金属学基础资料
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原子排列不规则，缺陷和杂 质集中，阻碍滑移，使变形 抗力增大
各晶粒位向不同，相互制约
晶粒越细，强度和塑性越高
塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形对金属的影响
纤维组织 亚结构形成 形变织构产生
金属塑性变形到很大程度(70%以 上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶 粒的位向趋近于一致, 形成特殊的 择优取向, 这种有序化的结构叫做 形变织构
点缺陷
空位 间隙原子
线缺陷
正刃形位错 负刃形位错
面缺陷
晶界 亚晶界
晶体缺陷与强化
晶体的缺陷
点缺陷
三维尺度上都很小, 不超过几个原子直径的缺陷
空位：晶体晶格中, 若某结点上没有原子 间隙原子：位于晶格间隙之中的原子
线缺陷
两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷
回复
缺陷通过移动、复合消失而 减少，晶粒仍保持变形后形 态， 变形金属显微组织不 发生明显变化
强度和硬度略有降低，塑性 有增高，残余应力大大降低
再结晶
也是一个形核和长大过程
强度和硬度明显降低，而塑 性和韧性大大提高 ，内应 力全部消失
物理、化学性能基本上恢复 到变形以前水平
体晶态的过程 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相
似，故称为二次结晶或重结晶
纯金属的结晶
结晶
冶炼、注锭
纯金属结晶的条件
T(℃)
T0
Tn
ΔT
t(h) 纯金属（纯铜）的冷却曲线
液态金属和固态金属的自由能温度关系曲线
液体金属
形成晶核
形核
均质形核 异质形核
纯金属结晶过程
晶核长大
部分结晶
完全结晶
长大
平面长大 树枝状长大
金属钢锭的组织和结构
1) 细晶区；(2)柱状晶区；(3)等轴晶区 冶炼注锭
金属钢锭的组织和结构
细晶区： Δ T
N
柱状晶区： Δ T
N
G
对G影响不大
形 核
晶粒优先生长的方向与散热最快 率
方向一致
等轴晶区：Δ T
N
散热没有方向
G N
晶格、晶胞
晶体是由原子(正离子)在空间按一定几何形 式规则排列的，所有固体金属都是晶体
金属的结构特点: 金属正离子游弋在自由电 子的海洋
自由电子 金属正离子
c
晶格的由来
[1]
[2]
[3]
晶格、晶胞
通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直 线，这些直线将形成空间格架。这种格架称 为晶格
N 生 长 速 率
过冷度Δ T(℃)
镇静钢锭和沸腾钢锭的组织和缺陷
缩孔：金属结晶时，先结晶区域的体积收缩 能够得到金属液的补充，后凝固结晶的部分 地不到补充就会形成缩孔
疏松：处于早期结晶包围的金属液体在凝固 结晶时得不到母液的补充，便会形成微小和 分散的缩孔
偏析：早期结晶部位与后期结晶部位的化学 成分不同造成宏观区域性成分不均匀
位错（线缺陷）：晶体中原子平面的错动引起 正刃型：半原子面在上 负刃型：半原子面在下
不锈钢中的位错线
面缺陷
二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷
晶界：晶粒与晶粒之间的接触界面 亚晶界：亚晶粒之间的边界
晶界
金属由大量外形不规则的小晶体（晶粒）组成的 ，为多晶体
每个晶粒基本上可视为单晶体所有晶粒的结构完 全相同, 但彼此之间的位向不同
气泡：金属液体凝固时，来不及逸出的气体 保留在金属固体中，形成气泡
细化铸态金属晶粒的措施
一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强度, 塑性和 韧性越好，工程上使晶粒细化提高金属机械 性能的方法称为细晶强化
增大金属的过冷度 采用金属型铸模 超高速急冷技术
变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂， 以细化晶粒和改善组织
化为最小整数
一般形式[uvw]，如：晶向OA的晶向指数为[100]；OB、OC 的晶向指数分别为[110]、[111]
[uvw]实际表示一组原子排列相同的平行晶向
选定任一结点为空间坐标的原点， 以晶格的3条棱边为坐标轴，以a,b,c 为长度单位
计算所求晶面在各坐标轴的截距， 并取截距的倒数
面心立方
密排六方
晶胞特征
晶格常数：a、c表达；120°90°
晶胞原子数：6个 原子半径： 1/2 致密度：74% 配位数：12
晶面、晶向、各相同性
晶向: 通过原子中心的直线为原子列，它所代表 的方向称为晶向
晶面: 通过晶格中原子中心的平面称为晶面 各向异性: 晶体在不同方向上性能不同的现象
降低金属的耐腐蚀性能
金属强度随缺陷增多而 迅速下降，当缺陷增多 到一定数量，又随缺陷 增多而迅速上升
增加缺陷来提高强度， 如淬火
晶体缺陷与强化
强 度
缺陷
金属的结晶
金属从一种原子排列状态转变为另一种原子 规则排列状态（晶态）的过程均为结晶过程
一次结晶：金属从液态转变为固体晶态的过程 二次结晶：金属从一种固体晶态转变为另一种固
弹性变形 金属内部原子之间的位置发生改变而造成的 外力停止后，原子可以回到原来位置，变形消失
未变形
弹性变形
塑性变形
单晶体的塑性变形
主要形式有滑移和孪生 滑移 是晶体在切应力的作用下, 晶体的一部
分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移 方向)相对于另一部分发生滑动
多晶体的塑性变形
再结晶温度&再结晶的晶粒度
再结晶温度
变形度 再结晶温度 晶粒 保温时间 金属熔点 再结晶温度
再结晶的晶粒度
主要因素：加热温度和变形度 临界变形度 2%~10%
1.3.3 金属的热加工
热加工与冷加工的比较：再结晶温度 热加工对金属性能的影响
铸态金属中气孔、疏松、微裂纹焊合，提高致密 度
塑性变形对金属性能的影响
加工硬化
金属发生塑性变形, 随变形度的增 大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑 性和韧性明显下降的现象
各向异性
纤维组织和形变织构的形成
电阻增大, 耐腐蚀性降低 残余内应力
金属内变形不均匀, 位错、空位等 晶体缺陷增多
1.3.2 塑性变形金属的回复与再结晶
减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相 的分布
打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过 再结晶获得等轴细晶粒
形成纤维组织(或称“流线”)
(a) 锻造曲轴
(b) 切削加工曲轴
晶向指数
选定任一结点为空间坐标的原点， 通过坐标原点引1条平行所求晶向的 直线
求直线上任一点的3个坐标值
能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞
体心立方 面心立方 密排六方
晶胞的描述
晶胞尺寸：晶格常数表示 实际原子数 原子半径：晶胞中距离最近的两个原子之间
的距离的一半 致密程度：晶格中原子所占的体积
配位数：晶格中与任一原子处于等距离且相距最 近的原子数目
致密度：晶胞中全部原子的体积占晶胞总体积的 百分比
振动 电磁搅拌
不同晶粒大小纯铁的机械性能
晶粒直径 (um)
70
强度σb （MPa）
184
25
216
1.6
270
伸长率δ （％）
30.6
39.5
50.7
1.3 金属的塑性变形与再结晶
(a)轧制 (b)挤压 (c)拉拔 (d)锻压 (e)冲压
金属塑性变形对组织和性能的影响
塑性变形 晶粒内部原子产生滑移、变形和破碎现象；晶粒 间也产生滑移、变形和转动 外力停止，变形不会消失
化为最小整数
晶面指数
一般形式(hkl)，晶面ABBA的晶面指数即为(100);晶面 ACCA`和ACD的晶面指数分别为(110)、(111)
晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相
同的平行晶面。
晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较 差
亚晶界
晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相 差很小的所谓亚晶粒组成的
亚晶粒之间的边界叫亚晶界 亚晶界是晶粒内的一种面缺陷 亚晶界是位错规则排列的结构 例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成
破坏了晶体的完整性 ，使晶格畸变、能量 增高、金属的晶体性 质发生偏差
体心立方
晶胞特征
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90° 晶胞原子数：2个 原子半径： 3 / 4 致密度：68% 配位数：8
晶胞特征
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90° 晶胞原子数：4个 原子半径： 2 / 4 致密度：74% 配位数：12
各晶粒位向不同，相互制约
晶粒越细，强度和塑性越高
塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性变形对金属的影响
纤维组织 亚结构形成 形变织构产生
金属塑性变形到很大程度(70%以 上)时, 由于晶粒发生转动, 使各晶 粒的位向趋近于一致, 形成特殊的 择优取向, 这种有序化的结构叫做 形变织构
点缺陷
空位 间隙原子
线缺陷
正刃形位错 负刃形位错
面缺陷
晶界 亚晶界
晶体缺陷与强化
晶体的缺陷
点缺陷
三维尺度上都很小, 不超过几个原子直径的缺陷
空位：晶体晶格中, 若某结点上没有原子 间隙原子：位于晶格间隙之中的原子
线缺陷
两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷
回复
缺陷通过移动、复合消失而 减少，晶粒仍保持变形后形 态， 变形金属显微组织不 发生明显变化
强度和硬度略有降低，塑性 有增高，残余应力大大降低
再结晶
也是一个形核和长大过程
强度和硬度明显降低，而塑 性和韧性大大提高 ，内应 力全部消失
物理、化学性能基本上恢复 到变形以前水平
体晶态的过程 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相
似，故称为二次结晶或重结晶
纯金属的结晶
结晶
冶炼、注锭
纯金属结晶的条件
T(℃)
T0
Tn
ΔT
t(h) 纯金属（纯铜）的冷却曲线
液态金属和固态金属的自由能温度关系曲线
液体金属
形成晶核
形核
均质形核 异质形核
纯金属结晶过程
晶核长大
部分结晶
完全结晶
长大
平面长大 树枝状长大
金属钢锭的组织和结构
1) 细晶区；(2)柱状晶区；(3)等轴晶区 冶炼注锭
金属钢锭的组织和结构
细晶区： Δ T
N
柱状晶区： Δ T
N
G
对G影响不大
形 核
晶粒优先生长的方向与散热最快 率
方向一致
等轴晶区：Δ T
N
散热没有方向
G N
晶格、晶胞
晶体是由原子(正离子)在空间按一定几何形 式规则排列的，所有固体金属都是晶体
金属的结构特点: 金属正离子游弋在自由电 子的海洋
自由电子 金属正离子
c
晶格的由来
[1]
[2]
[3]
晶格、晶胞
通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直 线，这些直线将形成空间格架。这种格架称 为晶格
N 生 长 速 率
过冷度Δ T(℃)
镇静钢锭和沸腾钢锭的组织和缺陷
缩孔：金属结晶时，先结晶区域的体积收缩 能够得到金属液的补充，后凝固结晶的部分 地不到补充就会形成缩孔
疏松：处于早期结晶包围的金属液体在凝固 结晶时得不到母液的补充，便会形成微小和 分散的缩孔
偏析：早期结晶部位与后期结晶部位的化学 成分不同造成宏观区域性成分不均匀
位错（线缺陷）：晶体中原子平面的错动引起 正刃型：半原子面在上 负刃型：半原子面在下
不锈钢中的位错线
面缺陷
二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷
晶界：晶粒与晶粒之间的接触界面 亚晶界：亚晶粒之间的边界
晶界
金属由大量外形不规则的小晶体（晶粒）组成的 ，为多晶体
每个晶粒基本上可视为单晶体所有晶粒的结构完 全相同, 但彼此之间的位向不同
气泡：金属液体凝固时，来不及逸出的气体 保留在金属固体中，形成气泡
细化铸态金属晶粒的措施
一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强度, 塑性和 韧性越好，工程上使晶粒细化提高金属机械 性能的方法称为细晶强化
增大金属的过冷度 采用金属型铸模 超高速急冷技术
变质处理：在液体金属中加入孕育剂或变质剂， 以细化晶粒和改善组织
化为最小整数
一般形式[uvw]，如：晶向OA的晶向指数为[100]；OB、OC 的晶向指数分别为[110]、[111]
[uvw]实际表示一组原子排列相同的平行晶向
选定任一结点为空间坐标的原点， 以晶格的3条棱边为坐标轴，以a,b,c 为长度单位
计算所求晶面在各坐标轴的截距， 并取截距的倒数
面心立方
密排六方
晶胞特征
晶格常数：a、c表达；120°90°
晶胞原子数：6个 原子半径： 1/2 致密度：74% 配位数：12
晶面、晶向、各相同性
晶向: 通过原子中心的直线为原子列，它所代表 的方向称为晶向
晶面: 通过晶格中原子中心的平面称为晶面 各向异性: 晶体在不同方向上性能不同的现象
降低金属的耐腐蚀性能
金属强度随缺陷增多而 迅速下降，当缺陷增多 到一定数量，又随缺陷 增多而迅速上升
增加缺陷来提高强度， 如淬火
晶体缺陷与强化
强 度
缺陷
金属的结晶
金属从一种原子排列状态转变为另一种原子 规则排列状态（晶态）的过程均为结晶过程
一次结晶：金属从液态转变为固体晶态的过程 二次结晶：金属从一种固体晶态转变为另一种固
弹性变形 金属内部原子之间的位置发生改变而造成的 外力停止后，原子可以回到原来位置，变形消失
未变形
弹性变形
塑性变形
单晶体的塑性变形
主要形式有滑移和孪生 滑移 是晶体在切应力的作用下, 晶体的一部
分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移 方向)相对于另一部分发生滑动
多晶体的塑性变形
再结晶温度&再结晶的晶粒度
再结晶温度
变形度 再结晶温度 晶粒 保温时间 金属熔点 再结晶温度
再结晶的晶粒度
主要因素：加热温度和变形度 临界变形度 2%~10%
1.3.3 金属的热加工
热加工与冷加工的比较：再结晶温度 热加工对金属性能的影响
铸态金属中气孔、疏松、微裂纹焊合，提高致密 度
塑性变形对金属性能的影响
加工硬化
金属发生塑性变形, 随变形度的增 大, 金属的强度和硬度显著提高, 塑 性和韧性明显下降的现象
各向异性
纤维组织和形变织构的形成
电阻增大, 耐腐蚀性降低 残余内应力
金属内变形不均匀, 位错、空位等 晶体缺陷增多
1.3.2 塑性变形金属的回复与再结晶
减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相 的分布
打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过 再结晶获得等轴细晶粒
形成纤维组织(或称“流线”)
(a) 锻造曲轴
(b) 切削加工曲轴
晶向指数
选定任一结点为空间坐标的原点， 通过坐标原点引1条平行所求晶向的 直线
求直线上任一点的3个坐标值
能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞
体心立方 面心立方 密排六方
晶胞的描述
晶胞尺寸：晶格常数表示 实际原子数 原子半径：晶胞中距离最近的两个原子之间
的距离的一半 致密程度：晶格中原子所占的体积
配位数：晶格中与任一原子处于等距离且相距最 近的原子数目
致密度：晶胞中全部原子的体积占晶胞总体积的 百分比
振动 电磁搅拌
不同晶粒大小纯铁的机械性能
晶粒直径 (um)
70
强度σb （MPa）
184
25
216
1.6
270
伸长率δ （％）
30.6
39.5
50.7
1.3 金属的塑性变形与再结晶
(a)轧制 (b)挤压 (c)拉拔 (d)锻压 (e)冲压
金属塑性变形对组织和性能的影响
塑性变形 晶粒内部原子产生滑移、变形和破碎现象；晶粒 间也产生滑移、变形和转动 外力停止，变形不会消失
化为最小整数
晶面指数
一般形式(hkl)，晶面ABBA的晶面指数即为(100);晶面 ACCA`和ACD的晶面指数分别为(110)、(111)
晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相
同的平行晶面。
晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较 差
亚晶界
晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相 差很小的所谓亚晶粒组成的
亚晶粒之间的边界叫亚晶界 亚晶界是晶粒内的一种面缺陷 亚晶界是位错规则排列的结构 例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成
破坏了晶体的完整性 ，使晶格畸变、能量 增高、金属的晶体性 质发生偏差
体心立方
晶胞特征
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90° 晶胞原子数：2个 原子半径： 3 / 4 致密度：68% 配位数：8
晶胞特征
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90° 晶胞原子数：4个 原子半径： 2 / 4 致密度：74% 配位数：12