1、1,第1章 复习,2,金属键,典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子云。 金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。,特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构,性质：良好导电、导热性能，延展性好,3,空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point），即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列。,空间点阵,晶胞：为了反映晶格的对称性，常取最小重复单元的几倍作为重复单元。,4,晶系与布拉菲点阵,5,典型的金属晶体结构,面心立方（A1, FCC）体心立方（A2, BCC）密排六方（A3
2、, HCP）,6,晶胞内的原子数点阵常数与原子半径配位数：是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。 K为致密度n为晶胞中原子数v是一个原子的体积 原子间隙,7,原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,体心立方,8,原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数：a,面心立方,9,原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数：底面边长 a
3、和高 c，c/a=1.633,密排立方,10,面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序 密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC,晶体中原子的堆垛方式,11,典型金属晶体中原子间的间隙,四面体空隙（tetrahedral interstice），由4个球体所构成，球心连线构成一个正四面体；八面体空隙（octahedral interstice），由6个球体构成，球心连线形成一个正八面体。,12,八面体间隙FCC,八面体间隙的数目八面体间隙半径,13,四面体间隙FCC,四面体间隙的数目四面体间隙半径,14,三种典型金属结构的晶体学特点,15,晶向指数和晶
4、面指数,晶向：连接晶体中任意原子列的直线。 晶面：穿过晶体的原子面（平面）。 国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。,16,(1) 建立以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a，b，c，坐标原点在待标晶向上； (2) 选取该晶向上原点以外的任一点P(xa，yb，zc)； (3) 将x，y，z化成最小的简单整数u，v，w，且u : v : w = x : y : z； 将u，v，w三数置于方 括号2内就得到晶向指数uvw。,晶向指数求法,17,晶面指数的标定,建立以a，b，c为坐标轴的坐标系。 求待标晶面在a，b，c轴上的截距x，y，z。如该晶面与某轴平行，则截距为。
5、取截距的倒数1/x,1/y,1/z。 将其化成最小的简单整数h,k,l。 将h，k，l置于圆括号内，写成 (hkl)，即为待标晶面的晶面指数。,图 晶面指数的标定,18,u v w u v t w t=-(u+v),或,六方晶系指数,19,所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个 “晶带”（crystal zone）；此直线称为晶带轴（crystal zone axis），所有的这些晶面都称为共带面。 晶带轴u v w与该晶带的 晶面（h k l）的关系hukvlw0 晶带定律 凡满足此关系的晶面都 属于以u v w为晶带轴的晶带。,晶带与晶带定理,20,立方晶系中原子的排列及其面密
6、度,晶体的各向异性,21,立方晶系中重要晶向的原子的排列及其线密度,22,多晶型性,当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。,纯铁的同素异构转变 铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的结晶和同素异构转变的过程：,23,缺陷,点缺陷,线缺陷(位错),面缺陷,分类：空位、间隙原子,热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷,点缺陷浓度,位错类型,刃型位错,螺型位错,混合位错,柏氏矢量,表面,晶界,相界,实际金属的晶体结构,24,点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度
7、），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷。 面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。 体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。,缺陷的分类,25,间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子或称填隙原子。,空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位。,点缺陷的分类,26,弗伦克尔缺陷：在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格
8、点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。,肖特基缺陷：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。,弗伦克尔缺陷,肖特基缺陷,根据产生缺陷的原因来划分,27,点缺陷对材料性能的影响,点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。 点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。 空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。 金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位
9、的存在和运动有着密切的联系。 过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。,28,晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。 多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为“”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。,线缺陷,29,刃型位错的结构特征 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错； 可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直； 只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移
10、平面上滑移； 位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变； 位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。,30,晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，这种晶体缺陷称为螺型位错。 符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。,31,螺型位错的结构特征 无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错； 一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直； 滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面； 位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体
11、积的膨胀和收缩； 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。,32,位错的基本几何性质,位错是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排。 位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。 b与之间的关系确定了三类位错。b的大小决定了位错中心区的原子错配度和周围晶体的弹性形变，决定了能量大小。 位错线必须是连续的。它或者起至于晶体表面（或晶界），或形成封闭回路（位错环），或者在结点处和其他位错相连。 刃位错的b向上为正，反之为负（右手法则）。螺位错的与b同向为右螺型，反向为左螺型。 b的最重要性质是守恒性，即一条位错线只有一个b。,33,表征位错线的性质：根据b与位错线的取向关系可确定位错线性质
12、。 b表征了总畸变的积累：围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。 b表征了位错强度：同一晶体中b大的位错具有严重的点阵畸变，能量高且不稳定。 用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢量的方向。,柏氏矢量b的物理意义,34,晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶体内部，导致表面原子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其能量高于晶内。,晶体表面,35,晶界,属于同一固相但位向不
13、同的晶粒之间的界面称为晶界； 而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界,36,小角度晶界的结构,对称倾斜晶界：由一列平行的刃型位错所构成。,不对称倾斜晶界：由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而构成的。,扭转晶界：该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成。,37,具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。 相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相界。,相界,38,第2章 复习,39,物质由液态到固态的转变过程称为凝固。如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现象叫做过冷。Tm与Tn的差值T叫做
14、过冷度。 形成临界晶核所需的能量G*称为临界形核功。,40,自发形核（均匀形核）：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。 非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。,41,所谓能量起伏是指体系中微小体积所具有的能量偏离体系的平均能量，而且微小体积的能量处于时起时伏，此起彼优状态的现象。 液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原
15、子团的起伏现象称为相起伏或结构起伏。,42,相律,自由度数,独立组元数,相数,外界因素,是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。,式中的2，就是温度和压力，若还有其它因素，则为n；,43,纯金属的相图,组元数 C=1 根据相律： F=1-P+2=3-P F0, P3,若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。,若，P=1，则F=2 可以用温度和压力作坐标的平面图 (p-T图) 来表示系统的相图。,44,金属凝固的过程,当液态金属冷却到熔点Tm以下的某一温度开始结晶时，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些新的
16、稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。 液态金属的结晶过程是由形核和长大两个基本过程所组成，并且这两个过程是同时并进的。,45,纯铁的冷却曲线,纯金属结晶有两个宏观现象：过冷和恒温。 纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低，这种现象叫做过冷。,结晶的过冷现象,Tm与Tn的差值T叫做过冷度。,过冷是金属凝固的必要条件。 纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷和恒温。,46,结晶的结构条件,液态金属的结构是短程有序、长程无序。 由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就消失，同时在其它地方又会出现新的尺寸不等的规则排列的原子团，然后又立即消失。 液态金属中
17、的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原子团的起伏现象称为相起伏或结构起伏。,47,吉布斯自由能随温度变化的关系,结晶的热力学条件,结晶的热力学条件：就是必须有一定的过冷度。,48,自发形核（均匀形核）：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。 非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。,均匀形核,非均匀形核,形核,49,均匀形核的能量条
18、件,晶胚形成时系统自 由能的变化与半径的关系,50,非均匀形核,在实际金属液体中，存在许多微小的固相质点；另外，锭模的内壁总是与金属液体接触的，这些固体的表面为晶核的形成提供了方便，晶核优先依附于这些现成的表面而形成。这种形核方式称为非均匀形核，也叫做异质形核。,51,不同润湿角的晶核形貌,当0时，则G*非0，说明固体杂质或型壁可作为现成晶核，这是无核长大的情况，如图a所示。 当时，则G*非G*均。 当 0时，G*非G*均，这便是非均匀形核的条件，如图b所示。,52,均匀形核率和非均匀形核率随过冷度变化的对比,53,（b）形核率与温度的关系,（a）温度对N1、N2的影响,形核率,54,晶核长大
19、,晶体长大的驱动力：系统总自由能随晶体体积的增加而下降。,晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体中推移的过程。,动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。 晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构,55,光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。,粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。,液-固界面的微观结构,56,晶核的长大机制,垂直生长机制：具有粗糙界面的物质，液相中的原子可随机地添加在界面的空位置上而成为固相原子。 二维晶核台阶生长模型 晶体缺陷
20、台阶生长机制,57,界面前沿的温度梯度,正温度梯度：液固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而升高。负温度梯度：液固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而降低。,58,晶体的长大形态,在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为平面状生长。晶体生长方向与散热方向相反，生长速度取决于固相的散热速度。,59,晶体的这种生长方式称为树枝状生长。在树枝晶生长时，伸展的晶轴具有一定的晶体取向以降低界面能。,60,晶粒大小的控制,提高过冷度：过冷度增加，形核率N与长大线速度G均增加，但形核率增加速度高于长大线速度增加的速度，因此，增加过冷度可以使铸件的晶粒细化。,变质处理：在浇注前向液态金属中加入某些难熔
21、的团体颗粒，会显著地增加晶核数量，使晶粒细化。,搅拌和振动：能向液体中输入额外能量以提供形核功，促进晶核形成；可使结晶的枝晶碎化，增加晶核数量。,61,铸件的宏观组织,62,决定铸锭性能的最重要因素是柱状晶区和中心等轴晶区的相对宽度、中心等轴晶区晶粒的大小等。,铸锭组织的控制, 低的浇注温度：有利于保存游离晶体，防止它们重新熔化。 大的液固线间距：一次枝晶长，有利于二次枝晶的形成。 铸模的冷却能力：金属模的冷却能力大，难以造成“颈”状晶粒从模壁游离和形成颈状二次枝晶的条件，故不易形成等轴晶晶核。 对液体金属施加搅拌和振动，可帮助枝晶的熔断、破碎，增加游离细晶的数目。 加入形核剂，促进非自发晶核
22、的形成。,63,缩孔：金属和合金在凝固过程要发生体积收缩，在铸锭(件)中形成收缩孔洞，,铸锭缺陷,气泡：溶入液态中的气体，在凝固时脱溶析出，形成气泡留在铸锭内。,非金属夹杂：金属和气体形成化合物，或者外来杂物及耐火材料冲刷进液体中，即形成非金属夹杂物。,热应力引起的裂纹：铸锭或铸件冷却时会引起很大的热应力，如果处理不当会出现裂纹，一般是纵向裂纹。,64,凝 固,结晶,结晶条件,形核方式,晶体长大,热力学条件：,动力学条件：,结构条件：,能量条件：,G0 ）,动态过冷,结构起伏（相起伏）,能量起伏（临界形核功）,均匀形核：,非均匀形核：,在均匀液相中依靠相起伏和能量起伏而实现的形核，十分困难。,依附在外来固态表面形核，在同样条件下，比均匀形核更容易。,凝固理论的应用,细化晶粒：,定向凝固：,单晶体的制备：,急冷凝固技术：,提高过冷度、变质处理、振动搅拌,关键是单向散热,材料的纯度、结晶速度的控制,非晶态合金、微晶合金,长大机制：,长大形态：,垂直长大机制、横向长大机制,平面状长大、树枝状长大,65,布拉维点阵中为什么没有底心四方和面心四方？,思考,
