金属学及热处理课件：金属的结构与结晶.pptx

金属的结构与结晶;[目标]

1.了解金属的晶体结构;

2.掌握纯金属结晶过程;

[重点]

1.金属结构相关概念:晶体、晶格、单晶体、多晶体、晶面、晶向，金属晶格的三种常见类型；

2.实际金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响

3.金属结晶条件；

4.细化晶粒措施；

[难点]

1.实际金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响；

2.铸锭组织及缺陷。;金属的结构与结晶;2.1.1金属晶体;空间点阵：把原子(离子或分子等)抽象为在空间规则排列的几何质点，称为阵点或结点。

用假象线条将阵点连接起来即形成空间点阵（晶格）

晶胞：晶格中最小的几何单元。;晶体结构：晶体中原子（离子或分子等）在空间排列的方式。

常见的有：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。;14种晶格类型;a=b=c，a=b=g=90?;最常见的金属晶体结构;由8个原子组成的立方体，且在立方体的体中心还有1个原子。

如：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、α-铁α-Fe;立方体的8个角和6个面中心各有一个原子。

如:AI、Cu、Ni、Pb(γ-Fe)等。;由位于晶胞角上的12个原子组成六方柱体，且上、下底面中心各有1个原子，六方柱体中心有3个原子。

如：铍(Be)、Mg、Zn、镉(Cd)等。

;致密度：晶胞中原子排列的紧密程度。;面心立方致密度＝密排六方致密度＞体心立方致密度

致密度大→致密度小：体积↑（膨胀）;晶胞的描述：原子数、配位数、致密度

晶格常数、晶向、晶面、密排面;1.晶面和晶向：;;(111)

(110)

(100);一系列原子排列情况相同的晶面。;;;例：;指数数字相同的晶向与晶面相互垂直;fcc;三种典型晶格的密排面和密排方向数量;2.2.1单晶体和多晶体;各向异性和各向同性;2.2.2晶体缺陷;点缺陷：在空间三维方向上尺寸都很小（原子尺寸大小）的缺陷。

如：空位、间隙原子、置换原子

（1）是由于原子的热振动产生的原子跳跃使原子不能保持在其平衡位置上而形成。

（2）使晶格发生畸变，从而使金属材料性能改变。;原因：

使其附近原子偏离原结点位置，造成小区域的晶格畸变。

效果：

（1）电阻↑定向流动的电子在点缺陷处增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)；

（2）扩散迁移速度↑空位可作为原子运动的周转站；

（3）形成其他晶体缺陷集中的空位可形成内部空洞；呈一定线型排列的点缺陷形成位错；

（4）改变材料的力学性能晶格畸变会增加位错运动阻力。会使强度提高，塑性下降。;线缺陷：在空间两维方向上尺寸很小，在另一维方向尺寸相对很大，呈线状分布。

如：刃型位错、螺型位错。;螺型位错示意图;金属晶体中的位错线往往大量存在，其数量通常采用单位体积内位错线长度即位错密度来表示。位错线的密度通常在104~1012cm/cm3范围内，相互连结呈网状分布，

金属通过位错运动实现塑性变形，位错受阻或堆积，将使金属强度提高。;面缺陷：空间一维方向上的尺寸很小，另外两维方向上的尺寸相对很大。

如：晶界、亚晶界、相界。;晶粒的尺寸，在钢铁材料中，一般在10-1~10-3mm左右，在显微镜下才能看见。

;晶界特点;结晶←形核＋长大↑↑

原子;纯金属的冷却曲线;2.3.2晶核形成与长大方式;2．晶核的长大方式;晶核长大初期外形规则，随着晶体棱角形成，棱角处散热更快，棱角处优先生长，生长出一次晶轴，在一次晶轴增长的同时，其侧面又会分枝长出二次晶轴、三次晶轴......直到液体全部凝固。;“枝晶成长”行为观察;2.3.3晶粒大小的控制;（1）增加过冷度

随过冷度ΔT增加，形核速率N和长大速率G都增加，并达到最大值，但随着ΔT的进一步增加，两者都减小。

（2）变质处理

又称孕育处理，在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以增加非自发形核的数目而细化晶粒。

(3)振动和搅拌

用机械振动、超声波振动、电磁振动以及搅拌等方法，打碎正在长大的枝晶，增加晶核细化晶粒。;1.铸锭组织的形成

由于表面和中心冷却条件不同，铸锭的组织是不均匀的，由外向内分为：表层细晶区、柱状晶区、中心等轴晶区。

;该区组织较致密，但柱状晶平行排列呈现各向异性，且在不同方向生长的柱状晶交界处，低熔点或非金属杂质较多，形成明显脆弱界面，在锻造、轧制时易形成裂纹或开裂。;(3)中心等轴晶粒区

铸型中心区域