1、第2章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2.2 純金屬的結(jié)晶 2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1.1晶體的概念 物質(zhì)都由原子構(gòu)成。 自然界的固態(tài)物質(zhì)， 根據(jù)其內(nèi)部原子的聚集狀態(tài)不同， 可分為晶體和非晶體兩大類。 在物質(zhì)內(nèi)部， 凡原子呈有序、 有規(guī)則排列的物體稱為晶體。 絕大多數(shù)金屬在固態(tài)下一般均屬于晶體， 如純鐵、 純鋁、 天然金剛石等。 相反， 凡原子呈無序堆積狀態(tài)的 ，稱為非晶體， 例如瀝青、 普通玻璃、 松香、 樹脂等， 均屬于非晶體。晶體與非晶體，由于原子排列方式不同， 它們的性能也有差異。 晶體具有固定的熔點，其性能呈各向異性； 非晶體沒有固定熔

2、點， 而且表現(xiàn)為各向同性。,下一頁,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1.2晶體結(jié)構(gòu)的基礎知識 1.晶格和晶胞 通過X射線分析法得知 ,晶體內(nèi)部原子是按一定的幾何規(guī)律排列的。 為了便于分析和描述晶體中原子排列的情況， 把原子看成是一個小球， 則金屬晶體就是由這些小球有規(guī)律地堆積而成的物體， 如圖2-1所示。,下一頁,上一頁,返回,圖2-1 晶體內(nèi)部原子排列示意圖,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),為了形象地表示晶體中原子排列的規(guī)律， 可以將原子簡化成一個點， 用假想的線將這些點連接起來， 構(gòu)成有明顯規(guī)律性的空間格架。 這種表示原子在晶體中排列規(guī)律的空間格架叫做晶格， 如圖2-2（a） 所示。 由圖

3、2-2（a）可見， 晶格是由許多形狀、 大小相同的最小幾何單元重復堆積而成的。能夠完整地反映晶格特征的最小幾何單元稱為晶胞， 如圖2-2（b）所示。,下一頁,上一頁,返回,圖2-2 晶格和晶胞示意圖,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.晶面和晶向 在晶體中由一系列原子組成的平面, 稱為晶面。 如圖2-3所示為簡單立方晶格的一些晶面。 通過兩個或兩個以上原子中心的直線， 可代表晶格空間排 列的一定方向， 稱為晶向， 如圖2-4所示。 由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同， 因此原子結(jié)合力也就不同， 從而在不同的晶面和晶向上顯示出不同的性能，這就是晶體具有各向異性的原因。,下一頁,

4、上一頁,返回,圖2-3 立方晶格中的一些晶面,返回,圖2-4 立方晶格中的幾個晶向,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1.3金屬晶格的類型 金屬的晶格類型很多, 但絕大多數(shù) (占85%) 金屬屬于下面 3種晶格。 1.體心立方晶格 它的晶胞是一個立方體, 原子位于立方體的8個頂角上和立方體的中心, 如圖2-5所示。 屬于這種晶格類型的金屬有鉻（Cr）、釩（V）、鎢 （W）、鉬 （Mo）及 -鐵（ - Fe） 等。,下一頁,上一頁,返回,圖2-5 體心立方晶胞,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.面心立方晶格 它的晶胞也是一個立方體, 原子位于立方體的8個頂角上和 立方體6個面的中心， 如圖2-6

5、所示。 屬于這種晶格類型的金屬有鋁（Al）、 銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及鐵（ Fe）等。,下一頁,上一頁,返回,圖2-6 面心立方晶胞,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),3.密排六方晶格 它的晶胞是一個正六棱柱體， 原子排列在柱體的每個頂 角上和上、 下底面的中心， 另外3個原子排列在柱體內(nèi)， 如圖2-7所示。 屬于這種晶格類型的金屬有鎂 （Mg）、 鈹 （Be）、鎘（Cd）及鋅（Zn）等。,下一頁,上一頁,返回,圖2-7 密排六方晶胞,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),2.1.4金屬晶體結(jié)構(gòu)的缺陷 點缺陷: 最常見的點缺陷有空位、 間隙原子和置換原子等， 如圖2-8所示 。由于點缺陷的出現(xiàn)

6、， 使周圍原子發(fā)生 “撐開” 或 “靠攏” 的現(xiàn)象， 這種現(xiàn)象稱為晶格畸變。 晶格畸變的存在 ，使金屬產(chǎn)生內(nèi)應力， 晶體性能發(fā)生變化， 如強度、 硬度和電阻增加 ，體積發(fā)生變化 。晶格畸變也是強化金屬的手段之一。,下一頁,上一頁,返回,圖2-8 點缺陷示意圖,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),線缺陷： 線缺陷主要指的是位錯。 最常見的位錯形態(tài)是刃形位錯， 如圖2-9所示。這種位錯的表現(xiàn)形式是晶體的某一晶面上， 多出一個半原子面， 它如同刀刃一樣插入晶體故稱刃形位錯， 在位錯線附近一定范圍內(nèi)， 晶格發(fā)生了畸變。,下一頁,上一頁,返回,圖2-9 刃形位錯晶體結(jié)構(gòu)示意圖,返回,2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),面

7、缺陷： 通常指的是晶界和亞晶界。 如圖2-10和圖2-11所示。 實際金屬材料都是多晶體結(jié)構(gòu)， 多晶體中兩個相鄰晶粒之間晶格位向是不同的， 所以晶界處是不同位向晶粒原子排列無規(guī)則的過渡層。 晶界原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)， 能量較高， 因此晶界與晶粒內(nèi)部有著一系列不同特性， 例如， 常溫下晶界有較高的強度和硬度； 晶界處原子擴散速度較快； 晶界處容易被腐蝕、 熔點低等。 亞晶界處原子排列也是不規(guī)則的，其作用與晶界相似。,上一頁,返回,圖2-10 晶界的過渡結(jié)構(gòu)示意圖,返回,圖2-11 亞晶界示意圖,返回,2.2 純金屬的結(jié)晶,2.2.1純金屬的冷卻曲線及過冷度 金屬的結(jié)晶過程可以通過熱分析法進行研究,

8、 如圖2-12所示為熱分析裝置示意圖。 將純金屬加熱熔化成液體， 然后緩慢地冷卻下來， 在冷卻過程中， 每隔一定的時間測量一次溫度， 將記錄下來的數(shù)據(jù)描繪在溫度， 時間坐標圖中， 便獲得純金屬的冷卻曲線， 如圖2-13所示。,下一頁,返回,圖2-12 熱分析法裝置示意圖,返回,圖2-13 純金屬的冷卻曲線,返回,2.2 純金屬的結(jié)晶,實際上液態(tài)金屬總是冷卻到理論結(jié)晶溫度以下才開始結(jié)晶， 如圖2-14所示。 實際結(jié)晶溫度（T1）低于理論結(jié)晶溫度 （T0）這一現(xiàn)象稱為“過冷現(xiàn)象”。 理論結(jié)晶溫度和實際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度 T=（ T0 - T1 ）。 金屬結(jié)晶時過冷度的大小與冷卻速度有關(guān)。 冷卻

9、速度越快， 金屬的實際結(jié)晶溫度越低， 過冷度也就越大。,下一頁,上一頁,返回,圖2-14 純金屬結(jié)晶時的冷卻曲線,返回,2.2 純金屬的結(jié)晶,2.2.2純金屬的結(jié)晶過程 如圖2-15所示為純金屬的結(jié)晶過程示意圖。 結(jié)晶開始時， 液體中某些部位的原子先后按一定的晶格類型排列成微小的晶核， 以后晶核向著不同位向按樹枝生長方式長大， 當成長的枝晶與相鄰晶體的枝晶互相接觸時， 晶體就向著尚未凝固的部位生長， 直到枝晶間的金屬液全部凝固為止。 最后形成了許多互相接觸而外形不規(guī)則的晶體。 這些外形不規(guī)則而內(nèi)部原子排列規(guī)則的小晶體稱為晶粒。 由于每個晶粒的位向不同， 使它們相遇時不能合為一體， 這些晶粒與晶

10、粒之間的分界面稱為晶界。 如圖2-16所示為在金相顯微鏡下觀察到的純鐵的晶粒和晶界的圖像。,下一頁,上一頁,返回,圖2-15 純金屬結(jié)晶過程示意圖,返回,圖2-16 純鐵的顯微組織,返回,2.2 純金屬的結(jié)晶,結(jié)晶后只有一個晶粒的晶體稱為單晶體， 如圖2-17（a） 所示， 單晶體中的原子排列位向是完全一致的。 其性能是各向異性的， 如果結(jié)晶后的晶體是由許多位向不同的晶粒組成的， 則稱為多晶體， 如圖2-17（b）所示。 由于多晶體內(nèi)各晶粒的晶格位向互不一致， 它們自身的各向異性彼此抵消， 故顯示出各向同性 ，亦稱為“ 偽各向同性”。,下一頁,上一頁,返回,圖2-17 單晶體和多晶體結(jié)構(gòu)示意圖

11、,返回,2.2 純金屬的結(jié)晶,2.2.3晶粒大小對金屬力學性能的影響 金屬的晶粒大小對金屬的力學性能有重要的影響。 一般地說， 在室溫下， 細晶粒金屬具有較高的強度和韌性。晶粒大小對純鐵力學性能的影響見表2-1。,下一頁,上一頁,返回,表2-1 晶粒大小對純鐵力學性能的影響,返回,2.2 純金屬的結(jié)晶,1.增加過冷度 如圖2-18所示, 金屬的形核率N和長大速度G 均隨過冷度而發(fā)生變化, 但兩者變化速率并不相同, 在很大范圍內(nèi)形核率比晶核長大速度增長更快, 因此, 增加過冷度能使晶粒細化。 這種方法只適用于中、 小型鑄件， 對于大型鑄件則需要用其他方法使晶粒細化。,下一頁,上一頁,返回,圖2-18 形核率和長大速度與過冷度的關(guān)系示意圖,返回,2.2 純金屬的結(jié)晶,2.變質(zhì)處理 在液態(tài)金屬結(jié)晶前加入一些細小的形核劑 (又稱變質(zhì)劑或孕育劑) 使它分散在金屬液中作為人工晶核, 可使晶粒顯著增加 ,或者降低晶核的長大速度, 這種細化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理 。鋼中加入鈦、 硼 、鋁等， 鑄鐵中加入硅鐵 、硅鈣等均能起到細化晶粒的作用。 3.振動處理 在結(jié)晶時, 對金屬液加以機械振動、 超聲波振動和電磁振動等 ，使生長中的枝晶破碎，從而提供更多的結(jié)晶核心， 達到細化晶粒的目的。,上一頁,返回,2.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,