第二章晶体结构及结晶
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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。
第2章晶体结构和晶体
点缺陷示意图
化工学院
§2-2 实际金属结构 2.线缺陷
晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原 子发生了有规律的错排现象。这种错徘现象是晶体内部局部滑移造成的，根 据局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，如图所示为常见的一种刃 型位错。由于该晶体的右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格的上 半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好象在晶格中额外插入了半层原子面 一样，该多余半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围，晶格发生了 畸变。 化工学院
化工学院
§2-4 金属的结晶
三、金属的结晶过程
液态金属的结晶过程分为晶核形成和晶核的成长两个阶段 晶核的形成，一是由液态金属中一些原子自发地聚集在一起，按金属晶体 的固有规律排列起来称为自发晶核。二是由液态金属中一些外来的微细固态 质点而形成的，称为外来晶核 当液体冷却到结晶温度后，一些短程有序的原子团开始变得稳定，成为极 细小的晶体，称之为晶核。随后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的 几何形状不断地排列起来，形成晶体。晶体在各个方向生长的速度是不一致 的，在长大初期，小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大，晶体逐 渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它部位好，晶体将沿棱角方向长大， 从而形成晶轴，称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶轴，二次晶 轴、三次晶轴、…，成树枝状，当金属液体消耗完时，就形成晶粒。
化工学院
§2-2 实际金属结构
一、多晶体结构
单晶体的金属材料除专门制作外基本上不存在，如半导体工业中的单 晶硅。实际的金属结构包含许多小晶体，每个小晶体的晶格是一样的，但 各小晶体之间彼此方位不同。 每个小晶体具有不规则的颗粒状外形，即晶粒，两相邻晶粒之间之间 的界面不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列总是不规则的，这 种多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。一般情况下，多晶体中不显各向异 性。为什么？
晶体的结构和结晶
晶体的结构和结晶
2.晶胞：晶体中有代表性的最胞 的三个棱边的尺 寸 a、b、c。用 埃（Å）表示。
1Å=10-8cm 各棱间的夹角用
、、表示。
晶体的结构和结晶
四、三种典型的晶体结构： 体心立方、面心立方、密排六方。
晶体的结构和结晶
晶体的结构和结晶
晶体的结构和结晶
▪ 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径：r = 1 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
晶体的结构和结晶
§ 1－2 实际金属的晶体结构
一、 多晶体结构和亚结构 单晶体：晶体材料内部原子规律排列，位向不发 生改变的晶体。 多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶 体结构，称为多晶体。
位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位 错线越近晶格畸变越大，应力越大。
晶体的结构和结晶
▪ 位错密度：单位体积位错线总长度。
▪ = L/V(cm/cm3或1/cm2)
▪ 金属的位错密度为104~1012/cm2 ▪ 位错对性能的影响：以位错线为中心的管道区周
围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使 材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷 大的多，因此对材料性能的影响也大的多。 ▪ 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。
A
C B
D
晶界
晶体的结构和结晶
亚晶界
三、合金的晶体结构
1.几个重要概念：
▪ 合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属 元素组成的具有金属特性的物质叫合金。
▪ 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是 一种元素或一种稳定的化合物）。
2.晶胞：晶体中有代表性的最胞 的三个棱边的尺 寸 a、b、c。用 埃（Å）表示。
1Å=10-8cm 各棱间的夹角用
、、表示。
晶体的结构和结晶
四、三种典型的晶体结构： 体心立方、面心立方、密排六方。
晶体的结构和结晶
晶体的结构和结晶
晶体的结构和结晶
▪ 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径：r = 1 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
晶体的结构和结晶
§ 1－2 实际金属的晶体结构
一、 多晶体结构和亚结构 单晶体：晶体材料内部原子规律排列，位向不发 生改变的晶体。 多晶体：由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶 体结构，称为多晶体。
位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位 错线越近晶格畸变越大，应力越大。
晶体的结构和结晶
▪ 位错密度：单位体积位错线总长度。
▪ = L/V(cm/cm3或1/cm2)
▪ 金属的位错密度为104~1012/cm2 ▪ 位错对性能的影响：以位错线为中心的管道区周
围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使 材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷 大的多，因此对材料性能的影响也大的多。 ▪ 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。
A
C B
D
晶界
晶体的结构和结晶
亚晶界
三、合金的晶体结构
1.几个重要概念：
▪ 合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属 元素组成的具有金属特性的物质叫合金。
▪ 组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是 一种元素或一种稳定的化合物）。
第二章 金的晶体结构与结晶
第二章 金属的晶体结构与结晶不同的金属材料具有不同的力学性能；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。
金属性能的这些差异，完全是由金属内部的组织结构所决定的。
因此，研究金属的晶体结构及其变化规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。
第一节 金属的晶体结构一、晶体与非晶体固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
晶体：凡原子(或分子)按一定的几何规律作规则的周期性重复排列的物质，称为晶体；非晶体：原子(或分子)无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。
自然界中，除少数物质(如松香、普通玻璃、石蜡等)属于非晶体外，大多数固态物质都是晶体。
由于晶体内部原子(或分子)的排列是有规则的，所以自然界中许多晶体都具有规则的外形，如结晶盐、水晶、天然金刚石等。
但晶体的外形不一定都是有规则的，如金属和合金等，这与晶体的形成条件有关。
因此，晶体与非晶体的根本区别还在于其内部原子(或分子)的排列是否有规则。
晶体与非晶体的区别还表现在许多性能方面，如晶体具有固定的熔点(或凝固点)、具有各向异性的特征。
而非晶体则没有固定的熔点(或凝固点)，具有各向同性的特征。
显然，气体和液体都是非晶体。
特别是在液体中，虽然其原子(或分子)也是处于紧密聚集的状态，但不存在周期性排列，所以固态的非晶体可以看成是一种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体而已，玻璃就是一个典型的例子，故往往将非晶体称为玻璃体。
非晶体在一定条件下可以转化为晶体，如玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃。
而通常呈晶态的物质，如果将它从液态快速冷却下来，也可能成为非晶体，如金属液的冷却速度超过10℃／s时，可得到非晶态金属。
二、金属晶体的特性晶体又分为金属晶体和非金属晶体两类。
金属晶体除具有晶体所共有的特征外，还具有独特的性能，如金属具有金属光泽、良好的导电性和导热性、良好的塑性及正的电阻温度系数等。
这主要与金属的原子结构及原子问的结合方式有关。
第二章 晶体结构与结晶
α-Fe
γ-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部 位发生（如晶界、 位发生（如晶界、晶内 缺陷、特定晶面等）。 缺陷、特定晶面等）。
锡 疫
固态相变的晶界形核
⑵由于固态下扩散困难，因 由于固态下扩散困难， 而过冷倾向大。 而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化， 固态转变伴随着体积变化，
（2）细化晶粒的方法 ）细化晶粒的方法
1）增大过冷度——提高液体金属的冷却速 增大过冷度 过冷度——提高液体金属的冷却速 度。 2）变质处理——在金属中加入能非自发形 变质处理——在金属中加入能非自发形 核的物质，增加晶核的数量或者阻碍晶核长 核的物质， 大。 3）振动或搅拌——造成枝晶破碎细化（增 振动或搅拌——造成枝晶破碎细化 造成枝晶破碎细化（ 加新生晶核）。 加新生晶核）。
(2)晶核长大 (2)晶核长大
晶核长大：即金属结晶时， 晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为 晶体的过程。 晶体的过程。 两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长 树枝 状生 长 平面生长
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
枝晶形成的原因： 枝晶形成的原因：
式中 ΔT——过冷度（℃）； ΔT——过冷度 过冷度（ ——金属的理论结晶温度 金属的理论结晶温度（ T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； ——金属的实际结晶温度 金属的实际结晶温度（ 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。 金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。
（4）铸锭的缺陷 ）
1、缩孔（集中缩孔） 、缩孔（集中缩孔） --最后凝固的地方 最后凝固的地方 2、缩松（分散缩孔） 、缩松（分散缩孔） --枝晶间和枝晶内 枝晶间和枝晶内 3、气孔（皮下气孔） 、气孔（皮下气孔）
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
机械工程材料-2章 晶体结构、结晶
晶胞原子数与原子半径
致密度与配位数
2.1.4 晶向指数与晶面指数
1 晶向指数
我们把任何两个或多个原子所在直线所指 的方向，称为晶向。 〖例1〗计算图（a）中的AB的晶向指数。 解：①选晶胞的三条棱边建立X、Y、Z坐标 轴，以晶格常数a b c 为坐标轴的度量单位。从坐 标轴的原点O引一条有向直线OC，平行于待定晶 向AB； ②在所引的有向直线上任取一点C（为方便 起见，通常取距原点最近的阵点），求出该点C 在三坐标轴的坐标值,C(1/2,1/2, 1)。 ③将三个坐标值按比例化简为最小简单整数， 并加上方括号，表示为［u v w］=[1 1 2]，即为 所求的晶向指数。整数之间不用标点分开。如果 u、v、w中有某一数为负，则将负号用上划线的 形式标注于该数之上。 AB的晶向指数为[1 1 2]。
例如：石墨是靠分子键结合， 硬度很低。塑料也是靠分子键结 合，强度较低。
由于范德瓦尔斯引力很弱， 所以分子晶体的结合力很小，熔 点很低，硬度也很低。
5 结合力与结合能
当大量原子结合成固体时，为 使晶体具有最低的能量，以保持其 稳定状态，原子之间也必须保持一 定的平衡距离，这就是固态金属中 的原子趋于规则排列的原因。 当原子间以离子键或共价键结 合时，原子达不到紧密排列状态， 这是由于这些结合方式对周围的原 子数有一定的限制之故。
体心立方
面心立方
密排六方
2.1.6 实际金属的晶体结构
若整个晶体完全是晶胞规则重 复排列的，这种晶体为理想晶体。 实际晶体中，由于各因素的影 响，总会存在一些不完整、原子排 列偏离理想状态的区域，这些区域 称为晶体缺陷。 按缺陷在空间的几何形状和尺 寸不同，缺陷分为：
点缺陷
晶体缺陷
线缺陷
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
机械工程材料-2章2 晶体结构、结晶与相图
碳存在于八面体间隙中
500个晶胞中最多有1个碳原子。
铁素体性能：Rm = 230MPa, A = 50%,
50～80HBS。
奥氏体( A )
碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体。 面心立方晶格。1148℃时固溶度最大， 2.11%，727℃时固溶度为0.77%。固溶 度最大时：
C原子 2.11 / 12 14 2.11 ＝ 0.10059 Fe原子 (100 2.11) / 56 3 97.89
不同晶格金属的滑移系
晶格
体心立方
面心立方
密排六方
晶胞
滑移面
滑移 方向 滑移系 数量
6个
2个 6×2＝12
4个
3个 4×3＝12
1个
3个 1×3＝3
外力P使单晶体零件内部在 如图所示的滑移面和滑移方向上 发生了滑移，下面求此滑移方向 上的切应力分量τc的大小。
P 横截面 A A A / cos
Fe3C塑性极差，合金的塑性变形全部 由F提供。所以随碳含量的增大，F量不断 减少时，塑性连续下降。到合金成为白口 铸铁时，塑性就接近于零。
3 Fe-FeC3相图的应用
1)在选材方面的应用
若需要塑性、韧性高的材料，应选用低 碳钢 (Wc=0.10%～0.25%)； 需要强度、塑性及韧性都较好的材料， 应选用中碳钢 (Wc=0.25%～0.60%)； 当要求硬度高、耐磨性好的材料时，应 选用高碳钢 (Wc=0.60%～1.3%)。 例如：铸造成型的零件尽量选择共晶成 分合金。问：不锈钢水杯？锉刀？
奥 氏 体
液 相
碳在铁中最大溶解度点
P（0.0218，727）：α-Fe 中 E（2.11，1148）：γ-Fe 中 Q（0.0008，RT）：室温下 F（6.69,1148) 渗碳体 K (6.69,727) 渗碳体 S（0.77，727）：共析（A＋F ＋Fe3C） C（4.3，1148）：共晶（ A ＋L ＋Fe3C）
第02章金属的晶体结构与结晶
冷却曲线是表示金属冷却时，温度随时间变化的关系曲 线。如图2-12曲线中的水平线段表明，液态金属凝固时 释放出的结晶潜热，恰好抵偿了向周围空气中散失的热 量。水平线段对应的温度就是纯金属的结晶温度。
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。
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。
金属材料与热处理第二章 金属的晶体结构与结晶
(1)增加过冷度 即加快金属液的冷却速度。 (2)变质处理 即在浇注前向金属液中加入少量形核剂(又称变质 剂或孕育剂),造成大量非自发形核,使晶粒细化。 (3)振动处理 金属结晶时,对金属液进行机械振动、超声波振动
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
02第二章 金属的晶体结构与结晶
组织。
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
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
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…
第二章晶体结构与结晶
工程材料及机械制造基础
3）晶面族与晶向族 (hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 与 分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 分别表示的是一组平行的晶向和晶面 那些指数虽然不同， 那些指数虽然不同， 但原子排列完全相同 的晶向和晶面称作晶 的晶向和晶面称作晶 向族或晶面族。 向族或晶面族。分别 表示。 用{hkl}和<uvw>表示。 和 表示
工程材料及机械制造基础
晶态
非晶态
金属的结构
Si2O的结构 的结构
工程材料及机械制造基础
3.金属的晶体结构 3.金属的晶体结构 晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子） 晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方 式。 理想晶体——实际晶体的理想化 1）理想晶体 实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界 三维空间无限延续， 三维空间无限延续 严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。 严格按周期性规划排列， 严格按周期性规划排列 是完整的、无缺陷。 原子在其平衡位置静止不动 2）理想晶体的晶体学抽象 空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（ 空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为 晶格结点，构成空间格架） 晶胞（ 晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小 组成单元） 组成单元）
工程材料及机械制造基础
第二章 晶体结构与结晶 内容: 金属的晶体结构 合金的晶体结构 实际金属的晶体结构 目的: 掌握晶体结构及其对材料的物理化学 性能、力学性能及工艺性能的影响， 性能、力学性能及工艺性能的影响，为 后续课程的学习做好理论知识的准备
工程材料及机械制造基础
第一节 金属的晶体结构 1.晶体与非晶体 晶体与非晶体 晶体
工程材料及机械制造基础
例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为 ， ， 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1，1.5， 2，求该直线的晶向指数。 ，求该直线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。 。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得 例二、已知晶向指数为 例二、已知晶向指数为[110]，画出该晶向。 ，画出该晶向。 找出1， ， 坐标点 坐标点， 找பைடு நூலகம் ，1，0坐标点，连接原点与该点的直 线即所求晶向。 线即所求晶向。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
2-3 根据组元数, 一般分为二元相图、三元相图。 三元相图
Fe-C二元相 图
2-3 同素异构转变 有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这 种现象称为同素异构转变。 锡，四方结构的白锡在13℃下转变为金刚石立方结构的灰 锡。 同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个 固态下的相变过程，即固态相变。 除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。
位错密度增加，能提高金属强度。
2-1
（3）面缺陷
呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。 晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。
2-1
二、合金的晶体结构 1.合金的基本概念
合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质。 例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。 组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。 黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合 金中的Mg2Si。 合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不 同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。
2-1
（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。
1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。
如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较
通常在钢中加入铝、钒，向铸铁液中加入硅铁合金。
（3）机械振动、超声振动、电磁搅拌： 使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。
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空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
2.线缺陷
➢晶体中的线缺陷通常是指各 种类型的位错。
➢位错就是在晶体中某处有一 列或若干列原子发生了某种有 规律的错排现象。
➢金属的塑性变形主要是位错 运动引起的，位错会增加金属 的强度
线缺陷示意图
位错是晶体中普遍存在的，也是最重要的一种缺陷。 位错包括刃型位错，螺型位错及混合位错。位错线
➢ 晶格常数a=b=c，通常只用a表示。
➢ 在这种晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触，
因而其原子半径：
r 2a 4
➢ 又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有， 故面心立方晶格的晶胞中包含有： 18164 个原子。
➢ 属于这种晶格的金属有： Fe(>912℃8,γ-Fe2)、 Al、Cu、Ni、 Pb等。
1．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
晶体
图1-1 晶体与非晶体示意图
– 晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开 始
– 在古代，无论中外，都把具有规则的几何多面体 形态的水晶称为晶体
– 凡是具有（非人工琢磨而成）几何多面体形态的 固体都称之为晶体
➢以上两种定义都是不正确的
多晶体
（二）晶体缺陷
• 晶格的不完整部位称 晶体缺陷。
• 实际金属中存在着大 量的晶体缺陷，按形 状可分三类，即点、 线、面缺陷。
1.点缺陷
晶体中的空位、间隙原子、 置换（溶质）原子都是点 缺陷。
➢在空位和间隙原子附近， 由于原子间作用力的平衡 被破坏，使周围原子发生 靠拢或撑开，因此，发生 晶格畸变，使金属的强度 硬度提高，塑性韧性下降。
1912年，X射线晶体衍射实验成功，对晶体的研 究从晶体的外部进入到晶体的内部，使结晶学进 入一个崭新的发展阶段。
现已证明，一切晶体不论其外形如何，它的内部 质点（原子、离子或分子）都是在三维空间有规 律排列，主要表现为同种质点的周期重复，构成 了所谓的“格子构造”。
所有晶体都具有格子构造——晶体的共同特点。
▪性能特点：塑性极好 ▪致密度：74％
（三）密排六方晶格 • 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。 • 晶格常数a＝b≠c，c/a=1.633 • 密排六方晶格晶胞中所含原子数：161212236 个原 子 • 致密度K=0.74 • 属于这种晶格的金属有Be、Mg、 Zn、Cd等。
体为单晶体。 ➢ 具有不规则颗粒状外形的小晶体称为“晶粒”。 ➢ 晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。 ➢ 多晶体：多个晶粒组成的晶体结构，表现为各向同性。
➢ 对于单晶体，由于各个方向上原子 排列不同，导致各个方向上的性能 不同，即“各向异性”的特点；
➢ 而多晶体对每个小晶粒具有“各向 异性”的特点，而就多晶体的整体， 由于各小晶粒的位向不同，表现的 是各小晶粒的平均性能，故具备 “各向同性”的特点。
密排六方晶格
▪性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间 ▪致密度：74％
三、晶体特性
• 1、有规则的几何外形 • 2、有一定的熔点 • 3、单晶体的各向异性 同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同
铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E）示意图
第二节、金属的实际结构和晶体缺陷
（一）单晶体与多晶体 ➢ 单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶
点缺陷示意图
• a. 空位：晶格中某些缺 排原子的空结点。
• b. 间隙原子：挤进晶格 间隙中的原子。可以是 基体金属原子，也可以 是外来原子。
• c. 置换原子： 取代原来原子位置的外 来原子称置换原子。
• 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。
第二章 晶体结构与结晶
习题
1、名词解释 • 晶体、晶粒、晶界、晶格、晶胞、晶格常数 2、晶体和非晶体的区别 3、常见晶格形式 4、实际晶体中有哪几种缺陷？每种缺陷对金
属性能的影响
§1 金属的晶体结构
一、晶体的基本概念
在自然界中除了一些少数的 物质（如普通玻璃、松香等）以 外，包括金属在内的绝大多数固 体都是晶体
方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。 单斜
X
晶格常数 a，b，c
三斜
６．晶面：点阵中的结点所构成的平面。 ７．晶向：点阵中的结点所组成的直线。
Z Z
c
b a
c
Y
b a
Y
X
X
二、常见金属的晶体结构类型
常见的类型 原子排列模型
（一）体心立方晶格
➢ 晶格常数a=b=c，通常只用a表示。
➢ 这种晶胞在其立方体的对角线 方向上原子是紧密接触排列着 的。故其对角线长度 3 a方向上所分布的原子数目为2，这 样可计算出其原子半径 ：r 3 a
周围的原子不同程度地偏离了平衡位置，使周围晶格 发生了畸变。
• 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。
立方
５．晶格常数：表示晶胞几何形状和
六方
尺寸的参数
Z
晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹
角α、β、γ是衡量晶胞大小和形状
四方
的六个参数，其中a、b、c称为晶 格常数或点阵常数。
c
菱方
其大小用A来表示（1A=10-8cm） 若a=b=c，α=β=γ=90°这种晶胞
就称为简单立方晶胞。具有简单立 a
b
正Y交
➢ 在这种晶胞中，因每个顶点上的4 原子是同时属于周围八个晶 胞所共有。
➢ 每个体心立方晶胞中仅含有： 1 81 2 个原子。
8
➢ 属于这种体心立方晶格的金属有Fe(＜912℃,α-Fe)、Cr、 Mo、W、V等。
▪致密度：68％（原子占有晶胞体积的百分数） ▪性能特点：强度很高，塑性较好
（二）面心立方晶格
晶体的正确的定义： 晶体是指其原子（原 子团或离子）按一定 的几何形状作有规律 的重复排列的物体
Cl- Na+
石盐晶体结构
无色水晶
水 晶 晶 簇
水晶晶簇
黄铁矿
石盐
冰州石
石榴石
绿柱石
钻石原石金 刚石源自石墨萤石２．晶体结构 晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。
３．晶格
把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空 间格子称为晶格。 ４．晶胞 构成晶格的最基本单元。 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。