机电工程学院(3).ppt

114151,本章要点把金属的原子作为研究金属组织的最小单位，了解纯金属的晶体结构、结晶过程和晶体缺陷，进而加深对金属的晶体结构对性能影响的认识。,第二章金属的晶体结构与结晶,现象纯铜、纯铝较软，而钢却很硬说明什么问题为什么说明不同的金属与合金具有不同的性能。性能差别的主要原因是由于材料内部具有不同的组织和结构。采用金相分析方法，在金相显微镜下就可以看到它们的组织。用这种方法显示出来的组织称为金属材料的显微组织，它是决定金属材料机械性能的重要内在因素。金属的显微组织是由金属原子通过结晶排列而成的，在显微镜下所看到的一个个金属晶粒是由千千万万个金属原子排列而成的，这些原子的性质及其排列规律，是决定晶粒性质的内在原因。,nf06036,114151,2.1纯金属的典型晶体结构,金属在固态下通常都是晶体。要想了解金属的性能，首先必须了解金属的晶体结构。因此，首先介绍一些有关晶体的概念。,2.1.1晶体的基本知识1晶体与非晶体一切物质都是由原子组成的。固态的物质按其原子的聚集状态分为晶体crystal和非晶体non-crystal两大类。晶体是指原子按一定几何形状作有规律重复排列的物体。在晶体中，原子按一定的几何规律作周期性地排列，称为有序排列。在非晶体中，原子无规则地堆集在一起，称为无序排列。,114151,在自然界中，绝大多数固体都是晶体。晶体之所以具有这种规则的原子排列，主要是由于各原子之间相互吸引力和排斥力相平衡的结果。由于晶体内部原子排列的规律性，有时甚至可以见到某些物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐、黄铁矿等，但金属晶体一般看不到这种规则的外形。,晶体与非晶体之间在性能上存在着明显的差异。晶体有固定的熔点（如铁为1538℃、铜为1083℃、铝为660℃），且在不同方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。非晶体没有固定的熔点，随温度升高，固态非晶体将逐渐变软，最终成为有显著流动性的液体。液体冷却时将逐渐稠化，最终变为固体。此外，因非晶体物质在各个方向上的原子聚集密度大致相同，因此表现出各向同性（或称等向性）。,晶体与非晶体之间在性能上有没有差异呢,114151,应当指出，晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。例如玻璃经高温长时间加热能变为晶态玻璃；而通常是晶态的金属，如从液态急冷冷却速度＞107℃/s，也可获得非晶态金属。非晶态金属与晶态金属相比，具有高的强度与韧性等一系列突出性能，故近年来已为人们所重视。,114151,实际晶体中的各类质点包括离子、电子等虽然都是在不停地运动着，但通常在讨论晶体的一般结构时，为了便于对问题的分析，仍然都是从“静态”出发，并且通常把构成晶体的原子都看成是一个个固定的小球，而不再去把它们细分为离子与电子。,就是说，晶体是由一个个原子的小球按一定的几何形状排列起来的。右图所示为一最简单的晶体结构模型。,2晶格、晶胞和晶格常数,114151,晶格在研究晶体结构时为了便于分析各种晶体中原子排列规律和几何形状，通常把组成晶体中的每一个原子视为一个几何结点，并用假想的几何直线把各结点中心连接起来，便形成一个三维空间格架。这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的三维空间格架，称为结晶格子，简称晶格。,还可以用另一种方法进行抽象，即把晶体中的原子、离子或分子视为质点，不用线条将质点连接，这种用于描述各种晶体结构的空间几何点的阵列，通常称之为空间点阵，简称点阵。晶格或点阵都是用于研究晶体结构的空间几何模型，但在金属学中通常用晶格的概念。,114151,晶胞由于晶体中原子作周期性重复规则排列，因此可以在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来表示原子排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞crystalcell。,114151,晶格常数在晶体学中，用来描述晶胞大小有形状的几何参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边的长度a，b，c和三个棱边夹角α、β、γ共六个参数。其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。计量单位Ǻ埃1Ǻ110-8cm。,右图晶胞其晶格常数abc，而αβγ90˚，这种晶胞叫做简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。简单立方晶格只见于非金属晶体中，在金属中则看不到。,114151,各种晶体物质，或其晶格形式不同，或其晶格常数不同，主要与其原子构造、原子间的结合力或称结合键的性质有关；晶格形式及晶格常数不同，不同晶体便表现出不同的物理、化学和机械性能。,晶系在自然界中，以晶体形式存在的物质极其繁多，晶体类型也各式各样，结构很复杂。按照它们各自主要结构特点予以归纳分类。基本类型共有十四种，通常称为布拉菲点阵。在晶体学中对这十四种点阵又可按其晶胞的棱边长度和夹角的不同而将它们归纳成七大晶系即立方、菱方、正方、斜方、六方、单斜、三斜系,虽然，金属材料种类繁多，但我们常用的金属材料中，能遇到的晶体结构形式最多只有立方、正方、斜方及六方四种。,114151,1金属的特性和金属键晶体分为金属晶体与非金属晶体。金属晶体有它独特的性能，如具有金属光泽以及良好的导电性、导热性和塑性。金属与非金属的根本区别是金属的电阻随温度的升高而增大，即金属具有正的电阻温度系数，而非金属的电阻却随温度的升高而降低，即具有负的温度系数。金属之所以具有上述特性，是由于金属原子内部的结构及原子间的结合方式决定的。,2.1.2金属的晶体结构,114151,金属晶体就是依靠各正离子与公有的自由电子间的相互引力而结合起来的，而离子与离子间及电子与电子间的斥力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定的晶体状态。,金属原子的这种结合方式称为“金属键”。右图为金属键的示意图。除铋、锑、锗、镓等类金属为共价键结合外，其余的金属主要是金属键结合。,由于金属晶体是金属键结合，因而使金属具有一系列的金属特性，如电流、电阻等。,114151,2常见金属晶体的结构由于晶胞可以描述晶格和晶体结构，因此研究晶体结构就在于考查晶胞的基本特性。,根据原子排列规律不同，可以将晶格的基本类型划分为14种，但大多数金属晶格都属于体心立方、面心立方及密排六方三种晶格类型见下图。,114151,1.体心立方体晶格体心立方体晶格属于立方晶系。示意图见下图。晶格参数为abc；90立方体八角上个有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方体晶胞中的原子个数为1/8812个。,属此晶格的金属有铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌等。,114151,2.面心立方体晶格面心立方体晶格也属于立方晶系。示意见下图。晶格参数为abc；90。在晶胞的八个角上共有一个原子，六个面上共3个原子，所以，每个面心立方体晶胞个有四个原子，即1/881/264个。,属此晶格的金属有铁、铝、铜、镍、金、银、铂、铑、铅等,114151,3密排六方晶格密排六方晶格属于六方晶系。示意见下图。晶格参数abc；；120。每个六方晶胞中有六个原子，即1/6121/2236个。,属此晶格的金属有镁、锌、铍、钛、镉等。,114151,三晶格的致密度,晶格的致密度每个晶胞中原子所占的总体积与晶胞的体积之比。是用来表示晶体中原子排列的紧密程度,经过计算可知体心立方体的致密度为0.68；面心立方体和密排六方晶格的致密度都是0.74。,114151,配位数晶格中与任一原子处于相等距离且距离最近的原子数，称为配位数。显然，配位数愈大，原子排列愈紧密。,不论从致密度或配位数来看，面心立方和密排六方晶格的原子排列都同样是最紧密的。,表2‑2三种典型晶格的数据,114151,2.2实际金属的结构,2.2.1多晶体内部晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。理想的几何单晶体，在自然界中几乎是不存在的。我们所应用的金属由于它们受结晶条件和许多其他因素的限制，其结构都是由许多尺寸很小的，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。由于其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，故通常称为晶粒grain。晶粒与晶粒之间的交界称为晶粒间界，简称晶界grainboundary。由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体polycrystal。,114151,晶粒的尺寸，在钢铁材料中，一般在10－1～10－3mm左右，必须在显微镜下才能看见。在显微镜了所观察到的金属中的各种晶粒的大小、形态和分布称为显微组织microscopicstructure,实际上每个晶粒内部的晶格位向在不同区域上还有微小的差别，一般仅10～20左右，最多达1～2。这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚晶或嵌镶块，如图所示。因其尺寸较小，故常须在高倍显微镜或电子显微镜下才能观察得到。,114151,这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶体中局部原子排列不规则的区域。实际上，金属由于结晶及其它加工等条件的影响，而使得晶粒内部也存在着大量的缺陷，更不要说晶界了。这些缺陷的存在，对金属的性能物理性能、化学性能、特别是机械性能都将发生显著的影响。根据晶体缺陷crystaldefects存在形式的几何特点，通常将它们分为点缺陷、线缺陷以及面缺陷三大类。,2.2.2晶格缺陷,114151,是指晶体空间中，在长、宽、高三维尺度上都很小的，不超过几个原子直径的缺陷是指以一个点为中心。在它的周围造成原子排列的不规则，产生晶格的畸变和内应力的晶体缺陷。主要有间隙原子，置换原子，晶格空位三种。,1.点缺陷,114151,线缺陷linedefect是在晶体的某一平面上，沿着某一方向，伸展开来呈线状分布的一种缺陷。这种缺陷的特征是，在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸则很短。这种缺陷的主要形式就是各种类型的位错dislocation。简单说就是指晶体中某一列或若干列原子发生有规律的错排现象。它引起的晶格错线为中心轴的一个管状区域。,2线缺陷,114151,主要是指晶界和亚晶界。面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。原子的位置处于两晶格的取向所能适应的折衷位置上。面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带。其厚度重要取决于相邻的两晶粒或亚晶粒的晶格位向差的大小及晶格变化的纯度。,通过上述讨论可见，凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能发生显著的变化。那么，金属中的多晶结构和晶格缺陷是怎样形成的呢为此就必须从金属凝固时的结晶过程谈起。,3.面缺陷,114151,为什么要了解金属的结晶规律呢,2.3金属的结晶与同素异构转变,因为金属的组织与结晶过程有密切关系，金属一般都要经过熔炼、浇注成形、或浇注成铸锭再经冷热加工成形。这样结晶形成的组织，直接影响金属内部的组织与性能。,114151,物质从液体状态转变为固态晶体的过程称为结晶crystallize。从物质的内部结构指内部原子排列情况来看，结晶就是从原子不规则排列状态液态过渡到规则排列状态晶体状态的过程。实际上，液体状态下原子的排列并非完全没有规则，而是存在着所谓近程有序，但这些排列是不稳定的，每一个规则排列的原子集团只在一瞬间产生，接着就消失。但对整个宏观体积的液体金属来说，在每一瞬间都存在着许多近程有序的原子集团。,2.3.1纯金属的结晶,114151,1冷却曲线与过冷度对于每种金属，存在着一定的平衡结晶温度用T0或Tm表示，当液态金属冷却到低于这一温度时即开始结晶。如水冷却到0℃以下就要结冰一样。在平衡结晶温度下，液态金属与其晶体处于平衡状态。为什么呢因为这时液体中的原子结晶到晶体上的速度与晶体上的原子熔入液体中的速度相等。从宏观的范围看，这时既不结晶也不熔化，晶体与液体处于平衡状态。只有冷却到低于平衡结晶温度才能有效地进行结晶。,纯金属的结晶是在恒温下进行的，结晶过程可用冷却曲线来描述。,114151,金属的结晶温度可以用热分析法测定。热分析的大概的过程如下先将金属加热到熔点温度以上熔化呈液态，然后以非常缓慢的冷却速度冷却到室温，每隔一定的时间记录一次温度值直到室温。于是就建立起温度－时间的关系曲线，即冷却曲线，如图所示。,当金属开始结晶时，由于放出结晶潜热，在冷却曲线上就出现一段水平线温度不变，这段水平线所对应的温度就是实际结晶温度用Tn表示。实际结晶温度总是低于平衡结晶温度，两者之差称为过冷度，用△T表示。,△T与冷却速度、金属纯度等因素有关。冷却速度愈快，过冷度愈大。实际金属的结晶总是在过冷的条件下才能进行。,114151,纯金属结晶时，首先在液态金属中形成细小的小晶体，称为晶核crystalnucleus。它不断吸附周围原子而长大。同时在液态金属中又会产生新的晶核，直到全部液态金属结晶完毕，最后形成许许多多不规则、尺寸大小不等的小晶体。因此，液态金属的结晶过程包括晶核的形成与长大这相互联系、相互重叠的两个过程，如图所示。,成核分为自发成核和非自发成核。,2.结晶过程,114151,为什么在一定的温度条件下低于平衡结晶温度，就会发生液态向固态的转化呢,3.结晶的条件,达到了结晶开始温度，同种化学成分金属其固态的自由能就开始低于液态的，由于物质在通常条件下都是自动朝自由能低的方向转变。也就是说自由能是金属结晶的动力学条件。而自由能差是液固转变的推动力。而自由能差的大小又取决于过冷度的大小。显然，过冷度也就是金属结晶的动力学条件。金属的结晶过程是原子由不规则排列向规则排列的变化过程。这是需要原子进行迁移和扩散。一定的结晶温度就可以保证原子必要的运动、保证足够的扩散能力。足够的温度是完成结晶过程的热力学条件。,114151,只有当动力学条件与热力学条件都得到保证金属就会顺利的结晶。两者缺一不可。例如只有热力学条件而没有动力学条件金属不能凝固结晶；只有动力学条件而没有热力学条件金属虽然可以凝固但不能结晶。若金属液的冷却速度非常大，使过冷度极大，原子来不及扩散就会出现非晶金属。目前，在工业上已据此制造出了非晶金属微粉和箔。,114151,大多数金属结晶终了后，在继续冷却过程中，其晶体结构不再发生变化。但某些金属在固态下，因所处温度不同，而具有不同的晶格形式。例如，铁有体心立方晶格的-Fe和面心立方晶格的γ-Fe；钴有密排六方晶格的-Co和面心立方晶格的β-Co。金属在固态下随温度的变化，由一种晶格变为另一种晶格的现象，称为金属的同素异晶转变allomorphism。由同素异晶转变所得到的不同晶格的晶体，称为同素异晶体。在常温下的同素异晶体，一般用希腊字母表示。较高温度下的同素异晶体依次用β、γ、δ等表示。,2.3.2金属的同素异构转变,114151,实验表明，在770℃以上，纯铁将失去铁磁性；因此，在770℃时的转变称为磁性转变。由于磁性转变时，晶格不发生改变，所以就没有形核和晶核长大的过程。,114151,2.4.1晶粒度的概念实际金属结晶之后，得到由大量晶粒组成的多晶体。对于纯金属，决定其性能的主要结构因素是晶粒的大小。在一般情况下，晶粒愈细，则金属的强度、硬度、塑性、韧性愈好。所以晶粒细化是提高金属材料机械性能的最重要的途径之一。,2.4晶粒大小及其控制,晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小即晶粒度，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。,晶粒度与生核速率N晶核形成数目/s∙mm3和长大速度Gmm/s有关。生核速率愈大，则结晶后晶粒愈多，晶粒愈细小；相反，若生核速率不变，晶核的长大速度愈小，则结晶的时间愈长，生核的晶核愈多，因而单位体积中的晶粒数愈多。,114151,2.4.2晶粒度的控制,1提高金属的过冷度图2‑23是实际测得的金属结晶时的过冷度与形核率与长大速度之间的关系。,增大过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度。,根据结晶过程的基本概念，为了获得细晶粒的结构，原则上可以采用以下几种措施。,114151,2进行变质处理金属的体积较大或形状复杂的铸件，生产上为了得到细晶粒铸件，多采用所谓变质处理。变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等，都可使晶粒细化；在铁水中加入硅铁、硅钙合金时，能使组织中的石墨变细；在铝硅合金中加入钠盐，钠能富集在硅的表面，降低硅的长大速度，阻碍粗大的硅晶粒的形成，使合金的组织细化。3结晶时采用振动方法，使枝晶破碎，增加晶核的数量，从而细化晶粒。,nf060308,114151,在实际生产中，液体金属是在铸锭模或铸型中结晶的，由于铸造工艺条件不同，如浇注温度、浇注方法、浇注尺寸及模型种类等等，都会对结晶过程产生影响。2.5.1铸锭结构的形成,2.5铸锭的结构,1表面细晶粒层2柱状晶粒层3中心粗大等轴晶粒区,金属铸件凝固时，由于表面和中心的结晶条件不同，铸件的结构是不均匀的。其组织是由如下三层不同外形的晶粒组成,114151,2.5.2铸锭结构的特性钢锭一般不希望得到柱状晶组织，因为钢的塑性较差，而且柱状晶平行排列呈现各向异性，在锻造或轧制时容易发生开裂，尤其在柱状晶层的前沿及柱状晶彼此相遇处，当存在低熔点杂质而形成一个明显的脆弱界面时，更容易发生开裂。所以生产上经常采用振动浇注或变质处理等方法来抑制结晶时柱状晶粒层的扩展。,114151,主要的缺陷如下1）缩孔和疏松除了Sb和Bi外，所有的金属凝固时都发生体积收缩。一般在铸锭顶部加一个保温冒口，冒口部分散热慢最后凝固而把缩孔集中在冒口中，在压力加工时将其切除。在压力加工时，疏松一般可以焊合。2）气泡溶解于液体金属中的气体，在金属凝固时，因气体在固态金属中溶解度较低而部分地析出，形成气泡。来不及上浮至液面就遗留在铸锭中。铸锭内部的气泡在压力加工时一般可以焊合。但是，对于那些靠近铸锭表面的皮下气泡，在轧制时往往造成起皮和裂纹等缺陷。除此以外，铸锭和铸件中往往还存在着各种类型的偏析化学成分不均匀，关于偏析的问题将在二元合金状态图中进行讨论。,2.5.3铸锭结构的缺陷,114151,END,