關(guān)于金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(金屬工藝)第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一、晶體的基本知識

非晶體中原子（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）

晶體非晶體固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為體和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列。1、晶體和非晶體第2頁,共62頁，2024年2月25日，星期天原子在三維空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列；具有一定的熔點，如鐵的熔點為1538℃，銅的熔點為1083℃晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性；在一定條件下有規(guī)則的幾何外形晶體的特點原子在三維空間呈不規(guī)則的排列。

沒有固定熔點，隨著溫度的升高將逐漸變軟，最終變?yōu)橛忻黠@流動性的液體。如塑料、玻璃、瀝青等。各個方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。非晶體的特點晶體不同方向上性能不同的性質(zhì)叫做晶體的各向異性。第3頁,共62頁，2024年2月25日，星期天為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個原子看成是固定不動的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個空間格架，各原子的中心就處在格架的幾個結(jié)點上，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。2、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念第4頁,共62頁，2024年2月25日，星期天由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點，為了便于討論通常只從晶格中，選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個最小的幾何單元稱為晶胞整個晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點作為原點，沿其三條棱邊作三個坐標軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標原點的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以（晶格常數(shù)）棱邊長度和棱面夾角來表示晶胞的形狀和大小。第5頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

表1-2晶系

2.晶系

按原子排列形式及晶格常數(shù)不同可將晶體分為七種晶系，見表1-2。

第6頁,共62頁，2024年2月25日，星期天表示晶面的符號稱為晶面指數(shù)。在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。任意兩個原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。表示晶向的符號稱為晶向指數(shù)。3、立方晶系的晶面、晶向表示方法第7頁,共62頁，2024年2月25日，星期天晶向指數(shù)的確定方法1)以晶胞中的某原子為原點確定三維晶軸坐標系，通過原點作平行于所求晶向的直線。2)以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出直線上任意一點的三個坐標值。3)將所求坐標值化為最簡整數(shù)，并用方括號括起，即為所求的晶向指數(shù)，例如[101]。具體晶向指數(shù)如圖所示，其形式為[uvw]第8頁,共62頁，2024年2月25日，星期天晶面指數(shù)的確定方法1)選坐標，以晶格中某一原子為原點（注意不要把原點放在所求的晶面上），以晶胞的三個棱邊作為三維坐標的坐標軸。2)以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個坐標軸的截距。3)求三個截距值的倒數(shù)。4)將所得數(shù)值化為最簡單的整數(shù)，并用圓括號括起，即為晶面指數(shù)。

如圖所示形式為（hkl）第9頁,共62頁，2024年2月25日，星期天注意：

1)每一個晶面指數(shù)(或晶向指數(shù))泛指晶格中一系列與之相平行的一組晶面（或晶向）。

2)立方晶系中，凡是指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。

3)原子排列情況相同但空間位向不同的晶面（或晶向）統(tǒng)稱為一個晶面（或晶向）族。

第10頁,共62頁，2024年2月25日，星期天晶胞中所含原子數(shù)是指一個晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。

原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。

致密度（K）是指晶胞中原子所占體積分數(shù)，即K=nv′/V。式中，n為晶胞所含原子數(shù)v′為單個原子體積V為晶胞體積。

3、常見金屬的晶格類型

第11頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半徑。⑷晶胞所含原子數(shù)2個原子。

體心立方晶格（bcc晶格）

⑴原子排列特征體心立方晶格的晶胞如圖所示。

⑸致密度68%。⑺具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。

第12頁,共62頁，2024年2月25日，星期天⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半徑。⑷晶胞所含原子數(shù)4個原子。(5)致密度74%。(6)具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。

面心立方晶格（fcc晶格）

⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如圖所示。

第13頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

⑵晶格常數(shù)⑶原子半徑⑷晶胞所含原子數(shù)6個原子。

(5)致密度74%。

(6)具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

密排六方晶格（hcp晶格）

⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如圖所示。

第14頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)晶體的基本概念金屬晶體的缺陷：點缺陷——晶體空格、間隙原子線缺陷——位錯面缺陷——晶界、亞晶界第15頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、單晶體和多晶體晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。實際使用的金屬材料，由于受結(jié)晶條件和其它因素的限制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是由許多尺寸很小，各自結(jié)晶方位都不同的小單晶體組合在一起的多晶體構(gòu)成。這些小晶體就是晶粒，它們之間的交界即為晶界。由多晶粒構(gòu)成的晶體稱為多晶體。在一個晶粒內(nèi)部其結(jié)晶方位基本相同，但也存在著許多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。第16頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、晶體缺陷實際晶體中存在的晶體缺陷，按缺陷幾何特征可分為三種：

點缺陷、線缺陷、面缺陷第17頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

1、點缺陷——晶格空位和間隙原子在實際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時又可能在個別空隙處出現(xiàn)多余的原子，這種不占有正常的晶格位置，而處在晶格空隙之間的原子稱為間隙原子。由于空位和間隙原子的存在

，使晶體發(fā)生了晶格畸變，晶體性能發(fā)生改變，如強度、硬度和電阻增加。晶體中空位和間隙原子處于不斷地運動和變化之中，在一定溫度下，晶體內(nèi)存在一定平衡濃度的空位和間隙原子，空位和間隙原子的運動，是金屬中原子擴散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。第18頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2、線缺陷——位錯

晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯排現(xiàn)象，稱為位錯。其特征是在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸很短。晶體中位錯的數(shù)量通常用位錯密度表示，位錯密度是指單位體積內(nèi)，位錯線的總長度。位錯的主要類型有刃型位錯和螺旋位錯。第19頁,共62頁，2024年2月25日，星期天位錯的存在以及位錯密度的變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞等都起著重要影響。如金屬材料的塑性變形與位錯的移動有關(guān)。冷變形加工后金屬出現(xiàn)了強度提高的現(xiàn)象（加工硬化），就是由于位錯密度的增加所致。第20頁,共62頁，2024年2月25日，星期天3、面缺陷面缺陷是指二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要有晶界和亞晶界。

晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。如圖（a)所示。

亞晶粒之間的交界稱為亞晶界。如圖(b)所示。晶界、亞晶界處具有許多特殊性能。

第21頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)純金屬的結(jié)晶與鑄錠凝固與結(jié)晶的基本概念冷卻曲線和過冷現(xiàn)象金屬的結(jié)晶過程晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響金屬的鑄態(tài)組織第23頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、凝固與結(jié)晶的基本概念凝固

物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是原子（或分子）作有規(guī)則排列的晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。物質(zhì)中的原子由近程有序排列向遠程有序排列的過程。第24頁,共62頁，2024年2月25日，星期天近程有序結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶遠程有序結(jié)構(gòu)第25頁,共62頁，2024年2月25日，星期天熱分析法二、冷卻曲線與過冷現(xiàn)象

差熱分析法原理第26頁,共62頁，2024年2月25日，星期天To時間溫度理論冷卻曲線實際冷卻曲線T1結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)T0：平衡結(jié)晶溫度（理論結(jié)晶溫度）

T1：純金屬的實際結(jié)晶溫度

純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線第27頁,共62頁，2024年2月25日，星期天過冷是結(jié)晶的必要條件。過冷度：ΔT=T0–T1為什么？第28頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三、金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶時晶體在液體中從無到有（晶核形成），由小變大（晶核長大）的過程，同時存在同時進行。自發(fā)形核△T=200℃非自發(fā)形核△T=20℃金屬結(jié)晶過程示意圖第29頁,共62頁，2024年2月25日，星期天晶核的長大方式—樹枝狀第30頁,共62頁，2024年2月25日，星期天金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第31頁,共62頁，2024年2月25日，星期天四、晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響晶粒的大小對金屬的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能均有很大影響。

細晶粒組織的金屬強度高、塑性和韌性好、耐腐蝕性好。

作為軟磁材料的純鐵，晶粒越粗大，則磁導(dǎo)率越大，磁滯損耗減少。金屬結(jié)晶后晶粒大小取決于形核率N[晶核形成數(shù)目（mm3.s）]和長大率G（mm/s）第32頁,共62頁，2024年2月25日，星期天過冷度的影響NG晶粒越細第33頁,共62頁，2024年2月25日，星期天細化晶粒的途徑1）提高冷卻速度，增加過冷度V冷△TN晶粒細小2）進行變質(zhì)處理3）附加振動：機械振動超聲波振動電磁攪拌等。第34頁,共62頁，2024年2月25日，星期天五、金屬的

鑄態(tài)組織表面細晶層力學(xué)性能雖好，但由于該層很薄，故對整個鑄錠的性能影響不大。

柱狀晶區(qū)比較致密，對于塑性較好的非鐵金屬，希望得到較大的柱狀晶區(qū)。另外柱狀晶沿其長度方向的強度較高，所以對于那些主要承受單向載荷的機械零件，常采用定向凝固法獲得柱狀晶組織。但柱狀晶組織的交界面常聚集易溶雜質(zhì).

中心等軸晶區(qū)的性能沒有方向性，但該晶區(qū)結(jié)晶時易形成很多微小的縮孔（縮松），這種疏松的組織致使力學(xué)性能降低。第35頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)合金的相結(jié)構(gòu)

純金屬具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性，但機械性能差，故工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是合金材料。例如：Fe:σb=250MPaC:σb

=0Fe-C合金(0.45%C)

正火態(tài):σb=610MPa性能工藝相材料組織加熱、保溫、冷卻第36頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

組織:

是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。

合金：一種金屬元素與其他金屬元素或非金屬元素通過熔煉或其他方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。

相:

是指合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的、均勻的組成部分。組元:

組成合金的最基本獨立單元。第37頁,共62頁，2024年2月25日，星期天純金屬合金結(jié)晶過程：液固兩相共存結(jié)晶過程：液固兩相共存

熔點以上：液相熔點以上：液相結(jié)晶完畢：單一固相

結(jié)晶完畢：組元發(fā)生相互作用化合物組元彼此均勻溶解固溶體固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。第38頁,共62頁，2024年2月25日，星期天一、固溶體（一）定義：一種組元的原子溶入另一組元的晶格中形成的均勻固相。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格種所處位置不同分（二）分類：2.間隙固溶體1.置換固溶體第39頁,共62頁，2024年2月25日，星期天1.置換固溶體

溶質(zhì)原子置換了部分溶劑晶格結(jié)點上某些原子而形成的固溶體。

形成置換固溶體時，溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度主要取決于兩者的晶格類型、原子直徑及它們在周期表中的位置。第40頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2.間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙中而形成的固溶體。

形成條件：溶質(zhì)原子半徑很小而溶劑晶格間隙較大,一般

r溶質(zhì)/r溶劑≤0.59時，才能形成間隙固溶體。第41頁,共62頁，2024年2月25日，星期天間隙固溶體置換固溶體第42頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（三）固溶體的特性1、保持溶劑的晶格特征。2、溶質(zhì)原子溶入導(dǎo)致固溶體的晶格畸變而使金屬強度、硬度提高——即固溶強化，同時有較好的塑性和韌性。因此常作為結(jié)構(gòu)材料的基本相。

3、在物理性能方面，隨溶質(zhì)原子濃度的增加，固溶體的電阻率下降，電阻升高，電阻溫度系數(shù)減小。第43頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、金屬間化合物（一）定義

合金組元間發(fā)生相互作用而形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元且具有金屬特性的新相即為金屬間化合物，或稱中間相。（二）性能

熔點高，硬度高，脆性大。合金中一般作為強化相存在。（三）分類（根據(jù)金屬間化合物的形成條件結(jié)構(gòu)特點分）

1.正常價化合物

組元間電負性相差較大，且形成的化合物嚴格遵守化合價規(guī)律，此類化合物稱為正常價化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。第44頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

2.電子化合物

組元間形成化合物不遵守化合價規(guī)律，但符合一定電子濃度（化合物中價電子數(shù)于原子數(shù)之比），則此類化合物稱為電子化合物。此類化合物在許多有色金屬中作為重要的強化相。

3.間隙化合物

由過渡族元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物稱為間隙化合物。

⑴間隙相

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相。第45頁,共62頁，2024年2月25日，星期天

⑵復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。鋼中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均屬于這類化合物。

間隙相與間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)

第46頁,共62頁，2024年2月25日，星期天PFe3C第47頁,共62頁，2024年2月25日，星期天P球狀（

--Fe3C）第48頁,共62頁，2024年2月25日，星期天第五節(jié)二元合金相圖相圖：指表達處于復(fù)相平衡狀態(tài)下的物系中，諸相區(qū)的溫度、壓力、成分的極限圖解。注：

物系為合金系的情況下，其壓力通常視為定值，因此坐標為溫度和成分。一、二元合金相圖的建立（以銅鎳合金為例）1、配制一系列不同成分的銅鎳合金2、用熱分析法測出各成分的合金冷卻曲線。3、曲線特點：第49頁,共62頁，2024年2月25日，星期天（1）A、B兩點是純銅、純鎳都有一個平臺，結(jié)晶在恒溫下進行（一個臨界點）（2）中間的四條曲線都有兩個轉(zhuǎn)折點結(jié)晶是在一個溫度區(qū)間進行（兩個臨界點）。（3）將各臨界點描繪在溫度－成分坐標系中得到圖（b）。第50頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二、勻晶相圖兩組元在液態(tài)和固態(tài)均能無限互溶時，所構(gòu)成的相圖稱為二元合金相圖。1、相圖分析液相線之上為液相區(qū)，用L表示液相線與固相線之間是液、固兩相，用L+α

固相線下方為固相區(qū)，用α表示A點為銅的熔點B點為鎳的熔點第51頁,共62頁，2024年2月25日，星期天以圖中K點成分合金為例分析合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻到1點溫度時，開始從液相中結(jié)晶出α固溶體；隨著溫度的下降，α相增多，而L相減少；至2點時，結(jié)晶過程結(jié)束，L相全部轉(zhuǎn)變?yōu)棣料?、合金結(jié)晶過程分析第52頁,共62頁，2024年2月25日，星期天注：在結(jié)晶過程中，合金處于L+α區(qū)時，液相成分隨液相線變化，固相成分隨固相線變化。例：K點成分的合金從高溫液態(tài)緩慢冷卻至3點時，其液相部分具有3/點的成分，而固相部分具有3//點的成分。液相與固相的平均成分才是K點的成分。第53頁,共62頁，2024年2月25日，星期天三、共晶相圖：第54頁,共62頁，2024年2月25日，星期天二元共晶相圖：兩組元在液態(tài)時無限互溶，固態(tài)時有限互溶，并發(fā)生共晶反應(yīng)所構(gòu)成的相圖稱為二元共晶相圖。共晶反應(yīng)：是指冷卻時由液相同時結(jié)晶出兩個固相的復(fù)合混合物的反應(yīng)。共晶體：共晶反應(yīng)的產(chǎn)物是共晶體。共晶組織：共晶體的顯微組織是共晶組織。第55頁,共62頁，2024年2月25日，星期天1、相圖分析（1）共晶點

C點－－α相＋β相（2）共晶線

ECF線－－LC→αE+ΒF

(3)固溶體脫溶線

α固溶體或β固溶體隨著溫度的下降，溶解度也不斷的下降。圖中ES線表達了α固溶體脫溶的變化規(guī)律，F(xiàn)G線表達了β固溶體的變化規(guī)律。ES、FG線稱為固溶體脫溶線。

α固溶體脫溶產(chǎn)物是β相，稱為二次β相（β1）

β固溶體脫溶產(chǎn)物是α相，稱為二次α相（α1）恒溫第56頁,共62頁，2024年2月25日，星期天2、結(jié)晶過程分析：（1）共晶成分的合金

C點成分的合金是具有共晶成分的合金。在冷卻過程中經(jīng)過C點時發(fā)生共晶反應(yīng)，生成共晶體。

L→(α+β)(2)亞共晶成分的合金

E、C點之間成分的合金，稱為亞共晶合金。如圖合金Ⅱ，在冷卻過程中經(jīng)過1點時結(jié)晶出α1相；經(jīng)