01-第一章金属的结构与结晶素材.ppt

理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。 实际晶体：多晶体+晶体缺陷 晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 晶粒（单晶体） §1.3 实际晶体中的缺陷 * 一、 点缺陷 1. 点缺陷的概念 是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。 2. 点缺陷的类型 主要有四类，即空位；间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。 置换原子 空位 复合空位 间隙原子 置换原子 §1.3 实际晶体中的缺陷 * 二、 线缺陷 线缺陷的概念:晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。 位错是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。 位错的类型:刃型位错 螺型位错 §1.3 实际晶体中的缺陷 * 刃位错 刃位错 刃型位错示意图 §1.3 实际晶体中的缺陷 * 螺型位错示意图 §1.3 实际晶体中的缺陷 * * §1.3 实际晶体中的缺陷 位错密度 ：单位体积中位错线的总长度, 或单位面积上位错线的根数,单位cm2 位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。 实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图的对应关系, 当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。 但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。 §1.3 实际晶体中的缺陷 * 三、 面缺陷 概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。 类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。 1. 晶界 晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是体心立方），只是晶格位向不同，因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一定的厚度，为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡，而使过渡层处的原子总是不能规则排列，产生晶格畸变，所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。 根据晶体中各晶粒之间的位向差θ不同，又可将晶界分为大角度晶界（θ10°）和小角度晶界（θ10°）两类。 §1.3 实际晶体中的缺陷 * 对称倾側晶界 扭转晶界 §1.3 实际晶体中的缺陷 * 2.亚晶界 亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向差θ一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界。 亚晶界 §1.3 实际晶体中的缺陷 返回 * 液体 -- 固体（晶体 或 非晶体）-- 凝固 液体 -- 晶体 -- 结晶 晶体 液体 结晶 §1.4 金属的结晶过程 * 金属制品都必须经过熔炼、铸造、焊接过程，即液态到固态的结晶过程； 结晶过程影响固态金属的组织结构，进而影响金属制品的性能； 控制结晶过程，获得所需要的组织、性能。 §1.4 金属的结晶过程 * 一、液态金属的结构 §1.4 金属的结晶过程 经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点： 是近程有序、远程无序结构，见右图； 存在着结构起伏和能量起伏。 局部的近程有序 液态金属中存在的不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，也称相起伏。 瞬间出现、瞬间消失、此起彼伏、变化不定 晶坯 微区能量偏离液态金属平均能量的现象。 * 二、结晶过程的宏观现象 研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见右图。 过冷现象 冷却过程中的温度平台 Tm T ΔT 理论结晶温度 开始结晶温度 ΔT = Tm - T 时间 温 度 纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能） §1.4 金属的结晶过程 * 过冷现象： 液态金属必须冷却到理论结晶温度Tm以下某一个温度T时才开始结晶，这个现象称为过冷。 结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。 §1.4 金属的结晶过程 结晶潜热的释放与系统向环境的散热决定了平台的走向！ * 三. 金属结晶的热力学条件 过冷后，液固相自由能之差ΔG就是金属结晶的驱动力，过冷度越大，驱动力越大。 §1.4 金属的结晶过程 四、金属结晶的微观基本过程 – 形核长大过程 液态金属 形核 晶核长大 完