1、 第二章金属的晶体结构与结晶 2 1金属的晶体结构 一 金属的特性与金属键良好的导热性和导电性有光泽 不透明较高强度 可塑性 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 用假想直线将金属中原子的中心位置连接起来表示原子分布的几何图形 晶胞 代表晶格结构特征的最基本单元 晶格常数 晶胞各边尺寸a b c单位 1 10 8cm 晶胞各边夹角 晶面 晶体中原子排列的平面 晶向 晶体中原子排列的方向 晶面指数 用以表示晶面空间方位的符号 晶向指数 用以表示晶向空间方位的符号 晶面指数确定方法 任选一点为空间坐标系原点 以晶胞三棱边为空间坐标轴
2、 以晶格常数为单位 求晶面截距 取倒数 将各倒数化为最小整数 加圆括号 hkl 晶面族 hkl 晶向指数的确定方法 任选一点为空间坐标系原点 以晶胞三棱边为空间坐标轴 过坐标原点作一直线 使其平行于待求晶向 读出该方向任意一点的空间坐标值 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 致密度K 晶胞中原子所占体积与该晶包体积之比 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 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 1 体心立方晶格A b c 900晶胞内原子数n 1 8 8 1 2密排方向 体对角线a原子半径r 4 aK 0 68常见金属 Fe Cr
3、 V Nb W Mo等高熔点金属 2 面心立方晶格 A b c 900n 1 8 8 1 2 6 4密排方向 面对角线a原子半径r 4 aK 0 74常见金属 FeAu 10630 Ag 9600 Cu 9000 AL 6000 Ni Mn 3 密排六方晶格 a a夹角1200n 1 6 12 1 2 2 3 6密排方向aR a 2K 0 74常见金属 MgZnBe 四 晶体的各向异性 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 这种现象叫各向异性 单晶体铁的弹性模量2 90 105MPa1 35 105MPa
4、单晶体铁在磁场中沿方向磁化 比沿方向容易 所以制造变压器硅钢片时方向应平行于导磁方向 以降低损耗 2 2实际金属的晶体缺陷 一 多晶体 由许多位向不同的单晶体组成的晶体 各向异性被抵消 伪等向性晶粒 多晶体中每一个单晶体 不规则颗粒状10 1 10 3mm晶界 晶粒与晶粒之间交界处的界面 原子排列混乱疏松 二 晶体缺陷 1 点缺陷 空位 间隙原子 置换原子 2 线缺陷 位错 位错密度 单位体积中位错线长度 晶体位错密度与强度的关系 3 面缺陷 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 结晶 组织 性能 一 概述 纯金属的结
5、晶条件T0 理论结晶温度Tn 实际结晶温度过冷度 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 结晶动力 F 二 纯金属的结晶过程 生核 长大 1 晶核的形成 晶核的形成 自发形核 非自发形核 2 晶核的长大 三 细化铸态金属晶粒的措施 晶粒大小的衡量 晶粒度 细晶强化 一般情况下 晶粒越小 强度硬度越高 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叫细晶强化 增大金属的过冷度 成核速率N 单位时间单位体积形成的晶核数 个 m3 s 晶体长大速度G 单位时间晶体长大的长度 M s 超高速急冷技术 将液态金属连
6、续留入旋转的冷却轧辊之间 急冷后可获得几毫米宽的非晶态金属材料薄带 非晶态金属特点 很高的强度和韧性 高的电阻率 良好的抗磁性等 变质处理 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 铝合金中加入钛 锆 钢水中加入钛 钒 铝 铁水中加入硅铁 硅钙合金 铝硅合金中加入钠盐 振动 在金属结晶的过程中采用机械振动 超声波振动等方法 可以破碎正在生长中的树枝状晶体 形成更多的结晶核心 获得细小的晶粒 电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变的电磁场中 由于电磁感应现象 液态金属会翻滚起来 冲断正在结晶的树枝状晶体的枝晶 增加了结晶的核心 从而细化晶粒 四 铸锭的组织 1 铸锭的组织1 细等轴晶区2 柱状晶区3 粗等轴晶区 2 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 镍极其合金 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 受单向载荷的零件 柱状晶结构很理想 气轮机叶片 定向结晶生产铝镍钴永磁合金 3 铸锭的缺陷 缩孔缩松气孔 五 单晶的制取 制取单晶的条件 液体结晶时只有一个晶核 应用 电子元件 激光元件 喷气发动机叶片方法 垂直提拉法尖端形核法 尖端形核法 垂直提拉法 制取单晶硅 完
