机械工程材料第2章

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1、机械工程材料机械工程材料主讲教师主讲教师马艳萍机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体结构与结晶第第 2 章章晶体结构与结晶晶体结构与结晶本章介绍金属材料的结构与组织，本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和铸锭组织。铸锭组织。重点是晶体的概念及特点；金属重点是晶体的概念及特点；金属晶体的基本类型。晶体的基本类型。内容简介内容简介机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶金属在固态下通常都是晶体，所以研究金属在固态下通常都是晶体，所以研究金属首先应该从了解晶体结构开始。金属首先应该从了解晶体结构开始。

2、2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构什么是晶体、非晶体什么是晶体、非晶体晶体的抽象晶体的抽象(晶格、晶胞、晶向、晶格常数晶格、晶胞、晶向、晶格常数)晶体结构的定量描述（晶面指数、晶向指数）晶体结构的定量描述（晶面指数、晶向指数）机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体：晶体：材料的原子（离子或分子）在三维空材料的原子（离子或分子）在三维空间呈规则，周期性排列，长程有序。间呈规则，周期性排列，长程有序。非晶体：非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。1

3、.晶体的概念晶体的概念机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体：晶体：（1 1）结构有序；）结构有序；（2 2）物理性质表现为各向异性；）物理性质表现为各向异性；（3 3）有固定的熔点。）有固定的熔点。非晶体：非晶体：（1 1）结构无序；）结构无序；（2 2）物理性质表现为各向同性；）物理性质表现为各向同性；（3 3）没有固定熔点。）没有固定熔点。晶体和非晶体的区别晶体和非晶体的区别熔化曲线熔化曲线机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶固态金属的特性：不透明、有光泽、有固态金属的特性：不透明、有光泽、有延展性、良好的导电性和导热性、正的延展性、良好的导电性和导热性

4、、正的电阻温度系数。电阻温度系数。固态金属的所有特性取决于金属键的结固态金属的所有特性取决于金属键的结合性质合性质。2.固态金属的特性和金属键固态金属的特性和金属键机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶金属键：金属中的自由金属键：金属中的自由电子和金属正离子相互电子和金属正离子相互作用所构成。作用所构成。金属键的基本特点是电金属键的基本特点是电子的共有化。子的共有化。金属键金属键机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶离子键键合的基本特离子键键合的基本特点是以离子而不是以点是以离子而不是以原子为结合单元。原子为结合单元。在离子晶体中很难产在离子晶体中很难产生自由运动的

5、电子。生自由运动的电子。离子键离子键机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶每个离子周围有每个离子周围有6个最近邻的异性离子个最近邻的异性离子离子晶体的硬度高、但脆性也大离子晶体的硬度高、但脆性也大离子晶体离子晶体机械工程材料机械工程材料NaCl的晶体结构的晶体结构晶体结构与结晶晶体结构与结晶两个或多个电负性相两个或多个电负性相差不大的原子间通过差不大的原子间通过共用电子对而形成的共用电子对而形成的化学键。化学键。共价键共价键基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小，有确定的方位，且配位数较

6、小机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶共价晶体共价晶体机械工程材料机械工程材料金刚石晶体结构金刚石晶体结构 硅氧四面体硅氧四面体晶体结构与结晶晶体结构与结晶高分子晶体高分子晶体机械工程材料机械工程材料 线型高聚物线型高聚物 体型高聚物体型高聚物具有一定规则、相互平行排列的长分子链结具有一定规则、相互平行排列的长分子链结构，表现出一定的结晶性的高聚物构，表现出一定的结晶性的高聚物晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体结构：晶体中晶体结构：晶体中原子（离子或分子）规则原子（离子或分子）规则排列的方式，即排列的方式，即晶体中原子排列的具体情况晶体中原子排列的具体情况。金属的晶体结构金属的晶

7、体结构机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶金属的晶体结构金属的晶体结构阵点：阵点：将晶体结构中每个质点抽象为规则排将晶体结构中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点列于空间的几何点，称之为阵点。空间点阵：阵点在三维空间规则排列的阵列空间点阵：阵点在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵称为空间点阵，简称点阵。晶胞：点阵具有代表性的组成单元。晶胞：点阵具有代表性的组成单元。将晶胞将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶理想晶体的晶体学抽象理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子空间规

8、则排列的原子刚球模型刚球模型晶格（刚球晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞（具晶胞（具有周期性的最小组成单元）有周期性的最小组成单元）机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶同一空间点阵可因选同一空间点阵可因选取方式不同而得到不取方式不同而得到不相同的晶胞相同的晶胞。晶胞的选取应反映出：晶胞的选取应反映出：点阵的点阵的对称性最高、对称性最高、直角最多、晶胞体积直角最多、晶胞体积最小最小。晶胞的选取原则晶胞的选取原则机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶胞的描述晶胞的描述晶胞的几何特征可以用晶胞晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长

9、的三条棱边长a、b、c和三条和三条棱边之间的夹角棱边之间的夹角、等六等六个参数来描述。个参数来描述。其中其中a、b、c 为晶格常数。为晶格常数。单位为单位为（111 11010-8-8cmcm）金属的晶格常数一般为金属的晶格常数一般为:110-10 m710-10 m。机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶胞的描述晶胞的描述不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同格常数的不同,表现出不同的物理、化学和表现出不同的物理、化学和力学性能。力学性能。金属的晶体结构可用金属的晶体结构可用X X射线结构分析技术进射线结构分析技术进行测定。行测定

10、。机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶1414种布拉菲点阵种布拉菲点阵根据根据6 6个点阵参数间的相互关系，可将全个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于部空间点阵归属于7 7种类型，即种类型，即7 7个晶系。个晶系。按照按照“每个阵点的周围环境相同每个阵点的周围环境相同”的要求，的要求，布拉菲（布拉菲（BravaisBravais A A）用数学方法推导出）用数学方法推导出能够反映空间点阵全部特征的单位平面六能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有面体只有1414种，称布拉菲点阵。种，称布拉菲点阵。机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶1414种布拉菲

11、点阵种布拉菲点阵布拉菲点阵晶系布拉菲点阵晶系简单三斜三斜简单六方六方简单单斜底心单斜单斜简单菱方菱方简单正交底心正交体心正交面心正交正交简单四方体心四方四方简单立方体心立方面心立方立方机械工程材料机械工程材料三斜晶系：三斜晶系：简单三斜简单三斜单斜晶系：单斜晶系：,90oabc,90oabc晶体结构与结晶晶体结构与结晶简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜,90oabc机械工程材料机械工程材料,90oabc晶体结构与结晶晶体结构与结晶正交晶系正交晶系简单正交简单正交底心正交底心正交体心正交体心正交面心正交面心正交机械工程材料机械工程材料菱方晶系：菱方晶系：简单菱方简单菱方六方晶系：六方晶系：简单六方

12、简单六方123,90,120ooaaac,90oabc晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料,90oabc晶体结构与结晶晶体结构与结晶四方晶系四方晶系简单四方简单四方体心四方体心四方机械工程材料机械工程材料,90oabc晶体结构与结晶晶体结构与结晶立方晶系立方晶系简单立方简单立方体心立方体心立方面心立方面心立方机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别空间点阵：晶体中质点排列的几何抽象，用以空间点阵：晶体中质点排列的几何抽象，用以描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于描述和分析晶体结构的周期性和对称性，由于各阵点的周围环

13、境相同，它只有各阵点的周围环境相同，它只有1414种类型。种类型。晶体结构：晶体中实际质点（原子、离子或分晶体结构：晶体中实际质点（原子、离子或分子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的子）的具体排列情况，它们能组成各种类型的排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。排列，因此，实际存在的晶体结构是无限的。机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别具有相同点阵的晶体结构具有相同点阵的晶体结构 Cu NaCl CaF2机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶大多数金属都具有比较简单的晶体结构，大多数金属都具有比较简单的晶体结构，

14、其中最典型、最常见的金属晶体结构为其中最典型、最常见的金属晶体结构为体心立方晶格体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3.典型的金属晶体结构典型的金属晶体结构机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶实有原子数：实有原子数：1 18 8(1/8)(1/8)2 2典型金属：典型金属：_Fe_Fe、CrCr、MoMo、W W、V V、K K、NaNa、BaBa、NbNb 配位数：配位数：8（任一原子周围最近邻接触的原子数）（任一原子周围最近邻接触的原子数）致密度：致密度：6868（原子占有晶胞体积的百分数）（原子占有晶胞体积的百分数）体心立方结构体心立方结构(bcc

15、)(bcc)机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶面心立方晶格面心立方晶格(fcc(fcc)实有原子数：实有原子数：6 6(1/2)(1/2)8 8(1/8)(1/8)4 4典型金属：典型金属：_Fe_Fe、CuCu、AlAl、NiNi、AuAu、AgAg、PtPt配位数：配位数：1212（任一原子周围最近邻接触的原子数）（任一原子周围最近邻接触的原子数）致密度：致密度：7474（原子占有晶胞体积的百分数）（原子占有晶胞体积的百分数）机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶密排六方结构密排六方结构(hcp(hcp)实有原子数：实有原子数：3 32 2(1/2)(1/2

16、)1212(1/6)(1/6)6 6典型金属：典型金属：BeBe、MgMg、ZnZn、CdCd、-TiTi、-CoCo配位数：配位数：1212（任一原子周围最近邻接触的原子数）（任一原子周围最近邻接触的原子数）致密度：致密度：7474（原子占有晶胞体积的百分数）（原子占有晶胞体积的百分数）机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶三种典型晶格的数据三种典型晶格的数据晶格类型晶格类型 晶胞中原子数晶胞中原子数 原子半径原子半径配位数配位数致密度致密度体心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.74机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶在定性评定晶体中原子排

17、列的紧密程度时，在定性评定晶体中原子排列的紧密程度时，使用致密度和配位数的概念。使用致密度和配位数的概念。由列表数据可见：不论从致密度或者配位由列表数据可见：不论从致密度或者配位数来看，面心立方和密排六方晶格的原子排列数来看，面心立方和密排六方晶格的原子排列都同样是最紧密的，所不同的只是晶格中最密都同样是最紧密的，所不同的只是晶格中最密排面的堆垛方式。排面的堆垛方式。典型晶格的致密度典型晶格的致密度机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶面心立方和密排六方点阵中密排面的分析面心立方和密排六方点阵中密排面的分析 机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶多晶型性：一种固态金

18、属在不同的温度和压力多晶型性：一种固态金属在不同的温度和压力下具有不同的晶体结构的特性下具有不同的晶体结构的特性同素异构转变：金属的晶体结构随温度变化而同素异构转变：金属的晶体结构随温度变化而变化的现象变化的现象同素异构体：同素异构转变的产物同素异构体：同素异构转变的产物例如，工业纯铁：例如，工业纯铁：912912，bccbcc，称，称-Fe-Fe；在；在91291213941394，fccfcc，称为，称为-Fe-Fe；13941394熔点间又熔点间又变成体心立方结构，称为变成体心立方结构，称为FeFe。4.多晶型性多晶型性（同素异构性）（同素异构性）机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶

19、体结构与结晶纯铁的同素异晶转变纯铁的同素异晶转变机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶引起体积变化：不同晶体结构的致密度不同，引起体积变化：不同晶体结构的致密度不同，当金属由一种晶体结构变为另一种晶体结构当金属由一种晶体结构变为另一种晶体结构时，体积会发生变化。这就是钢在淬火时因时，体积会发生变化。这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。相变而发生体积变化的原因。引起形变能力变化：不同晶体结构中原子排引起形变能力变化：不同晶体结构中原子排列的方式不同列的方式不同,使它们的形变能力不同。使它们的形变能力不同。金属的同素异晶转变实质上是一个金属的同素异晶转变实质上是一个重结晶重结

20、晶过过程，程，在固态金属中进行在固态金属中进行。同素异晶转变特点同素异晶转变特点机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶向：晶体中各种方向上的原子列晶向：晶体中各种方向上的原子列晶面：晶体中各种方位上的原子面晶面：晶体中各种方位上的原子面单晶体：结晶方位完全一致的晶体单晶体：结晶方位完全一致的晶体各向异性：同一晶体的不同晶面和晶向上各向异性：同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同的性能不同5.单晶体的各向异性单晶体的各向异性机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶单晶体各向异性示意图单晶体各向异性示意图铁的单晶体及其各方向上弹性模量（铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E

21、E）示意图）示意图机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶向指数的例子晶向指数的例子正交晶系一些重要晶向的晶向指数正交晶系一些重要晶向的晶向指数机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶面指数的例子晶面指数的例子正交晶系一些重要晶面的晶面指数正交晶系一些重要晶面的晶面指数机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶实际金属不是理想完美的单晶体实际金属不是理想完美的单晶体,结构中结构中存在有许多不同类型的缺陷。存在有许多不同类型的缺陷。2.22.2金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构理想晶体晶体缺陷理想晶体晶体缺陷实际晶体实际晶体多晶体结构多晶体结构晶体缺陷晶体

22、缺陷(点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷)机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶粒：晶粒：晶界：晶界：显微组织：显微组织：1.多晶体结构多晶体结构机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶在显微镜下所观察到的金属中的各种晶粒的大在显微镜下所观察到的金属中的各种晶粒的大小、形态和分布叫做小、形态和分布叫做“显微组织显微组织”。显微组织显微组织500500 1000 1000不同放大倍数下金属的显微组织不同放大倍数下金属的显微组织机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶显微组织显微组织0.200.20C 0.40C 0.40C C不同

23、含碳量的显微组织不同含碳量的显微组织机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶亚结构（或称亚晶粒、镶嵌块）：亚结构（或称亚晶粒、镶嵌块）：实际金属晶体晶粒内部存在的、晶格位向实际金属晶体晶粒内部存在的、晶格位向不完全一致的小晶块。其位向差很小（一不完全一致的小晶块。其位向差很小（一般为几十分到度）的小晶块，它们般为几十分到度）的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒。相互镶嵌成一颗晶粒。亚结构亚结构机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶晶体中相对于理想状态并不规则和完晶体中相对于理想状态并不规则和完整的区域。整的区域。点缺陷：点缺陷：线缺陷：线缺陷：面缺陷：面缺陷：体缺陷：即各

24、种夹杂物体缺陷：即各种夹杂物2.晶体缺陷晶体缺陷机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶定义：晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶定义：晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。体的变化。主要包括：主要包括：空位：晶格结点处无原子；空位：晶格结点处无原子；间隙原子：原子占据晶格间隙；间隙原子：原子占据晶格间隙；置换原子：晶格结点处被其他原子占据。置换原子：晶格结点处被其他原子占据。晶格畸变：晶格中原子偏离平衡位置的现象晶格畸变：晶格中原子偏离平衡位置的现象点缺陷点缺陷机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶点缺陷的形式点缺陷的形式 空位空位 间隙原子间隙原子 置换原子置

25、换原子机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶点缺陷的形成点缺陷的形成机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶点缺陷的运动点缺陷的运动在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙在一定温度下，晶体中达到统计平衡的空位和间隙原子的数目是一定的，且晶体中的点缺陷总是处于原子的数目是一定的，且晶体中的点缺陷总是处于不断的运动过程中。不断的运动过程中。复合：间隙原子与空位相遇，两者都消失的现象复合：间隙原子与空位相遇，两者都消失的现象 原子的自扩散：由于空位和间隙原子不断地产生与原子的自扩散：由于空位和间隙原子不断地产生与复合所造成的晶体中的原子不停地由一处向另一处复合所造成的

26、晶体中的原子不停地由一处向另一处无规则的布朗运动。它是固态相变、表面化学热处无规则的布朗运动。它是固态相变、表面化学热处理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。理、蠕变、烧结等物理化学过程的基础。机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶定义：定义：指两维尺度很小而第三维尺度很指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷即位错大的缺陷即位错,由晶体中原子平面的由晶体中原子平面的错动引起。错动引起。主要包括：主要包括：刃型位错：有一个额外的原子面；刃型位错：有一个额外的原子面；螺型位错：原子错排是呈轴对称的。螺型位错：原子错排是呈轴对称的。线缺陷线缺陷机械工程材料机械工程材料刃型位错刃型位错晶体结

27、构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料刃型位错结构的特点刃型位错结构的特点 刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原刃型位错有一个额外的半原子面。一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为子面在滑移面上边的称为正刃型位错，记为“”；而；而把多出在下边的称为负刃型位错，记为把多出在下边的称为负刃型位错，记为“”。刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。它不一定是直线，但它必与滑移方向相垂直。界线。它不一定是直线，但它必与滑移方向相垂直。在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大在位错线周围的过渡区（畸变区）每

28、个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，畸变区是狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。狭长的管道，所以刃型位错是线缺陷。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料螺型位错螺型位错晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料螺型位错结构的特点螺型位错结构的特点 无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。根据无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。根据位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，位错线附近呈螺旋形排列的原子的旋转方向不同，可分为右旋和左旋。可分为右旋和左旋。螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，螺型位错线与滑移矢

29、量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。陷。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料位错密度位错密度 单位体积中位错线的总长度（单位体积中位错线的总长度（cm/cmcm/cm3 3），或穿），或穿过单位截面的位错线根数。过单位截面的位错线根数。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶定义：定义：指两维尺

30、度很大而第三维尺度很小的缺指两维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。陷。主要包括：主要包括：晶界：晶界：晶粒间的界面，其上原子排列的规则性较差；晶粒间的界面，其上原子排列的规则性较差；亚晶界：亚晶界：亚晶粒间的界面，是位错规则排列的结构。亚晶粒间的界面，是位错规则排列的结构。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细晶粒越细,金属的塑性变形能力越大金属的塑性变形能力越大,塑性越塑性越好。好。面缺陷面缺陷机械工程材料机械工程材料晶界、亚晶界示意图晶界、亚晶界示意图晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶凝固：一切

31、物质从液态到固态的转变过程凝固：一切物质从液态到固态的转变过程结晶：通过凝固形成晶体结构结晶：通过凝固形成晶体结构2.32.3纯金属的结晶和铸锭纯金属的结晶和铸锭结晶的概念结晶的概念金属的结晶过程金属的结晶过程影响形核与长大的因素影响形核与长大的因素金属铸锭的组织特点金属铸锭的组织特点机械工程材料机械工程材料晶体结构与结晶晶体结构与结晶液态金属的结构特点：远程无序、近程有序液态金属的结构特点：远程无序、近程有序。固态金属的结构特点：长程有序固态金属的结构特点：长程有序金属的结晶：从本质上讲，指金属的结晶：从本质上讲，指金属从一种原子金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态

32、（晶态或非晶态）到另一种原子规则排列状态（晶态）的转变。排列状态（晶态）的转变。金属从液态过渡到固体晶态的转变称金属从液态过渡到固体晶态的转变称一次结晶一次结晶金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为过程称为二次结晶或重结晶二次结晶或重结晶。1.结晶的概念结晶的概念机械工程材料机械工程材料2.金属的结晶过程金属的结晶过程宏观现象宏观现象 过冷现象过冷现象:理论结晶温度理论结晶温度T Tm m，实际结晶温度，实际结晶温度T To o 结晶潜热：结晶潜热：晶体结构与结晶晶体结构与结晶纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线液态金属和固态金属的液态金属和固态金

33、属的自由能自由能-温度关系曲线温度关系曲线机械工程材料机械工程材料金属的结晶过程金属的结晶过程微观过程微观过程 晶核的形成：晶核的形成：液体中最初形成的一些作为结晶中心的液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体称为晶核稳定的微小晶体称为晶核。两种形核方式：两种形核方式：自发形核，非自发形核自发形核，非自发形核晶体结构与结晶晶体结构与结晶金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图 晶核的长大：晶核的长大：晶核长大的晶核长大的实质，就是原子由液体向实质，就是原子由液体向固体表面的转移固体表面的转移 两种长大方式：平面长大，两种长大方式：平面长大，枝晶长大枝晶长大机械工程材料机械工程材料平面长大平

34、面长大 当冷却速度较慢时，金属当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推晶体以其表面向前平行推移的方式长大。移的方式长大。平面长大的结果，晶体获平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形得表面为密排面的规则形状状。晶体结构与结晶晶体结构与结晶平面长大的规则形状晶体平面长大的规则形状晶体机械工程材料机械工程材料树枝状长大树枝状长大 当冷却速度较快时，晶体的当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。成为伸入到液体中的晶枝。枝晶长大的结果，得到具有枝晶长大的结果，得到具有树枝状的晶体树枝状的晶体

35、。实际金属结晶时，晶体多以实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大树枝状长大方式长大。晶体结构与结晶晶体结构与结晶枝晶长大的树枝状晶体枝晶长大的树枝状晶体机械工程材料机械工程材料枝晶长大示意图枝晶长大示意图晶体结构与结晶晶体结构与结晶优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。成三次晶轴、四次晶轴。机械工程材料机械工程材料锑锭表面的树枝状晶锑锭表面的树枝状晶3.晶粒大小的控制晶粒大小的控制 晶粒度晶粒度 晶粒大小对金属性能的

36、影响晶粒大小对金属性能的影响 晶粒大小的控制晶粒大小的控制晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料晶粒度的概念晶粒度的概念晶粒度：晶粒度：表示晶粒大小的指标，可用单位体表示晶粒大小的指标，可用单位体积内晶粒的数目来表示。一般为测量方便，积内晶粒的数目来表示。一般为测量方便，用晶粒的平均面积或平均直径来表示。用晶粒的平均面积或平均直径来表示。工业上通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。工业上通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度分为八级，一级最粗，八级最细。标准晶粒度分为八级，一级最粗，八级最细。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料晶粒度表晶粒度表晶体结构与结晶晶体

37、结构与结晶晶粒度晶粒度1 12 23 34 45 56 67 78 8单位面积晶粒数（个mm2)16326412825651210242048晶粒平均直径(mm)0.2500.1770.1250.088 0.062 0.0440.0310.022机械工程材料机械工程材料晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响 一般情况下一般情况下,晶粒越小晶粒越小,则金属的强度、塑性和韧则金属的强度、塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化性越好。工程上使晶粒细化,是提高金属机械性是提高金属机械性能的重要途径之一，这种方法称为能的重要途径之一，这种方法称为细晶强化细晶强化。晶体结构与结晶晶体结构与结晶黄铜的硬

38、度与晶粒尺寸的关系黄铜的硬度与晶粒尺寸的关系机械工程材料机械工程材料决定晶粒度的因素决定晶粒度的因素结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所以在结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所以在长大速度相同的情况下，形核越多，晶粒越细。长大速度相同的情况下，形核越多，晶粒越细。形核率形核率(N)(N)：单位时间单位体积内形成晶核的数：单位时间单位体积内形成晶核的数目目长大速度长大速度(G)(G)：晶核在单位时间内生长的长度：晶核在单位时间内生长的长度比值比值N/GN/G越大，晶粒越细小。越大，晶粒越细小。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料晶粒大小的控制晶粒大小的控制增加过冷度增加过冷度

39、：提高液态金提高液态金属的冷却速度属的冷却速度,采用冷却能采用冷却能力较强的模子。力较强的模子。变质处理变质处理：在液体金属中：在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。细化晶粒和改善组织。振动或搅拌振动或搅拌：晶体结构与结晶晶体结构与结晶形核率、长大速度形核率、长大速度与过冷度的关系与过冷度的关系机械工程材料机械工程材料4.金属铸锭的组织金属铸锭的组织将液体金属浇入锭模中，冷却凝固后便得到金属铸锭。将液体金属浇入锭模中，冷却凝固后便得到金属铸锭。由于金属在凝固时，表层与心部的结晶条件不同，铸锭由于金属在凝固时，表层与心部的结晶条件不同，铸锭的组织将是不均匀的

40、。的组织将是不均匀的。晶体结构与结晶晶体结构与结晶金属铸锭的组织一般金属铸锭的组织一般可以分为三个区。可以分为三个区。1.表面细晶粒层表面细晶粒层 2.柱状晶粒层柱状晶粒层 3.中心等轴晶区中心等轴晶区机械工程材料机械工程材料表面细晶粒层表面细晶粒层形成原因形成原因：过冷度较大，表面金属遭到剧烈的：过冷度较大，表面金属遭到剧烈的冷却，同时，模壁具有人工晶核作用。冷却，同时，模壁具有人工晶核作用。特点特点：组织较致密，机械性能较好，但由于它：组织较致密，机械性能较好，但由于它们总是很薄，故对整个铸锭性能影响不大。们总是很薄，故对整个铸锭性能影响不大。用机械振动、电磁搅拌等方法，可破坏柱状晶用机械

41、振动、电磁搅拌等方法，可破坏柱状晶的形成，有利于等轴晶的形成。若冷却速度很的形成，有利于等轴晶的形成。若冷却速度很快，可全部获得细小的等轴晶，砂型铸造往往快，可全部获得细小的等轴晶，砂型铸造往往得到较粗的等轴晶。得到较粗的等轴晶。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料柱状晶粒层柱状晶粒层形成原因形成原因：铸锭模壁定向散热的影响。结晶时单向散热，：铸锭模壁定向散热的影响。结晶时单向散热，有利于柱状晶的生成。有利于柱状晶的生成。特点特点：柱状晶晶质较致密。但柱状晶的接触面由于常有：柱状晶晶质较致密。但柱状晶的接触面由于常有非金属夹杂或低熔点杂质而为弱面，在热轧、锻造时容非金属夹杂或低

42、熔点杂质而为弱面，在热轧、锻造时容易开裂，所以对于熔点高和杂质多的金属，不希望生成易开裂，所以对于熔点高和杂质多的金属，不希望生成柱状晶；但对于熔点低，不含易熔杂质，塑性较好的金柱状晶；但对于熔点低，不含易熔杂质，塑性较好的金属，反而希望铸锭得到柱状晶结构。属，反而希望铸锭得到柱状晶结构。柱状晶的具有明显的各向异性，沿晶轴方向强度较高。柱状晶的具有明显的各向异性，沿晶轴方向强度较高。对于主要受单向载荷的机器零件，是非常理想的结构。对于主要受单向载荷的机器零件，是非常理想的结构。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料定向结晶法获得柱状晶定向结晶法获得柱状晶具有细长柱状晶的铝镍钴永磁

43、合金即是用这种方具有细长柱状晶的铝镍钴永磁合金即是用这种方法生产的。法生产的。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料中心等轴晶区中心等轴晶区形成原因：随着柱状晶粒成长到一定程度形成原因：随着柱状晶粒成长到一定程度,铸锭铸锭中心部的剩余液体温度差也愈来愈小中心部的剩余液体温度差也愈来愈小,趋于均匀趋于均匀冷却的状态；同时由于一些未熔杂志推移至铸锭冷却的状态；同时由于一些未熔杂志推移至铸锭中心中心,或将柱状晶的枝晶分枝冲断或将柱状晶的枝晶分枝冲断,漂移到铸锭漂移到铸锭中心中心,它们都可以成为剩余液体的晶核它们都可以成为剩余液体的晶核,这些晶这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同核由于

44、在不同方向上的成长速度相同,因而便形因而便形成较粗大的等轴晶粒区。成较粗大的等轴晶粒区。特点：组织往往比较疏松，机械性能不高。特点：组织往往比较疏松，机械性能不高。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料小结小结1.建立金属晶体结构的概念，区分晶体与非晶建立金属晶体结构的概念，区分晶体与非晶体、单晶体与多晶体；体、单晶体与多晶体；2.熟悉金属中常见的三种晶体结构及其特征参熟悉金属中常见的三种晶体结构及其特征参数，建立金属中多型性的概念；数，建立金属中多型性的概念；3.了解实际金属的晶体结构，金属晶体缺陷的了解实际金属的晶体结构，金属晶体缺陷的类型；类型；4.认识过冷度与结晶过程的密

45、切关系。认识过冷度与结晶过程的密切关系。晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料课后作业课后作业1.1.常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？列和晶格常数有什么特点？2.2.已知已知_Fe_Fe的晶格常数（的晶格常数（a a3.633.63）要大于）要大于_Fe_Fe的晶格常数（的晶格常数（a a2.892.89），但为什么），但为什么_Fe_Fe冷却到冷却到912912转变为转变为_Fe_Fe时，体积反而时，体积反而增大？增大？3.3.过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？晶体结构与结晶晶体结构与结晶机械工程材料机械工程材料