第一節(jié)金屬的理想晶體結構一、晶體與非晶體依照內部原子聚集狀態(tài)不同.工程材料分為晶體和非晶體兩大類.晶體是指內部原子在空間呈規(guī)則排列的固體物.晶體材料的共同點是都有一定熔點、規(guī)則的幾何外形以及各方向上力學性能不同(各向異性).相對來說.非晶體則是指內部原子作雜亂堆積的固體物.不具備上述三個特點.研究表明.一般情況下.固態(tài)金屬的內部原子在空間是作規(guī)則排列的(現(xiàn)代超驟冷技術獲得的非晶態(tài)金屬除外).并具備上述三個特點.因此固態(tài)金屬是晶體.金屬材料外形不呈規(guī)則幾何外形是由別的原因造成的.這不排除它有能力形成規(guī)則的幾何外形.下一頁返回第一節(jié)金屬的理想晶體結構

二、晶體結構的基本概念為了研究晶體.把在一定位置上作微弱熱振動的正離子當成一個個靜止不動的剛性小球.這些剛性小球的堆垛便表示晶體中的原子排列規(guī)則.如圖２－１所示.這種剛性小球的堆垛形象性強、直觀.但繪制麻煩.同時內部原子排列也不容易表達清楚.為了便于研究.再把這些剛性小球看成一個個小點.代表正離子.而用一根根短直線代表將它們結合起來的靜電引力.這樣晶體中原子的聚集狀態(tài)便抽象為空間幾何的格架.表示晶體中原子排列規(guī)律的空間幾何格架叫晶格.很顯然.晶格類型不同.即指晶體結構不同.上一頁下一頁返回第一節(jié)金屬的理想晶體結構

三、常見的金屬晶格類型在已知的８０多種金屬元素中.大部分金屬的晶體結構可以歸為下述三種類型.１.體心立方晶格體心立方晶格的晶胞如圖２－４所示.是一個長、寬、高都相等的立方體.在立方體的８個頂角和立方體的中心各有一個原子.晶格常數(shù)ａ＝ｂ＝ｃ.其晶格常數(shù)通常只用一個常數(shù)ａ即可表示.屬于體心立方晶格的金屬有α－鐵、鉻(Ｃｒ)、鉬(Ｍｏ)、鎢(Ｗ)、釩(Ｖ)等.上一頁下一頁返回第一節(jié)金屬的理想晶體結構

２.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如圖２－５所示.也是一個長、寬、高都相等的立方體.在立方體的８個頂角和６個面的中心上各有一個原子.晶格常數(shù)ａ＝ｂ＝ｃ.屬于面心立方晶格的原子有γ－鐵、鋁(Ａｌ)、銅(Ｃｕ)、鎳(Ｎｉ)、鉛(Ｐｂ)等.３.密排六方晶格密排六方晶格的晶胞如圖２－６所示.是一個正六方柱體.在六方體的１２個頂角和上下兩個正六方形底面的中心各有一個原子.另外.在晶胞內部還有三個原子.密排六方晶胞的晶格常數(shù)通常用柱體的高度ｃ和六方底面的邊長ａ來表示.上一頁下一頁返回第一節(jié)金屬的理想晶體結構

屬于密排六方晶格的金屬有鎂(Ｍｇ)、鋅(Ｚｎ)、鈹(Ｂｅ)、鎘(Ｃｄ)等.應當指出.某些金屬的晶體結構不是一成不變的.相反.在一定溫度下.它們會從原來結構轉變?yōu)榱硪环N結構.這種現(xiàn)象叫金屬的同素異構轉變.在金屬材料的使用中有重要意義.上一頁返回第二節(jié)金屬晶體的實際構造如果晶胞在結構上沒有問題(或者說是沒有缺陷存在的).由沒有缺陷的晶胞整整齊齊堆積成了一個可以看見的大晶體.這種構造可以稱為理想構造.這種在一定容積內只含一顆晶粒的晶體稱為單晶體.如圖２－７(ａ)所示.單晶體金屬材料是今后金屬材料的發(fā)展方向之一.目前在半導體元件、磁性材料、高溫合金材料等方面.單晶體金屬材料已得到開發(fā)和應用.單晶體之所以受到重視.是因為它有許多特點.上面提到的各向異性.便是其中之一.但是在目前.單晶體金屬材料的制取.還相當困難.目前使用的金屬材料.下一頁返回第二節(jié)金屬晶體的實際構造大部分在構造上還是跟單晶體金屬不同.在制取方法上還是傳統(tǒng)的.即由自然熔煉、自然凝固等方法得到的.在使用要求上.也限于滿足常規(guī)內的用途.現(xiàn)在要討論的.便是這類用傳統(tǒng)方法獲得的金屬的實際構造.金屬材料的實際構造.稱為金屬的實際構造.與理想構造相比.存在兩大不同:一是金屬實際上具有多晶體組織特征.二是金屬實際上存在晶體缺陷.一、實際金屬的多晶體組織特征實際的金屬塊是由許多外形不規(guī)則的晶體顆粒所組成(簡稱晶粒).這些晶粒內仍保持整齊的晶胞堆積.這種情況叫金屬的多晶體組織特征.上一頁下一頁返回第二節(jié)金屬晶體的實際構造在多晶體中.各晶粒之間的界面叫晶界.有無晶界存在.是單晶體與多晶體的一個區(qū)別.多晶體中.各晶粒的位向有相互抵消的作用.使得單晶體中的各向異性在多晶體中并不存在.這種情況叫多晶體的“偽各向同性”.二、實際金屬在構造上存在的缺陷(一)結構上的缺陷結構上的缺陷有空位、間隙原子、置換原子等點狀缺陷.以及刃形位錯、螺形位錯等線狀缺陷.上一頁返回第三節(jié)純金屬的結晶過程一、純金屬的結晶過程及規(guī)律金屬的結晶是金屬原子組合狀態(tài)從一種轉變?yōu)榱硪环N的過程.即新結構的形成過程.純金屬的結晶過程.通常用冷卻曲線圖和結晶過程示意圖來表示.純金屬的冷卻曲線圖可用熱分析方法繪制.其內容是:先將金屬熔化并測出其熔點Ｔ０.記在攝氏溫度與時間關系的坐標圖上.然后將熔化后的金屬緩慢冷卻.并將溫度與時間的對應點記在坐標圖上.最后連點為曲線.圖２－１３便是用此法繪制的純金屬冷卻曲線圖.在這里.具體的金屬材料名稱、溫度值和時間都可省略.只作定性說明.下一頁返回第三節(jié)純金屬的結晶過程分析該冷卻曲線圖可以看出以下兩點:１.結晶過程中有結晶潛熱放出２.結晶時存在過冷現(xiàn)象二、晶核的生成與長大結晶時之所以有較多晶核出現(xiàn).原因在于晶核的來源有幾個:一是元素自身的原子集團在一定條件下作規(guī)則排列為晶核.這種生核叫自發(fā)形核(又叫均質形核).二是由于雜質元素的存在.使液態(tài)原子可以附在上面生核.這種生核叫非自發(fā)形核(又叫異質形核).這兩種形核方式在金屬的結晶過程中都存在.加上散熱無方向性等因素.因此金屬一般不可能得到單晶體.上一頁下一頁返回第三節(jié)純金屬的結晶過程考慮到金屬一般都含有雜質元素.絕對的純是做不到的.所以非自發(fā)形核在一般情況下起主要作用.這一點在生產中也得到自覺運用.晶核生成后按什么方式長大呢?研究表明.對于立方體晶格的金屬來說.作為晶核的晶胞生成后.首先是在立方體的八個頂角處吸收液態(tài)原子生長.而不是在晶面處吸收原子生長.這之后.又在新晶胞的八個頂角處吸收液態(tài)原子生長.如此反復下去.形成樹枝狀柱晶.如圖２－１５所示.當結晶整個過程接近完畢.液態(tài)原子被吸收差不多時.各晶柱長成的枝晶彼此接觸.便停止生長.剩余還未接觸的枝晶吸收剩余液態(tài)原子長至接觸.上一頁下一頁返回第三節(jié)純金屬的結晶過程由于枝晶相互接觸有先后.最后形成的晶粒是外形不規(guī)則、大小也各異的.如圖２－１６所示.在對金屬鑄錠斷面組織的分析中.常?？梢杂^察到樹枝狀晶體.晶核為什么要按樹枝狀生長呢?一是晶胞的突出部分(頂角、核邊等)散熱條件比平面上優(yōu)越.二是頂角及核邊上的缺陷多.液體的原子容易固定在上面.三是樹枝形狀表面積最大.便于從周圍液體中獲得盡可能多原子.盡快凝固完畢.由此也可以看出.按樹枝狀方式生長實際上主要取決于散熱條件、降溫速度、雜質成分等情況.只要控制這些因素.也就可以控制晶核的長大方式.金屬結晶中.晶核除了按樹枝狀長大外.也有按平面方式長大的.但這僅僅出現(xiàn)在極少數(shù)金屬中.上一頁下一頁返回第三節(jié)純金屬的結晶過程三、金屬凝固后晶粒大小及控制前面提到晶粒大小對材料性能影響很大.在機械制造業(yè)中.怎樣獲得細小的晶粒是普遍關注的問題.這里限于討論如何從鑄造角度獲得細小晶粒.從上面對結晶過程及晶核生成長大的分析看出.晶粒大小直接取決于結晶過程中晶核數(shù)目多少以及長大的速度.單位時間單位體積內生成晶核數(shù)量的多少叫形核率.用Ｎ表示.長大速度用ｕ表示.如圖２－１７所示.上一頁下一頁返回第三節(jié)純金屬的結晶過程在生產中.一般從三種途徑來獲得細小的鑄態(tài)晶粒組織:１.加大冷卻速度以增加過冷度常用辦法是采用散熱條件更好的金屬鑄模代替砂型鑄模.但這種辦法加大冷卻速度的能力有限.一是因為金屬模在空氣中的傳熱能力有限.二是液體中部的散熱問題尚未解決.故此辦法只適合零件截面尺寸小的場合或生產率不高的地方.連續(xù)鑄鋼采取了改進的方法:先將鋼液注入類似鑄模的結晶器中.而結晶器是置于循環(huán)水中的.這樣靠近結晶器的鋼液迅速凝固.形成一層坯殼.緊接著將坯殼拉出.進入二次冷卻區(qū)直接噴水.使坯殼內的鋼液也迅速凝固.這種辦法可獲得較大冷卻速度.從而提高過冷度.組織因此更細小.生產率也因此大大提高.上一頁下一頁返回第三節(jié)純金屬的結晶過程值得注意的是.現(xiàn)代的科學技術已經達到可以使液體金屬以每秒１００萬攝氏度的冷卻速度降溫.從而獲得極大過冷度.但在極大過冷條件下.得到的是非晶體狀態(tài)金屬即前面提到的金屬玻璃.２.進行變質處理在液態(tài)金屬結晶前.人為地將一定重量其他金屬或非金屬粉塊加入其中.增加非自發(fā)形核的數(shù)量從而細化晶粒.這種方法叫變質處理.又稱孕育處理.在鑄鐵中加入硅、鈣.在鑄造鋁硅合金中加入鈉或鈉鹽.都屬孕育處理.都是為了達到細化晶粒的目的.３.附加振動結晶過程中采用機械的方法或物理的方法(如電磁、超聲波等).使液體中的枝晶受到振動.斷為許多小晶核.以增加形核率上一頁返回第四節(jié)鑄錠組織冶煉出來的金屬.一般都要將液體澆鑄為一定尺寸的塊錠.再進行其他加工如軋制、鑄造.因此澆鑄出的金屬塊錠(鑄錠)的組織.就是從液態(tài)結晶出來的組織.分析這些組織的特點.可以找出其缺陷和影響因素.鑄錠組織按形態(tài)可分為三類.這部分晶粒組織細小.但厚度薄.分布在靠近鑄模的地方.形成原因是靠近鑄模的地方散熱條件優(yōu)于其他地方.冷卻速度較快.因而該區(qū)域液態(tài)金屬結晶時有較大過冷度存在.下一頁返回第四節(jié)鑄錠組織

二、柱狀晶粒層這部分晶粒組織形如圓柱堆垛起來.分布在鑄件表層與中心之間.厚度較大.從形成原因看.結晶時該區(qū)域的熱量要經表層細晶粒傳導.再經鑄模散發(fā).故過冷度較小.由于鑄模在高度方向上的尺寸大于截面的尺寸.并且鑄模側面到中心溫差較大.只有在垂直鑄模壁面的方向上散熱條件相對好些.因此枝晶的生長就向此方向發(fā)展.最后形成柱狀晶粒.研究發(fā)現(xiàn).當鑄模表面與鑄模中心溫差過大并且材料比較純時.柱狀晶可穿過鑄錠中心生長.成為穿晶組織.此時第三層晶粒組織便不存在.整個鑄錠斷面就分兩層.反過來.當內外溫差較小時.柱狀層也不會很厚.甚至不存在.許多砂型鑄件的斷面組織說明了這種情況.上一頁下一頁返回第四節(jié)鑄錠組織

三、中心等軸晶粒層該處的晶粒在各方向上的尺寸接近均等.呈顆粒狀分布.并且粗大.從形成原因看.這是由于鑄錠中心的液體散熱條件最差.當鑄錠內外溫差不是太大時.在柱狀晶粒層形成后.中心的散熱方向性不太明顯.加上雜質元素的存在.使溫度較高的液體在過冷度較小的條件下也開始結晶.晶核便均勻生長.尺寸也就較大.表面細晶粒層組織致密.力學性能因而較好.但晶粒數(shù)量有限.柱狀晶粒層組織也較致密.但在各晶粒的結合部是脆弱區(qū).對于鋼錠來說.在軋制或鍛壓時材料容易從此處開裂.故軋制的鋼錠一般不希望柱狀層或限制它的厚度.不過.柱狀晶粒層在長度方向上的力學性能和其他物理化學性能較好.上一頁下一頁返回第四節(jié)鑄錠組織

甚至超過表面細晶粒層.因此受到人們重視.某些零件如噴氣發(fā)動機葉片、燃氣輪機葉片.要在高溫下經受很大離心力.故需要蠕變強度大、耐熱疲勞.這就需要柱狀晶粒組織.常常采用定向凝固的方法去獲得它.另外.某些有