1、第二章 晶体结构与结晶,习题,1、名词解释 晶体、晶粒、晶界、晶格、晶胞、晶格常数 2、晶体和非晶体的区别 3、常见晶格形式 4、实际晶体中有哪几种缺陷？每种缺陷对金属性能的影响,1 金属的晶体结构,一、晶体的基本概念在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体 1晶体所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列的物体。,非晶体,晶体,图1-1 晶体与非晶体示意图,晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始在古代，无论中外，都把具有规则的几何多面体形态的水晶称为晶体凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的固体都称之为晶体以上两种定义都是不正
2、确的,晶体的基本概念,1912年，X射线晶体衍射实验成功，对晶体的研究从晶体的外部进入到晶体的内部，使结晶学进入一个崭新的发展阶段。现已证明，一切晶体不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规律排列，主要表现为同种质点的周期重复，构成了所谓的“格子构造”。所有晶体都具有格子构造晶体的共同特点。,晶体的基本概念,晶体的正确的定义：晶体是指其原子（原子团或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体,石 盐 晶 体 结 构,晶体的基本概念,晶体的基本概念,无色水晶,晶体的基本概念,晶体的基本概念,黄 铁 矿,石 盐,晶体的基本概念,冰 州 石,晶体的基本概念,石 榴 石,
3、晶体的基本概念,绿 柱 石,晶体的基本概念,钻石原石,晶体的基本概念,金 刚 石,晶体的基本概念,晶体的基本概念,石 墨,晶体的基本概念,萤 石,晶体的基本概念,晶体结构晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。 晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。 晶胞构成晶格的最基本单元。由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。,晶格常数：表示晶胞几何形状和尺寸的参数晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角、是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。其大小用A来表示（1A=10-8cm）若a=b=c，=90这种晶胞就称为简单立方晶胞。具
4、有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,晶面：点阵中的结点所构成的平面。 晶向：点阵中的结点所组成的直线。,X,Y,Z,a,b,c,二、常见金属的晶体结构类型,常见的类型,原子排列模型,（一）体心立方晶格 晶格常数a=b=c，通常只用a表示。 这种晶胞在其立方体的对角线 方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长度 a方向上所分布的原子数目为2，这样可计算出其原子半径 ： 在这种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有。 每个体心立方晶胞中仅含有： 个原子。 属于这种体心立方晶格的金属有Fe(912,-Fe)、Cr、Mo、W、V等。,
5、性能特点：强度很高，塑性较好,致密度：68（原子占有晶胞体积的百分数）,（二）面心立方晶格 晶格常数a=b=c，通常只用a表示。 在这种晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触，因而其原子半径： 又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有，故面心立方晶格的晶胞中包含有： 个原子。 属于这种晶格的金属有： Fe(912,-Fe)、 Al、Cu、Ni、Pb等。,性能特点：塑性极好,致密度：74,（三）密排六方晶格 密排六方晶格由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。 晶格常数abc，c/a=1.633 密排六方晶格晶胞中所含原子
6、数： 个原子 致密度K=0.74 属于这种晶格的金属有Be、Mg、Zn、Cd等。,密排六方晶格,性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间,致密度：74,三、晶体特性,1、有规则的几何外形 2、有一定的熔点 3、单晶体的各向异性,同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同,铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E）示意图,第二节、金属的实际结构和晶体缺陷,（一）单晶体与多晶体 单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。 具有不规则颗粒状外形的小晶体称为“晶粒”。 晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。 多晶体：多个晶粒组成的晶体结构，表现为各向同性。,对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同
7、，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点； 而多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，故具备“各向同性”的特点。,多晶体,晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。,（二）晶体缺陷,1.点缺陷 晶体中的空位、间隙原子、置换（溶质）原子都是点缺陷。 在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子发生靠拢或撑开，因此，发生晶格畸变，使金属的强度硬度提高，塑性韧性下降。,点缺陷示意图,a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间
8、隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。 c. 置换原子： 取代原来原子位置的外来原子称置换原子。,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,2.线缺陷 晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。 位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 金属的塑性变形主要是位错运动引起的，位错会增加金属的强度,线缺陷示意图,位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。位错包括刃型位错，螺型位错及混合位错。位错线 周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，使周围晶格发生了畸变。,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原
9、子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。,电子显微镜下的位错,（二）晶体缺陷,3.面缺陷：主要指晶界与亚晶界。 晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层。,面缺陷的存在使金属的强度提高,亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。,晶界的特点： 原子排列不规则。 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 阻碍位错运动，是强化部位。 是相变的优先形核部位,显微组织的显示,金属的结构特点： 是晶体 是多晶体 晶体内部有缺陷,离子晶体：硬度高、脆性大、易膨胀,第三节
10、 非金属晶体,共价晶体：硬度高、脆性大、溶沸点高、绝缘性好，几乎无塑性变形能力（陶瓷）,高分子晶体（线型高聚物）,高分子晶体（体型高聚物）,第四节 金属的结晶,习题： 1、概念：凝固、结晶、过冷度、同素异构转变 2、描述金属的结晶过程 3、影响形核、长大的因素 4、金属铸锭的组织特点,第四节 金属的结晶,一、纯金属的冷却曲线和过冷现象一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，其中凝固形成晶体的过程，则称为结晶。,热分析法,1、 通过热分析法测定冷却曲线,定义：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度 影响因素：金属的冷却速度、金属的性质和纯度金属结晶的必要条件：过冷,T= T0 - T1,二、纯
11、金属的结晶过程,结晶的过程是不断形核和长大的过程。,纯金属的结晶过程,金属的结晶过程,温度越高,原子运动速度越快,纯金属结晶的规律,结论: 金属的结晶过程形核与长大过程,金属液,形成晶核,晶核长大,形成晶体,1. 形核 当液体金属冷到实际结晶温度后，液体中存在着许多类似于晶体的小集团，这些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。 形核有自发形核和非自发形核两种方式。 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心； 非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多。,2、 长大 晶体的长大过程是液体中原子迁移到
12、固体表面，使液固界面向液体中推移的过程。 长大方式：枝晶生长（树枝状生长）,枝晶形成的原因：优先长大方向 金属不纯净； 散热不均匀。,金属的树枝晶,金属的树枝晶,金属的树枝晶,冰的树枝晶,三. 影响晶核形成和长大的因素,1）过冷度的影响： 随着T增大，形核率N和晶核长大速度G都增大， T小，形核率N增长的慢 T大，形核率N增长的快于晶核长大速度G，晶粒越细,成核速率、长大速度与过冷度的关系,在过冷范围内，过冷度愈大，形核率愈高，长的速度相对较小，晶粒愈细,冷速大,冷速小,2）难熔杂质的影响：金属结晶时，向液体金属中加入微量某种难熔杂质，以求细化金属晶粒的工艺方法。变质处理使结晶时的晶核数目大大
13、增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。 3）振动结晶机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。,孕育处理,加入人工晶核,晶粒细化,四、晶粒大小对金属力学性能的影响,在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、塑性和韧性。 这是因为： 晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小； 晶粒越细，晶界就越曲折，晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好 。,纯铁的晶粒度与力学性能的关系,控制晶粒大小的方法：,增大过冷度： 冷却速度过冷度形核率晶粒度晶粒越细。 变质处理：
14、 人工晶核晶粒度晶粒越细,五、金属的同素异构转变,金属在固体下由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化称为同素异构转变。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。 铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。（图下页）金属的同素异构转变过程同样遵循形核、长大规律。,铁是典型的具有同素异构转变特性的金属,金属的同素异构转变过程同样遵循形核、长大规律,六、金属铸锭组织的特点,（1）表层细等轴晶区,靠近模壁的一薄层液体过冷度大，生成大量晶核，加上模壁可作为非自发形核的基底，于是在一薄层液体中产生大量晶核。,（2）中间柱状晶区,1）模壁温度升高，结晶前沿过冷度很小，不能形成新晶核，有利于晶粒长大； 2）结晶前沿稍远处液体尚处于过热状态，无法另行生核，因此结晶主要靠晶粒继续长大进行；,（3）心部粗等轴晶区,心部液体温度降至熔点以下，加上杂质的作用，形成大量晶核，散热失去方向性，晶核自由生长，各方向长大速度差不多等同，既长成等轴晶。,表面细晶粒层：综合性能好 柱状晶粒层：各向异性，进行压力加工易开裂 中心粗大等轴晶粒层： 组织疏松，杂质多， 力学性能差,铸造缺陷： 缩孔 疏松 偏析,
