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1、第二章结构与结晶热本讲稿第一页，共二十三页 晶格常数：晶格常数：a=b=c,=90 a=b=c,=90；原子半径：；原子半径：晶胞所含原子数：晶胞所含原子数：2 2个原子。个原子。具有体心立方晶格的金属：具有体心立方晶格的金属：-Fe-Fe、-Ti-Ti、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb等等3030余种金属。余种金属。二、常见的金属晶格二、常见的金属晶格 1.1.体心立方晶格（体心立方晶格（bccbcc晶格）晶格）体心立方晶格的晶胞如图体心立方晶格的晶胞如图所示所示。本讲稿第二页，共二十三页 晶格常数晶格常数 a=b=c,=90 a=b=c,=90；原子半径：；原子半径：晶胞所含原
2、子数晶胞所含原子数 ：4 4个原子。个原子。具有面心立方晶格的金属：具有面心立方晶格的金属：-Fe-Fe、NiNi、AlAl、CuCu、PbPb、AuAu、AgAg等。等。2.2.面心立方晶格（面心立方晶格（fccfcc晶格）晶格）面心立方晶格的晶胞如图面心立方晶格的晶胞如图所示所示。本讲稿第三页，共二十三页 晶格常数：晶格常数：原子半径：原子半径：晶胞所含原子数晶胞所含原子数 ：6 6个原子。个原子。具有密排六方晶格的金属：具有密排六方晶格的金属：MgMg、CdCd、ZnZn、BeBe、-Ti-Ti等。等。3.3.密排六方晶格（密排六方晶格（hcphcp晶格）晶格）密排六方晶格的晶胞如图密排
3、六方晶格的晶胞如图所示所示。本讲稿第四页，共二十三页 三、单晶体的各向异性三、单晶体的各向异性 金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。1.1.晶面和晶向的概念晶面和晶向的概念 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。2.晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密
4、程度是不一样的。列紧密程度是不一样的。3.多单晶体的伪各向同性多单晶体的伪各向同性本讲稿第五页，共二十三页 第二节第二节 实际金属结构实际金属结构 一一块块晶晶体体内内部部晶晶格格位位向向完完全全一一致致，称称该该晶晶体体为为单单晶晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。实际晶体中存在的实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：特征可分为以下三种：本讲稿第六页，共二十三页 1.1.点缺陷点缺陷 点点缺缺陷陷是是指指在在三三维维尺尺度度上上都都很很小小而而不不超超过过几几个个原原子子直直径的缺陷。径的缺陷。空位；空位；间隙原子；间隙
5、原子；置换原子，如图所示。置换原子，如图所示。点缺陷破坏了原子的平点缺陷破坏了原子的平点缺陷破坏了原子的平点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲衡状态，使晶格发生了扭曲衡状态，使晶格发生了扭曲衡状态，使晶格发生了扭曲晶格畸变，晶格畸变，晶格畸变，晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强使金属的电阻率、屈服强使金属的电阻率、屈服强使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生度增加，金属的密度发生度增加，金属的密度发生度增加，金属的密度发生变化。变化。变化。变化。本讲稿第七页，共二十三页 2.2.线缺陷线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很
6、大的缺陷。它包括各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。最典型为刃型位错。发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。最典型为刃型位错。本讲稿第八页，共二十三页 位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即式中，式中，为位错密度（为位错密度（m m-2-2）；）；LL为位错线的总长度（为位错线的总长度（m m）；）；V V为体积（为体积（m m3 3）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，
7、如图所示。本讲稿第九页，共二十三页 3.3.面缺陷面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所示。亚晶粒所示。亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。所示。晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。本讲稿第十页，共二十三页 第三节第三节 非金属晶体非金属晶体 一、离子晶体一、离子晶体 正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的晶体。正、
8、负离子靠静电引力结合在一起而形成的晶体。如如NaCl晶体结构如图所示。晶体结构如图所示。离子晶体的硬度高、离子晶体的硬度高、离子晶体的硬度高、离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性大，热膨胀系数小，但脆性大，热膨胀系数小，但脆性大，热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型具有很好的绝缘性。典型具有很好的绝缘性。典型具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。的离子晶体是无色透明的。的离子晶体是无色透明的。的离子晶体是无色透明的。本讲稿第十一页，共二十三页 二、二、共价晶体键共价晶体键 以以共共价价电电子子形形成成稳稳定定的的电电子子满满壳壳层层的的方方式式实实现现结结合合的的晶体。如金
9、刚石，硅酸盐等晶体。如金刚石，硅酸盐等 共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。低。本讲稿第十二页，共二十三页 三、结晶型高分子聚合物三、结晶型高分子聚合物 高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之间的几何排列或堆砌结构间的几何排列或堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型列的规整性可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非非晶态晶态)三类。三类。本讲稿第十三页，共二十三页第四节金属的结晶第
10、四节金属的结晶一、结晶的概念一、结晶的概念 金属从液态转变为晶态固体的过程称为金属从液态转变为晶态固体的过程称为结晶结晶。通常把金。通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。重结晶。理论结晶温度理论结晶温度T T0 0或熔点是固态和液态的能量相等的温度。或熔点是固态和液态的能量相等的温度。本讲稿第十四页，共二十三页 理理论论结结晶晶温温度度T T0 0与与开开始始结结晶晶温温度度T Tn n之之差差叫叫做做过过冷冷
11、度度，用用TT表示。表示。T=T T=T0 0TTn n 冷却速度越大，则开冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度始结晶温度越低，过冷度也就越大。也就越大。过冷是结晶的必要条过冷是结晶的必要条件件本讲稿第十五页，共二十三页 二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程 液液态态金金属属结结晶晶是是由由形形核核和和长长大大两两个个密密切切联联系系的的基基本本过过程程来来实实现的。现的。晶核的形成晶核的形成 1 1）自自发发形形核核 从从液液态态内内部部由由金金属属本本身身原原子子自自发发长长出出结结晶晶核核心心的的过过程程叫叫做做自自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。发形核，形成的结晶核心叫做自发晶
12、核。2 2）非自发形核）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。形成的结晶核心叫做非自发晶核。图图图图2-5 2-5 2-5 2-5 金属结晶示意图金属结晶示意图金属结晶示意图金属结晶示意图本讲稿第十六页，共二十三页 晶体的长大晶体的长大 1 1）平平面面长长大大。在在冷冷却却速速度度较较小小的的情情况况下下，纯纯金金属属晶晶体体主主要要以以其其表表面面向向前前平行推移的方式长大。平行推移的方式长大。2 2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有
13、杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。枝状的形状长大。树枝状长大树枝状长大树枝状长大树枝状长大本讲稿第十七页，共二十三页 三、影响形核和长大的因素三、影响形核和长大的因素 成核速率成核速率N N 为单位时间单位体积形成为单位时间单位体积形成的晶核数（个的晶核数（个/m/m3 3s),s),长大速度长大速度G G为为单单位时间晶体长大的长度（位时间晶体长大的长度（m/s)m/s)。（1 1）过冷度的影响）过冷度的影响 随着过冷度的增加随着过冷度的增加,形核速率和形核速
14、率和长大速度均会增大。当过冷度进一步长大速度均会增大。当过冷度进一步增大时，成核速率增大更快，因而比增大时，成核速率增大更快，因而比值值N/GN/G也增大也增大,结果使晶粒细化。结果使晶粒细化。（2 2）难熔杂质的影响）难熔杂质的影响 增加晶核的数量，使晶粒细化。增加晶核的数量，使晶粒细化。本讲稿第十八页，共二十三页 3.3.晶粒大小及控制晶粒大小及控制 （1）晶粒度的概念）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的确量度。用单位体积中晶粒的数目晶粒度是晶粒大小的确量度。用单位体积中晶粒的数目Zv或或单位面积上晶粒的数目单位面积上晶粒的数目Zs表示，也可以用晶粒的平均线表示，也可以用晶粒的平均线长度（直
15、径）来表示。长度（直径）来表示。Zv=0.9(N/G)3/4 Zs=1.1(N/G)1/2 在一般情况下在一般情况下,形核速率越大形核速率越大,长大速度越小，晶粒越小长大速度越小，晶粒越小,则金属的强度则金属的强度,塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化,是提是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化细晶强化。本讲稿第十九页，共二十三页（2）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制 1）增大过冷度）增大过冷度 2）变质处理：在液）变质处理：在液体金属中加入孕育剂或体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和变质剂，以细化晶粒和改
16、善组织。改善组织。晶粒度晶粒数/mm2b (Mpa)s (Mpa)(%)6.32374635.3512747044.819429410847.5晶粒度与力学性能的关系晶粒度与力学性能的关系晶粒度与力学性能的关系晶粒度与力学性能的关系本讲稿第二十页，共二十三页 四、同素异构转变四、同素异构转变 金金属属在在固固态态下下随随温温度度的的改改变变，由由一一种种晶晶格格转转变变为为另另一一种种晶晶格格的的现现象象，称称为为同同素素异异构构转变。转变。铁的铁的铁的铁的同素异构转变是同素异构转变是同素异构转变是同素异构转变是钢铁材料能钢铁材料能钢铁材料能钢铁材料能够进行热处理改性的内因和依据够进行热处理改
17、性的内因和依据够进行热处理改性的内因和依据够进行热处理改性的内因和依据。同素异构转变是在固态下完成同素异构转变是在固态下完成同素异构转变是在固态下完成同素异构转变是在固态下完成的，也是通过形核、长大来完成的。的，也是通过形核、长大来完成的。的，也是通过形核、长大来完成的。的，也是通过形核、长大来完成的。称为重结晶。称为重结晶。称为重结晶。称为重结晶。本讲稿第二十一页，共二十三页 五、铸锭结构及其控制五、铸锭结构及其控制 把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做铸造。铸造。1.1.铸锭结构铸锭结构 最最典典型型的的铸铸造造结结构构为为三三晶晶区区组织。组织。细细等等轴轴晶晶区区 在在铸铸锭锭的的表表层层形形成成的的一一层层厚厚度度不不大大、晶晶粒很细的区域。粒很细的区域。柱状晶区柱状晶区 粗等轴晶区粗等轴晶区 本讲稿第二十二页，共二十三页.铸锭的缺陷铸锭的缺陷（）缩孔和疏松（）缩孔和疏松（）宏观偏析（）宏观偏析本讲稿第二十三页，共二十三页