结晶与相图

5.实际金属结构和晶体缺陷 （1）多晶体结构
如果一块晶体内部的晶格位向完全一致，则称这块晶体为“单晶体”。 实际的金属结构都包含着许多小晶体，每个小晶体的内部晶格位向均
匀一致，而各小晶体之间彼此位向都不相同。这种由多晶粒组成的晶 体结构称为“多晶体”。
图 单晶体与多晶体示意图 a)单晶体 b)多晶体
相转化。
图 单晶体与多晶体示意图 a)单晶体 b)多晶体
为了便于研究晶体中的原子排列规律, 把晶体中的原子等想象成几何 结点，用直线将其中心连接起来而构成的空间格子称为“晶格”。
由于晶体中原子重复排列的规律性，可从晶格中选取一个能够代表其 晶格特征的最小几何单元，称之为“晶胞” 。
晶胞的大小和形状，常以晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ 六个参数来表示。
图 置换固溶体和间隙固溶体
3.2.2金属间化合物
组成合金的两个组元发生相互作用而形成的具有金属特性的化合物称 为金属化合物。
金属化合物的结构与任一组元都不相同（与组元结构相同的是固溶体， 固溶体的结构与溶剂相同）。
正常价化合物
Mg2Si Mg2Pb
电子化合物
CuZn Cu5Zn8 CuZn3
合金冷却过程中L、α的成分：液相成分沿液相线变化，固相成分沿
固相线变化。
2.共晶相图
液相无限互溶、固相有限互溶；冷却时发生共晶反应的相图，称为共
晶相图。
温度
A
L+α αC
L
B
L+β β
E
D
α +β
F Pb
wSn（% ）
G Sn
图 共晶相图
LE aC + b D
图 共晶转变
（1）相图分析
材料的结构、结晶与相图 3.1纯金属的结构与结晶 3.1.1纯金属的晶体结构 1.晶体的概念
晶体是指原子（离子、分子或原子团）在三维空间作有规则的周期性 重复排列的物质。
图 石英晶体与石英玻璃
常态下金属主要以晶体形式存在。 单晶体具有各向异性。 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
C(19.2)
E(61.9) D(97.5)
共晶组织中的相称共晶相，共晶
转变结束时，a 和 b 相的相对重
量百分比为：
ED
9.756.19
QaCD 10% 09.751.9210% 04.54%
Qb10% 0Qa5.46%
③合金Ⅲ （亚共晶合金）
液态金属冷至1点温度后，发生匀晶反应生成初生α相。当温度降至2 点（共晶线）时，剩余液相将在恒温下发生共晶转变而形成共晶体。 温度继续下降，初生α相中不断析出βⅡ，合金的室温组织为初生 α+βⅡ+(α+β)。
（2）典型合金的结晶过程
① 合金Ⅰ
.2
液态合金冷却至1点温度后，发生匀晶结晶过程，至2点温度时合金完 全结晶成α固溶体，其后的冷却过程中（2～3点的温度），α相不变。 从3点温度开始，从α相中析出βⅡ。最后合金得到的组织为α+βⅡ。
②合金Ⅱ（共晶合金）
液态金属冷至共晶温度时发生共晶反应,经一段时间后，全部转变为共 晶体。合金的室温组织全部为共晶体，即只含有一种组织组成物（共 晶体）而其相组成物仍为α和β相。
织。 在组织组成物中成分、性能及聚集状态相同，并以界面分开的物质称
为相组成物。
图 单相合金和双相合金
3.2.1固溶体
溶质组元溶入溶剂的晶格中形成的单相固体，称为固溶体。 特征：① 总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质；②
保有溶剂的晶格结构；③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变 化而变化；④产生晶格畸变。 分类：置换固溶体和间隙固溶体。
(a)原子排列模型
(b)晶格
图 晶体中原子排列示意图
(c)晶胞
根据晶胞的几何形状或自身的对称性，可把晶体结构分为七大晶系、 十四种空间点阵。
2. 三种常见的金属晶格
图 体心立方、面心立方、密排六方晶格比较
（1）体心立方晶格(BCC)
体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，体心处还有一个原 子。因其晶格常数a=b=c，故通常只用一个常数a表示即可。
3.1.2纯金属的结晶
物质从液态到固态的转变称为凝固。 若凝固后的物质为晶体，则称为结晶。
液体
晶体
杂乱无章的原子 结晶 有规律的周期性排列 图 结晶示意图
1．金属结晶的条件
要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论结晶温度，造成液体与 晶体间的自由能差，即具有一定的结晶驱动力才行。
0.74
配位数 典型金属
8
12
12
α-Fe、Mo、W、 γ-Fe、Al、Cu、 Mg、Cd、Zn、Be、Ca、
V、Cr、β-Ti
Ni、Au、Ag
α-Ti
3.晶面和晶向分析
在晶格中，任意两个结点的连线，都代表晶体中某一原子列的位向， 称为晶向。
由一系列结点所组成的平面都代表晶体的某一原子平面，称为晶面。
两组元在液态与固态下彼此无限互溶，形成无限置换固溶体，这类合 金相图叫匀晶相图。
图 二元匀晶相图
(一)相图分析
组元:Cu、Ni
相：L、α
液相线（Liquidus）
L
固相线（Solidus）
A α
液相线 B
固相线
Cu
wNi
Ni
图 Cu-Ni合金相图
图 Cu-N i合金结晶过程示意图
实际结晶温度（T1）与理论结晶温度（T0）之差叫“过冷度”。 金属液的冷却速度越大，过冷度便越大，液、固态自由能差也越大，
即所具结晶驱动力越大，结晶倾向越大。
图 液体和晶体自由能随温度变化
2．金属的结晶过程
金属的结晶是一个形核和长大的过程。 形核是在液体内部形成一批极小但能持续长大的结晶中心或晶核；然
后这些晶核长大直到结晶完毕。
液态金属→形核→晶核长大→完全结晶 图 结晶过程
3. 晶粒大小的控制
金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。在一般情况下，晶粒越 小，金属的强度、塑性和韧性就越好。
图 钢中晶粒度标准级别图
3.1.3同素异构转变
有些金属在固态下，随着外界条件的变化而转变成不同类型的晶体结 构，称为同素异构转变。
4．晶体的各向异性
由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，使原子间 的相互作用力也不相同，因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的物 理、化学和机械性能也会不同。
晶体的这种“各向异性”特点是它区别于非晶体的重要标志之一。 单晶体具有各向异性，多晶体具有各向同性。
图 单晶体与多晶体示意图 a)单晶体 b)多晶体
e/a=3/2 21/13 7/4
间隙化合物
WC VC Fe3C Cr23C6
二元合金相图
相图是用图解的方法表示合金系中合金状态、温度和成分之间的关系， 也称平衡图或状态图。
图 Cu-Ni合金相图
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。
3.3.1二元合金相图的基本类型 1.匀晶相图
④合金Ⅳ （过共晶合金）
与亚共晶合金相似，不同的是一次相为 b , 二次相为aⅡ 合金的室温组织为bⅠ+(a+b)+aⅡ。
Pb-Sn合金的结晶过程
图 组织分区的共晶相图
3.3.2合金性能与相图的关系
1.合金的使用性能与相图的关系
固溶体的性能与溶质的溶入量有关， 溶质的溶入量越大，晶格畸变越大， 则合金的强度、硬度越高，导电率越 小，并在某一成分下达到最大值或最 小值。
金属的同素异构转变称为二次结晶或重结晶。
3.2 合金的结构
合金中的相分为固溶体和化合物两类。
固溶体
置换固溶体 间隙固溶体
合金的相结构
正常价化合物
化合物
电子化合物 尺寸因素化合物
间隙相 间隙化合物
合金是两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金 属特性的物质。
合金中最基本、独立的单元称为组元。 用肉眼或借助放大镜、显微镜观察到的材料微观形貌图象称为显微组
温度
A
L+α αC
L
B
E
L+β β D
α +β
F Pb
wSn（% ）
G Sn
图 共晶相图
相区
单相区：L、α、β 双相区：L+α、L固相线 CED：共晶线 CF：α 相的溶解度曲线 DG：β 相的溶解度曲线
点
A：Pb的熔点 B：Sn的熔点 E：共晶点 C：Sn在α 中的最大溶解度 D：Pb在β中的最大溶解度 F：Sn在α 中的室温溶解度 G：Pb在β中的室温溶解度
图 密排六方晶胞示意图 刚球模型;质点模型;晶胞中原子数示意图
晶格类型
体心立方
面心立方
密排六方
晶胞结构
晶胞常数
a＝b＝c
a＝b＝c
a＝b，c/a＝1.633
α＝β＝γ＝90℃ α＝β＝γ＝90℃ α＝β＝90 ℃， γ＝120℃
晶胞内原子数
2
4
6
原子半径
3a 4
2a 4
1a 2
致密度
0.68
0.74
固溶体强化对强度与硬度提高的幅度 有限，同时保持了较好的塑性、韧性， 故工程上常将固溶体作为合金的基体。
两相组织合金的力学性能和物 理性能与成分呈线性关系变化。 在平衡状态下，其性能约等于 两相性能按百分含量的加权平 均值。对组织敏感的某些性能 如强度等，与组成相或组织组 成物的形态有很大的关系。组 成相或组织组成物越细密，强 度越高。