金属晶体结构及结晶过程
简述金属的结晶过程
简述金属的结晶过程金属的结晶是指金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程是一个复杂而精细的物理过程，涉及到许多因素，如温度、压力、合金成分等。
本文将从金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面，简述金属的结晶过程。
一、金属的熔化金属的结晶过程首先是金属的熔化过程。
当金属受到加热时，金属内部的原子开始变得活跃起来，原子之间的距离逐渐增大，金属内部的结构逐渐变得无序。
当温度升高到金属的熔点时，金属开始从固态转变为液态。
在液态状态下，金属原子之间的结构无序，原子之间可以自由移动。
金属的熔化过程是金属结晶的第一步。
二、金属的凝固当金属从液态冷却到一定温度时，金属开始凝固。
凝固是指金属从液态到固态的过程。
在凝固过程中，金属原子重新排列，逐渐形成有序的晶体结构。
凝固的过程中，金属原子逐渐聚集在一起，形成晶体的晶粒。
晶粒是金属结晶的基本单位，每个晶粒内部的结构有序而紧密，不同晶粒之间的结构则不同。
晶粒的大小和形状取决于凝固过程中的温度变化、冷却速率和合金成分等因素。
三、晶体的生长金属的凝固过程会伴随着晶体的生长。
晶体的生长是指晶粒在凝固过程中逐渐增大和扩展的过程。
在凝固过程中，金属原子会不断地从熔融的金属中扩散到已经凝固的晶粒中，使晶粒逐渐增大。
晶体的生长速率取决于金属的冷却速率和金属原子的扩散速率。
如果冷却速率较快，金属原子的扩散速率较慢，晶体的生长速率就会减慢，晶粒就会变小。
反之，如果冷却速率较慢，金属原子的扩散速率较快，晶体的生长速率就会加快，晶粒就会变大。
晶体的生长过程中，晶粒之间会出现界面，界面上的结构也会随着晶体的生长而改变。
金属的结晶是一个复杂而精细的过程，涉及到金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面。
金属的结晶过程是金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程受到多种因素的影响，如温度、压力、合金成分等。
理解金属的结晶过程有助于我们深入了解金属的性质和应用，并为金属材料的制备和加工提供理论基础。
简述纯金属结晶过程的结晶过程及形核
简述纯金属结晶过程的结晶过程及形核
纯金属的结晶过程：
1.熔融：首先，将金属材料以高温进行熔融，使它变成一种流体状态，以便更
好地发挥凝固时形成结晶体的能力。
2.凝固：凝固过程是将高温熔融液金属冷却而形成晶体的过程。
当熔融液不断
冷却时，它会变得更加粘稠，这样分子之间的相互作用才会明显增强，从而使它们朝向结晶的方向发展。
3.形核：经过凝固过程后，原子之间的作用形成结晶的起始点，即所谓的形核。
最初的形核通常很小，晶体以它为中心，不断得到更多的金属原子，最终在将结晶物构建完成后，结晶体宣告形成。
4.排列：当金属原子结晶后，它们会按照一定的规律排列。
当结晶受到冷却作
用后，原子按照固定的结构进行排列，可以形成完美的三维晶体。
5.结晶体：结晶体形成时，会形成均匀的金属晶体，经不断凝固，结晶体会提
高它的稳定性，使晶体拥有良好的力学性能。
以上就是纯金属结晶过程及其形核的详细描述，因为结晶过程是金属成型的必经步骤，所以对金属成型性能有着至关重要的影响。
只有掌握正确的结晶过程和形核，才能让金属材料达到最佳的性能。
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。
金属的晶体结构和结晶
三、金属旳实际晶体构造
1、单晶体与多晶体旳概念 ➢ 单晶体：晶体内部旳晶格位向是完全一致。 ➢ 多晶体：由多晶粒构成旳晶体构造。晶粒与晶粒
之间旳界面称为晶界。
晶
晶
粒
界
3.1 金属旳构造
2、晶体中旳缺陷
（1）点缺陷
最常见旳点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这 些点缺陷旳存在，会使其周围旳晶格发生畸变，引起性能 旳变化。
➢ 金属经过热处理能够在不变化化学成份旳前提下 取得不同旳组织，从而取得不同旳力学性能。
3.4 合金旳晶体构造
二பைடு நூலகம்合金晶体构造旳类型
根据构成合金旳各组元之间相互作用旳不同，合 金旳晶体构造可分为固溶体、金属化合物和机械混合 物三种类型。
1、固溶体 ➢合金在固态下，组元间仍能相互溶解而形成旳均匀 相，称为固溶体。 ➢形成固溶体后，晶格保持不变旳组元称溶剂，晶格 消失旳组元称溶质。 ➢固溶体旳晶格类型与溶剂组元相同。
晶体与非晶体旳根本区别在于其内部原子旳排列是否规则。
晶体有一定旳熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。
➢ 在自然界中，除一般玻璃、松香、石蜡等少数物质以外， 涉及金属和合金在内旳绝大多数固体都是晶体。
3.1 金属旳构造
(2)晶格、晶胞、晶格常数
➢用于描述原子在晶体中排列规则旳三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一种能够代表晶格特征旳最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状旳几何参数称为晶格常数。
Fe3C旳晶体构造
3.5 合金旳结晶
➢ 共晶转变 从一定化学成份旳液体合金中同步结晶出两种不 同固相旳机械混合物，则该转变过程称为共晶转 变。
➢ 共析转变 在固态下由一种单相固溶体同步析出两种不同固 相旳机械混合物，则该转变过程称为共析转变。
第一章 金属的结晶构造和结晶过程
二、二元合金相图匀晶相图来自、二元合金相图匀晶相图
▪ 特点：液态、固态均无限互溶
▪ 同类： Cu-Ni、 Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等
温
度a
L
L+S
b S
A
B
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
二、二元合金相图 ❖ 匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程
面心立方晶格
原子个数 原子半径
致密度
4
0.74（74%）
密排六方晶格
密排六方晶格 Mg，Zn，Be，Cd等
密排六方晶格
❖十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上 下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀 分布三个原子。
❖ 密排六方晶胞的特征： 晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间 的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与底面之间的夹角为90°。
1 538℃
1 394℃
912℃
L
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
密排六方晶格
原子个数 原子半径
致密度
6
R=a/2 0.74（74%）
第二节 金属的结晶
一、金属的冷却曲线和过冷现象
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶第一节金属的晶体结构固态物质按其原子排列规律的不同可分为晶体与非晶体两大类。
原子呈规则排列的物质称为晶体，如金刚石、石墨和固态金属及合金等，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规则排列的物质称为非晶体，如玻璃、松香、沥青、石蜡等，非晶体没有固定的熔点。
一、晶体结构的基本概念在金属晶体中，原子是按一定的几何规律作周期性规则排列。
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，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体。
图2.1 晶体、晶格与晶胞示意图1．晶格为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格子称为晶格。
晶体中的每个点叫做结点。
2．晶胞晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。
实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。
3．晶格常数晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，如图2.1 c)所示。
晶胞的棱边长度称为晶格常数，以埃(Å)为单位来表示(1Å =10-8cm)。
当棱边长度a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。
二、常见金属的晶格类型1．体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，。
每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)×8+1=2个。
具有体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、α铁(α-Fe)等。
金属材料的结构与结晶
只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时
才能形成间隙固溶体。
例：Fe和C形成间隙固溶体。
间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。
图2-12（ｂ）
图2-12（ａ）
（2）臵换固溶体：溶质原子占据晶格结点位臵而形 成的固溶体。 （图2-12b）
两组元原子尺寸相近时，易形成臵换固溶体。可形
成有限固溶体和无限固溶体。 例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为臵
立方晶格中的某些晶面立方晶格中的某些晶面100100面面110110面面111111面面立方晶格中的某些晶向立方晶格中的某些晶向111111向向110110向向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同因此原子结合力也就不同从而在不同的不同因此原子结合力也就不同从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能这就是晶体具晶面和晶向上显示出不同的性能这就是晶体具有各向异性的原因
1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。 2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。
3. 晶格参数：
晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。
4. 三种典型的金属晶体结构 面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。 面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良
好的塑性； 密排六方晶格的金属有 Mg、Zn、Be等
Fe3C组成的机械混合物。
机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的
平均值。
35 钢的显微组织
机械混合物P
将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色
基体是Fe与C形成的固溶体， 含碳0.0218% 体 心立方晶格（称为铁素体F）， 黑色条纹为 渗
碳体（Fe3C）。
黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为
金属结晶的过程
金属结晶的过程金属结晶的过程是指金属从液态转变为固态的过程，主要包括以下几个步骤：1. 熔化：金属首先被加热至其熔点以上，从固态转变为液态状态。
在液态状态下，金属的原子或离子不再排列成有序的晶格结构，而是以无序的方式移动和分布。
2. 过冷：在液态金属中，存在着过冷现象，即金属在熔点以下的温度仍保持液态状态。
这是由于金属液体的结构稳定性较高，需要在一定的条件下才能转变为固态。
3. 成核：一旦金属液体过冷，其中的一些原子或离子会以有序的方式开始重新排列，并在液体中形成微小的固体核，这个过程被称为成核。
成核通常发生在液体中的一些不均匀区域或者在液体表面。
4. 长大：成核后的微小固体核会通过原子或离子的迁移和积聚来继续生长，形成更大的晶粒。
这个过程被称为晶粒长大。
晶粒的生长速度与温度、压力和扩散速率等因素相关。
5. 完全凝固：当晶粒不断长大并且互相连接时，整个金属体开始逐渐凝固并过渡为固态金属。
在凝固完成后，金属的晶格结构变得有序，并且晶粒相互连续形成一个连续的金属晶体结构。
需要注意的是，金属结晶的过程受到多种因素的影响，包括温度、压力、成核的条件和速率、扩散速率等。
不同的金属在结晶过程中可能会呈现出不同的特征和晶粒形状。
当金属进入液态状态后，其原子会具有较高的热能，能够自由移动，而且相互之间的相互作用较弱。
在这种状态下，金属的原子会以随机的方式排列和移动。
随着金属液体的过冷，即温度低于其熔点时，会发生成核现象。
成核是指在固态金属中形成起始晶核的过程。
成核可以通过两种方式发生：1. 自发成核：在金属液体中存在一些局部的原子或离子团聚形成团簇，这些团簇会进一步成长并形成微小的晶核。
自发成核的速率在一定温度下是稳定的，与金属的化学性质和温度有关。
2. 异质成核：当金属液体接触到具有相同或相似晶格结构的固体表面时，固体表面可以作为异相核心，促使金属液体中的原子团聚并形成晶核。
异质成核可以显著增加金属结晶的速率。
简述金属的结晶过程
简述金属的结晶过程
金属的结晶过程是指金属从液态到固态时，其原子经历的有序排列过程。
结晶是金属固态化学成分的排列和有序化过程，并且伴随着晶体的生长。
金属的结晶过程可以分为三个阶段：核心形成、晶体生长和晶体重塑。
1. 核心形成阶段：在金属液体中，当温度逐渐降低时，金属离子和自由电子开始逐渐放慢运动。
在某个温度点以下，金属离子和自由电子的活动受到阻碍，形成小团的结晶核心。
2. 晶体生长阶段：在核心形成后，结晶核心会吸附金属离子和自由电子，形成金属晶体。
结晶核心表面的金属离子和自由电子会与周围的金属离子和自由电子进行相互吸引和结合，从而逐渐扩大晶体的尺寸。
晶体生长过程中，金属原子按照一定的规则排列，形成晶胞结构。
3. 晶体重塑阶段：在晶体生长过程中，晶体的形态和尺寸会受到外界条件（如温度、压力等）的影响。
当温度和压力变化时，晶体会发生重塑现象，即晶体重新排列形态，形成新的晶体。
这是因为金属原子在固态下具有一定的流动性。
总的来说，金属的结晶过程是一个通过有序排列金属原子的过程，通过核心形成、晶体生长和晶体重塑三个阶段，使金属从液态转变为固态。
金属的结晶过程对金属材料的晶体形态和性能有很大影响。
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
金属的晶体结构和结晶
组元3
组元2
合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元 相互之间作用方式不同，可以形成固溶体、金属化合物和 机械混合物三种结构。
1.固溶体
(1)固容体的类型 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。 图1-10a 间隙固溶体 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。 如图1-10b 所示。 如Fe-Ni、Cu-Ni等。 图1-10b 置换固溶体
(2)固溶强化
固溶强化：通过溶入某 种溶质元素形成固溶体 而使金属的强度、硬度 升高的现象。
1-10c 间隙固溶体晶格畸变
如图1-10c、1-10d所示。
1-10d 置换固溶体晶格畸变
2.金属化合物
金属化合物：即由两组元的原子按一定的数量比相 互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。 金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体 结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。 碳钢中的Fe３C、合金钢中的TiC、WC、VC等均 属于金属化合物。 Fe３C的晶格如图1-11b所示。
时间
2.过冷
过 冷：即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下 而没有发生凝固的现象。 过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值 称为过冷度。 即： ΔT=T0-Tn 式中 ΔT——过冷度（℃）； T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； Tn ——金属的实际结晶温度（℃）。 金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。 冷却速度越快过冷度也越大。
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固 体金属物质分为晶体和非晶体 两大类。
金属的结晶构造和结晶过程
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一、晶体与非晶体
1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。有固定熔点。
2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。
长程无序，各向同性。无固定熔点。
3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等） 是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅 酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤 维都是晶体。
➢ 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时 属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个 晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶 胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。
体心立方晶格
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原子半径
❖晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对 角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系 为：
1 538℃
1 394℃
912℃
Lቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
δ－Fe
γ －Fe
α－Fe
(体心)
(面心)
(体心)
转变发生于固态 特点：在一定温度下进行
晶格类型发生变化
形核 ＋ 长大
局部
整体
三、金属的同素异晶转变
纯铁的同素异构转变曲线
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三、金属的同素异晶转变
❖ 金属的同素异晶有一定的转变温度并放出结晶潜 热。
❖ 金属的同素异晶转变具有较大的过冷倾向。
长。
二、金属的结晶过程
晶粒大小及其控制
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细晶强化的基本原理 ↑v形核， ↓v长大
细晶强化的方法 -- 增大过冷度∆T (中、小型零件) ↑形核率， ↓v长大 -- 变质处理 ↑形核率 -- 震动、搅拌结晶 ↓v长大， ↑形核率
第三章 纯金属(晶体)的凝固
K为比例常数。
形核率与温度(或过冷度)之间的关系如图3-5所示。
过冷度较小时，形核率 主要受形核功因子控制； 当过冷度继续增大时， 形核率受扩散的几率因 子所控制。
图3-5 形核率与温度的关系
有效形核温度：
有些易流动的液体，形 核率随温度下降至某值T*突 然显著增大，该温度就称为 均匀形核的有效形核温度。
a．连续长大 粗糙界面，由于界面上约有一半的原子位置空着，
故液相的原子可以进入这些位置与晶体结合起来，晶体 便连续地向液相中生长，这种生长方式为垂直生长。垂 直生长的生长速率较高。
图3-10’ 粗糙界面
b. 二维形核 二维晶核是指一定大小的单分子或单原子的平面薄
层。如图3-11所示。这种生长机制主要是在光滑界面上进 行。形成二维晶核需要形核功，这种机制下晶体的生长 速率很慢。a.swf
实验结果表明，有效形
核过冷度△T*≈0.2 Tm（Tm用 绝 对 温 度 表 示 ， △ T* ＝ Tm-
T*），如图3-6表示。
图3-6 金属的形核率N与过 冷度△T的关系。
二、 非均匀形核 除非在特殊的试验条件下，液态金属的凝固大都是非
均匀形核。
非均匀形核体系自由能的变化也由体积自由能和表面 自由能两部分组成。如图3-7所示。
图3-12 螺型位错台阶机制 示意图
图3-13 螺型位错台阶机制示意图
三、纯金属的生长形态
纯金属凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结 构有关，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况，温 度分布可有两种情况：正的温度梯度和负的温度梯度。
a．在正的温度梯度下 dT/dx>0，结晶潜热只能通过固相而散出，相界面的
金属的结晶过程
金属的结晶过程一、引言金属是一类重要的材料，具有良好的导电、导热和机械性能，在工业生产中得到广泛应用。
金属的结晶过程是指金属从液态到固态的转变过程，是金属材料形成晶体结构的过程。
本文将介绍金属的结晶过程及其相关特性。
二、金属的结晶过程金属的结晶过程是一个涉及原子排列和晶体生长的复杂过程。
当金属升温至熔点以上时，金属内部的原子开始脱离固态结构，形成自由运动的液态金属。
当金属冷却至熔点以下时，液态金属中的原子逐渐聚集形成晶体结构。
1. 原子的自由运动在金属熔化时，金属内部的原子开始失去固态结构的稳定，变得活跃起来。
原子的自由运动使得金属内部的原子能够更加接近，并形成较为紧密的结构。
2. 晶核的形成当金属冷却至熔点以下时，原子逐渐减少其运动速度，开始重新排列形成晶体结构。
在金属中，晶核是指最早形成的晶体微粒。
晶核的形成受到多种因素的影响，如温度、杂质和晶界能量等。
3. 晶体生长晶体生长是金属的结晶过程中最重要的阶段之一。
在晶核周围，原子逐渐添加到晶体结构中，使得晶体逐渐增大。
晶体的生长速率与温度、溶质浓度和结晶界面的形态有关。
4. 晶体的排列随着金属的继续冷却，晶体逐渐增大并排列有序。
金属晶体的排列方式通常分为立方晶系、六方晶系和正交晶系等。
不同的金属具有不同的晶体结构。
三、金属结晶的特性金属的结晶过程赋予了金属一些特性，这些特性对金属材料的性能产生重要影响。
1. 晶粒尺寸晶粒尺寸是指金属中晶体的大小。
晶粒尺寸的大小对金属的力学性能、电学性能和耐蚀性能等产生影响。
通常情况下，晶粒尺寸越小，金属的性能越好。
2. 晶界晶界是相邻晶粒之间的边界区域，是金属中的缺陷。
晶界对金属的力学性能和导电性能等起着重要作用。
晶界的数量和性质直接影响着金属的性能。
3. 金属的力学性能金属的结晶过程直接影响其力学性能。
晶体的排列和晶粒尺寸等因素决定了金属的硬度、强度和韧性等力学性能。
4. 金属的导电性和导热性金属的结晶过程与金属的导电性和导热性密切相关。
工程材料学2金属的晶体结构与结晶
§2.1 晶体学基础知识
注意:晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面 。
§2.1 晶体学基础知识
晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。
§2.1 晶体学基础知识
立方晶系常见的晶面 Z
（011）
（110
） （011
（101）
）
（101 ）
Y
（110
） X
§2.1 晶体学基础知识
柱体。
四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指
数的排列顺序依次与a1轴、 a2轴、 a3轴、c轴相对
应，其中a1、a2、a3三轴间夹角为120o，c轴与它 们垂直。它们之间的关系为：i =－（h＋k）。
2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法
1、晶面指数：
方法同立方晶系， (hkil)为在四个坐标 轴的截距倒数的化简 ，自然可保证关系式 h＋k＋i＝0。底面指 数为(0001)。
铅锭宏观组织
沿晶断口
§2.3 金属材料的实际晶体结构
点缺陷对材料性能的影响
（1）提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡 力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。
（2）加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 ( 3 ) 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
体心立方晶格为单斜晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？
面心立方晶格为菱方晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
２．面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？
密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB… 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…
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
金属结晶的过程
金属结晶的过程一、引言金属结晶是金属材料制备过程中的重要环节，对材料的性能和应用具有重要影响。
金属结晶是指金属从液态或气态转变为固态时，原子或离子按一定方式有序排列的过程。
本文将从金属结晶的基本概念、结晶方式、结晶过程以及影响结晶的因素等方面进行阐述。
二、金属结晶的基本概念金属结晶是指金属在凝固过程中，原子或离子按照一定的顺序和规则排列形成晶体的过程。
晶体是由许多原子或离子有序排列而成的，具有规则的几何形状和周期性的结构。
金属结晶的形成是由于金属原子间的相互吸引力使得金属原子有序排列。
三、金属结晶的方式金属结晶有两种方式：均匀凝固和非均匀凝固。
均匀凝固是指金属整体同时凝固，形成均匀的结晶组织。
非均匀凝固是指金属在凝固过程中产生不均匀的结晶组织，如晶粒大小不一、晶界不连续等。
四、金属结晶的过程金属结晶的过程可以分为凝固核形成、晶胞生长和晶粒长大三个阶段。
1. 凝固核形成凝固核是指在金属液态中形成的最小的结晶单位，是金属结晶过程中的起始阶段。
凝固核的形成需要满足两个条件：一是存在着凝固核形成所需的过冷度；二是存在着凝固核形成所需的固液界面自由能。
当金属液态的温度降低到一定程度时，由于过冷度的存在，金属原子会开始有序排列并形成凝固核。
2. 晶胞生长凝固核形成后，金属原子会沿着晶体生长方向有序排列并形成晶胞。
晶胞是晶体的最小结构单位，具有规则的几何形状和周期性的结构。
在晶胞生长过程中，金属原子会源源不断地从熔体中扩散到晶胞中，使得晶胞逐渐增大。
3. 晶粒长大晶胞生长后，相邻的晶胞会相互连接形成晶粒，晶粒是由许多晶胞组成的。
晶粒的大小和形状是由凝固过程中的温度和冷却速率等因素决定的。
晶粒长大的过程是指晶粒之间的相互连接和生长，使得整个金属材料逐渐形成具有规则晶粒结构的晶体。
五、影响金属结晶的因素金属结晶的过程受到多种因素的影响，包括温度、冷却速率、合金成分等。
1. 温度温度是影响金属结晶过程的重要因素。
温度的升高会加速金属原子的扩散速率，促进晶胞的生长和晶粒的长大。
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体心立方晶格 密排六方晶格
面心立方晶格 复杂斜方晶格
2020年7月26日星期日
1-2 晶体结构及结晶过程
金属的结晶过程
液态金属冷却到凝固温度时，原子由无序状态 转变为按一定的几何形状做有序的排列。金属 的这种由液体转变为晶体的现象叫做结晶。
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1-2 晶体结构及结晶过程
金属的结晶过程
2020年7月26日星期日
1-2 晶体结构及结晶过程
金属的结晶过程
金属是由很多大小，外形和晶格排列均不相同的 晶粒所组成的多晶体。
晶粒的粗细对于金属的机械性能影响很大。晶粒 愈细，机械性能愈好。
晶粒的粗细与晶核数目的多少和晶核长大的速度 有关。晶核多，晶粒细，冷却速度越大晶粒越细。
可以采用热处理和压力加工的方法使固态金属的 粗大晶粒得以细化。
过冷度 理论结晶温度
实际结晶温度
1-2 晶体结构及结晶过程
时间 s
℃
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000
900 800 700
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L
1535
δ
1390
γ
910
α
s
1-2 晶体结构及结晶过程
固溶体
溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的 金属晶体，叫做固溶体。根据溶质原子在溶剂晶 格中所占据的位置，可分为
结晶凝固过程可分为两个阶段：即晶核（结晶 中心）的形成和晶体的生长。
晶核的形成过程中一些原子自发地聚集在一起 ，称自发晶核；液态金属中一些外来的微细固 态质点也可形成晶核，称作外来晶核。
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1-2 晶体结构及结晶过程
Hale Waihona Puke 金属的结晶过程结晶主要是在晶体的生长线速度最大的方向 上发展，这样就形成晶轴，并逐渐成长为树 枝状晶体。当全部长大的晶体互相抵触时， 液态金属即已耗尽，结晶过程宣告完成。 每个晶核长成的晶体又叫晶粒，晶粒之间的 接触面叫做晶界。
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1-2 晶体结构及结晶过程
金属的同素异晶转变
有些金属（如铁、锡、钛、锰等）的晶格类型，因温度 而异。一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同 素异构性。 金属在固态时改变其晶格类型的过程，叫做金属的同素 异晶转变。与液态金属的结晶过程相似，故又叫做二次 结晶（或重结晶）。 铁在同素异构转变时有体积变化。面心立方晶格中铁原 子排列比较紧密。铁的同素异构性影响到钢。
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1-2 晶体结构及结晶过程
金属化合物
金属化合物不同于一般化合物，它具有明显的金属 性质，如Fe3C。相反的，FeS、MnS等化合物没有金 属性质。金属化合物常具有复杂的晶格结构。
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1-2 晶体结构及结晶过程
金属的晶体结构
晶格的最小单元叫做晶胞，它代表整个晶格的原
子排列规律。晶胞中各棱边的长度叫做晶格常数 ，其大小以 来度量。各种金属晶体结构的主要 差别，就在于晶格类A 型和晶格常数的不同。大多
数金属都具有比较简单的晶体结构。最常见和最 典型的晶格类型有以下四种。
铅-锑合金状态图的建立过程一般如下：
1. 将Pb-Sb两种金属配制成一系列不同配比的合金； 2.分别测定各合金的结晶过程，并绘制出其冷却曲线； 3.在各冷却曲线上确定各合金的结晶温度转变点； 4.将上述各结晶温度转变点描绘在温度成分坐标上，连 接开始结晶温度转变点得到液相线，连接各终止结晶温 度转变点得到固相线。
1-2 晶体结构及结晶过程
二元合金状态图
合金的结晶过程复杂得多，要用状态图才能表示 清楚。合金状态图是表示合金系结晶过程的简明 图解，它是研究合金的成分，温度和结晶组织三 者之间变化规律的一个极其重要的工具，是用试 验方法作出的。
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1-2 晶体结构及结晶过程
铅-锑合金状态图的建立
金属的晶体结构
固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体 和非晶体两种。晶体的原子按一定次序作有 规则的排列，如金刚石、石墨及一切固态的 金属和合金。由于晶体和非晶体的内部结构 不同，两者的性能也不同。比如晶体具有一 定的凝固点、熔点和多向异性。
2020年7月26日星期日
1-2 晶体结构及结晶过程
金属的晶体结构
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1-2 晶体结构及结晶过程
金属的结晶过程
纯金属的结晶是在一定温度条件下进行的，可用冷却曲 线来表示。冷却曲线是金属温度随时间变化的曲线。冷 却曲线有一水平线段，这就是实际结晶过程。可以看出 实际结晶温度低于理论结晶温度。液态金属冷却到理论 结晶温度以下才开始结晶的现象，叫做过冷。而理论结 晶温度与实际结晶温度之差，叫做过冷度。其大小与冷 却速度有关，冷却速度愈快，过冷度愈大。
晶体中原子排列的情况如图所示，它是晶体中原子 在空间中堆积的球体模型，很难看清楚内部的排列 规律和特点。有必要把原子抽象化，把每个原子看 成一个点，这个点代表原子的振动中心。把这些点 用直线连接起来，便形成一个空间方格，称作晶格 ，晶格中每个点叫做结点，结点代表原子在晶体中 的平衡位置。在晶格中，每个结点周围都具有完全 相同的邻点，各个方位的原子平面称作晶面。
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1-2 晶体结构及结晶过程
二元合金状态图
铁碳合金也是一种极其重要的二元合金，铁 碳合金状态图的建立方法与铅锑合金状态图 的建立方法完全一样。
下次课我们将重点介绍铁碳合金的金相组织 结构以及铁碳合金状态图。
2020年7月26日星期日
12
Break
温度 ℃
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纯铁同素异晶转变冷却曲线
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1-2 晶体结构及结晶过程
合金的晶体结构
组成合金的元素叫做组元，组元一般指化学 元素。在金属和合金的晶体组织中，凡化学 成分与晶体结构相同，并与其他部分有界面 地分开的均匀组成部分，就称为相。固态合 金中的基本相结构为固溶体和金属化合物。
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置换固溶体：溶质原子代替了一部分溶剂原子而占据溶剂晶格的某些
结点位置。溶质原子使溶剂晶格发生畸变，并使晶格常数发生变化。晶 格畸变增大，使塑生变形应力增加，晶面间的相对滑移力也增加，表现 为固溶体的强度和硬度升高，这种现象叫做固溶强化。
间隙固溶体：溶质原子嵌入各结点之间的空隙。例如碳钢中的铁素体
和奥氏体。通常是原子直径很小的C．N．H．Be等元素作为溶质。溶解 度一般不能很大，也产生固溶强化。