(工程材料课件)第二章.ppt

第2章 金属的晶体结构与结晶 2.1 金属的晶体结构 2.1.1 晶体结构的基础知识 晶格 The atoms in a crystal are in a regular repeating pattern called the crystalline lattice.? This allows us to see individual atoms. Below is an STM (the scanning tunneling microscope) image of a platinum surface. Note the regular rows of Pt atoms. 晶胞 3. 晶格常数 定义一个六面体所需的参数，三个角度和三条边长。 4. 原子半径 邻近原子间距的一半称为原子半径。 晶系： 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，?=?=?=90? 六方晶系：a1=a2=a3? c，?=?=90?，?=120? 2.1.2 三种常见的金属晶格 具有b.C.C的常见金属有 α-Fe, Cr, W, Mo, V, Nb 铁元素是地壳中蕴藏量最大的金属元素，α-Fe具有体心立方晶格。 最近原子间距 —— 面心与顶角之间： 原子半径： 致密度：74% 常见金属有：γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag, Pb 晶胞中的原子数：6 最近原子间距——相邻顶角之间：a 原子半径： 致密度：74% 常见金属有：Mg, Zn, Cd, Be 2.1.3 晶面指数及晶向指数 晶体中各种方位上的原子面叫晶面； 各种方向上的原子列叫晶向。 不同晶面和晶向上的原子排列的密度是不同的。 说明： ① 在立方晶系中， 指数相同的晶面与晶 向相互垂直。 ② 遇到负指数，“-” 号放在该指数的上方。 b.c.c、f.c.c晶格主要晶面的原子排列和密度 b.c.c、f.c.c主要晶向的原子排列和密度 金属晶体的各向异性 2.2 金属的实际结构和晶体缺陷 实际金属是多晶体：实际金属经 过切料、磨光腐蚀在金相显微镜 下察，发现其组织类似蜂窝状 或石榴状，是由许多个外形不规 则，排列方向不同的小晶粒组成 每个小晶粒内部晶格排列基本一致，可以认为相当于一个单晶体； 晶粒与晶粒之间方位有较大差别，一般为几十分、几度或者几十度，晶粒之间的界面称为晶界。 这个由许多个方位不同的晶粒组成的晶体称为多晶体。 一般工业条件下，获得的金属材料均为多晶体材料，也称为晶体。 单晶体是各向异性的。 多晶体由于有大量位向（空间排列方位）不同的晶粒组成，经统计分布，其在各个方向上的性能是其平均值。 如a-Fe，111 E＝2.9×105MN/m2 110E=1.34×105MN/m2 各个方向E＝2.1×105MN/m2 多晶体在各个方向上性能近似的性质称为多晶体的 伪各向同性。 2.2.2 晶体缺陷 ( lattice defects ) 点缺陷 关于晶体缺陷的几点说明： (a) 晶体缺陷是不可避免的； (b) 晶体材料仍然是长程有序，局部混乱，仍然保持金属的性质； 缺陷的存在对金属许多加工过程有重要的影响。 缺陷是可以利用的。如： 金属材料的塑性变形是通过位错运动来实现的； 位错密度越大金属的强度越高等。 2.3 金属的结晶与铸锭组织 过冷现象：实际结晶温度 T1 总是低于平衡结晶（理论）温度 T0 的现象。 过冷度 ： ?T = T0 - T1 结晶的必要条件：过冷（结晶的动力） 纯金属的结晶特征：“平台”结晶或恒温结晶 2.3.2 结晶的基本过程 晶核不断形成和长大的过程 细晶强化 一般情况下,晶粒越细小，其强度、 塑性、韧性也越高。 2.3.3 影响形核和长大的因素及细化晶粒的方法 冷速↑→ ?T ↑ 对大铸件或厚薄差别大的铸件 冷速过快→ 变形、开裂 只适用于小铸件，简单件 2.3.4 金属铸锭组织 大多数金属在结晶后的冷却过程中，其晶体结构不再发生变化。但某些金属如铁、钛、钴等在结晶后晶格类型会随温度的变化而发生变化。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。在常温下的同素异构体一般用希腊字母α表示，较高温度下的同素异构体依次用β、γ、δ表示。 2.4 金属中的扩散 前述：过冷是结晶的必要条件，但不是充分条件，要进行结晶，还要满足动力学条件，如原子移动和扩散等。 金属在固态下发生的许多过程都有明显的扩散性质。扩散