金属的晶体结构与结晶(课件PPT)
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第一章-金属的晶体结构(共118张PPT)可修改全文
(3) 不需最小整数化； (4) 〔1 1 1〕
B面：
(1) 该面与z轴平行，因此x=1，y=2， z=∞； (2) 1/x=1，1/y=1/2，1/z=0； (3) 最小整数化1/x=2，1/y=1，1/z=0； (4) 〔2 1 0〕
C面：
(1) 该面过原点，必须沿y轴进行移动，因此x= ∞ ，y=-1，z=∞ (2) 1/x=0，1/y=-1，1/z=0； (3) 不需最小整数化；(4) 〔0 1 0〕
晶胞在三维空间的重复构成点阵
〔4〕晶格常数
在晶胞中建立三维坐标体系， 描述出晶胞的形状与大小
晶胞参数- 晶格常数:a、b、c 棱间夹角:α、β、γ
2 晶系与布拉菲点阵
依据点阵参数 的不同特点划分为七种晶系
(1) 三斜晶系
α≠β≠γ≠90° a≠ b≠ c
复杂单胞 底心单斜
(2) 单斜晶系
α=γ=90°≠β a≠ b≠ c
3 原子半径： r 2 a
4 配位数= 12
4
5 致密度= nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74
γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag 等
——塑性较高
面心立方晶胞中原子半径与晶 格常数的关系
a
r 2a 4
(三)密排六方结构〔 h.c.p〕 〔 了解〕
金属：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等
具有光泽：吸收了能量从被激发态回到基态时所 产生的幅射；
良好的塑性：在固态金属中，电子云好似是 一种流动的万能胶，把所有的正离子都结合 在一起，所以金属键并不挑选结合对象，也 无方向性。当一块金属的两局部发生相对位 移时，金属正离子始终“浸泡〞在电子云中， 因而仍保持着金属键结合。这样金属便能经 受较大的变形而不断裂。
B面：
(1) 该面与z轴平行，因此x=1，y=2， z=∞； (2) 1/x=1，1/y=1/2，1/z=0； (3) 最小整数化1/x=2，1/y=1，1/z=0； (4) 〔2 1 0〕
C面：
(1) 该面过原点，必须沿y轴进行移动，因此x= ∞ ，y=-1，z=∞ (2) 1/x=0，1/y=-1，1/z=0； (3) 不需最小整数化；(4) 〔0 1 0〕
晶胞在三维空间的重复构成点阵
〔4〕晶格常数
在晶胞中建立三维坐标体系， 描述出晶胞的形状与大小
晶胞参数- 晶格常数:a、b、c 棱间夹角:α、β、γ
2 晶系与布拉菲点阵
依据点阵参数 的不同特点划分为七种晶系
(1) 三斜晶系
α≠β≠γ≠90° a≠ b≠ c
复杂单胞 底心单斜
(2) 单斜晶系
α=γ=90°≠β a≠ b≠ c
3 原子半径： r 2 a
4 配位数= 12
4
5 致密度= nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74
γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag 等
——塑性较高
面心立方晶胞中原子半径与晶 格常数的关系
a
r 2a 4
(三)密排六方结构〔 h.c.p〕 〔 了解〕
金属：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等
具有光泽：吸收了能量从被激发态回到基态时所 产生的幅射；
良好的塑性：在固态金属中，电子云好似是 一种流动的万能胶，把所有的正离子都结合 在一起，所以金属键并不挑选结合对象，也 无方向性。当一块金属的两局部发生相对位 移时，金属正离子始终“浸泡〞在电子云中， 因而仍保持着金属键结合。这样金属便能经 受较大的变形而不断裂。
金属结晶的
第6讲 金属的晶体结构
讨论2：金属结晶的条件？
➢ 金属要结晶，必须有动力，即金属必须处于理论结晶温 度以下。此时，液、固两相之间有一自由能差△G，这个 能量差就是金属液体结晶的驱动力。
➢ 实际结晶温度与理论温度之间的差称为金属结晶时的过 冷度。即△T=T0-T1，可以说一定的过冷度是金属结晶的 必要条件。
第2章 金属的晶体结构
第8讲 金、金属结晶的基本概念 二、金属的结晶过程
第8讲 金属的晶体结构
讨论1： 什么是结晶？ 金属与合金从液态冷却转变为固态的
过程，是原子由不规则排列的液体状态 逐步过渡到原子有规则排列的晶体状态 的过程，称之为结晶。
第6讲 金属的晶体结构
所示。
3、什么是过冷现象？ 4、的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
冷却曲线
理论结晶温度
}T 开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
第6讲 金属的晶体结构
结论
可以说，一定的过冷度是金属结晶的必 要条件。 一般情况下，冷却速度越快，过冷度△T越 大，结晶驱动力越大，结晶速度越快。
细化晶粒的措施 1. 提高过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶
第6讲 金属的晶体结构
谢谢
平面生长
树枝状生长
第6讲 金属的晶体结构
讨论．金属结晶时，需要控制晶粒的大小吗？ 如何控制晶粒大小？
在实际生产中，一般通过增大过冷度，也就是增大冷却速度、 进行和附加振动等工艺方法来获取细小的晶粒。
(a)液态金属 (b)形成晶核 (c)晶核长大 (d)部分结晶 (e)完全结晶
第6讲 金属的晶体结构
2. 纯金属的结晶过程
形核和晶核长大的过程
《金属的结构与结晶》PPT课件
§1.1 金属的特征
金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具 有以下特征：
良好的导电、导热性： 自由电子定向运动〔在电场作用下〕导电、
〔在热场作用下〕导热。 正的电阻温度系数：
金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自 由电子的定向运动，从而使电阻升高。 不透明，有光泽：
自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自 由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道， 当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见 返回
非晶体
蜂蜡、玻璃 等。
液体
§1.2 金属的 晶体构造
扩大知识
• 微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要 小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；
• 准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和 非晶体之间；
• 液晶：二维长程有序。
返回
§1.2 金属的 晶体构造
z
c
a
x
y b
d 晶胞
a 原子堆垛模型
《金属的结构与结晶》 PPT课件
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第一章 金属的构造与结晶
§1.1 金属的特征 §1.2 金属的晶体构造 §1.3 实际晶体中的缺陷 §1.4 金属的结晶过程 §1.5 晶粒大小控制
c
a
X
b
Y
§1.2 金属的 晶体构造
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 4 原子半径： 致密度：0.74
返回
§1.2 金属的 晶体构造
晶格常数 密排六方晶格 C〔石墨〕、Mg、Zn 等 底面边长a
第二章纯金属的结晶ppt课件
分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
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１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固 体金属物质分为晶体和非晶体 两大类。
晶体
晶体： 物质内部的原子是按一定 的次序有规律排列的。如金刚 石、石墨等，固态金属一般属 于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是 无规则排列的，如玻璃、松香 和沥青等。
固体 物质
非晶体
1
1.2.1 金属的晶体结构
体心立方的晶格是一个立方体，其中心和八个角上各有一 个原子，如图1－5所示。 属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、W、 V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。
图１－5 体心立方球体模型及其晶格
3
16
2.面心立方晶格
图
面心立方晶格的晶胞
－
也是一个立方体，其六个
面
面中心和八个角上各有一
心
个原子，如图1－5所示。
2）增大过冷度
形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核 率的增长比长大速率的增加要快，过冷度ΔT越大，单位体积中晶 核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越 大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。
３）动力学法
通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使 生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。
▪ 晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律， 可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并 将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架， 简称晶格，如图1-4b)所示。
▪ 晶胞：即晶格中最小的几何单元。
晶体结构
晶格
晶胞
图１－4 晶体结构示意图 2
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方 晶格和密排六方晶格等三种类型。 １.体心立方晶格
14
纯铁的同素异构转变
图１－9
液态纯铁冷却到1538℃时 结晶成体心立方晶格的δ－ Fe,继续冷却1394℃时发生 同素异构转变,转变成立方 晶格的γ-Fe,再继续冷却到 912℃时又发生同素异构转 变,转变成体心立方晶格的-
纯铁的同素异构转变
15
1.2.4 合金的晶体结构
合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元 素所组成的金属材料。
这类金属塑性较差。
17
图 － 密 排 六 方 球 体 模 型 及 其 晶 胞
5
1.2.2 金属的结晶过程 １.金属的结晶
▪ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
6
温度 ΔT
T0 Tn
金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。 冷却速度越快过冷度也越大。
8
3.金属的结晶过程 动画演示
金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段， 并持续到液相全部转变成固相为止。
金属的结晶过程动画 演示了金属从形核、晶体长大直至结晶 完毕整个过程。
9
(1)形核
▪ 形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过 程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非 均质形核两种方式。
（1）晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从 而加强了金属内部的结合力。 （2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动 力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
12
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态 金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。 按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金。 组元1
合 组元3 金 组元2 合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元 相互之间作用方式不同，可以形成固溶体、金属化合物和 机械混合物三种结构。
16
1.固溶体
(1)固容体的类型 ▪ 间隙固溶体：当溶质原子很
小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。
▪ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。 如图1-10b 所示。 如Fe-Ni、Cu-Ni等。
1）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内
仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷
形
度下，金属液中的一些原子自发聚集在一
核
起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。
2）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融
金属内原有的或加入的异质点作为晶核或
晶核衬底的形核过程。
10
(2)晶核长大
▪ 晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。 结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液
４）其它方法
热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。
13
1.2.3 金属的同素异构转变
▪同素异构转变：金属在固态下随温度的变化改变其 晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。 如纯铁的同素异构转变。
二次结晶: 金属的同素异构转变过程与液态金属 的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷 度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程， 故常称为重结晶或二次结晶。
▪ T0 ——理论结晶温度 ▪ Tn——实际结晶温度 ▪ ΔT——过冷度
时间
图1-8 纯金属的冷却曲线
7
2.过冷
▪ 过 冷：即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下 而没有发生凝固的现象。
▪ 过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值 称为过冷度。 即： ΔT=T0-Tn
式中 ΔT——过冷度（℃）； T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； Tn ——金属的实际结晶温度（℃）。
立 方
属于这类晶格的金属有
球
γ-Fe 、Cu、Al、Ni等。
体 模
型
及
它们都具.密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是 一个六方柱体，其上下底面 的中心和十二个角上各有一 个原子，且在六方柱体的中 间还有三个原子，如图1－7 所示。属于这类晶格的金属 有Ｍg 、Ｚn 、Ｃd 、Ｂe等。
态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至 液态金属全部消失、长大的晶体互相接触为止。 晶粒：多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的
位向）基本相同的小晶体称为晶粒。 晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。
11
4.晶粒度及其控制
▪ 晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶 粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定 量表征。
按原子排列的特征，可将固 体金属物质分为晶体和非晶体 两大类。
晶体
晶体： 物质内部的原子是按一定 的次序有规律排列的。如金刚 石、石墨等，固态金属一般属 于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是 无规则排列的，如玻璃、松香 和沥青等。
固体 物质
非晶体
1
1.2.1 金属的晶体结构
体心立方的晶格是一个立方体，其中心和八个角上各有一 个原子，如图1－5所示。 属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、W、 V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。
图１－5 体心立方球体模型及其晶格
3
16
2.面心立方晶格
图
面心立方晶格的晶胞
－
也是一个立方体，其六个
面
面中心和八个角上各有一
心
个原子，如图1－5所示。
2）增大过冷度
形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核 率的增长比长大速率的增加要快，过冷度ΔT越大，单位体积中晶 核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越 大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。
３）动力学法
通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使 生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。
▪ 晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律， 可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并 将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架， 简称晶格，如图1-4b)所示。
▪ 晶胞：即晶格中最小的几何单元。
晶体结构
晶格
晶胞
图１－4 晶体结构示意图 2
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方 晶格和密排六方晶格等三种类型。 １.体心立方晶格
14
纯铁的同素异构转变
图１－9
液态纯铁冷却到1538℃时 结晶成体心立方晶格的δ－ Fe,继续冷却1394℃时发生 同素异构转变,转变成立方 晶格的γ-Fe,再继续冷却到 912℃时又发生同素异构转 变,转变成体心立方晶格的-
纯铁的同素异构转变
15
1.2.4 合金的晶体结构
合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元 素所组成的金属材料。
这类金属塑性较差。
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图 － 密 排 六 方 球 体 模 型 及 其 晶 胞
5
1.2.2 金属的结晶过程 １.金属的结晶
▪ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
6
温度 ΔT
T0 Tn
金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。 冷却速度越快过冷度也越大。
8
3.金属的结晶过程 动画演示
金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段， 并持续到液相全部转变成固相为止。
金属的结晶过程动画 演示了金属从形核、晶体长大直至结晶 完毕整个过程。
9
(1)形核
▪ 形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过 程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非 均质形核两种方式。
（1）晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从 而加强了金属内部的结合力。 （2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动 力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
12
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态 金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。 按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金。 组元1
合 组元3 金 组元2 合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元 相互之间作用方式不同，可以形成固溶体、金属化合物和 机械混合物三种结构。
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1.固溶体
(1)固容体的类型 ▪ 间隙固溶体：当溶质原子很
小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。
▪ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。 如图1-10b 所示。 如Fe-Ni、Cu-Ni等。
1）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内
仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷
形
度下，金属液中的一些原子自发聚集在一
核
起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。
2）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融
金属内原有的或加入的异质点作为晶核或
晶核衬底的形核过程。
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(2)晶核长大
▪ 晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。 结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液
４）其它方法
热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。
13
1.2.3 金属的同素异构转变
▪同素异构转变：金属在固态下随温度的变化改变其 晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。 如纯铁的同素异构转变。
二次结晶: 金属的同素异构转变过程与液态金属 的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷 度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程， 故常称为重结晶或二次结晶。
▪ T0 ——理论结晶温度 ▪ Tn——实际结晶温度 ▪ ΔT——过冷度
时间
图1-8 纯金属的冷却曲线
7
2.过冷
▪ 过 冷：即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下 而没有发生凝固的现象。
▪ 过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值 称为过冷度。 即： ΔT=T0-Tn
式中 ΔT——过冷度（℃）； T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； Tn ——金属的实际结晶温度（℃）。
立 方
属于这类晶格的金属有
球
γ-Fe 、Cu、Al、Ni等。
体 模
型
及
它们都具.密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是 一个六方柱体，其上下底面 的中心和十二个角上各有一 个原子，且在六方柱体的中 间还有三个原子，如图1－7 所示。属于这类晶格的金属 有Ｍg 、Ｚn 、Ｃd 、Ｂe等。
态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至 液态金属全部消失、长大的晶体互相接触为止。 晶粒：多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的
位向）基本相同的小晶体称为晶粒。 晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。
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4.晶粒度及其控制
▪ 晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶 粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定 量表征。