吉林大学工程材料第1章 金属的晶体结构和结晶.ppt

第一章 金属的结构与结晶 §1-1 金属的晶体结构 二、金属结晶的基本过程 基本过程：晶核的形成与晶核的长大。(如左图所示) （一）晶核的形成 金属结晶时 1. 均匀形核或自发形核： 形核时由该金属本身在液体中直接产生晶核。 形核方式有两种： 液体金属中原子热运动强烈，因此原子排列是混乱的。但在接近结晶温度时，液体金属中也会出现一些小范围规则排列的原子集团。当这种原子集团的半径大于某一个临界值rc时，它们继续长大会造成系统自由能的降低，因而能自发的长大，这些原子集团就会成为结晶核心。rc称为晶核的临界半径，它随过冷度的增大而减小。在过冷度较大时，原来不能成为结晶核心的小原子团也可能成为结晶核心。 2. 不均匀形核或非自发形核： 形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。 晶核： 就是能真正成长为晶体的原子集团。 （二）晶核的长大 晶核的长大方式： 金属的长大形式通常是枝晶长大（如图） 三、金属铸锭及金属铸件 在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成固态的，可分别得到金属铸锭（具有一定形状的金属块，通常需经一定的塑性加工变形后再使用）或铸件（具有特定产品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而直接使用）。这个过程可称为铸造。 对于金属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区 。 （一） 表面细晶粒区 模壁T↓→冷却速度↑→ΔΤ↑+人工晶核（模壁）→晶粒等轴、细小、均匀。 三个部分组成 （二）柱状晶区 随时间推移→模型T↑→冷却速度↓??ΔT↓??形核率下降 向模壁定向散热 ?? 晶粒定向长大 柱状晶 （三）中心等轴晶区 随时间进一步推移 ?? 散热能力↓→散热方向性↓→均匀冷却且冷却速度↓ 又：杂质聚集，枝晶折断 ?? 晶核?? 各向均长大 粗等轴晶 金属铸锭示意图 实际金属铸锭 （四）铸造缺陷 ——如前述的三层晶区 凝固条件不同，三区可相对增减 ——体积收缩造成，在最后凝固处，因得不到钢液的补充而形成； ——在缩孔、疏松周围还常有积聚各种低熔点杂质的区域 （最后凝固所至） ⑤气泡、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析（化学成分不均）等等。 ① 组织不均匀 ②缩孔 ——在缩孔周围形成的微小分散孔隙 ③疏松 ④区域偏析 四、结晶过程中晶粒的大小及其影响因素 在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个参数来控制的： 形核率N—— 形核数／s·mm3 生长率G—— mm/s 最后得到的晶粒大小，与N、G有关 在体积一定时N↑→晶粒尺寸↓； G↑→晶粒尺寸↑ 可见，晶粒的大小取决于比值N/G，N/G↑→d晶↓ （一）过冷度ΔT的影响 在结晶过程中G、N与过冷度ΔT和自由能差ΔF有关： ΔT ↑ → ΔF↑→G、N↑。 但是随过冷度（ΔT）的增大 G、N增大速度不同。 * 一、晶体 1.晶 体：是指其中的原子(或离子)呈规则的周期性排列的物质。 反之为非晶体。 在不同的方向上测量非晶体性能时，其值不因方向而异的现象 在不同的方向上测量晶体性能时，其值因方向而异的现象 非晶体： 各向异性： 各向同性： ①晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子叫晶格。 晶胞的取法很多，一般取平行六面体。 ②晶胞：就是(这种)组成晶格的最基本的几何单元。 2.晶体与非晶体的区别： 晶 体——原子排列有规则， 呈周期性，有一定熔点，各向异性 非晶体——原子排列无规则，不呈周期性，无一定熔点，各向同性 晶体中原子排列的方式称为 。 结构不同，其性能也不同。 3.晶体结构的描述 晶体结构 ③晶格常数(点阵参数)： 晶胞各边尺寸a、b、c。 （如右图）单位 (10-10m) 晶胞各边之间的夹角以?、?、?表示。 刚球模型 晶 格 晶 胞 (hard sphere model) (lattice) (unite cell) 二、金属键与金属的特性 1 金属键： 固态金属所具有的特性，就是由金属键的本质产生的。如在固态金属中具有的特性如下： ①有良好的导热性； ②有良好的导电性； ③有良好的延展性； ④正电阻温度系数，等等 金属键示意图 在固态金属中，电子云与正离子间的引力与正离子及电子间的斥力相平衡而形成的结合方式，叫金属键。 由于金属键无方向性及饱