【精选】第三章 金属的晶体结构与结晶
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金属材料第三章结晶
第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
金属材料第三章结晶
第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn 低于理论结晶温度Tm 的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△ T=Tm -Tn ,其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
金属的结构与结晶
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之 差：ΔT=T0-Tn 。 过冷是结晶的必要条件。 晶核：形成规则排列的原子集团而成 为结晶的核心。晶核分为自发晶核和外 来晶核两种。
2、结晶过程 液态金属中原子结晶的过程，即晶核 不断地形成及长大的过程，直到液态金 属已全部耗尽，结晶过程也就完成了， 如图所示。
金属的结构 与结晶
一 金属的结晶结构
一、晶体与非晶体 1.非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况 的，称为非晶体。 如：普通玻璃、松香、树脂等。
2.晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金 属的固态、金刚石、明矾晶体等。 性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非 晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
(2)变质处理 在浇注时向液态金属中加入一定的变 质剂，起到外来晶核的作用，并能在铸 件的整个体积内都能得到均匀细化的晶 粒。 (3)振动 机械振动、超声波振动、电磁振动等， 造成枝晶破碎，使晶粒数量增加，达到 细化目的。 此外，还可以采用热处理和压力加工的 方法，使固态金属的粗晶粒细化。
二、同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是一成不变 的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶 格类型都会随温度的升高或降低而发生 改变。一种固态金属，在不同的温度区 间具有不同的晶格类型的性质称为同素 异构性。
单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列 方位完全一致)，如图所示。单晶体必须 专门人工制作，如生产半导体元件的单 晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现 象称为各向异性。 普通金属材料都是多晶体。多晶体的金 属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于 各个晶粒位向不同，加上晶界的作用， 这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因 而整个多晶体呈现出无向性，即各向同 性。
3、晶粒大小与机械性能的关系 金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、 硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生 产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以 下几种方法： (1)加快冷却速度 金属结晶过程中过冷度愈大，结晶推动 力增加，生核速率增长要快一些，故过 冷度愈大，晶粒愈细。薄壁铸件的晶粒 较细，厚大的铸件往往是粗晶，铸件外 层的晶粒较细，心部则是粗晶。
金工--3-晶体结构
间隙原子
晶格空位
11
（2）线缺陷
在三维空间的两个方向上尺 寸很小的晶体缺陷，如位错。
G H E
F B
位错 — 是指晶格中一列或若 干列原子发生了某种有规律的 错排现象。
A
位错造成金属晶格畸变， 位错造成金属晶格畸变，并 对金属的性能，如强度、塑性、 对金属的性能，如强度、塑性、 疲劳及原子扩散、 疲劳及原子扩散、相变过程等 都将产生重要影响。 都将产生重要影响。
多晶体材料内部以晶界分开的、晶 体学位向相同的晶体称为晶粒。 将任何两个晶体学位向不同的晶粒 隔开的那个内界面称为晶界。
9
由于一般的金属材料是多晶体结构， 由于一般的金属材料是多晶体结构，故 通常测出的性能是各个位向不同的晶粒的 平均性能， 平均性能，其结果使金属材料显示出各向 同性。 同性。
晶粒越多，晶界也越多， 晶粒越多，晶界也越多，则晶粒移动所受 的阻力越大，宏观来看，材料越不容易发生变形， 的阻力越大，宏观来看，材料越不容易发生变形， 即材料的硬度越高，强度越好。 即材料的硬度越高，强度越好。
一、冷却曲线与过冷度
纯金属的结晶是在一定的温度下进行的（恒温），其结晶过程可用冷却曲线 来描述。 【冷却曲线】 冷却曲线】 首先将金属熔化，然后以缓慢的速度冷却，记录温度-时间之间的关系，并 在温度-时间坐标上绘制出来，所得到的图形。
14
1 理论结晶温度
液态金属随着时间的推移，温度不断下降，当冷却到某一温度时，在冷 却曲线上出现水平线段，这个水平线段所对应的温度就是金属的理论结晶温 度(T0)。 （计算出来的）
3
晶面
晶 格
晶 面
晶 向
晶
晶 胞
4
（三）常见的金属晶格类型
金属的晶体结构和结晶
2 影响晶核形成和长大的因素
图2-2 成核速率、长大速度与过冷度的关系
1）过冷度：ΔT大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和
长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N不G 的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化丌利， 结晶发生困难。 2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合 金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶 时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒 的处理方法。 3)机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
形核有自发形核和非自发形核两种方式， 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规 则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表 面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得 多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。
晶体的长大以枝晶状形式迚行的，并丌断地分枝发展。
金属的晶体结构与结晶
讲师：郑欣
本章目的：
1 建立金属晶体结构的理想模型；
2 揭示金属的实际晶体结构；
金属的晶体结构
一、晶体的基本概念
1．晶体 非晶体
所谓晶体是指其原子（离子或分子） 在空间呈规则排列的物体非晶体则反 之。 特点：晶体——①有熔点；②具有各 向异性。如：食盐，冰，金刚石，金 属等。 非晶体——①无熔点；②各向 同性。如：玻璃，松香，沥青等。
本章结束！
体心立方晶格的致密度：
4 3 K 2 a 3 4
3
a 0.68
3
即晶格中有68%的体积被原子占有，其余为空隙。
属于这种体心立方晶格的金属有Fe(＜912℃,α-Fe)、Cr、
Mo、W、V等。
第3章金属与合金的结晶.
数目或晶粒的平均直径来表示。 晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能 均有很大的影响。金属的强度、硬度、塑性和韧性等都 随晶粒的细化而提高。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
第三章金属的晶体结构与结晶
第三章 金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
工程材料与机械制造基础-3-金属的晶体结构与结晶
17:05
金属的结晶
• 纯金属的结晶过程 • 液态金属的结晶过程分为两个阶段：① 形成晶核，② 晶核长大。
17:05
纯金属的结晶过程
• 晶核的形成过程 • 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时 聚时散，称为晶坯。 • 在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的 晶坯将会长大，称为晶核。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃型位错的形成
实际金属的结构
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。 • 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
17:05
{110}
Z （110） （011） （011） （101） （101） Y （110）
X
17:05
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、 [010]、 [001] 110 : [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] 111 : [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111]
密排六方晶格的参数
常见的金属晶格
• 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
常见的金属晶格
三种常见晶格的密排面和密排方向
•单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。
17:05 三斜
金属的晶体结构
纯金属的晶体结构与结晶
纯金属的结晶都是在一定温度下进行的， 它的结晶过程可用冷却曲线来描述。
1.2 纯金属的结晶
如图所示，纯 金属的冷却曲线上 有一个平台出现， 这个平台所对应的 温度就是纯金属进 行结晶的温度。
1.2 纯金属的结晶
➢ 纯金属的结晶都是 在恒定的温度下进行 的 ➢ 纯金属在无限缓慢 的冷却条件下结晶， 所测得的结晶温度称 为理论结晶温度。
α铬、钨、钼、钒、 α铁、β 钛、铌等
1.1 纯金属的晶体结构
面心立方晶格也属于立方晶系。 晶格中 长＝宽＝高 α＝β＝γ＝９０° 在晶胞的八个角上各有一个原子 立方体的六个面的面心各有一个原子 每个面心立方晶胞中有四个原子
1.1 纯金属的晶体结构 典型的面心立方晶格晶体
γ 铁、铝、铜、镍、金、 银、铂、铑、γ 锰、铅等
工 程 材 料 及 热 处 理
1.1 纯金属的晶体结构
晶体中原子（离子或分子）在空间的排 列方式称为晶体结构。
为了便于描述晶体结构，通常：
将每一个原子抽象为一个点 再把这些点用假想的直线连起来，构成空间格 架，称为晶格。 晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。 通过两个以上原子间的直线，表示某一原子列 在空间的位向，称为晶向。
1.3 金属的同素异构转变
纯铁 的同素异构 转变特性对 铁碳合金的 组织性能将 有着很大的 影响！
工 程 材 料 及 热 处 理
1.2 纯金属的结晶
晶粒的大小对金属的力学性 能、物理性能和化学性能均有很 大影响。细晶粒组织的金属不仅 强度高，而且塑性和韧性也好。
1.2 纯金属的结晶
实际生产中，细化晶粒的常用手段有：
提高冷却速度 变质处理 附加振动
1.3 金属的同素异构转变
有些金属在固态下，存在着两种或 两种以上的晶格，如铁、钴、钛等金属， 在不同的温度阶段往往表现出不同的晶格 形式。
1.2 纯金属的结晶
如图所示，纯 金属的冷却曲线上 有一个平台出现， 这个平台所对应的 温度就是纯金属进 行结晶的温度。
1.2 纯金属的结晶
➢ 纯金属的结晶都是 在恒定的温度下进行 的 ➢ 纯金属在无限缓慢 的冷却条件下结晶， 所测得的结晶温度称 为理论结晶温度。
α铬、钨、钼、钒、 α铁、β 钛、铌等
1.1 纯金属的晶体结构
面心立方晶格也属于立方晶系。 晶格中 长＝宽＝高 α＝β＝γ＝９０° 在晶胞的八个角上各有一个原子 立方体的六个面的面心各有一个原子 每个面心立方晶胞中有四个原子
1.1 纯金属的晶体结构 典型的面心立方晶格晶体
γ 铁、铝、铜、镍、金、 银、铂、铑、γ 锰、铅等
工 程 材 料 及 热 处 理
1.1 纯金属的晶体结构
晶体中原子（离子或分子）在空间的排 列方式称为晶体结构。
为了便于描述晶体结构，通常：
将每一个原子抽象为一个点 再把这些点用假想的直线连起来，构成空间格 架，称为晶格。 晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。 通过两个以上原子间的直线，表示某一原子列 在空间的位向，称为晶向。
1.3 金属的同素异构转变
纯铁 的同素异构 转变特性对 铁碳合金的 组织性能将 有着很大的 影响！
工 程 材 料 及 热 处 理
1.2 纯金属的结晶
晶粒的大小对金属的力学性 能、物理性能和化学性能均有很 大影响。细晶粒组织的金属不仅 强度高，而且塑性和韧性也好。
1.2 纯金属的结晶
实际生产中，细化晶粒的常用手段有：
提高冷却速度 变质处理 附加振动
1.3 金属的同素异构转变
有些金属在固态下，存在着两种或 两种以上的晶格，如铁、钴、钛等金属， 在不同的温度阶段往往表现出不同的晶格 形式。
金属材料与热处理 第三章
第三单元金属材料的晶体结构与结晶一、名词解释1．晶体晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质。
2．晶格抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子，称为晶格。
3.晶胞组成晶格的最小几何单元称为晶胞。
4.单晶体如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。
5.多晶体由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。
6.晶界将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的那个内界面称为晶界。
7.晶粒多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
8.结晶通过凝固形成晶体的过程称为结晶。
9.变质处理变质处理就是在浇注前，将少量固体材料加入熔融金属液中，促进金属液形核，以改善其组织和性能的方法。
10.合金合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。
11.组元组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
12.相相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开。
13.组织组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。
14.定向结晶定向结晶是通过控制冷却方式，使铸件沿轴向形成一定的温度梯度，从而可使铸件从一端开始凝固，并按一定方向逐步向另一端结晶的过程。
15.滑移单晶体塑性变形时，在切应力作用下，晶体内部上下两部分原子会沿着某一特定的晶面产生相对移动，这种现象称为滑移。
二、填空题1.晶体与非晶体的根本区别在于原子排列是否规则。
2.金属晶格的基本类型有体心立方晶格、面心立方晶格与密排六方晶格三种。
3.实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷三类。
4.金属结晶包括：晶核形成和晶核长大两个过程。
5.金属结晶的必要条件是过冷，金属的实际结晶温度不是一个恒定值。
6．金属结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。
7．金属的晶粒愈细小，其强度、硬度越高，塑性、韧性也越好。
第三章 金属与合金的结晶
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
机
合金相图：表达温度、成分与相之间关系，又称为合金平衡图或 械
合金状态图。 合金相图是制订金属冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的理
论基础。
制 造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
习题
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3-1 解释下列名词
结晶 过冷现象 过冷度 变质处理 晶核 同素异构转变 枝晶偏
析 共晶转变
3-2 晶粒大小对金属的力学性能有何影响? 生产中有哪些细化晶粒的
影响过冷度的因素：冷却速度
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
二、纯金属的结晶过程
形核
当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一
批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些
小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温
度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的
一部分就稳定下来，成为结晶核心。
理论结晶温度 实际结晶温度
开
结
始
晶
结
终
晶
了
实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，
金属材料的晶体结构与结晶
1.2 合金的晶体结构与结晶
1.1.1 合金的晶体结构
合金是指由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素 组成的具有金属特性的物质。
组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合 金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组 元组成的合金称为多元合金。
合金中结构相同、成分相同和性能一致，并以界面相互隔开的组成 部分称为相。只有一种相组成的合金为单相合金，由两种或两种以上相 组成的合金为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的相 的形态、数量、大小和分布及相间结合状态称为显微组织。
非晶体
晶体
金属材料的晶体结构与结晶
1.晶体结构的基本知识
图2-1 晶体结构示意图
金属材料的晶体结构与结晶
1.常见的金属晶格类型 常见的金属晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方
晶格三大类。 1）体心立方晶格 body—centered cubic lattice 特点：b 较好。如：＜912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 含有2个原子体积组成。
图2-7 刃型位错示意图
金属材料的晶体结构与结晶
（3）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第 三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。
晶界是位向不同的晶粒间的过渡区，其宽度为5～10个原子间距。晶界区域的晶 粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图2-8（a）所示。亚晶界 是由位向相差很小的亚晶粒组成的，如图2-8（b）所示。晶界和亚晶界的原子排列 都不规则，会产生晶格畸变。因此，晶界和亚晶界均可提高金属的强度，改善塑性 和韧性。
图2-10 液态金属的结晶过程示意图
金属材料的晶体结构与结晶
1.1.1 合金的晶体结构
合金是指由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素 组成的具有金属特性的物质。
组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合 金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组 元组成的合金称为多元合金。
合金中结构相同、成分相同和性能一致，并以界面相互隔开的组成 部分称为相。只有一种相组成的合金为单相合金，由两种或两种以上相 组成的合金为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的相 的形态、数量、大小和分布及相间结合状态称为显微组织。
非晶体
晶体
金属材料的晶体结构与结晶
1.晶体结构的基本知识
图2-1 晶体结构示意图
金属材料的晶体结构与结晶
1.常见的金属晶格类型 常见的金属晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方
晶格三大类。 1）体心立方晶格 body—centered cubic lattice 特点：b 较好。如：＜912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 含有2个原子体积组成。
图2-7 刃型位错示意图
金属材料的晶体结构与结晶
（3）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第 三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。
晶界是位向不同的晶粒间的过渡区，其宽度为5～10个原子间距。晶界区域的晶 粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图2-8（a）所示。亚晶界 是由位向相差很小的亚晶粒组成的，如图2-8（b）所示。晶界和亚晶界的原子排列 都不规则，会产生晶格畸变。因此，晶界和亚晶界均可提高金属的强度，改善塑性 和韧性。
图2-10 液态金属的结晶过程示意图
金属材料的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
机械工程材料
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属 在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关。
金属的特性与金属键 1. 金属的特性 固态金属的主要特性有： 1）良好的导电、导热性。 2）不透明，有金属光泽。 3）具有较高的强度和良好的塑性。 4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升 高而增大。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶体结构的基本概念 晶体与非晶体
自然界中的一切固态物质，按其内部粒子的排列情况可分为晶体 和非晶体。凡内部粒子呈规则排列的固态物质称为晶体，如食盐 、雪花、固态金属等都是晶体。凡内部粒子呈无规则堆积的固态 物质，成为非晶体，如普通玻璃、松香等都是非晶体。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属键
金属原子外层电子与原子核的结合力 较弱，很容易摆脱原子核的吸引力， 这种电子成为自由电子。失去外层电 子的金属原子成为正离子。自由电子 在正离子间自由运动，形成所谓的“电 子气”。正离子与电子气之间依靠静电 引力结合起来，这种结合方式称为“金 属键”。
金属键模型
金属结晶的现象分为： 1. 结晶过程的宏观现象 2. 结晶潜热的释放 3. 结晶过程的微观过程
金属结晶的结晶条件： 结晶的热力学条件 结晶的结构条件
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式。一 种是均匀形核，又叫均质形核或自发形核；另一种是非均 匀形核，又叫异质形核或非自发形核。如果液相中各个区 域出现新相晶核的几率都相同，则为均匀形核；如果新相 优先出现在液相中的某些区域，则为非均匀形核。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属 在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关。
金属的特性与金属键 1. 金属的特性 固态金属的主要特性有： 1）良好的导电、导热性。 2）不透明，有金属光泽。 3）具有较高的强度和良好的塑性。 4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升 高而增大。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶体结构的基本概念 晶体与非晶体
自然界中的一切固态物质，按其内部粒子的排列情况可分为晶体 和非晶体。凡内部粒子呈规则排列的固态物质称为晶体，如食盐 、雪花、固态金属等都是晶体。凡内部粒子呈无规则堆积的固态 物质，成为非晶体，如普通玻璃、松香等都是非晶体。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属键
金属原子外层电子与原子核的结合力 较弱，很容易摆脱原子核的吸引力， 这种电子成为自由电子。失去外层电 子的金属原子成为正离子。自由电子 在正离子间自由运动，形成所谓的“电 子气”。正离子与电子气之间依靠静电 引力结合起来，这种结合方式称为“金 属键”。
金属键模型
金属结晶的现象分为： 1. 结晶过程的宏观现象 2. 结晶潜热的释放 3. 结晶过程的微观过程
金属结晶的结晶条件： 结晶的热力学条件 结晶的结构条件
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式。一 种是均匀形核，又叫均质形核或自发形核；另一种是非均 匀形核，又叫异质形核或非自发形核。如果液相中各个区 域出现新相晶核的几率都相同，则为均匀形核；如果新相 优先出现在液相中的某些区域，则为非均匀形核。
金属的晶体结构与结晶
工程材料及机械制造基础-3-金属的晶体结构及结晶
工程材料与机械制造基础
第三章 金属的晶体结构与结晶
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
12:39
主要内容
金属的晶体结构 晶体的概念 常见的金属晶格 晶体结构的致密度
实际金属的结构 多晶体结构 晶格缺陷
金属的结晶 金属的结晶过程 金属的同素异构转变 金属铸锭的组织特点
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。
• 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
• 位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
12:39
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、(010)、(001)
{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(1 01)、(011)
{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
12:39
{110}
Z
（011）
（110） （011） （101）
• 金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：金属的 塑性变形主要由位错运动引 起，因此阻碍位错运动是强 化金属的主要途径。
• 减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。
金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态 (1011-1012/cm2)
实际金属的结构
电子显微镜下的位错
第三章 金属的晶体结构与结晶
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
12:39
主要内容
金属的晶体结构 晶体的概念 常见的金属晶格 晶体结构的致密度
实际金属的结构 多晶体结构 晶格缺陷
金属的结晶 金属的结晶过程 金属的同素异构转变 金属铸锭的组织特点
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。
• 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
• 位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
12:39
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、(010)、(001)
{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(1 01)、(011)
{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
12:39
{110}
Z
（011）
（110） （011） （101）
• 金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：金属的 塑性变形主要由位错运动引 起，因此阻碍位错运动是强 化金属的主要途径。
• 减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。
金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态 (1011-1012/cm2)
实际金属的结构
电子显微镜下的位错
金属的晶体结构与结晶
二、晶体结构的概念
2.晶胞 由于晶体中原子的排列是有规律的，晶胞是由许多形状、大小相同的最小几何 单元重复堆积而成的，能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。晶胞 的大小及几何形状用晶胞的三条棱边长度 a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、 γ六个参数来描述，其中晶胞的各棱边长为 a、b、c，称为晶格常数。当晶格常数 a=b=c，棱边交角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
一、晶体与非晶体
2.非晶体 在物质的内部，凡原子呈无序堆积状况的称为非晶体。如:普通玻璃、石蜡、 松香、树脂、沥青等都是常见的非晶体。非晶体没有固定的熔点，呈各向同性。
二、晶体结构的概念
1.晶格 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理解，把原子看成是一个 小球，则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体。 为了描述晶体的结构，我们把构成晶体的原子简化成一个点，再用假想的线段 将这些代表原子的各点连接起来，就构成了有明显规律性的空间格架。这种用来描 述原子在晶体中排列规律的空间格架，称为晶格。
三、金属晶格的类型
金属的晶格类型很多，但绝大多数（85%）金属属于以下三种晶格: 1.体心立方晶格 它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。属于 这种晶格类型的金属有铬、钒、钨、钼及α-Fe等。 2.面心立方晶格 它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的 中心。属于这种晶格类型的金属有铝、铜、铅及γ-Fe等。 3.密排六方晶格 它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角及上、下底面的中 心，另外三个原子排列在柱体内，如图2 15所示。属于这种晶格类型的金属有镁、 锌、铍等。
晶体的概念和特点。 金属晶格常见类型。 金属晶格的缺陷。
项目三 金属的晶体结构与结晶
三、奥氏体
碳溶解于γ-Fe形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。虽然γ-Fe晶格的 原子排列较紧密，但空隙比较集中，因此面心立方结构的γ-Fe可以溶解较多的碳， 在1148 ℃时，最多可以溶解2.11%的碳，随着温度的下降，奥氏体溶解碳的能力减小， 到727 ℃时，碳的质量分数降到0.77%。奥氏体的强度和硬度不高，但具有良好的塑 性，是大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织，故在轧钢和锻造时，常把钢 加热到高温呈奥氏体状态，奥氏体没有磁性。
目录
CONTENT
CONTENT
01 二元合金相图 02 铁碳合金的基本组织 03 绘制 Fe-Fe3C 相图 04 钢的结晶过程 05 铁的结晶过程 06 Fe-Fe3C 相图的应用
任务一
二元合金相图
合金比纯金属结晶过程复杂，随着合金中元 素种类的变化，其组织和性能随之变 化，这种 变化规律可以借助于相图认识。合金相图是生 产中分析研制合金材料的理论 基础，也是制定 合金熔炼、铸造、焊接、锻造及热处理工艺的 重要依据。
任务三
绘制Fe-Fe3C 相图
铁和碳是铁碳合金中的两种主要元素。铁 碳合金在加热和缓慢冷却的条件下，不 同成分 的铁碳合金，随温度的变化，其状态或组织也 随之发生改变。为了便于同学们了解和学习铁 碳合金在平衡状态下组织、成分与温度之间的 关系，有必要建立一种学习工 具——Fe-Fe3C 相图。
学习目标
四、渗碳体
随着温度的降低，渗碳体会从不同的相中析出，通常把铁碳合金中的渗碳体分为: （1）一次渗碳体，由液体金属中直接结晶出来; （2）二次渗碳体，由奥氏体中析出; （3）三次渗碳体，由铁素体中析出; （4）共晶渗碳体，在共晶转变时形成; （5）共析渗碳体，在共析转变时形成。
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3、面缺陷
面缺陷：在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒 数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸 大小)的晶体缺陷，是指金属的晶界和亚晶界。
面缺陷的形式 ：晶界面 亚晶界面 相界面
第三节 金属的结晶
一、金属的结晶
结晶：液态金属冷却到熔点温度时，原子由无序 状态转变为按一定几何形状作有序排列的过程， 称为结晶。
（但过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降 低，形核的速率反而减少。）
实际生产中，增大过冷度的主要办法是提高液体金 属的冷却速度以增加形核数目。如在铸造生产中，金属 型比砂型有更大的冷却速度，可以获得更细的晶粒。
2）变质处理：金属结晶时，向液体金属中加入微 量某种难熔杂质，以求细化金属晶粒的工艺方法。 变质处理使结晶时的晶核数目大大增加，从而提 高了形核率，细化晶粒的处理方法。
晶胞
从晶格中取一个最小的立体单 元（最小的平行六面体）称为晶胞。 晶格是晶胞在空间的叠加，晶胞是 构成晶格的最基本几何单元。
晶胞的选择原则：
①能充分反映整个空间点阵的对称 性。
②晶胞内的棱、角相等的数目最多， 且具有尽可能多的直角。
③体积要最小。
晶格常数
在晶胞中取某一点为原点（通 常取在左下角后面一结点）， 建立坐标系，以晶胞的三个棱 边作为坐标轴x，y，z（可以 是垂直的，也可以不垂直）。 以三边的长度a，b，c及相互 间夹角α，β，γ六个参数来 表示晶胞的大小和形状，其中 三棱边的长度a，b，c 称为晶 格常数，它们反映了晶胞的大 小。
1、体心立方（BCC）
结构特征：每个角顶上各有 一个原子,体心中有一个原子
a=b=c，α=β=γ＝90° 每个晶胞中实际含有的原子数 为1+8×1/8=2个 常见金属：α-Fe，V，Ta，Nb，
Cr，Mo，W等
2、面心立方 （FCC）
特征：每个角顶上各有一个 原子,各个面中心有一个原子。
a=b=c，α=β=γ＝90° 每个晶胞中实际含有的原子数 为8×1/8+6×1/2=4个 常见金属：Ag，Au，Ni，Cu
（2） 晶核长大
晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面， 使液—固界面向液体中推移的过程。
长大方式：树枝状生长
形核和核长大方式
（3）影响晶核形成和长大的因素
1）过冷度：从金属的结晶过程可知，一定体积的液态 金属中，形成的晶核数目越多，则结晶后的晶粒越多， 晶粒就越细小。随着过冷度的增大，晶核的数目增加， 因此提高过冷度可以增加单位体积内晶粒的数目，使晶 粒细化。
位错的形式 ：刃型位错 螺型位错 混合型位错
刃型位错
螺型位错
刃型位错：在晶体的某一个晶面的上、下两部分的 原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的 一个多余原子面，但又未插到底，犹如插入刀刃一 般，故称为刃型位错，刃型位错。
多余原子列位于滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。
多余原子列位于滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
不同浇注条件下纯铝铸锭的宏观组织特征
试样 编号
1
铸型 材料
砂模
铸型温 浇注温度 度(℃) (℃)
500
700
组织形貌特征 多边形的粗大等轴晶
2 砂模 室温 700 粗大柱状晶，中心处有等轴晶
3 铁模 室温 700
较粗大柱状晶
4 铁模 500
700 较粗大柱状晶，中心少量等轴晶
5
铁模
室温
800（加Ti
铅锭宏观组织
沿晶断口
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
同一颗晶粒内还存在着许多尺寸更小、位向差 也很小的小晶快，称为亚晶粒，亚晶粒构成的边 界成为亚晶界。
二、晶体中的缺陷
晶体缺陷：正常晶体中原子排列受到破坏——缺陷。
实际金属中存在着大量的晶体缺陷，缺陷会引起 材料性能的巨大变化，如：理想完整晶体的强度通 常是实际晶体的数十倍，甚至数百倍。
过冷度
T
ΔT= T0-Tn
T0
} 理论结晶温度 ΔT
Tn
开始结晶温度
t 纯金属冷却曲线
1）、 冷却曲线分析
纯金属结晶时，在冷却曲线上出现水平台阶的原 因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了向外界散失的热量，使温度并不随冷却时 间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有 结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。
金属的结构
晶态
非晶态
2的结构
第一节 金属的晶体结构
在金属晶体中，原子是按一 定的几何规律周期性规则排列 的。为了便于研究，人们把金 属晶体中的原子近似地设想为 刚性小球，并在三维空间中紧 密堆积，然后用一些假想的平 行直线，将所有质点的中心连 接起来，便构成了一个三维的 几何格架。这个抽象出来的用 于描述原子在晶体中的位置和 排列方式的几何格架，称为晶 格。晶格中各线的交点称为结 点（或阵点）。
三、晶格的致密度
致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数，即 晶格 的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积 之比。
金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的 排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金 属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的 紧密程度常用晶格的致密度表示。
表3-1 三种常见金属晶格的结构特点
第 二 阶 段 ： 在 此 基 础 上 向 里
第 一 阶 段 ： 在 溶 滴 外 层 形 成
和 的 氯 化 铵 水 溶 液 结 晶 过 程
形形一
成成圈
不较细
同粗小
位大等
向的轴
的柱晶
枝状。
晶晶
。。
2、硝酸银水溶液+铜丝置换反应结晶过程
2AgNO3+Cu=2Ag↓（枝晶）+Cu(NO3)2
Ag
Cu
3、不同浇注条件对纯铝铸锭结晶过程及组织影响
变质）
细小等轴晶
1
2
3
500℃砂模700 ℃浇注 4
室温砂模700 ℃浇注 5
室温铁模700 ℃浇注
500℃铁模700 ℃浇注
室温铁模800 ℃浇注（加Ti）
第三章作业 P16： 2、4、5。 下星期课前收齐全部作业！
机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越
紧固，强度和韧性就越好 。
1
强度和晶粒尺寸的关系Hall-Petch公式 0.2 0 kd 2
纯铁的晶粒度与力学性能的关系
晶粒度 (晶粒数/mm2)
6.3 51 194
b (N/mm2)
237 274 294
s (N/mm2)
46 70 108
晶体缺陷的类型：
•点缺陷 •线缺陷 •面缺陷
1、点缺陷
点缺陷：点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很 小(原子尺寸范围内)的缺陷。
点缺陷的类型 ：
1) 空位 在晶格结点位置应有原子的 地方空缺，这种缺陷称为“空位”。
2) 间隙原子 在晶格非结点位置，往 往是晶格的间隙，出现了多余的原 子。它们可能是同类原子，也可能 是异类原子。
多晶体：
由众多外观不规则，位向 不同的单晶体（晶粒）组 成的晶体结构。
一般实际材料均为多晶体。 晶粒：实际使用的金属材
料是由许多彼此方位不同、 外形不规则的小晶体组成， 这些小晶体称为晶粒。 晶界：晶粒之间的交界面。 晶界上原子排列是不规则 的，晶界不一定是平整的。
多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料 晶粒尺寸一般为10-3～10-1 mm左右，必须通过显微镜 放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到各种晶粒的 形态、大小和分布情况，叫做显微组织。
3) 置换原子 在一种类型的原子组成 的晶格中，不同种类的原子占据原 有的原子位置。
置换原子
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生 扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高， 塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
大置换原子
小置换原子
2、线缺陷
线缺陷：线缺陷是指晶体内部一个方向尺寸较大，在 另外两个方向上尺寸较小的缺陷，呈线状分布的缺 陷，常见的是各种类型的位错（Dislocation）。
2）、 过冷现象
金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现 象，称为过冷。
过冷度ΔT= T0－Tn，过冷是结晶的必要条件。 同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，
金属的实际结晶温度越低。
2、纯金属的结晶过程
液态金属的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两 个过程来实现的。结晶时，首先在液体中形成一 些极微小的晶体(称为晶核)，然后再以它们为核 心不断长大。在这些晶体长大的同时，又出现新 的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失。
晶格类型
晶胞原子数 原子半径
致密度
体心立方晶格
2
面心立方晶格
4
密排六方晶格
6
3a
0.68
4
2a
0.74
4
1
a
0.74
2
第二节 实际金属的结构
一、多晶体结构
⑴ 单晶体结构 单晶体：结晶位向完全一致的晶体。即整个材料是
一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”。如单晶 硅，水晶石，金刚石。单晶体在不同的晶面和晶向 的的力学性质不同，这种现象称为各向异性。
第三章 金属的晶体结构与结晶
物质由原子组成。原子
C60
的结合方式和排列方式
决定了物质的性能。
原子、离子、分子之间 的结合力称为结合键。 它们的具体组合状态称 为结构。
第一节 金属的晶体结构
晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体具有固定 的熔点。
非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件 下晶体和非晶体可互相转化。
晶向与晶面的概念
晶向：在晶胞中，通过若干原 子中心（结点）连接一起的 具有不同空间方位的直线— —晶向