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1、 第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶2-1 金属的晶体结构金属的晶体结构一、金属的特性与金属键一、金属的特性与金属键良好的导热性和导电性良好的导热性和导电性有光泽、不透明有光泽、不透明较高强度、可塑性较高强度、可塑性二、晶体结构的基本概念二、晶体结构的基本概念晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。三维空间的具体排列方式。晶格：为了便于研究，用假想直线将金属晶格：为了便于研究，用假想直线将金属中原子的中心位置连接起来表示原子分中原子的中心位置连接起来表示原子分布的几何图形。布的几何图形。晶胞：代表晶格结构特征的最基本单
2、元。晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。晶格常数：晶格常数：晶胞各边尺寸晶胞各边尺寸a.b.c 单单位：位：（1 =10-8 c m）晶胞各边夹角晶胞各边夹角 晶面：晶体中原子排列晶面：晶体中原子排列的平面。的平面。晶向：晶体中原子排列晶向：晶体中原子排列的方向。的方向。晶面指数：用以表示晶晶面指数：用以表示晶面空间方位的符号。面空间方位的符号。晶向指数：用以表示晶晶向指数：用以表示晶向空间方位的符号。向空间方位的符号。晶面指数确定方法：晶面指数确定方法：a)任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边为空间坐标轴；棱边为空间坐标轴；b)以晶格常数为单位，求晶面截距
3、，取倒以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒数；数；c)将各倒数化为最小整数，加圆括号。将各倒数化为最小整数，加圆括号。（hkl）晶面族晶面族hkl晶向指数的确定方法：晶向指数的确定方法：a)任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边为空间坐标轴；为空间坐标轴；b)过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向；过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向；c)读出该方向任意一点的空间坐标值；读出该方向任意一点的空间坐标值；d)化为最小整数，加方括号。化为最小整数，加方括号。uvw所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族n致密度致密度K：晶胞中原
4、子所占体积与该晶包：晶胞中原子所占体积与该晶包体积之比。体积之比。对原子排列的紧密程度进行定量比较！三、金属中常见的三种晶体结构三、金属中常见的三种晶体结构体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格1）体心立方晶格）体心立方晶格qA=b=c;=900 q晶胞内原子数晶胞内原子数n=(1/8)8+1=2q密排方向：体对角线密排方向：体对角线 aq原子半径原子半径 r=(/4)aq常见金属：常见金属：-Fe,Cr,V,Nb,W,Mo等高等高熔点金属。熔点金属。2）面心立方晶格）面心立方晶格qA=b=c;=900qn=(1/8)8+(1/2)6=4q密排方向：面对角线密
5、排方向：面对角线 aq原子半径原子半径r=(/4)aq常见金属：常见金属：-Fe Au(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),Ni,Mn3)密排六方晶格密排六方晶格n0nn=(1/6)12+(1/2)2+3=6n密排方向密排方向anR=a/2n常见金属：常见金属：Mg Zn Be 四、晶体的各向异性四、晶体的各向异性单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原子密度和分布状态不同，从而导致不同方向子密度和分布状态不同，从而导致不同方向上的性能差异，这种现象叫各
6、向异性。上的性能差异，这种现象叫各向异性。单晶体铁的弹性模量单晶体铁的弹性模量 2.90105MPa 1.35 105MPa单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿 方向磁化，比沿方向磁化，比沿 方向方向容易，所以制造变压器硅钢容易，所以制造变压器硅钢片时片时 方向应平行于导方向应平行于导磁方向，以降低损耗。磁方向，以降低损耗。2-2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷一、多晶体一、多晶体由许多位向不同的单晶体组成的晶体。由许多位向不同的单晶体组成的晶体。各向异性被抵消各向异性被抵消伪等向性伪等向性晶粒：多晶体中每一个单晶体。晶粒：多晶体中每一个单晶体。不规则颗粒状不规则颗粒状 10-110-3
7、 mm晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。原子排列混乱疏松原子排列混乱疏松晶界二、晶体缺陷二、晶体缺陷1）点缺陷）点缺陷空位和离位原子空位和离位原子（置换原子）（置换原子）2）线缺陷）线缺陷位错位错位错密度位错密度单位体积中位错线长度。单位体积中位错线长度。位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。3）面缺陷）面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界面缺陷能提高金属材料的强度和塑性，因此细化晶粒是改善金属材料性能的有效途径2-3 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭结晶结晶组织组织性能性能一、概述一、概述纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件T0 理论结晶温度理论结晶温度Tn实际结
8、晶温度实际结晶温度过冷度过冷度T=T0-Tn热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。的过程才能自发进行。结晶动力结晶动力F二、纯金属的结晶过程二、纯金属的结晶过程金属液形成晶核晶核长大形成晶体生生 核核长长 大大1）晶核的形成2）晶核的长大冷却速度对金属晶粒度的影响冷速大冷速小晶核的形成自发形核非自发形核三、细化铸态金属晶粒的措施三、细化铸态金属晶粒的措施晶粒大小的衡量晶粒大小的衡量晶粒度晶粒度细晶强化细晶强化：一般情况下，晶粒越小，强度：一般情况下，
9、晶粒越小，强度硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通过细化晶粒来提高金属力学性能的方法过细化晶粒来提高金属力学性能的方法叫细晶强化。叫细晶强化。增大金属的过冷度增大金属的过冷度成核速率成核速率N：单位时间单位体积形单位时间单位体积形成的晶核数。个成的晶核数。个/（m3.s）晶体长大速度晶体长大速度G：单位时间晶体长大的单位时间晶体长大的长度。长度。M/s超高速急冷技术：超高速急冷技术：将液态金属连续留将液态金属连续留入旋转的冷却轧辊入旋转的冷却轧辊之间，急冷后可获得几之间，急冷后可获得几毫米宽的非晶态金毫米宽的非晶态金属材料薄带。属材料薄带。非晶态金属特点：非晶态
10、金属特点：很高的强度和韧性。很高的强度和韧性。高的电阻率。高的电阻率。良好的抗磁性等。良好的抗磁性等。孕育处理孕育处理：在液态金属中加入孕育剂或变在液态金属中加入孕育剂或变质剂，增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。质剂，增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。加入人工晶核晶粒细化铝合金中加入钛、锆；铝合金中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝；钢水中加入钛、钒、铝；铁水中加入硅铁、硅钙合金；铁水中加入硅铁、硅钙合金；铝硅合金中加入钠盐铝硅合金中加入钠盐振动振动 在金属结晶的过程在金属结晶的过程中采用机械振动、超中采用机械振动、超声波振动等方法，可声波振动等方法，可以破碎正在生长中的以破碎正在生长中的树枝状晶体
11、，形成更树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得多的结晶核心，获得细小的晶粒。细小的晶粒。电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金将正在结晶的金属置于一个交变的电属置于一个交变的电磁场中，由于电磁感磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的结晶的树枝状晶体的枝晶，增加了结晶的枝晶，增加了结晶的核心，从而细化晶粒。核心，从而细化晶粒。四、铸锭的组织四、铸锭的组织1）铸锭的组织）铸锭的组织1-细等轴晶区细等轴晶区2-柱状晶区柱状晶区3-粗等轴晶区粗等轴晶区2）铸锭晶粒形状的控制）铸锭晶粒形状的控制柱状晶细密，但接触面有非金属夹杂或低熔点柱状晶细
12、密，但接触面有非金属夹杂或低熔点杂质，热扎、锻造时易开裂。熔点高、杂质多杂质，热扎、锻造时易开裂。熔点高、杂质多的金属、不希望生成柱状晶。（铁、镍及其合的金属、不希望生成柱状晶。（铁、镍及其合金）金）熔点低、不含易熔杂质，塑性较好的金属可以熔点低、不含易熔杂质，塑性较好的金属可以全部为柱状晶。（铝、铜等有色金属及合金）全部为柱状晶。（铝、铜等有色金属及合金）受单向载荷的零件，柱状晶结构很理想。（气受单向载荷的零件，柱状晶结构很理想。（气轮机叶片）轮机叶片）定向结晶生产铝镍钴永磁合金定向结晶生产铝镍钴永磁合金3）铸锭的缺陷）铸锭的缺陷缩孔缩孔缩松缩松气孔气孔五、单晶的制取五、单晶的制取制取单晶的条件：液体结晶时只有制取单晶的条件：液体结晶时只有一个晶核。一个晶核。应用：电子元件、激光元件、喷气应用：电子元件、激光元件、喷气发动机叶片发动机叶片方法：垂直提拉法方法：垂直提拉法 尖端形核法尖端形核法尖端形核法尖端形核法垂直提拉法（制取单晶硅）垂直提拉法（制取单晶硅）完