金属晶体结构及结晶过程

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。
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
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。
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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。
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
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。
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
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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
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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。
Hale Waihona Puke Baidu体心立方晶格 密排六方晶格
面心立方晶格 复杂斜方晶格
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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
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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。
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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。
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Break
温度 ℃
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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。
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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铅-锑合金状态图的建立
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。
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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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。