶運(yùn)粒的站工藝冠方法躁。變質(zhì)渡處理金使結(jié)灑晶時(shí)唱的晶越核數(shù)邪目大暗大增油加，柱從而怠提高帽了形旋核率技，細(xì)封化晶職粒的欣處理滴方法攜。3）振甜動(dòng)或敢攪拌——機(jī)械衫振動(dòng)答、超俱聲振悲動(dòng)，末或電均磁攪拼拌等執(zhí)。振動(dòng)乳的作飄用：使樹(shù)督枝晶哭破碎免，晶去核數(shù)暫增加己，晶米粒細(xì)錫化。3、晶傻粒大肥小對(duì)城金屬贏力學(xué)唐性能積的影振響在常擔(dān)溫下阿的細(xì)晶惱粒金屬鞠比粗晶毛粒金屬無(wú)具有婦較高剝的強(qiáng)度悄、塑符性和羊韌性天。這是罷因?yàn)橄担壕Я９仍郊?xì)攝，塑良性變周形越恐可分予散在糕更多已的晶藝粒內(nèi)也進(jìn)行辮，使也塑性簽變形矮越均傭勻，角內(nèi)應(yīng)垃力集眠中越真?。痪ЯＥ涝郊?xì)私，晶勢(shì)界就偉越曲飲折，革晶粒易與晶筆粒間竹犬牙居交錯(cuò)蘋的機(jī)駝會(huì)就脊越多鉗，越表不利栗于裂勵(lì)紋的者傳播選和發(fā)啄展，黨彼此艱就越腎緊固座，強(qiáng)知度和閘韌性汁就越周好捧。強(qiáng)度潔和晶濁粒尺謹(jǐn)寸的罰關(guān)系Ha溉ll杠-P神et妖ch公式晶粒度

(晶粒數(shù)/mm2)b

(N/mm2)s

(N/mm2)

(％)6.32374635.3512747044.819429410847.5純鐵氣的晶組粒度乏與力純學(xué)性懲能的仁關(guān)系二、旺金屬率的同喜素異宅構(gòu)轉(zhuǎn)革變金屬打在固新體下脈由一索種晶絕格類必型轉(zhuǎn)困變?yōu)閰s另一盞種晶奸格類憑型的遮變化濃稱為同素乎異構(gòu)閃轉(zhuǎn)變遮，又稱訪為重漢結(jié)晶。由同腹素異余構(gòu)轉(zhuǎn)泡變所搖得的相不同冶晶格曾類型恩的晶御體稱訊為同素詢異構(gòu)益體。鐵是典騎型的介具有丙同素略異構(gòu)虹轉(zhuǎn)變乎特性口的金含屬。金屬煙的同曲素異島晶轉(zhuǎn)填變過(guò)畢程同狼樣遵仍循形自核、步長(zhǎng)大淚規(guī)律滑。-Fe-Fe-Fe1394℃

912℃

正因友為純山鐵具策有同饞素異撐構(gòu)轉(zhuǎn)減變，怪才使倍鋼和哄鑄鐵距通過(guò)愚熱處廟理來(lái)兵改變簡(jiǎn)