1.2 金属的结构与结晶
02第二章金属的晶体结构与结晶
02第二章金属的晶体结构与结晶金属晶体结构和结晶是金属学中非常重要的基础知识。
金属的晶体结构是指金属中原子或离子的排列方式，金属的结晶则是指金属从液态或气态转变为固态时，原子或离子按照一定的方式排列形成的晶体。
金属的晶体结构主要有两种：面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）。
在面心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和体心位置，形成紧密堆积的结构；在体心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和立方体中心位置，形成简单堆积的结构。
面心立方结构的特点是具有最高的密度，原子间的相互作用较强，因此具有较高的熔点和较好的导电性能。
典型的面心立方结构金属有铜、铝等。
体心立方结构的特点是具有较低的密度和较大的晶胞，原子间的相互作用较弱，因此具有较低的熔点和较差的导电性能。
典型的体心立方结构金属有铁、钨等。
金属的结晶过程分为凝固和晶体形核两个阶段。
凝固是指金属从液态或气态转变为固态的过程，形核则是指随着温度降低和原子间相互作用增强，形成新的晶胞。
金属的凝固过程受到多种因素的影响，如对流、缺陷和晶界等。
对流是指液态金属在凝固过程中的流动，容易形成非均匀结构；缺陷是指晶体中存在的原子空位或附加原子，对晶体性能有重要影响；晶界是指两个晶粒之间的边界，是金属中弹性较差区域。
金属的结晶方式主要有四种：脱溶结晶、化学结晶、物理结晶和相变结晶。
脱溶结晶是指金属从液态中直接凝固形成晶体，常见于无机盐的结晶；化学结晶是指金属通过化学反应形成固态产物，如金属氧化物的结晶；物理结晶是指金属通过物理方法产生晶体结构，如高温下的拉拔；相变结晶是指金属在相变点附近由液态转变为固态的结晶方式，如冶金过程中的凝固。
金属的晶体结构和结晶对金属的性能和应用有重要影响。
不同的晶体结构和结晶方式会影响金属的导电性、强度、延展性和热处理能力等性能。
因此，深入了解金属的晶体结构和结晶对于金属学的研究和应用具有重要意义。
金属的结构与结晶教案
金属的结构与结晶教案第一章：金属的结构1.1 金属原子的电子排布解释金属原子的电子排布特点，如自由电子的存在。
通过图示展示金属原子的电子排布。
1.2 金属键描述金属键的形成和特点，如金属原子之间的电子云共享。
使用模型或图示来解释金属键的概念。
1.3 金属的晶体结构介绍金属的晶体结构类型，如面心立方、体心立方和简单立方结构。
利用图示和实物模型来展示不同晶体结构的特点。
第二章：金属的结晶2.1 结晶过程解释金属结晶的过程，包括成核和生长阶段。
讨论影响结晶速率和晶体生长的因素。
2.2 晶粒大小和形状探讨晶粒大小和形状对金属性能的影响。
解释晶粒生长和晶界迁移的概念。
2.3 晶界的性质描述晶界的特点和性质，如晶界的能量和原子排列。
探讨晶界对金属性能的影响。
第三章：金属的塑性变形3.1 滑移机制解释金属塑性变形的滑移机制，如位错滑移。
使用图示和模型展示位错滑移的过程。
3.2 塑性变形的条件讨论金属发生塑性变形的条件，如应力、温度和晶体结构。
分析不同晶体结构对塑性变形的影响。
3.3 塑性变形的织构形成探讨塑性变形过程中织构的形成和变化。
解释织构对金属性能的影响。
第四章：金属的热处理4.1 退火处理解释退火处理的目的和过程，如消除晶界和改善塑性。
讨论退火处理对金属性能的影响。
4.2 固溶处理描述固溶处理的方法和目的，如提高金属的强度和硬度。
使用图示展示固溶处理过程中原子分布的变化。
4.3 时效处理解释时效处理的过程和作用，如形成沉淀相和提高金属的性能。
分析时效处理对金属性能的影响。
第五章：金属的腐蚀与防护5.1 腐蚀类型介绍金属腐蚀的类型，如均匀腐蚀、点蚀和腐蚀疲劳。
使用图示和实例来区分不同类型的腐蚀。
5.2 腐蚀原因讨论金属腐蚀的原因，如化学反应、电化学反应和微生物作用。
分析腐蚀过程的基本原理。
5.3 防护方法探讨金属腐蚀的防护方法，如涂层、阴极保护和腐蚀抑制剂。
解释各种防护方法的原理和应用。
第六章：金属的机械性能6.1 强度与韧性解释金属的强度和韧性概念。
金属的晶体结构与结晶
具有规则的几何形状
性能特点
有一定的熔点，性能 没有规则的几何形状 呈各向异性（在各个 没有固定的熔点，性 方向上具有不同的性 能呈各向同性 能） 石英、云母、食盐、 玻璃、蜂蜡、松香、 糖、味精、固态金属 沥青、橡胶
典型物质
二、金属的晶格类型
晶体中原子排列的情况
晶格
●晶格与晶胞 晶格 表示原子在晶体
振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
三、同素异构转变
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。
纯铁的同素异构转变
912 C
-Fe
-Fe
T
1538
-Fe
1394
-Fe
912
770
-Fe
铁磁性
纯铁冷却曲线图
t
注意：
金属的同素异构转变也是一种结晶的过程， 故又称为重结晶，铁的同素异构转变是钢铁能够 进行热处理的依据。 通过同素异构转变，可使金属在固态下 重组晶粒，获得所需性能，也就是说在不改 变零件尺寸、形状的情况下使其内部组织结 构和性能发生改变。
中排列规律的空间格架
晶胞
能完整反映晶格特征的最小几何单元
晶胞
● 三种常见的金属晶体结构
1.体心立方晶格
2.面心立方晶格
3.密排六方晶格
1.体心立方晶格
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方 体的中心 如：铬Gr、钒V、钨W、钼Mo、铌Nb、 α-Fe等
2、面心立方晶格
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体 的六个面的中心 如：铜Cu、铝Al、铅Pb、镍Ni、γ-Fe等
晶界
2.单晶体与多晶体 只有一个晶粒组成的晶体称 为单晶体，如图所示
金属学与热处理-1.2-金属的晶体结构课件.ppt
B
A
C
C层
B
A
A
ABABABAB ABCABCABC
B层 ACACACAC ACBACBACB
25
26
ABCA ABA
27
面心立方晶格密排面的堆垛方式 28
密排六方晶格密排面的堆垛方式
29
典型金属晶体中原子间的间隙
四面体空隙（tetrahedral interstice），由4个球体所构成， 球心连线构成一个正四面体； 八面体空隙（octahedral interstice），由6个球体构成，球 心连线形成一个正八面体。
r 3a 4
r 2a 4
ra 2
14
配位数与致密度
➢配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。 ➢配位数（coordination number，CN）：晶体结构中 任一原子周围最近且等距离的原子数。 ➢致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数，
K nv V
式中，n为晶胞原子数，v原子体积，V晶胞体积。
22
晶体中原子的堆垛方式
面心立方和密排六方结构的致密度均为0.74， 是纯金属中最密集的结构。 面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配 位数与致密度却相同，为搞清其原因，必须研究 晶体中原子的堆垛方式。 面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况 完全相同，但堆垛方式不一样。
23
24
A
A
C
B A
(11 1)
59
练习4：下图标注了立方晶体的4个晶面，在每个晶 面上给出了3个晶面指数，选择正确的答案。
60
ACF
FN
ABD’E’
A’F’
AFI
BC
ADE’F’
O’M
金属的晶体结构与结晶
面缺陷能提高金属材料的强度。
晶体缺陷对性能的影响
1、当晶体中不存在位错时，强度最高 2、处于退火状态时，强度最低，位错 密度的增加或降低，都能提高金属的 强度 3、冷变形加工的金属，由于位错的增 加，强度提高
①使实际金属的强度远远小于理想金属 ②晶界处位错密度高，使其局部σ H ③对实际金属来说，晶体缺陷越多（尤其 位错），σ H δ (ψ ) ak
结晶时细化晶粒的方法
1、增加过冷度(为什么) 2、变质处理
（1）加入一些难熔形核剂，增加形核 率，细化晶粒，如液体铝中加入少量硼 （2）加入某些可熔物资，吸附在晶核 表面，降低长大速度，如在钢中加入钛、 硼、铝等，铸铁中加入硅、钙
3、振动，机械震动、超声波振动、 电磁振动
课堂练习
► 一、填空
1、自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特 征可分为_____和________两大类。 2、金属的晶格类型主要有___________、 ___________、____________三大类。 3、晶体的缺陷主要有_______、_______、 __________。 4、根据溶质原子在溶剂中所占位置不同，固溶体 可分为_________和_________两种。 5、金属的结晶包括______和_______两个过程。
晶 向
晶向
晶 胞
2.1.2三种典型的金属晶格
1、体心立方晶格 体心立方晶格中： ① 原子半径 r ( 3 / 4)a ;
② 原子数为
1 8 1 2 个； 8
4 2 r 3 ④ 致密度 K 33 0.68 。 a
体心立方晶格
属这类晶格的金属有α-Fe、δ-Fe、Cr、 Mo、W、V、Na等。他们大都具有较高 的强度和韧性。
纯金属的晶体结构与结晶
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。
第02章金属的晶体结构与结晶
图2-11 热分析装置示意图
图2-12 纯金属的冷却曲线
2.4.1.3 合金的结晶
合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结 晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一 恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内 进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所 以二者的冷却曲线是不相同的。
2.4.1.2 纯金属的结晶
用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。
目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属 的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置 将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一 定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所 示。
2.3.2.3 面缺陷
面缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图2-10(a)、(b)所示。
实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。 因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排 列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。 晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能 力较强。
除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶 格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒， 亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不 规则，也存在着晶格畸变。
2.4.1.5 金属的结晶过程 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶 体核心(简称生核)和晶核进行长大(简称为核长大)。 如图2-13所示为金属的结晶过程示意图。结晶开始时， 液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列 成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方 式长大，当成长的枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝 固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最 后形成了许多小晶粒。
02第二章 金属的晶体结构与结晶
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 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。
T= T0 –T1
第二章金属的晶体结构与结晶详解
晶胞：能够完全反映 晶格特征的、最小的 几何单元称为晶胞
在晶体学中，通常取晶胞角 上某一结点作为原点，沿其 三条棱边作三个坐标轴X、 Y、Z，并称之为晶轴，而 且规定坐标原点的前、右、 上方为轴的正方向，反之为 反方向，并以（晶格常数） 棱边长度和棱面夹角来表示 晶胞的形状和大小 。
整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的 晶胞在空间重复堆积而成的。
3、晶面、晶向
•在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶 面。 •任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指 方向称为晶向。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。 式中，n为晶胞所含原子数 v′为单个原子体积
三、金属的结晶过程
结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变 大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。
金 属 结 晶 过 程 示 意 图
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
四、晶粒大小对金属力学性能的影响 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。 细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、 耐腐蚀性好。作为软磁材料的纯铁，晶粒越 粗大，则磁导率越大，磁滞损耗减少。 金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形 成数目（mm3.s）]和长大率G（mm/s）
（３）面缺陷（晶界和亚晶界） 面缺陷使金属强度、硬度增高，塑性变形困难 ——“细晶强化”。
第二节 纯金属的结晶与铸锭 （二、三节合并）
• • • • • 凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的铸态组织
金属材料纲要第一章金属的结构与结晶 Microsoft Word 文档
金属材料绪论1、金属：由单一元素组成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质。
如：金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。
2、合金：是指由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素通过熔炼或其它方法合成的具有金属特性的材料。
3、金属材料是金属及其合金的总称。
4、材料的成分和热处理决定其组织，组织决定其性能，性能决定用途。
第一章金属的结构与结晶§1-1金属的晶体结构1、自然界中绝大多数固态物质是晶体，少数为非晶体。
所有金属都是晶体。
2、晶体：原子呈有序，有规则排列的物质。
例：所有金属，石英，云母，明矾，食盐，糖，味精，硫酸铜。
晶体的性能特点：有规则的几何形状；有固定的熔点；各向异性。
3、非晶体：原子呈无序，无规则堆积的物质。
例：玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶。
晶体的性能特点：有规则的几何形状；有固定的熔点；各向异性。
4、晶格：能反映原子排列规律的空间格架。
晶胞：能完整反映晶体晶格特征的最小几何单元。
5、晶格类型体心立方晶格α—Fe 、钨（W）、钼（Mo）晶格类型面心立方晶格γ—Fe、金（Au）、银（Ag）、铜、铝、密排六方晶格镁、锌金刚石和石墨都是由碳原子组成，但由于晶格结构不同性能差异巨大。
6、金属由许多小晶粒组成，晶粒之间的交界称为晶界。
晶界越多金属材料的力学性能越好。
7、单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。
单晶体必须人为制造。
表现为各向异性。
多晶体：普通金属材料都是多晶体。
整个多晶体表现为各向同性。
8、晶体缺陷：晶体中原子紊乱排列的现象称为晶体缺陷。
它在塑性变形和热处理中起重要作用。
点缺陷：空位原子、间隙原子、置代原子晶体缺陷线缺陷：刃位错面缺陷：晶界、亚晶界§1-2 纯金属的结晶1、结晶：生产中金属的凝固过程就是结晶。
结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体（晶体）状态的过程。
结晶潜热：结晶过程中放出的热量称为结晶潜热。
2、过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。
过冷度与冷却速度有关 ，冷却速度越快过冷度越大。
金属的结构与结晶
金属的结构与结晶§1-1 金属的晶体结构★学习目的：了解金属的晶体结构★重点: 有关金属结构的基本概念：晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见类型。
★难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。
一、晶体与非晶体1、晶体：原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。
（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结晶。
）规则几何形状性能特点：熔点一定各向异性2、非晶体：非晶体的原子则是无规则、无次序的堆积在一起的（如普通玻璃、松香、树脂等）。
二、金属晶格的类型1、晶格和晶胞晶格：把点阵中的结点假象用一序列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。
晶胞：构成晶格的最基本单元2、晶面和晶向晶面：点阵中的结点所构成的平面。
晶向：点阵中的结点所组成的直线由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。
（阵点（结点）：把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。
点阵：阵点（或结点）在空间的排列方式称晶体。
）晶胞晶面晶向3、金属晶格的类型是指金属中原子排列的规律。
7个晶系 14种类型最常见：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格（1）、体心立方晶格：(体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子 )。
属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及α-铁α-Fe所含原子数 1/8×8+1=2（个）（2）、面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。
属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等所含原子数 1/8×8+6×1/2=4（个）（3）、密排六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。
属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、镉（Cd）等。
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
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点缺陷 ——空位和间隙原子
晶格中某个原 子脱离了平衡位置， 形成空结点，称为 空位；某个晶格间 隙挤进了原子，称 为间隙原子。
线缺陷 ——位错
晶体中，某处有一列或若干列原子 发生有规律的错排现象，称为位错。
在位错周围，由于原子的错排使晶格发 生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧 性下降。实际晶体中往往含有大量位错，生 产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能 有效地提高金属强度。
铸锭中的组织缺陷
缩孔：大多材料凝固后体积收缩，留下的空腔就形成缩孔，缩孔是不可 避免的，减少危害措施可后加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用 部位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔。 疏松：实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固的固体 封闭而得不到液体补充而留下得缺陷。中部比边缘多，尺寸大得铸 件比小尺寸铸件严重。型材的轧制可减小或消除其不利的影响。 气孔：液体中的气体在凝固中未排出在凝固体内形成的缺陷。气体的来 源析出型(气体在液、固中的溶解度不同)和反应型(凝固过程中发生 的化学反应生成)。 夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂物有浇铸 中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等。 成分偏析：在多组元材料中，不同位置材料的成分不均匀叫做偏析。按 其区域分为宏观偏析(不同区域的成分不同)和微观偏析(各区域平均 成分相同，在微观位置如一个晶粒的内部或更小的范围看成分有差 别)。
经历了形核——长大——形核——长大... 的过程
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 。
2. 冷却曲线与过冷度
冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来 描述金属的结晶规律。将温度T和对应时间t绘 制成T-t曲线。 曲线分析：随时间的增加，纯金属液的温度不 断下降；当冷到某一温度时，在曲线上出现了 一个恒温的水平线段，所对应的温度就是金属 的结晶温度（或熔点），在结晶过程中，由于 放出的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度保 持恒定不变；结晶结束后，由于金属继续散热， 固态金属的温度开始下降。
3. 影响晶粒大小的因素
纯金属结晶终了就得到由许多个 外形不规则的晶粒所组成的多晶体。 一般金属结晶后多获得这种多晶体的 结构。如果控制结晶过程，使结晶后 获得只有一个晶粒的金属，称为单晶 体。
（1）过冷度 随着过冷度的增加，形核率和长 大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要 快，所以产生的晶核数目增加。因此，通过加快冷 却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化。 （2）未熔杂质 在金属液中加入变质剂（高熔 点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细 化晶粒，这种方法称变质处理，变质处理在生产中 应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷 度时，采用变质处理可有效地细化晶粒。 （3）振动 在金属结晶时、施以机械振动、电 磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期 形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒 的目的。
晶界和亚晶界越多、位错密度越大， 金属的强度越高。 在室温下，一般情况是金属的晶粒 越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性 越好，这种现象称为细晶强化。
三、金属的结晶与铸锭组织
1. 纯金属的结晶过程
结晶过程是金属内的原子从液态的无序的混乱排 列转变成固态的有规律排列。 晶核形成：自发形核与非自发形核 晶核长大： 金属液中的原子不断向晶核表面迁移， 使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产 生并长大，直至金属液全部消失。 结晶过程
2. 晶体缺陷
理想晶体：原子完全按一定的次序规则排 列的晶体。 晶体缺陷：在实际金属晶体中，存在原子 不规则排列的局部区域，这些区域称为晶 体缺陷。 按陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺 陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷 都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从 而提高材料的强度、硬度。
这些缺陷的存在，对金属的性 能（物理性能、化学性能、机械性 能）将产生显著影响。 如钢的耐腐蚀性，实际金属的 屈服强度远远低于通过原子间的作 用力计算所得数值。
螺型位错
刃型位错
刃型位错示意图 a) 晶 格 立 体 模 型 b) 平 面 图
面缺陷——晶界和亚晶界
面缺陷包括晶界和亚晶界。 晶界是晶粒与晶粒之间的界面。另外， 晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向 差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称 为亚晶粒，亚晶粒的交界称为亚晶界。
晶界示意图
实验证明：
第二节 金属的结构与结晶
一、晶体与晶格
1. 晶体与晶格的概念
固态物质按内部质点（原子或分子） 排列的特点分为晶体与非晶体。自然界 中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻 璃、松香等）外，绝大多数无机非金属 物质都是晶体，一般情况下，金属及其 合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在 一定条件可相互转换。
晶体 的概念就是原子（或分子）按一定的 几何规律作周期性地排列；大多数的金 属是晶体。
体心立方晶格
[面心立方晶格]：
面心立方晶格的晶胞是一个立 方体，立方体的八个顶角和六个面 的中心各有一个原子。 属于面心立方的金属有：γ -Fe （温度在912~1394℃的铁）、铝 （Al）、铜（Cu）、银（Ag）、金 （Au）、镍（Ni）等。
面心立方晶格
面心立方晶格
[密排六方晶格]：
密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为 正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角 和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体 的中间还有三个原子。 具有密排六方晶格的金属有：镁（Mg）、 锌（Zn）、α -Ti（温度低于883℃的钛）、 镉（Cd）、铍（Be）等。
在一个单晶体中，由于各晶面和晶 向上的原子密度不同，原子间的结合力 也不同，。因此，在各方向上的物理、 化学和力学性能也不同，这一现象被称 为各向异性。
二、晶体结构与晶体缺陷
1. 多晶体结构
单晶体： 我们把晶体内部的晶格向位完全一致的 晶体叫做单晶体。
单晶体 晶粒 也叫 晶粒 之间的交界即为 晶界
面心立方晶格
体心立方晶格
密排六方晶格
渗碳体晶格
晶格致密度
从原子堆垛可看出，上述三种晶格 中原子排列的紧密程度不一样，面心立 方和密排六方晶格中的原子排列较紧密， 经计算，晶格中有74%的空间被原子所占 据，即这两种晶格的致密度均为0.74， 其余为晶格间隙；而体心立方晶格的原 煤子排列较松散，其致密度为0.68。
4. 铸锭组织
实际受各种 因素的影响，铸 造金属的组织是 多种多样的。
表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇 铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大 的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区。 柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温 度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速 度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖 了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区。 中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流， 中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、 生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长， 形成等轴晶。晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大。 力学性能 表层硬 柱状区有方向形 中心疏松、多杂质
密排立方晶格
密排立方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个上下 底面为正六边形的六柱体，在六 柱体的十二个顶角和上、下底面 的中心各有一个原子，六柱体的 中间还有三个原子。 具有密排六方晶格的金属有： 镁（Mg）、锌（Zn）、α -Ti （温度低于883℃的钛）、镉 （Cd）、铍（Be）等。
金属的晶体结构
[理论结晶温度]：纯金属在无限缓慢的冷却条件下 （即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度， 用T0表示。 [实际结晶温度]：实际生产中金属的冷却速度不可 能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶 温度，用Tn表示。 [过冷现象]：金属的实际结晶温度总是低于理论结 晶温度，即Tn<TO，这种现象称为过冷现象。 [与过冷度]：理论结晶温度与实际结晶温度的差值 称为过冷度，用Δ T表示。过冷度的大小与冷却速 度有关，冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷 度也越大。 Δ T= T0-Tn
5.
金属的同素异构转变
同素异构转变：
金属在固态 下晶格随温度发 生改变的现象。 纯铁是具有同素 异构性的金属， 如图是铁的同素 异构转变的冷却 曲线。
金属的同素异 构转变也是一种结 晶过程，它同样包 含晶核的形成和长 大，故又叫重结晶。 转变时也有结晶潜 热的放出和过冷现 象。 铁的同素异 构转变是钢铁能够 进行热处理的重要 依据。
[密排六方晶格]：
密排六方晶格的晶胞是一个上下 底面为正六边形的六柱体，在六柱体的 十二个顶角和上、下底面的中心各有一 个原子，六柱体的中间还有三个原子。 具有密排六方晶格的金属有：镁 （Mg）、锌（Zn）、α -Ti（温度低于 883℃的钛）、镉（Cd）、铍（Be）等。
原子排列
晶胞
晶胞中的原子数
体心立方、面心立方、密排六方晶格致密度比较
3.晶面与晶向
晶向：空间点阵中节点 列的方向。空间中任 两节点的连线的方向， 代表了晶体中原子列 的方向。 晶向指数：表示晶向方 位符号。
晶面：空间中不在一直线任 三个阵点的构成的平面， 代表了晶体中原子列的方 向。 晶面指数：表示晶面方位的 符号。
各向异性
非晶体 则是无规则的堆积在一起。非 晶体则如松香、玻璃、沥青。
[晶体]——内部质点在三维空间按一定 的规律周期性地排列； [非晶体]——内部质点是散乱排列的。
[金属中的原子堆垛]：为便 于表述晶体内原子的排列规 律，我们把原子看成刚性小 球，金属晶体就是由这些刚 性小球堆垛而成的 。
[晶格]：把原子看成一个结点，然后用 假想的线条将这些结点连结起来，便构 成了一个有规律性的空间格架称晶格 [晶胞]：晶格中能完全反映晶格特征的 最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的 长度a、b、c称为晶格常数。 由于晶体中原子重复排列的规律性， 因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特 征。