null 第四章 金属的晶体结构和结晶
The Crystal structures and crytalization of metals
第四章 金属的晶体结构和结晶
The Crystal structures and crytalization of metals
§4-1 金属的晶体结构 §4-1 金属的晶体结构 一、晶体
㈠晶体与非晶体
⒈定义:内部原子呈周期性有规则排列的物质,称为晶体.。与之对应的其它物质为非晶体。
⒉晶体的特点:
① 具有固定的熔点:如纯Fe熔点为1538℃;② 具有各向异性:在各个方向都不相同(多晶体除外);③ 内部原子按一定规律排列(最大特点);null(二)晶体结构的抽象研究方法
⒈晶格
定义:用以描述原子在晶体中排列规律的空间格子叫做“晶格”。也称为“空间点阵”。 null⒉晶胞
定义:构成晶格的最基本的单元,称为晶胞。
⒊晶格常数: 晶胞各边的尺寸称为晶格常数。
单位A°(1A°=10-8cm)
⒋晶面
晶格中各个方位的原子面称为晶面。
表示晶面的符号称为晶面指数。
⒌晶向
晶格中各个方向上的原子列称为晶向。沿不同晶向,原子排列不同,造成各向异性。表示晶向的符号称为晶向指数。nullnull二、常见的晶体结构(金属晶格)
1.体心立方晶格
一个晶胞中的原子数:8×1/8 + 1 = 2(个)
具有这种晶格的金属有:室温下的Fe(-Fe)、Cr、W、Mo、V等。null2.面心立方晶格
一个晶胞中的原子数:8×1/8 + 6×1/2 = 4(个)
具有这种晶格的金属有:高温(912~1394℃)下的
Fe(-Fe)、Cu、Al、Ag、Ni等。null3.密排六方晶格
正六棱柱体,上、下2个正六方底面,两个底面之间有3个原子及两个底面的中心各有一个原子。
一个晶胞中的原子数:6×1/6×2+2×1/2+3=6(个)
具有这种晶格的金属有:Mg、Zn、Cd等。null1.定义:
固态金属在不同温度或压力下,具有不同晶格的现象,称为同素异构现象。
即相同的元素,不同的结构。 三、金属的同素
异构转变(重点)null 固体下金属在外界条件改变时,由一种晶体结构(晶格)转变成另一种晶体结构(晶格)的现象,称为同素异构转变。
2.同素异构转变的意义
① 由于同素异构现象,使金属在不同温度下具
有不同的性能;
② 由于不同的晶体结构,致密度不同,在同素
异构转变时,有体积的变化;
③ 钢、铸铁的成份绝大部份是铁,所以钢、铸
铁也会发生同素异构转变。null四、实际金属的晶体结构
(一)多晶体与单晶体
1.晶粒: 一般金属是由许多颗粒组成的,这些颗粒称为晶粒,晶粒的尺寸比较小,直径一般在0.1~0.01mm,有时也很大,如镀锌板(白铁皮)的晶粒就很大。单晶体:只有一个晶粒组成的晶体(人工方法培殖); 由多个(无数)晶粒组成的晶体称为多晶体。null 2.晶界
两个晶粒之间的过渡区称为晶界。
(二)晶体缺陷
按缺陷的几何形状分为三类:
1. 点缺陷:
三维尺寸都很小。
①空位;
②间隙原子;
③异类原子(分为杂质和合金化原子)。
两种存在方法:
一种是成为间隙原子;另一种是成为置换原子。
后果:晶格畸变,机械、理化等性能变化。 nullnull2. 线缺陷(位错)
定义:晶体的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象,称为位错。
位错的基本形式: ①刃型位错; ②螺型位错null位错密度加工硬化态退火态强度s理论值 位错是金属强化的重要原因。null3. 面缺陷
如晶界。在晶界上,晶格畸变,常有杂质存在,熔点、耐蚀性都比晶粒内部低。 §4-2 金属的结晶§4-2 金属的结晶一、结晶中的基本概念
结晶:金属由液态凝固成固态晶体的过程,称为~。理论结晶温度
实际结晶温度:金属实际的结晶Tn总是小于To,
Tn这个温度称为~。
过冷:液态金属冷却到理论结晶温度以下的某个温度才开始结晶的现象,称为过冷。
过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差,称为~。
过冷是结晶的必要条件。 冷却速度越大,过冷度越大。nullnullnull二、结晶的能量条件 引入自由能F作为描述结晶过程的能量参数。
F,F与T有关。null三、结晶的过程
㈠ 结晶的基本规律:实际上包含了两个过程:形核和长大。
晶核:液体中最先出现的作为结晶核心的微小晶体,称为~。
㈡ 晶核的形成
1. 自发成核:
条件:① 液态金属很纯净(没有杂质);
② 有足够大的过冷度。
2. 非自发成核: 需要的能量低,过冷度小。
条件:① 液态金属中存在未溶的固体质点:
杂质或有意加入;
② 固体晶格的类型与金属的晶格类
型相近。null ㈢ 晶核的长大
长大包含两个方面:即长大方式(对组织有很大影响)和长大速度。
① 长大方式 :
② 长大速度:取决于△T,△T大,则V△长大 。null四、晶粒度及其控制方法
定义:晶粒的大小,称为~。⒈ 晶粒度与金属机械性能的关系
晶粒越小,机械性能(强度,塑性,韧性等)好,越细越好。
强韧化处理的途径之一就是细化晶粒。nullnull⒉影响晶粒度的因素
晶粒的大小取决两个方面:形核率N(成核数/(mm3.秒)) 和长大速度G(mm/s)
①△T的影响
②非自发成核的影响 (变质处理)
在浇注时,向液态金属中加入一定量的变质剂或孕育剂以形成大量的人工晶核,均匀分布,从而细化晶粒的方法,称为变质处理(孕育处理)。
应用:铸造缸套时加Si-Fe、Si-Ca;浇注铝活塞时加NaCl常用的。
③振动。 §4-3 铸锭和焊缝的组织 §4-3 铸锭和焊缝的组织 一、铸锭的组织
⒈ 表面细晶粒层 ;
⒉ 柱状晶粒层;
⒊ 中心等轴晶粒层。
结论:
铸锭组织不均匀,
晶粒粗大,“内在
质量不均匀” 。null二、铸锭的组织
1. 组织特点:
⑴ 结晶组织方面;
⑵ 化学成分:偏析(比重偏析、晶内偏析)。
⑶ 物理方面:缺陷、缩孔、气孔等,导致组织
致密度下降。
2. 改善组织的方法:
设法提高内在质量的均匀性。
不能消除,只能减小;一般通过控制结晶过程来
控制晶粒大小,方法见前述。
三、焊缝的组织null小结与思考题
1.解释:晶体、晶格、晶胞、晶粒、晶界、单晶体、多晶体、过冷、过冷度、位错、同素异构转变、变质(孕育)处理。
2.常见的晶体结构有哪几种?
3.实际金属常存有哪些缺陷?对金属的机械性能有哪些影响?
4.液体金属发生结晶的必要条件是什么?用哪些方法可以获得细晶粒?依据是什么?
5.晶体结晶的规律是什么?
6.铸锭的组织有哪几层组成?有何特点?
7.画出立方晶格的(211)及[221]。
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