金属与合金的晶体结构与结晶(精)

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第3讲：金属与合金的晶体结构

纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
T0
理论结晶温度
}T
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱTn
开始结晶温度
t
冷却曲线
3、过冷现象
金属的实际结晶温度Tn低于理论结晶温度T0的现象。过冷度△T= T0－Tn，过冷是结晶的必要条件。
同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大，金属的实际结晶温度越低。
多晶体：这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。其中每个小晶体的外形
多为不规则的颗粒，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面
称为晶界。
晶粒（单晶体）
二、晶体的缺陷
晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体。
实际上，金属由于多种原因的影响，内部总是存在着大量缺陷。
根据晶体缺陷的几何特点，常分为：
一个空间格架，这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。
晶格中的每个点称为结点。晶格中各种不同方位的原子面称为晶面。
2、晶胞组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。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空间重复堆积而成的。
3、晶格常数晶胞的各棱边长为a、b、c和棱边夹角α、β、γ。其中，
2、长大
晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面，使液—固界面向液体中推移的过程。
两种长大方式 —— 平面生长与树枝状生长。
平面长大
树枝状长大
三、晶粒大小对金属力学性能的影响
1、概念
1）晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。
2）形核率——指单位时间、单位体积中所形成的晶核数目。 3）长大速度——指单位时间内晶核向周围长大的平均线速度。

合金结晶与纯金属结晶的异同

合金结晶与纯金属结晶的异同结晶是固体物质由液体或气体转变为固体时形成的有序结构过程。

在金属材料中，结晶是其物理和力学性能的重要因素之一。

金属材料的结晶可以分为合金结晶和纯金属结晶两种类型。

本文将从晶体结构、结晶方式、晶界性质和性能特点等方面对合金结晶与纯金属结晶进行比较，以便更好地理解它们的异同。

合金结晶与纯金属结晶在晶体结构方面存在一定的差异。

纯金属结晶的晶体结构主要有面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密堆积六方（HCP）等。

而合金结晶的晶体结构则取决于合金的成分。

不同的合金成分会导致晶体结构的变化，例如，合金中添加了一些非金属元素会改变晶体结构，使之变为非晶态或形成新的相。

合金结晶与纯金属结晶在结晶方式上也有所不同。

纯金属结晶通常遵循固溶体系的相图，即通过熔化和冷却的方式进行结晶。

而合金结晶则更加复杂，因为合金中存在多个元素，其相互作用和溶解度的变化会影响合金的结晶方式。

合金结晶可以包括共晶、共晶反应、包晶等多种方式。

在晶界性质方面，合金结晶与纯金属结晶也存在差异。

晶界是指晶体中两个晶粒之间的界面，它对材料的性能起着重要作用。

纯金属结晶的晶界通常是高度有序的，晶界能量较低，因此具有较好的力学性能。

而合金结晶的晶界则受到合金成分和结晶方式的影响，晶界的有序性和能量可能会发生变化，从而影响材料的性能。

合金结晶和纯金属结晶在性能特点上也有所不同。

纯金属结晶的晶粒尺寸较大且均匀，因此具有较好的塑性和导电性能。

而合金结晶的晶粒尺寸和分布受到合金成分和结晶方式的影响，可能会出现较大的晶粒和晶界偏析等现象，从而影响材料的力学性能和化学性能。

合金结晶与纯金属结晶在晶体结构、结晶方式、晶界性质和性能特点等方面存在一定的异同。

通过对其进行比较，可以更好地理解合金材料的结晶行为和性能特点，为合金材料的设计和应用提供理论依据。

然而，需要注意的是，合金结晶和纯金属结晶是一个复杂的问题，还有很多细节和特殊情况需要进一步研究和探索。

金相基础-金属结构与结晶

称为晶格。能完全反映晶格几何特征的最小几何单元，称为晶胞。
原子半径 0.05 nm
由正离子和共有电子以静电引力键合的形式即为金属键
3. 纯金属的晶体结构
体心立方晶格（如铁素体， Cr , Mo 等）面心立方晶格（如奥氏体，Ni , Al 等）密排六方晶格（如 Zn , Mg ,Cd 等）
金属化合物，其晶格类型和性能均不同于任一组元。如渗碳体Fe3C。
Fe---C
Cu---Ni
间隙化合物--- Fe3C
一个碳原子在由6个铁原子构成的正八面体的体心位置 --- Fe3C晶胞结构
三种典型金属结构的晶体学特点
第二节纯金属及合金的结晶
1. 纯金属结晶结晶金属由液态转变为固态的过程，称为凝固，亦称结晶。过冷度实际结晶温度与理论结晶温度的差値，称为过冷度。结晶过程分两步：形核－晶核的形成以非自发形核为主，如液体变固体：制造半导体
第一章金相检验基础
第一节金属与合金的晶体结构 1. “金属”定义和特点
金属是由众多原子（确切地说离子）组成的集聚状态, 原子的排列有特定的规则。
金属的特征（不透明、高的导电导热性、有金属光泽、高的强韧性和正的电阻温度系数等）取决于金属原子的规则排列。 2. “晶体”定义和特点
原子呈规则排列的物质都是晶体。固体金属都是晶体（部分的非金属也为晶体）。晶体具有均匀性，各向异性，固定的熔点，结构对称等特点。
发达的柱状晶
第三节金属性能的分类
金属性能
物理性能
化学性能
力学性能
工艺性能 #
密度性
熔点
能热膨胀
参
导热数
耐腐蚀抗氧化
强度塑性韧性疲劳硬度

金属的结构与结晶

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差：ΔT=T0-Tn 。过冷是结晶的必要条件。晶核：形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心。晶核分为自发晶核和外来晶核两种。
2、结晶过程液态金属中原子结晶的过程，即晶核不断地形成及长大的过程，直到液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了，如图所示。
金属的结构与结晶
一金属的结晶结构
一、晶体与非晶体 1.非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体。如：普通玻璃、松香、树脂等。
2.晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金属的固态、金刚石、明矾晶体等。性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
(2)变质处理在浇注时向液态金属中加入一定的变质剂，起到外来晶核的作用，并能在铸件的整个体积内都能得到均匀细化的晶粒。 (3)振动机械振动、超声波振动、电磁振动等，造成枝晶破碎，使晶粒数量增加，达到细化目的。此外，还可以采用热处理和压力加工的方法，使固态金属的粗晶粒细化。
二、同素异构转变大多数金属的晶格类型都是一成不变的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶格类型都会随温度的升高或降低而发生改变。一种固态金属，在不同的温度区间具有不同的晶格类型的性质称为同素异构性。
单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列方位完全一致)，如图所示。单晶体必须专门人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性。普通金属材料都是多晶体。多晶体的金属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性。
3、晶粒大小与机械性能的关系金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以下几种方法： (1)加快冷却速度金属结晶过程中过冷度愈大，结晶推动力增加，生核速率增长要快一些，故过冷度愈大，晶粒愈细。薄壁铸件的晶粒较细，厚大的铸件往往是粗晶，铸件外层的晶粒较细，心部则是粗晶。

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：

金属与合金的晶体结构

金属与合金的晶体结构一、引言金属与合金是一类重要的材料，它们具有优异的物理和化学性质，广泛应用于工业和科学领域。

金属与合金的晶体结构是影响其性能的重要因素之一。

本文将介绍金属与合金的晶体结构，包括晶体的组成、晶体的类型以及晶体的排列方式等。

二、金属晶体结构金属晶体结构由金属原子组成。

金属原子通常具有较大的离子半径和较小的电负性，因此它们倾向于形成金属键。

金属晶体结构可以分为以下几种类型：1. 面心立方结构（FCC）面心立方结构是最常见的金属晶体结构之一。

在面心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点。

这种结构具有高度的对称性和密堆积性，因此具有较高的韧性和塑性。

2. 体心立方结构（BCC）体心立方结构是另一种常见的金属晶体结构。

在体心立方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及晶格的中心。

这种结构相对于面心立方结构来说，具有更高的密度和较低的韧性。

3. 密堆积六方结构（HCP）密堆积六方结构是一种较少见的金属晶体结构。

在密堆积六方结构中，金属原子分别位于晶格的每个面的中心以及每个顶点，形成六边形的密堆积结构。

这种结构具有较高的密度和较低的韧性。

三、合金晶体结构合金是由两种或更多种金属元素组成的混合物。

合金晶体结构可以由金属元素的晶体结构类型以及原子比例决定。

1. 固溶体固溶体是最常见的合金晶体结构之一。

在固溶体中，主要金属元素和溶质金属元素形成固溶体溶解体，原子之间的排列方式与纯金属相似。

固溶体可以分为完全固溶体和部分固溶体两种类型。

完全固溶体中，溶质原子完全溶解在主要金属晶体中；而在部分固溶体中，溶质原子只能部分溶解在主要金属晶体中。

2. 亚稳相亚稳相是指在合金中形成的相对于平衡相来说具有较低稳定性的晶体结构。

在亚稳相中，原子之间的排列方式发生改变，导致晶体结构和性能发生变化。

亚稳相的形成主要受到合金元素的浓度和固溶度限制的影响。

3. 间隙化合物间隙化合物是指合金中形成的一种特殊结构，其中金属原子和非金属原子之间的排列方式具有较高的有序性。

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。

金属与合金晶体结构与特征

晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据, 其余为空隙。
金属与合金的晶体结构和特征
间隙半径
若在晶胞空隙中放入刚性球, 则能放入球的最大半径为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙。四面体空隙其半径为: r四=0.29r原子八面体空隙其半径为: r八=0.15r原子
金属与合金的晶体结构和特征
2、面心立方晶格（ FCC）
原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径
金属与合金的晶体结构和特征
原子排列方式
金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。
面心立方晶胞的特征：晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
金属与合金的晶体结构和特征
金属与合金的晶体结构和特征
常见金属
具有这种晶格的金属有：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912℃～1394℃)等。
金属与合金的晶体结构和特征
原子半径
金属与合金的晶体结构和特征
配位数
12
金属与合金的晶体结构和特征
致密度
0.74（74%）
金属与合金的晶体结构和特征
第二节金属的晶体结构
金属与合金的晶体结构和特征
➢布拉菲点阵 7个晶系， 14种点阵。
➢大部分（ 2/3）的金属属于三种典型的晶体结构。
金属与合金的晶体结构和特征
一、典型晶体结构及其几何特征
在元素周期表一共约有110种元素，其中80多种是金属，占2/3。而这80多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是： 1、体心立方晶格（BCC） 2、面心立方晶格（FCC） 3、密排六方晶格（HCP）

金属材料的晶体结构与结晶

1.2 合金的晶体结构与结晶
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

第01章晶体结构

1、体心立方晶格
① 体心立方晶格的晶胞（见右图）是由八个原子构成的立方体，并在其立方体的中心还有一个原子 ② 因其晶格常数 a=b=c ，通常只用常数 a 表示。由图可见，这种晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧密相接触排列着的，则立方体对角线的长度为31/2a，由该对角线长度31/2a上所分布的原子数目（共2个），可计算出其原子半径的尺寸r= 31/2a /4。 ③ 在体心立方晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有，实际上每个体心立方晶胞中仅包含有： 1/8×8+1=2个原子。 ④ 属于这种晶格的金属有铁（＜912℃， α-Fe) 、铬（ Cr ）、钼（ Mo ）、钨（w）、钒（V）等。
4 3 2 a 3 4 体心立方致密度= ＝68％ 3 a
3
1.晶格的致密度及配位数
配位数：指晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。配位数越大，原子排列也就越紧密。在体心立方晶格中，以立方体中心的原子来看，与其最近邻等距离的原子数有8个，所以体心立方晶格的配位数为8。面心立方晶格的配位数为12。密排六方的配位数为12。
确定晶向指数的方法2
1. 建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位； 2. 在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1) (x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单)； 3. 计算x2-x1 ： y2-y1 ： z2-z1 ； 4. 化成最小、整数比u：v：w ； 5. 放在方括号[uvw]中，不加逗号，负号记晶格模型
(C) 体心立方晶胞原子数
2、面心立方晶格
① 面心立方晶格的晶胞见右图也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每一面的中心还各有一个原子。 ② 在面心立方晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触，其原子半径的尺寸为r=21/2a/4。 ③ 因每一面心位置上的原于是同时属于两个晶胞所共有，故每个面心立方晶胞中包含有：1/8×8＋1/2×6=4个原子。 ④ 属于这种晶格的金属有铝（Al）、铜（Cu ）、镍（Ni）、铅（Pb）等。