机械工程材料第三讲金属的晶体结构和结晶(1).ppt

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1、第四章第四章 金属材料晶体结构和结晶金属材料晶体结构和结晶46h 金属材料的性能与其化学成分和内部的金属材料的性能与其化学成分和内部的微观微观结构结构密切相关。化学成分不同的材料性能不同，化学成密切相关。化学成分不同的材料性能不同，化学成分相同而内部微观结构不同的材料性能也不同。所分相同而内部微观结构不同的材料性能也不同。所以了解金属材料的成分、微观结构与性能的关系是以了解金属材料的成分、微观结构与性能的关系是认识和使用材料的前提。认识和使用材料的前提。1 第一节金属的特性第一节金属的特性 迄今为止，在已知的一百多种化学元素中，迄今为止，在已知的一百多种化学元素中，8080以上的元以上的元素是

2、金属元素。金属就是那些在发生化学反应时失去价电子素是金属元素。金属就是那些在发生化学反应时失去价电子的元素。与非金属相比，固态金属具有以下主要特性：的元素。与非金属相比，固态金属具有以下主要特性：(1)(1)优良的导电性和导热性。优良的导电性和导热性。(2)(2)正的电阻温度系数，即随着温度不断升高，电阻不断正的电阻温度系数，即随着温度不断升高，电阻不断增大使金属的导电性降低。绝大多数金属具有超导性，即在增大使金属的导电性降低。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近绝对零度时电阻突然降低，乃至趋近于零。温度接近绝对零度时电阻突然降低，乃至趋近于零。(3)(3)良好的塑性。良好的塑性。(4)(4)

3、有金属光泽，但不透明。有金属光泽，但不透明。某些非金属也可能具有上述某些特征，但不会具有全部某些非金属也可能具有上述某些特征，但不会具有全部特性，也达不到金属所具有上述特性的程度。通常把这种非特性，也达不到金属所具有上述特性的程度。通常把这种非金属称为金属称为类金属。类金属。固态金属的特性是由金属内部原子的构造特点和金属原固态金属的特性是由金属内部原子的构造特点和金属原子间的结合方式所决定的。子间的结合方式所决定的。2一、金属原子的结构特点一、金属原子的结构特点 金属原子构造的特点是其最外层的电子数很少，一般只有金属原子构造的特点是其最外层的电子数很少，一般只有1 13 3个，而且这些电子与原

4、子核的结合力微弱，因而易于丢失，个，而且这些电子与原子核的结合力微弱，因而易于丢失，即脱离所属的原子核而成自由电子。而丢失最外层电子的金属即脱离所属的原子核而成自由电子。而丢失最外层电子的金属原子变成正离子。对于过渡族金属原子不仅丢失最外层电子，原子变成正离子。对于过渡族金属原子不仅丢失最外层电子，还容易丢失次外层电子，以致过渡族金属具有多种化合价。还容易丢失次外层电子，以致过渡族金属具有多种化合价。二、金属键二、金属键 由于金属原子的结构特点，使得固态金属离子间的结合方由于金属原子的结构特点，使得固态金属离子间的结合方式是以金属键结合，而金属键也就决定了金属的特性。由于金式是以金属键结合，而

5、金属键也就决定了金属的特性。由于金属中有大量的自由电子，在外加电场作用下金属内部的自由电属中有大量的自由电子，在外加电场作用下金属内部的自由电子产生定向运动，形成电流，使金属具有子产生定向运动，形成电流，使金属具有良好的导电性良好的导电性，借助，借助金属中正离子的振动和自由电子的运动可以传递热量，使金属金属中正离子的振动和自由电子的运动可以传递热量，使金属具有良好的导热性；加热时，金属温度升高，正离子热振动的具有良好的导热性；加热时，金属温度升高，正离子热振动的振幅加大，自由电子运动时与正离子的碰撞次数增多，阻碍自振幅加大，自由电子运动时与正离子的碰撞次数增多，阻碍自由电子的定向运动，电阻增大

6、；温度降低时，正离子振动减弱，由电子的定向运动，电阻增大；温度降低时，正离子振动减弱，对自由电子运动的阻碍减小，电阻减小；由于金属键没有方向对自由电子运动的阻碍减小，电阻减小；由于金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在外力作用下原子位置发生相性，原子间也没有选择性，所以在外力作用下原子位置发生相对移动时，金属键不会遭到破坏，使金属表现出对移动时，金属键不会遭到破坏，使金属表现出良好的塑性良好的塑性；金属中的自由电子容易吸收可见光的能量，从而被激发到较高金属中的自由电子容易吸收可见光的能量，从而被激发到较高的能级，当其返回到原能级时，释放出所吸收的可见光能，使的能级，当其返回到原能级时，释

7、放出所吸收的可见光能，使金属有光泽但不透明金属有光泽但不透明。3第二节金属的晶体构造第二节金属的晶体构造一、金属晶体的基本概念一、金属晶体的基本概念1 1、晶格、晶格 如果把组成晶体的原子如果把组成晶体的原子(或离子、分子或离子、分子)看做看做是刚性球体，那么晶体就是由这些刚性球体按一定规律周是刚性球体，那么晶体就是由这些刚性球体按一定规律周期性地堆垛而成，如图期性地堆垛而成，如图(a)(a)所示。不同晶体的堆垛规律不所示。不同晶体的堆垛规律不同；为研究方便，假设将刚性球体缩为处于球心的点，称同；为研究方便，假设将刚性球体缩为处于球心的点，称为为结点结点。由结点所形成的空间点的阵列。由结点所形

8、成的空间点的阵列称为空间点阵。称为空间点阵。假假想的用直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架想的用直线将这些结点连接起来所形成的三维空间格架称称为晶格为晶格，如图，如图(b)(b)所示。所示。晶格直观地表示了晶体中原子晶格直观地表示了晶体中原子(或离子、分子或离子、分子)的排的排列规律。列规律。(a)(b)晶体晶体4 2、晶胞晶胞 从微观上看，晶体是无从微观上看，晶体是无限大的、限大的、为便于研究，常从晶格为便于研究，常从晶格中选取一个能代表晶体原子排列规中选取一个能代表晶体原子排列规律的最小几何单元来进行分析，这律的最小几何单元来进行分析，这个最小的几何单元个最小的几何单元称为晶胞称为晶

9、胞，如图，如图所示。晶胞在三维空间中重复排列所示。晶胞在三维空间中重复排列便可构成晶格和晶体。便可构成晶格和晶体。3 3、晶格常数晶格常数 晶胞各边的尺寸晶胞各边的尺寸a a、b b、C C、称为、称为晶格常数晶格常数，又称晶格尺，又称晶格尺寸。晶胞的大小和形状通过晶格常寸。晶胞的大小和形状通过晶格常数数a a、b b、c c和各棱边之间的夹角和各棱边之间的夹角、来描述。根据这些参数，可来描述。根据这些参数，可将晶体分为将晶体分为7 7种晶系种晶系1414种晶格。其种晶格。其中立方晶系和六方晶系比较重要。中立方晶系和六方晶系比较重要。晶胞晶格晶格z57种晶系晶包参数种晶系晶包参数14种晶格种晶

10、格晶系晶系 棱边长度与夹角关系棱边长度与夹角关系 举例举例三斜三斜ab C 90K2Cr3O7单斜单斜ab C =90 S,CaSO4.2H20正交正交ab C =90 S,Ca,Fe3C六方六方a1=a2=a3 C=90 =120Zn,Cd,Mg,NiAs棱方棱方a=b=C =90As,Sb,Bi四方四方a=b C =90-Sn TiO2立方立方a=b=C =90Fe,Cr,Cu,Ag,Au000000006 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半尺寸称为原子半径;处于不同晶体结构中的同种原子的半径是不相同的。4、晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原于数目称为晶胞原子数。5、致密度 晶胞中原

11、于本身所占有的体积百分数称为致密度。晶体中与任一原子距离最近且相等的原子数目称为配位数。显然，不同结构晶体的晶胞原子数、配位数和致密度也不相同，配位数越大的晶体致密度越高。7 2.2.立方晶体中的晶面与晶向立方晶体中的晶面与晶向立方晶体中的晶面与晶向立方晶体中的晶面与晶向 （MillerMillerMillerMiller指数的求法指数的求法指数的求法指数的求法 ）晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组晶体是由一系列不同方位

12、的原子面（晶面）所组成，如下图所示。成，如下图所示。成，如下图所示。成，如下图所示。成，如下图所示。成，如下图所示。6、立方晶系的晶面和晶向表示方法、立方晶系的晶面和晶向表示方法 晶体中各方位上的原子面晶体中各方位上的原子面称为晶面称为晶面，各方向上的原子列，各方向上的原子列称为称为晶向晶向。为便于研究，通常用符号来表示不同的晶面和晶向。表。为便于研究，通常用符号来表示不同的晶面和晶向。表示晶面的符号示晶面的符号称为晶面指数称为晶面指数，表示晶向的符号，表示晶向的符号称为晶向指数称为晶向指数。下面简单介绍立方晶系的晶面指数和晶向指数的确定方法。下面简单介绍立方晶系的晶面指数和晶向指数的确定方法

13、。晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组成，晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组成，晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组成，晶体是由一系列不同方位的原子面（晶面）所组成，原子排原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族。称为晶面族。如下如下如下如下图所示。图所示。图所示。图所示。8（1）晶面指数）晶面指数 1）晶面指数的确定步骤为）晶面指数的确定步骤为 建立坐标系建立坐标系:以任一原子为原点以任一原子为原点(注意原点不要放在待确定注意原点不要放在待确定晶面上晶面上)，以过原点的三条棱边为坐标轴，以晶格常数为测量单，以过原点的三条

14、棱边为坐标轴，以晶格常数为测量单位建立坐标系；位建立坐标系；求截距求截距:求出待定晶面在三个坐标轴上的截距；求出待定晶面在三个坐标轴上的截距；取倒数：取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加取倒数：取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加一圆括号，即为所求晶面的指数。其形式为一圆括号，即为所求晶面的指数。其形式为(hkL)：如果是负指：如果是负指数，则应将负号数，则应将负号“”放在相应指数的上方。放在相应指数的上方。例如，求截距为例如，求截距为1，,晶面的指数时，取三个晶面的指数时，取三个截距值的倒数为截距值的倒数为1，0，0，加圆括号成为，加圆括号成为(100)，即为所求晶面的指数。，即

15、为所求晶面的指数。再如，要画出晶面再如，要画出晶面(221)，则取三指数的倒数，则取三指数的倒数12，12，1，即为该晶面在，即为该晶面在x，y,z三个坐标三个坐标轴上的截距。轴上的截距。(hkl)代表的是一组互相平行的晶面。代表的是一组互相平行的晶面。92）立方晶胞中三种重）立方晶胞中三种重要晶面指数要晶面指数100包括包括(100)、(010)、(001)三个晶面三个晶面-10III包括包括(111)、(111)、(111)、(11 1)110包括包括(110)、(101)、(011)、(1 10)、(101)、(011)六个晶面六个晶面XZY11（2）晶向指数表示法晶向指数表示法步骤步骤

16、：设坐标；设坐标；作平形线；作平形线；求值；求值；化简；化简；入方括弧入方括弧uvw。注意点：注意点：？（2）晶向指数表示法晶向指数表示法1）步骤）步骤：设坐标：设坐标：建立坐标系建立坐标系(方法同上方法同上)；作平形线：作平形线：过原点作所求晶向的平行线；过原点作所求晶向的平行线；求值：求值：求该平行线上原子投影点的三个坐标值求该平行线上原子投影点的三个坐标值化简：化简：按比例化为最小整数按比例化为最小整数加一方括号即为所求晶向的指数加一方括号即为所求晶向的指数uvw。例如，过原点某晶向上一例如，过原点某晶向上一点的坐标为点的坐标为1、15、2；将这三个坐标值按比例化为将这三个坐标值按比例化

17、为最小整数并加方括号，得最小整数并加方括号，得2、3、4，即为该晶向的指数：，即为该晶向的指数：又如，要画出又如，要画出110晶向，晶向，需要找出需要找出(1、1、0)坐标点，坐标点，连接原点与该原子坐标点的连接原点与该原子坐标点的直线即为所求晶向。直线即为所求晶向。12重要的晶向：重要的晶向：111、110、100与晶面指数类似，与晶面指数类似，uvw代表的是一组互相平行、方向一致的代表的是一组互相平行、方向一致的晶向。晶向。那些原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向称那些原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶向称为晶为晶向族向族，用，用uvw表示。立方晶系常见的晶向为，表示。立方

18、晶系常见的晶向为，100110111 特别指出的是，在立方晶系中，指数相同的晶面和晶向是互特别指出的是，在立方晶系中，指数相同的晶面和晶向是互相垂直的。相垂直的。13二、常见的二、常见的金属的晶金属的晶格类型格类型体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格 、面心立方晶格、面心立方晶格、面心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。密排六方晶格。密排六方晶格。密排六方晶格。球体堆砌模型；球体堆砌模型；晶格常数晶格常数a原子半径原子半径r=?晶胞原子数晶胞原子数n=?配位数配位数C=?致密度致密度K=?应用举例：应用举例：141 1、体体心心立立方晶格方晶格球体堆砌模型：球体堆砌模型：球体堆砌

19、模型：球体堆砌模型：晶格常数：晶格常数：晶格常数：晶格常数：晶胞的各条棱边的长度晶胞的各条棱边的长度晶胞的各条棱边的长度晶胞的各条棱边的长度,a a；原子半径原子半径原子半径原子半径r r：晶胞中相距最近的两个原子之间平衡距离的晶胞中相距最近的两个原子之间平衡距离的晶胞中相距最近的两个原子之间平衡距离的晶胞中相距最近的两个原子之间平衡距离的1/2 1/2，即，即，即，即 ；晶胞原子数晶胞原子数晶胞原子数晶胞原子数n:n:指完完全全属于此晶胞所独有的原子数目，指完完全全属于此晶胞所独有的原子数目，指完完全全属于此晶胞所独有的原子数目，指完完全全属于此晶胞所独有的原子数目，n n1 11/8 8=

20、21/8 8=2 ；致密度致密度致密度致密度K K：晶胞中原子占有体积与整个晶胞体积的比值晶胞中原子占有体积与整个晶胞体积的比值晶胞中原子占有体积与整个晶胞体积的比值晶胞中原子占有体积与整个晶胞体积的比值,即即即即K Kn n（4/3 r34/3 r3）/a3/a3 0.68=68%0.68=68%；配位数配位数配位数配位数C C ：晶格中与任一原子相距最近且等距离原子数目，晶格中与任一原子相距最近且等距离原子数目，晶格中与任一原子相距最近且等距离原子数目，晶格中与任一原子相距最近且等距离原子数目，C=8C=8 ;应用举例：应用举例：应用举例：应用举例：-Fe-Fe，Cr,V,W,Mo,Nb,

21、-Ti,Ta Cr,V,W,Mo,Nb,-Ti,Ta 等约等约等约等约3030余种金属。余种金属。余种金属。余种金属。15原子半径原子半径 r=2 2、面心立、面心立方晶格方晶格球体堆砌模型球体堆砌模型球体堆砌模型球体堆砌模型:晶格常数晶格常数晶格常数晶格常数 a a;a a晶胞原子数晶胞原子数晶胞原子数晶胞原子数n=1/8 8+1/26=4n=1/8 8+1/26=4致密度致密度致密度致密度 K=(n4/3r3K=(n4/3r3）/a3/a3 0.74 0.74 7474配位数配位数C=12 ；应用举例应用举例：-Fe，Cu,Al,Pb,Au,Ag,Ni等等163 3、密排六方晶格（简述）、

22、密排六方晶格（简述）球体堆砌模型；球体堆砌模型；球体堆砌模型；球体堆砌模型；晶格常数晶格常数晶格常数晶格常数a a，c c;原子半径原子半径原子半径原子半径r=r=1/2a1/2a；晶胞原子数晶胞原子数晶胞原子数晶胞原子数n=n=66;配位数配位数配位数配位数C=C=8;8;致密度致密度致密度致密度K=K=0.740.74；应用举例：应用举例：应用举例：应用举例：Mg,Zn,BeMg,Zn,Be等等等等a ac c17三种典型金属晶体结构特点三种典型金属晶体结构特点第第56页页三种典型金属晶体结构特点三种典型金属晶体结构特点18三、晶体的各向异性 晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的

23、结合力就不晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的结合力就不同，晶体在不同方向上的性能各异，此即晶体的各向异性。同，晶体在不同方向上的性能各异，此即晶体的各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能、化学性能上都能表现出来，晶体的这种特性在力学性能、物理性能、化学性能上都能表现出来，是区别于非晶体的重要标志之一。是区别于非晶体的重要标志之一。如图；体心立方晶体，在不同方向，受力是不同的。如图；体心立方晶体，在不同方向，受力是不同的。再如石膏、云母、方解石等晶体常沿一定的晶面最易被拉断或劈裂。再如石膏、云母、方解石等晶体常沿一定的晶面最易被拉断或劈裂。铁的单晶体在磁场中沿铁的单晶体在磁场中

24、沿(100)方向的磁化，比沿（方向的磁化，比沿（111)方向容易。所方向容易。所以，制造变压器铁心的硅钢片的（以，制造变压器铁心的硅钢片的（100)晶向应平行于导磁方向，以晶向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。目前工业生产上已通过特殊的轧制工艺生产出降低变压器的铁损。目前工业生产上已通过特殊的轧制工艺生产出了了(100)晶向平行于轧制方向的硅钢片，从而获得优良的导磁率。晶向平行于轧制方向的硅钢片，从而获得优良的导磁率。19四四、实际晶体的结构特点实际晶体的结构特点1.单晶体与多晶体单晶体与多晶体（1）单晶体：）单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。其内部晶格方位完全一致的晶体。（2）多晶体

25、：）多晶体：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成。则的小晶体组成。（3）晶粒：）晶粒：这些小晶体称为晶粒。这些小晶体称为晶粒。（4）晶界：）晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大，晶界面晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大，晶界面上原子排列是不规则的。上原子排列是不规则的。20（5）显微组织显微组织：晶粒的尺寸(平均截线长)依金属的种类和加工工艺的不同而不同。在钢铁材料中，一般为10 10 mm，必须在显微镜下才能看到。在显微镜下观察到的金属材料的晶粒大小、形态和分布叫做“显微组织”。晶粒也有大到几个至十

26、几个毫米，小至微晶、纳米晶。（6）亚晶界亚晶界：实际晶粒都不是完全理想的晶体，每个晶粒内部不同区域的晶格位向还有微小的差别，这些小区域叫做亚晶粒，尺寸一般约10 10 mm，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。（7）伪等向性伪等向性：在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各向异性，但各个晶粒在整块金属内的空间位向是任意的，整个晶体各方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。因此，整块金属在各个方向上的性能是均匀一致的，这称为“伪等向性”。例如，工业纯铁在任何方向上，其弹性模量E均为210GPa。-1-3-3-5211.3.2Crystaldefects晶体缺陷晶体缺陷 1.1.点缺陷

27、点缺陷 （1 1 1 1）几何特征（几何特征（几何特征（几何特征（2 2 2 2）主要形式）主要形式）主要形式）主要形式 （3 3 3 3）对性能的影响对性能的影响对性能的影响对性能的影响 2.2.线缺陷线缺陷 （1 1 1 1）几几几几何何何何特特特特征征征征（2 2 2 2）基基基基本本本本类类类类型型型型（3 3 3 3）刃刃刃刃型型型型位位位位错错错错模模模模型分析（型分析（型分析（型分析（4 4 4 4）位错密度）位错密度）位错密度）位错密度 （5 5 5 5）对性能的影响）对性能的影响）对性能的影响）对性能的影响 3.3.面缺陷面缺陷 （1 1 1 1）几何特征（几何特征（几何特征

28、（几何特征（2 2 2 2）主要形式）主要形式）主要形式）主要形式 （3 3 3 3）对性能的影响对性能的影响对性能的影响对性能的影响五、五、实际晶体中的实际晶体中的晶体缺陷晶体缺陷实实际际金金属属晶晶体体内内部部的的原原子子排排列列，并并不不象象理理想想晶晶体体那那样样完完整整和和严严守守“规规则则”，由由于于各各种种原原因因使使原原子子的的规规则则排排列列遭遭到到破破坏坏，存存在在着着局局部部和和区区域域的的晶晶体体缺缺陷陷。晶晶体体缺缺陷陷对对金金属属材材料料的的性性能能有有很很大大影影响响。根根据据晶晶体体缺缺陷陷的的几几何何特特征征，晶晶体体缺缺陷陷分分为为点点缺缺陷陷、线线缺缺陷陷

29、和面缺陷三类。和面缺陷三类。221、点点缺缺陷陷点缺陷是指在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。（1 1)几何特征如图；几何特征如图；（2 2)主要形式：主要形式：空位、间隙原子、空位、间隙原子、置换原子置换原子。（3)对对性性能能的的影影响响 点点缺缺陷陷导导致致的的晶晶格格畸畸变变，从从而而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。点缺陷的几种形式点缺陷的几种形式图中：图中：2空位；空位；1 1，66置换原子；置换原子；3 3间隙原子；间隙原子；4 4空位对；空位对；5 5空位与间隙原子。空位与间隙原子。232、线缺陷、线缺陷线缺陷是指二个维度尺寸很小而在

30、另一个维度上尺寸相对很大的缺陷。即线缺陷是指二个维度尺寸很小而在另一个维度上尺寸相对很大的缺陷。即”位错位错“晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错刃型位错模型刃型位错模型刃型位错模型刃型位错模型螺螺型型位位错错模模型型24晶界（晶界（晶界（晶界（a a）及亚晶界（）及亚晶界（）及亚晶界（）及亚晶界（b b）示意图）示意图）示意图）示意图3、面缺陷面缺陷指晶体内部呈面状分布的缺陷。常见的有晶界和亚晶界指晶体内部呈面状分布的缺陷。常见的有晶界和亚晶界晶界层内原子排列折中位置晶界层内原子排列折中位置晶界层内原子排列折中位置晶界层内原子排列折中位置晶粒细则晶界增多，金属的强度、硬度也较

31、高，这就是晶粒细则晶界增多，金属的强度、硬度也较高，这就是“细细晶强化晶强化”的基本原理。的基本原理。亚晶界也形成晶格畸变，有强化金属亚晶界也形成晶格畸变，有强化金属的作用。的作用。25实际金属的晶体结构特征实际金属的晶体结构特征实际金属的晶体结构特征实际金属的晶体结构特征实际金属的晶体结构特征实际金属的晶体结构特征实际金属的晶体结构特征实际金属的晶体结构特征26六、金属的同素异构六、金属的同素异构(晶）转变晶）转变1、同素异构转变、同素异构转变有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这种现象发生变化，这种现象称为同素异构转变称为同素异构转变。

32、如通常所说的锡疫，。如通常所说的锡疫，即为四方结构的白锡在即为四方结构的白锡在13下转变为金刚石立方结构的灰锡。下转变为金刚石立方结构的灰锡。同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个固态下的相变过程，即下的相变过程，即固态相变固态相变。在金属中，除锡之外，铁、锰、。在金属中，除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。钴、钛等也都存在着同素异构转变。2固态转变的特点固态转变的特点 固态转变又固态转变又称二次结晶或重结晶称二次结晶或重结晶，它有着与结晶不同的特点：，它有着与结晶不同的特点：发生固态转变时，形核一般在某些特定部位

33、发生，如晶界、发生固态转变时，形核一般在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特定晶面等。因为这些部位或与新相结构相近，或晶内缺陷、特定晶面等。因为这些部位或与新相结构相近，或原子扩散容易。原子扩散容易。因固态下扩散困难，所以固态转变的过冷倾向大。固态相因固态下扩散困难，所以固态转变的过冷倾向大。固态相变组织通常要比结晶组织细。变组织通常要比结晶组织细。固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大的内应力，固态转变往往伴随着体积变化，因而易产生很大的内应力，使材料发生变形或开裂。使材料发生变形或开裂。27纯铁的冷却产生同素异晶转变，由于面心立方晶格纯铁的冷却产生同素异晶转变，由于面心立方晶格-Fe

34、中铁原子中铁原子的排列比的排列比-Fe紧密，故由紧密，故由-Fe转变为转变为 -Fe时，金属的体积将发时，金属的体积将发生膨胀。反之，由生膨胀。反之，由-Fe转变为转变为-Fe时，金属的体积要收缩。时，金属的体积要收缩。这种体积变化使金属内部产生的这种体积变化使金属内部产生的内应力称为组织应力。内应力称为组织应力。-Fe常温下是铁磁性物质，常温下是铁磁性物质，770发生转变，磁性消失，无晶发生转变，磁性消失，无晶格类型的变化。格类型的变化。3、纯铁同素异晶转变、纯铁同素异晶转变28第三节第三节 金属的结晶过程金属的结晶过程 物质从液态到固态的转变过程称为物质从液态到固态的转变过程称为凝固凝固。

35、材料的凝固分为两种类型：材料的凝固分为两种类型：一种是形成晶体一种是形成晶体，我们称之为结晶；，我们称之为结晶；另一种是形成非晶体另一种是形成非晶体，非晶态材料在凝固过程中是，非晶态材料在凝固过程中是逐渐变硬的。逐渐变硬的。金属材料的凝固过就是结晶过程。结晶是由一金属材料的凝固过就是结晶过程。结晶是由一种相种相(液相液相)转变为另一种相转变为另一种相(固相固相)的过程，即是相的过程，即是相变过程。变过程。29一、结晶的热力学条件一、结晶的热力学条件 由热力学第二定律可知，物质遵循能量最小原理，即物质总由热力学第二定律可知，物质遵循能量最小原理，即物质总是自发地向着能量降低的方向转化。是自发地向

36、着能量降低的方向转化。图给出了在等压条件下液、固态金属的自由能与温度的关图给出了在等压条件下液、固态金属的自由能与温度的关系曲线，无论是液体还是晶体，其自由能均随温度升高而降系曲线，无论是液体还是晶体，其自由能均随温度升高而降低，两者斜率不同，液相的斜率大于固相，两曲线交点的温低，两者斜率不同，液相的斜率大于固相，两曲线交点的温度度T0为金属的理论结晶温度即熔点。这时液、固两相的自由为金属的理论结晶温度即熔点。这时液、固两相的自由能相等，液、固两相处于动态平衡状态，两相可以长期共存。能相等，液、固两相处于动态平衡状态，两相可以长期共存。当当T=T0时时，G液液=G固，两相共存；固，两相共存；当

37、当TT0时时，G液液G固，金属熔化成固，金属熔化成液体；液体；当当TG固，金属结晶成固，金属结晶成固体，而固体，而G=G固固-G液液rc的晶胚才称为晶核，此时，随晶核长大，的晶胚才称为晶核，此时，随晶核长大，G总总下降。下降。在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核是同时存在的，在实际结晶过程中，自发形核和非自发形核是同时存在的，但以非自发形核方式发生结晶为普遍。但以非自发形核方式发生结晶为普遍。343.晶核的长大方式晶核的长大方式树枝状树枝状 晶核长大晶核长大的两种的两种方式方式（1）均匀长大均匀长大：当过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行，由于自由晶：当过冷度很小时，结晶以均匀长大方式进行，

38、由于自由晶体表面总是能量最低的密排面，因而晶粒在结晶过程中保持着规则的外形，体表面总是能量最低的密排面，因而晶粒在结晶过程中保持着规则的外形，只是在晶粒互相接触时，规则的外形才被破坏。只是在晶粒互相接触时，规则的外形才被破坏。（2）树枝形式长大树枝形式长大：实际金属结晶时冷却速度较大，因而主要以树枝形式：实际金属结晶时冷却速度较大，因而主要以树枝形式长大，如图所示这是由于晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，长大，如图所示这是由于晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，而枝干间最后被填充。而枝干间最后被填充。在树枝生长过程中，由于液体流动、振动等因素影响，使某些晶枝发生在树枝生长过程

39、中，由于液体流动、振动等因素影响，使某些晶枝发生偏斜或折断，因而形成亚晶粒结构。偏斜或折断，因而形成亚晶粒结构。一次晶轴二次晶轴三次晶轴354、多晶体、多晶体 金属液体中晶核的形成先后不一，长大的条件也金属液体中晶核的形成先后不一，长大的条件也不同，因而形成的晶粒大小、形状和位向各不相不同，因而形成的晶粒大小、形状和位向各不相同，晶粒之间最后形成过渡的界面成为晶界，晶同，晶粒之间最后形成过渡的界面成为晶界，晶界把晶粒连结组成界把晶粒连结组成多晶体多晶体，最后结晶的晶界原子，最后结晶的晶界原子呈不太规则的过渡排列，晶界对金属性能有很大呈不太规则的过渡排列，晶界对金属性能有很大的影响。的影响。36

40、四、四、晶粒度晶粒度1、晶粒大小对金属性能的影响、晶粒大小对金属性能的影响：实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑影响很大。一般情况下，晶粒细小则金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。晶粒大小可用单位面积上的晶粒数目或者晶粒平均截晶粒大小可用单位面积上的晶粒数目或者晶粒平均截线长度线长度(平均直径平均直径)来表示。来表示。下表列出了纯铁晶粒大小对其强度和塑性的影响下表列出了纯铁晶粒大小对其强度和塑性的影响晶粒平均直径晶粒平均直径dn100(mm)9.7

41、7.02.50.20.160.1抗拉强度抗拉强度b(MPa)168184215268270284伸长率伸长率,%28.830.639.548.850.750.0372、影响、影响晶粒度的因素晶粒度的因素 金属结晶后单位体积中晶粒总金属结晶后单位体积中晶粒总数数Z与结晶过程中的形核率与结晶过程中的形核率N(单位时间在单位体积内所单位时间在单位体积内所形成的晶核数形成的晶核数)和成长速率和成长速率G(单位时间界面向前推进的单位时间界面向前推进的距离距离)之间存在如下关系：之间存在如下关系：上式表明，凡是增大上式表明，凡是增大N/G值的方法，都会细化晶粒。值的方法，都会细化晶粒。并非任何金属材料都要

42、求晶粒愈细愈好。并非任何金属材料都要求晶粒愈细愈好。在高温下，较粗晶粒金属比细晶粒金属具有更高的在高温下，较粗晶粒金属比细晶粒金属具有更高的强度。强度。制造电机变压器的硅钢片，就要求晶粒粗大，因为晶制造电机变压器的硅钢片，就要求晶粒粗大，因为晶粒粗大的硅钢片磁滞损耗较小，电磁效率高。所以，粒粗大的硅钢片磁滞损耗较小，电磁效率高。所以，对于材料晶粒大小的要求，必须根据实际需要而定对于材料晶粒大小的要求，必须根据实际需要而定。3、细化晶粒的方法细化晶粒的方法研究发现有两个途径：研究发现有两个途径：一是增加形核率一是增加形核率N；二是降低长大速；二是降低长大速率率G；N=0.9()NG3/4383、

43、工业上控制晶粒大小的方法工业上控制晶粒大小的方法（1）提高冷却速度细化晶粒提高冷却速度细化晶粒：不同过冷度不同过冷度T对形核率对形核率N和成长速率和成长速率G的影响如图所示。的影响如图所示。过冷度等于零时，结晶没有发生过冷度等于零时，结晶没有发生;过冷度增大，形核率和长大速率都增大，过冷度增大至一过冷度增大，形核率和长大速率都增大，过冷度增大至一定值时，形核率定值时，形核率N和长大速率和长大速率G达到最大值。之后，随达到最大值。之后，随过冷度的增大，过冷度的增大，N和和G反而逐渐减小，因过冷度很大，反而逐渐减小，因过冷度很大，开始结晶温度非常低，造成液态金属中原子扩散困难开始结晶温度非常低，造

44、成液态金属中原子扩散困难.过冷度的大小取决于冷却过冷度的大小取决于冷却速度，冷却速度大则过冷度速度，冷却速度大则过冷度大。大。39提高金属结晶冷却速度的方法提高金属结晶冷却速度的方法:降低金属液的浇注温度、采用金属模、水冷模、连续浇降低金属液的浇注温度、采用金属模、水冷模、连续浇注等。注等。对于大截面的铸锭或铸件，欲获得大的过冷度是不容对于大截面的铸锭或铸件，欲获得大的过冷度是不容易实现的，更难以使整个体积范围内均匀冷却以得到较易实现的，更难以使整个体积范围内均匀冷却以得到较均匀的晶粒度，因此工业生产中常采用变质处理和振动均匀的晶粒度，因此工业生产中常采用变质处理和振动搅拌等方法来细化晶粒。搅

45、拌等方法来细化晶粒。（2）变质处理变质处理:是在液态金属浇注前专门加入可成为非自是在液态金属浇注前专门加入可成为非自发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到发晶核的固态变质剂，增加晶核数，提高形核率，达到细化晶粒的目的。通常在钢中加入铝、钒等。铝合金中细化晶粒的目的。通常在钢中加入铝、钒等。铝合金中加入钛、锆等，用于一些大型铸件。加入钛、锆等，用于一些大型铸件。（3）采用机械振动、超声振动和电磁搅拌等方法采用机械振动、超声振动和电磁搅拌等方法,使结晶使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。粒的目的。40特点特点:组

46、织致密、均匀，力学性能好，组织致密、均匀，力学性能好，但一般都很薄，对铸锭的性能影响不但一般都很薄，对铸锭的性能影响不大，但若采取强制水冷等措施，扩大大，但若采取强制水冷等措施，扩大增厚表层细晶粒区，对改善提高金属增厚表层细晶粒区，对改善提高金属性能有积极意义。性能有积极意义。第四节、第四节、金属铸锭与焊缝组织金属铸锭与焊缝组织 金属铸锭可看作形状简单的大型铸件，是金属型材的基金属铸锭可看作形状简单的大型铸件，是金属型材的基础坯材，其组织性能对金属型材有很大的影响，铸锭的表础坯材，其组织性能对金属型材有很大的影响，铸锭的表层和中心因冷却结晶条件不同层和中心因冷却结晶条件不同,其组织不同。其组织

47、不同。（1）三个具有不同特征的结晶区（如图示）三个具有不同特征的结晶区（如图示）1)表层细晶区表层细晶区 液态金屑注入低温铸锭模时，接触金属模液态金屑注入低温铸锭模时，接触金属模壁的液态金属层被激冷，很大的过冷度使形核率很大，同壁的液态金属层被激冷，很大的过冷度使形核率很大，同时金属模壁还能促进非自发晶核的产生，因此在铸锭表层时金属模壁还能促进非自发晶核的产生，因此在铸锭表层形成细晶粒区。形成细晶粒区。412)柱状晶粒区柱状晶粒区 在表层细晶粒区形成的同时，在表层细晶粒区形成的同时，模壁模壁 温度逐渐升高，使金属液的冷却速度温度逐渐升高，使金属液的冷却速度逐渐降低，过冷度减小，形核率降低而长逐

48、渐降低，过冷度减小，形核率降低而长大率变化不大，由于垂直模壁方向散热较大率变化不大，由于垂直模壁方向散热较快，有利于散热反向的结晶，晶粒沿此方快，有利于散热反向的结晶，晶粒沿此方向长大较快，向长大较快，因此形成垂直于模壁向内因此形成垂直于模壁向内部金属液生长的柱状晶粒区。部金属液生长的柱状晶粒区。特点特点:在柱状晶粒的晶界常富集非金属夹杂物和低熔点杂质，形成在柱状晶粒的晶界常富集非金属夹杂物和低熔点杂质，形成易开裂的脆性层；同时，柱状晶粒的力学性能有方向性，造成整易开裂的脆性层；同时，柱状晶粒的力学性能有方向性，造成整个柱状晶粒区的力学性能也有方向性；因此，柱状晶粒区性能较个柱状晶粒区的力学性

49、能也有方向性；因此，柱状晶粒区性能较差，应控制减小柱状晶粒区。差，应控制减小柱状晶粒区。对于塑性较好的合金和有色金属对于塑性较好的合金和有色金属，在热压力加工时，通常不会开，在热压力加工时，通常不会开裂，而且柱状晶粒区组织较中心等轴晶粒区组织致密，性能也较裂，而且柱状晶粒区组织较中心等轴晶粒区组织致密，性能也较好，所以对于塑性好的金属材料铸锭，有意获得较大的柱状晶粒好，所以对于塑性好的金属材料铸锭，有意获得较大的柱状晶粒区。区。一些承受单向载荷的机械零件，如汽轮机叶片等，利用柱状晶粒一些承受单向载荷的机械零件，如汽轮机叶片等，利用柱状晶粒轴向力学性能较高的特点，采用定向结晶以获得方向性强的柱状

50、轴向力学性能较高的特点，采用定向结晶以获得方向性强的柱状晶粒区，有效地提高使用性能晶粒区，有效地提高使用性能423)中心等轴晶粒区中心等轴晶粒区 随着柱状晶粒的形成，铸锭模随着柱状晶粒的形成，铸锭模 内心部内心部剩余金属液的散热冷却已无明显的方向性，趋于均剩余金属液的散热冷却已无明显的方向性，趋于均 匀匀冷却并处于相近的过冷状态，同时液态金属中的杂质和冷却并处于相近的过冷状态，同时液态金属中的杂质和枝晶碎片也集聚到这最后结晶的中心部分，在不大的过枝晶碎片也集聚到这最后结晶的中心部分，在不大的过冷度下最后形成晶粒较为粗大的等轴晶粒区。冷度下最后形成晶粒较为粗大的等轴晶粒区。特点：特点：不同位向晶