2.1金属晶体与金属结晶(课件）--2022-2023学年高二劳动版《金属材料及热处理（第三版）》

模块二 金属与合金 模块二 金属与合金 任务三　铁碳合金及其相图 任务二　合金的基本组织与性能 任务一　金属晶体与金属结晶 01 金属晶体与金属结晶 在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体，例如，普通玻璃、松香、石蜡等均属于非晶体；相反，凡原子呈有序、规则排列的，称为晶体，例如，石英、食盐等。金属在固态下一般均属于晶体。 晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差异。晶体具有固定的熔点，而非晶体没有固定熔点；晶体在不同的方向上表现出不同的性能，即各向异性，而非晶体却表现出各向同性等。 任务一　金属晶体与金属结晶 一、晶体与非晶体 1．晶体结构的概念 晶体内部原子是按一定几何规律排列的，为了便于理解，可以把原子看成一个小球，则金属晶体就是由这些小球按一定规律堆积而成的，如图2-2 所示。 任务一　金属晶体与金属结晶 二、金属的晶体结构 为了更加直观地表示晶体中原子的排列规律，再将原子简化成一个质点，用假想的线将这些质点连接起来，就形成了具有一定规律性的空间格架，这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架称为晶格，如图2-3a 所示。 由图可见，所谓原子在晶体中的排列规律，其中之一就是具有明显的周期性，即晶格是由许多形状、大小完全相同的几何单元重复堆积而成的。能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，如图2-3b 所示。 任务一　金属晶体与金属结晶 2．金属晶格的类型 金属晶格的类型很多，见表2-1。 金属的性能与其晶格类型和原子间的结合力有着密切关系。如在金属晶体中，不同平面和方向上原子排列的疏密程度不同，原子间的结合力也就不同，从而呈现各向异性。由于面心立方晶格晶体可以产生多方位的变形，因此，此类晶格的金属都具有良好的塑性。 任务一　金属晶体与金属结晶 1．纯金属的冷却曲线及过冷度 纯金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究，图2-4 所示为热分析法装置示意图。将纯金属加热熔化成液体，然后缓慢地冷却下来，在冷却过程中，每隔一段时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度（T）—时间（t）坐标图中，便获得了纯金属的冷却曲线，如图2-5 所示。 任务一　金属晶体与金属结晶 三、纯金属的结晶 由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的延长，它所含的热量不断向外散失，温度 不断下降。当冷却到a 点时，液态金属开始结晶。在结晶过程中，由于释放出来的结晶潜热补偿了冷却时散失的热量，使结晶温度并不随时间的延长而下降，在冷却曲线上出现了“平台”。直到b 点结晶终了时，温度才继续下降。a、b 两点之间的水平线即结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。理论上金属冷却时的结晶温度（凝固点）与加热时的熔化温度（熔点）相同，即金属的理论结晶温度T0。 任务一　金属晶体与金属结晶 实际上当液态金属冷却到理论结晶温度T0 时并不开始凝固，而是冷却到T0 以下某一温度T1 时，才开始结晶，如图2-6 所示。金属的实际结晶温度T1 总是低于理论结晶温度T0，这种现象称为过冷。理论结晶温度T0 和实际结晶温度T1 之差称为过冷度（ΔT = T0 - T1）。金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。 任务一　金属晶体与金属结晶 2．纯金属的结晶过程 图2-7 所示是纯金属的结晶过程示意图。结晶过程可以分为以下几个步骤。 （1）形成晶核。在一定过冷度条件下，从液态金属中首先形成一些微小而稳定的小晶体，然后以它为核心逐渐长大。这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。 任务一　金属晶体与金属结晶 （2）晶核长大。在晶核长大的同时，液态金属中又不断产生新的晶核，并不断长大。 （3）结晶完成。晶核长大直至互相接触，液态金属完全消失，结晶完成。 因此，结晶过程是晶核形成与长大的过程。在结晶完成后，每个晶核成长为一个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界，图2-8 所示是在金相显微镜下观察到的纯铁的晶粒和晶界的图像。 任务一　金属晶体与金属结晶 结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体（见图2-9a），如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗。单晶体中的原子排列位向是完全一致的，其性能表现为各向异性。但是单晶体的形成条件十分严格，需要采用特殊方法才能获得。大多数晶体结晶后是由许多位向不同的晶粒组成的，称为多晶体（见图2-9b）。由于多晶体内各晶粒位向互不一致，它们自身的各向异性彼此抵消，因此整体表现出各向同性，也称为“伪无向性”。金属在正常冷却条件下得到的都是多晶体。 任务一　金属晶体与金属结晶 3．金属结晶后的晶粒大小 （1）晶粒大小对力学性能的影响 金属的晶粒大小对其力学性能有很大的影响。在常温下，金属的晶粒越细小，其强度、硬度越高，塑性、韧性越好。因此，生产中通常希望获得细小晶粒的金属。晶粒大小