金属工艺学第二章金属的晶体结构
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.金属的晶体结构
（3）分布有序度分 固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。
无序固溶体：是溶质原子占据溶剂晶格结点的位置是随机的，任意 的和不固定的，是溶质原子无规则分布。
有序固溶体：溶质原子只占据溶剂晶格结点的某几个固定位置，从 而形成溶质原子有规则分布在溶剂晶格当中。
2. 固溶体的性能 溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难 →强度、硬度升高。
β相化合物 CuZn
γ相化合物 Cu5Zn8 ε相化合物 CuZn3
3.间隙化合物 ( interstitial compounds )
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金 属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子 占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶 格的间隙之中。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构 的间隙化合物两种。
3 ． 二元合金： 由两个组元组成的合金称为二元合金 , 例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
4 ． 相： 在合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同 并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物 质为液相，固态物质为固相。
二、合金的相结构
★ 由于组元相互作用不同，固态合金的相结构有两大类：固溶体和金属化合 物。 （一 ）固溶体 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 一相同的固相。 溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多； 溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。
金属键的实质就是金属正离子与电子云之间产生的强烈静电引力同各 正离子间的斥力及电子间的斥力之间的相互平衡。
金属特征 1. 良好的导电、导热性； 2. 正的电阻温度系数； 3. 不透明，有光泽； 4. 具有延展性。
第2章 常见金属的晶体结构与结晶
（2）树枝状长大 当过冷度较大，尤其 是液态金属中存在非 自发形核时，金属晶 体常以树枝状的形式 长大。 在晶核长大的初期，晶体的外形是较为规则的。但随 着晶体的继续长大，晶体的棱角和棱边由于散热条件 优越而优先生长，成为伸入到液体中的晶枝。 结晶后得到的是树枝状的晶体，称为枝晶。
第2章 常见金属的晶体结构与结晶
2.2.3 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒的大 小对金属力学性能有很大的影响。 晶粒大小通常用单位截面积上晶粒数目或晶粒的平 均直径来表示。 一般来说，晶粒越细小，则金属的强度越高，同时 塑性和韧性也越好。细化晶粒可以提高金属的力学 性能，这种方法称为细晶强化。
第2章 常见金属的晶体结构与结晶
2.2.2 纯金属的结晶过程 1.晶核的形成
金属结晶时，首先由液态金属内部生成一些极细小 晶体作为结晶的核心，这些细小晶体称为晶核。 （1）自发形核
当温度降到结晶温度以下时，液态金属中的短程有 序原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心， 这一过程称为自发形核。 由液态金属内部自发形成的晶核称为自发晶核。
（2）间隙原子 位于晶格间隙之中的多余原子称为 间隙原子。
第2章 常见金属的晶体结构与结晶
第二章金属的晶体结构与结晶
金工教研室
第一节金属与合金的晶体结构
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，为后续课程的学习做好理 论知识的准备
一、晶体的基本知识
（一）、晶体与非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和 非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的 几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子） 则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）
时间
A 90 70 50
30
B B
温 度
L L +
a
S
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
b
B
温 度
L
a
TL Tn TS
S
A
b a c b
B
1.匀晶相图
2.共晶相图
温 度
L
L
+ +
L SA SB SB
成分 100%B
SA
100%A
2.共晶相图ຫໍສະໝຸດ 2、线缺陷——位错 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错 排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很 长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通 常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错 线的总长度。 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如 强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的 塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现 了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度 的增加所致。
2 第二章 金属的晶体结构与塑性变形和再结晶
2、结晶过程
金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。 • （1）晶核的形成：当温度降到结晶温度以下时，在液态金属 内部，有一些原子自发的聚集在一起，并按金属晶体的固有规 律排列起来，形成规则排列的原子集团而成为结晶的核心，称 自发晶核。液态金属中一些外来的微细固态质点，也可成为结 晶的核心，称外来晶核。 • （2）晶核的长大：当晶核开始出现后，液态金属的原子就以 它为中心，按一定的几何形状不断地向它聚集，即这些晶核不 断地长大。在原有晶核长大的同时，液体中新的晶核仍陆续产 生，而且也不断长大，这样，就有许许多多晶核同时在不同程 度上长大着，起初，各个小晶体都是按照自己的方位自由的生 长，当它们长大到与相邻的晶体互相抵触时，，这个方向的长 大便停止了，当全部晶体都长大到各个方向都互相抵触时，即 液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了。最后便形成了许 多外形不规则的、大小不等的、排列方向不相同的小晶体。
在原有晶核长大的同时液体中新的晶核仍陆续产生而且也不断长大这样就有许许多多晶核同时在不同程度上长大着起初各个小晶体都是按照自己的方位自由的生长当它们长大到与相邻的晶体互相抵触时这个方向的长大便停止了当全部晶体都长大到各个方向都互相抵触时即液态金属已全部耗尽结晶过程也就完成了
第二章 金属的晶体结构与塑性变形和再结晶Βιβλιοθήκη 15/32晶体缺陷与性能的关系
实际上由于受许多因素的影响，晶体内部某些区域的原子规 则排列往往会受到外界干扰而被破坏，金属晶体结构中存在的 这种不完整的区域称为晶体缺陷。按照几何特性，晶体缺陷主 要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
1．点缺陷
点缺陷是指在三维尺度上都很 小，尺寸范围不超过几个原子直 径的缺陷。主要的点缺陷有空位 和间隙原子(图2—7)； 空位 在晶格中没有原子的结点。 间隙原子位于晶格间隙中的原子。 晶格畸变导致某些性能改变。
金属工艺学—金属的晶体结构与结晶
第二章金属的晶体结构与结晶（一）教学内容晶体结构的基本知识：晶格、晶胞、金属常见的晶格类型。
金属的实际晶体结构：多晶体结构、点缺陷、线缺陷、面缺陷。
纯金属的结晶：结晶的概念、结晶过程、晶粒大小对机械性能的影响、同素异构转变。
铸锭的组织与缺陷。
（二）教学目的与要求：本章阐述了晶体结构的基本知识，金属晶体结构常见的类型，金属的实际晶体结构和缺陷，金属的结晶过程，同素异构转变，铸锭的组织和缺陷。
要求理解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。
掌握金属晶体的三种常见晶格类型：面心立方、体心立方和密排立方晶胞。
掌握实际金属点、线、面缺陷与金属机械性能的关系。
掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对机械性能的影响，细化晶粒的措施，纯铁的同素异构转变。
掌握铸锭组织的结晶形成过程，铸锭组织对性能的影响。
（三）重点、难点借助模型帮助学生掌握金属常见的晶格结构类型。
着重讲解实际金属的各种晶体缺陷的特征及其对金属机械性能的影响关系。
借助冷却曲线建立过冷度的概念，以及过冷度与冷却速度、晶粒大小和金属机械性能的关系，建立金属同素异构转变的物理概念。
（四）考核知识点与考核要求1.晶体与非晶体的区别（识记）2.晶格、晶胞、晶格常数的基本概念（识记）3．纯金属的三种晶体结构（识记，了解体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格的结构）4．金属的冷却曲线及过冷现象（识记, 掌握实际金属点、线、面缺陷与金属机械性能的关系。
）5．金属的结晶过程（领会, 掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对机械性能的影响，细化晶粒的措施，纯铁的同素异构转变。
）6．金属的同素异构转变（识记, 掌握铸锭组织的结晶形成过程，铸锭组织对性能的影响。
）7．实际的晶体的构造（识记）。
第二章 金属的结构与结晶
第二章金属的结构与结晶第一节金属的晶体结构一、晶体与非晶体非晶体：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。
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。
二、晶体结构的概念：1、晶格和晶胞：表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格。
能完整地反映晶格特征的最小几何单元，称为晶胞。
2、晶面和晶向：在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。
通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。
由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。
三、金属晶格的类型：1、体心立方晶格：它的晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体的中心。
如：铬（Cr）、钒（V）、钨（W）、钼（Mo）及α-Fe2、面心立方晶格：它的晶胞也是一个立方体，原子位于立方体的八个顶角上和立方体六个面的中心。
如：铝（Al）、铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）及γ-Fe3、密排六方晶格：它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶角上和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内。
属于这种晶格类型的金属有镁（Mg）、铍（Be）、镉（Cd）、及锌（Zn）等。
第二节纯金属的结晶金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。
一、纯金属的冷却曲线及过冷度。
用热分析法进行研究：图2—1纯金属的冷却曲线(理论) 纯金属的冷却曲线(实际)实际结晶温度（T1）低于理论结晶温度（To）这一现象称为“过冷现象”。
理论结晶温度和实际结晶温度之差称这“过冷度”（△T=To—T1）。
金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。
冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。
第2章金属的晶体结构
金属结晶后的晶粒大小：
晶粒的大小通常是指以晶粒度来表示。而晶粒 度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标 定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。通 过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称 为细晶强化。
晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的
影响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少耐 蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。 按照材料的不同用途和种类应合理的控制 其晶粒大小。这就需要了解一些金属结晶时影 响晶粒大小的因素。
于变形金属再固态下的再结晶。因此，同素异晶
转变也被称为重结晶，是一种固态相变。
金 属 的 同 素 异 构 转 变
-Fe
1394℃
-Fe
912℃
-Fe
Fe具有同素异晶转变现象。图是铁的冷却曲线。
从冷却曲线上可见到第一个1538℃的平台是 铁的结晶温度。结晶后是体心立方晶格Fe。当温 度降到1394℃出现第二个平台。这是Fe在固态下 第一次同素异晶转变。转变成为面心立方的Fe。 当继续冷却到912℃时出现第三个平台，这是Fe的 第二次同素异晶转变。变成体心立方的Fe。当继 续冷却到769℃时出现第四个平台。这个平台对应 的温度称为居里点。它不是同素异晶转变，因为 没有晶格类型的变化。只是Fe原子的外层电子排 列的变化引起Fe的磁性状态的改变。晶格类型虽 然仍是体心立方，但是晶格常数减小了。
间隙原子和大径的置换原子会引起一个以一个点为
中心的晶格局部“撑开”现象，称之为正畸变。而晶格
空位和小直径的置换原子会引起一个点为中心的晶格局
部“靠拢”现象，称之为负畸变。
晶体中的点缺陷都是处在不断的变化和运动中，其
位置随时在变。这是金属原子扩散的一种主要方式，也
是金属在固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。
第二章 金属的晶体结构
5、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。
6、配位数：晶格中与任 一原子距离最近且相等的 原子数目。
7、致密度：晶胞中原子 本身所占的体积百分数。
二、常见金属的晶格类型
体心立方晶格(BCC)
体心立方晶格(BCC)
晶格常数：a(a=b=c)
3 原子半径：r a 4
晶胞原子个数：2 致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
另一方面也可使成长中的枝晶
破碎，使晶核数目显著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
4、 晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶 界面积越大，因而金属 的强度、硬度越高，同 时塑性、韧性也越好。 即细晶强化。
晶粒大小与金属强度的关系
高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动， 因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
二、铸造缺陷
铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、 偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。
1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且
补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和
加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切
除。
2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称 为偏析。铸锭(件)在结晶时，由于各部位结晶先后 顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶
曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。
过冷与过冷度
纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶
温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。
金属工艺学第2章
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第四节 二元合金相图
• Ｌ为液相，是Ｃｕ和Ｎｉ形成的液溶体；α为固相，是Ｃｕ和Ｎｉ组 成的无限固溶体。图２－１７中有两个单相区：液相线以上的Ｌ相区 和固相线以下的α相区。图２－１７中还有一个两相区：液相线和固 相线之间的Ｌ＋α相区。
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第二节 纯金属的结晶
• 由冷却曲线可见，当液体金属缓慢冷却到ａ点时，液体金属开始结晶 ，到ｂ点结晶终了，ａ～ｂ两点之间的水平线即为结晶阶段，它所对 应的温度就是纯金属的结晶温度。纯金属在缓慢冷却条件下（即平衡 条件）的结晶温度与缓慢加热条件下的熔化温度是同一温度，称为理 论结晶温度，用Ｔ０表示。
• 三、共晶相图
• 两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应的合 金系，称为共晶系并构成共晶相图。例如Ｐｂ－Ｓｎ、Ａｌ－Ｓｉ、 Ａｇ－Ｃｕ合金相图等。现以Ｐｂ－Ｓｎ合金相图为例，对共晶相图 进行分析。
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第四节 二元合金相图
• Ｐｂ－Ｓｎ合金相图（图２－１８）中，ａｄｂ为液相线，ａｃｄｅ ｂ为固相线。合金系有三种相：Ｐｂ与Ｓｎ形成的液溶体Ｌ相，Ｓｎ 溶于Ｐｂ中的有限固溶体α相，Ｐｂ溶于Ｓｎ中的有限固溶体β相。 相图中有三个单相区（Ｌ、α、β相区）；三个两相区（Ｌ＋α、Ｌ＋ β、α＋β相区）；一条Ｌ＋α＋β的三相并存线（水平线ｃｄｅ）。
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第三节 合金的晶体结构
• ３.相 • 合金中具有同一种化学成分且其晶体结构及性能相同的均匀组成部分
第二章金属的晶体结构与结晶PPT课件
❖ 密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
二、实际金属的晶体结构
❖ （一）金属材料都是多晶体。
❖ 单晶体：晶格位向完全一致的晶体。晶粒， ❖ 亚晶界。亚晶界。
晶体
晶粒 晶界
亚晶界 亚晶界
多晶体示意图
多晶体示意图
（二）、晶体的缺陷
❖ 缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有 很大的影响。
来表示晶胞的形状和大小。
（三）、金属中常见晶格
1、体心立方晶格(bcc)：如 aFe Cr
❖ 晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。
1/8
2、面心立方晶格(fcc)
❖ 面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。
面心立方晶格的金属有 rFe、Al等。
3、密排六方晶格(hcp)
冷变形加工后金属出现了强度 提高的现象（加工硬化），就 是由于位错密度的增加所致。
立体 模型
平面 模型
刃型位错示意图
a ) 刃晶 形格 立位体错模示型意b图) 平 面 图
3、面缺陷——晶界和亚晶界
晶界的过渡结构示意图
晶界结构
亚晶界结构示意图
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶
主要内容 ❖ 凝固与结晶的概念 ❖ 结晶的现象与规律 ❖ 同素异晶(构)转变
温
度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
To
T1
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
❖过冷现象 ：T实际<T理论；
❖ 过冷度：过冷是结晶的必要条件。
ΔT = T0 – T1
二).结晶的一般规律(结晶过程)
金属工艺学第二章金属的晶体结构
金
属
工
艺
学
20
第二章 金属的晶体结构
金属的结晶
金
属
工
艺
学
21
第二章 金属的晶体结构
2、冷却曲线与过冷度
ºC
L 为什么会出现 ºC 水平台阶？
T0
T0
a
b
Tn
0
金 属 工 艺 学
a：结晶开始点 b：结晶终了点
理论上
S
0
L
}T
S
T0：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度
例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一种典 型的金属化合物。
金
属
工
艺
学
34
第二章 金属的晶体结构
第三节 二元合金的相图
重点： 二元匀晶相图分析
枝晶偏析
难点：
金
二元匀晶、共晶相图分析
属
工
艺
学
35
第二章 金属的晶体结构
二元合金相图
• 二元匀晶相图
• 二元共晶相图
金
属
工
艺
学
36
第二章 金属的晶体结构
金 模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。
属 工
中心等轴晶粒区
艺 学
中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。
26
第二章 金属的晶体结构
6、金属的同素异构转变
概念： 温度变化－－晶格类型变化。 意义： 利用热处理，改善材料性能。
金
属
工
艺
学
27
第二章 金属的晶体结构
金 属
δ-Fe
γ -Fe
α- Fe
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工
艺
学
7
第二章 金属的晶体结构
2）面心立方晶格
动画演示
金
属
工
艺
学
8
第二章 金属的晶体结构
面心立方晶格
a）晶胞形状－－－立方体。 b）原子分布－－－结点、各面中心。 c）晶胞－－－－－包含4个原子。 d）致密度－－－－0.74
属于这类金属的有：r -Fe、Al、Cu、Ni等。
金
属
工
艺
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第二章 金属的晶体结构
3）密排六方晶格
金
动画演示
属
工
艺
学
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第二章 金属的晶体结构
密排六方晶格
a）晶胞形状－－六棱柱体。 b）原子分布－－结点、上下面中心，体中心有三个。 c）晶胞－－－－包含6个原子。 d）致密度－－－0.74。
属于这类金属的有：Mg、Zn、α－Ti等。
金
属
工
艺
学
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第二章 金属的晶体结构
二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷
ΔT=T0—Tn（过冷度）
实际上
22
第二章 金属的晶体结构
金属冷却曲线的解释：
原因： 自发转变（等温等压下）的方向，能量减少。
Tn＝T0，液、固态平衡，自由能变化为零，不能自发结晶。 △T 时，液态与固态的自由能之差大于零，结晶进行。 △T 越大，自由能差越大，结晶推动力越大，晶体生长速
度越大。
金 过冷是金属结晶的必要条件。
根据缺陷的几何形状，分为:
点缺陷
线缺陷
金
面缺陷
属
工
艺
学
13
第二章 金属的晶体结构
1）点缺陷：
晶格空位、间隙原子和置换原子。
金
属
点缺陷
工
艺
学
晶格扭曲
带来性能的变化， 如强度的提高等。
14
第二章 金属的晶体结构
2）线缺陷：
即位错：是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移 而造成。
刃型位错是最简单的位错。
第二章 金属的晶体结构
2、典型的晶格类型：重点内容 1）体心立方晶格
金
属
动画演示
工
艺
学
6
第二章 金属的晶体结构
体心立方晶格
a）晶胞形状－－立方体。 b）原子分布－－结点、中心。 c）晶胞－－－－ 包含2个原子。 d）致密度－－－0.68
属于这类金属晶格的有：α -Fe、Cr、V、W、Mo等。
金
属
工
0.20
艺
0.16
学
16.5x107 18.0x107 21.1x107 26.3x107 26.4x107
4.0x107 3.8x107 4.4x107 5.7x107 6.5x107
28.830Leabharlann 639.548.8
50.7
24
第二章 金属的晶体结构
2）细化晶粒的方法：
➢增大过冷度：增加冷却速度；
属
工
艺
学
23
第二章 金属的晶体结构
3、影响晶核尺寸的因素 重点内容
1）晶粒粗细对材料力学性能的影响 一般来说，晶粒愈细力学性能越好，
即强度和硬度愈高， 同时塑性和韧性愈好。 （细晶强化） 晶粒大小对纯铁力学性能的影响
晶粒平均直径／mm 抗拉强度/Pa 屈服点/Pa
伸长率/%
9.70
7.00
金
属
2.50
第二章 金属的晶体结构
第二章 金属的晶体结构
金
属
工
艺
学
1
第二章 金属的晶体结构
第二章 金属的晶体结构
本章重点：
纯金属的晶格类型及晶体缺陷； 细化晶粒的措施； 合金的晶体结构； 二元匀晶相图分析
金
本章难点：
属
铸锭组织；
工 艺
二元匀晶相图分析
学
2
第二章 金属的晶体结构
第一节 纯金属的晶体结构
本节重点
金
属
理想晶体
工
艺
学
刃型位错
15
第二章 金属的晶体结构
金
位错与力学性能
属
工
艺
学
16
第二章 金属的晶体结构
3）面缺陷：
主要指晶界和亚晶界
金
晶界
亚晶界
属
工
晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，晶体的强度
艺
愈高。
学
17
第二章 金属的晶体结构
缺陷特征对比
缺陷类别
点缺陷
分类
空位、 间隙原子、
置换原子
对材料性能的影响
形核率和长大率都增大，但形核率增大较快。
➢变质处理：
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化 粒和改善组织的工艺措施。
金
➢振动：
属
➢搅拌
工
艺 •如果结晶时晶核不多而生长速度快，则结晶后的晶
学 粒是粗还是细？
25
第二章 金属的晶体结构
5、铸锭组织
表层细晶粒区 过冷度大 ＋ 模壁的人工晶核作用
柱状晶粒层
工 1538cº
1394ºc
912ºc
室温
艺
体心立方
面心立方
体心立方
学
28
第二章 金属的晶体结构
第二节 合金的晶体结构
重点：
合金的晶体结构
难点：
金
相的概念
属
工
艺
学
29
第二章 金属的晶体结构
主要内容
合金中的相
固溶体
金
金属化合物
属
工
艺
学
30
第二章 金属的晶体结构
一、合金中的相
合金：由两种或两种以上的金属与金属元素或金属与非金属 元素组成的具有金属性质的物质。
晶格类型
晶体缺陷
细化晶粒的措施
金 属
本节难点
工
艺
铸锭组织
学
3
第二章 金属的晶体结构
第一节 纯金属的晶体结构
主要内容
晶体与晶格
晶体结构、金相组织与晶体缺陷
金属的结晶与铸锭组织
金
属
工
艺
学
4
一第二、章晶金体属与的晶晶体格结构 1、晶体与晶格
金
属 工
晶格：原子看作点，用直线连接成的空间格子 。
艺 学
晶胞：代表晶格的原子排列规律的最小几何单位 。5
液态金属 形核 晶核长大 完全结晶
金
属
工
艺
学
20
第二章 金属的晶体结构
金属的结晶
金
属
工
艺
学
21
第二章 金属的晶体结构
2、冷却曲线与过冷度
ºC
L 为什么会出现 ºC 水平台阶？
T0
T0
a
b
Tn
0
金 属 工 艺 学
a：结晶开始点 b：结晶终了点
理论上
S
0
L
}T
S
T0：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度
1、多晶体结构：
工业上使用的金属属于多晶体。
2、金相组织：
组织是指用肉眼或在显微镜下所观察到的
图象。包括晶粒或组成相的形状、尺寸、分
金
布及相互之间的组合状态。
属
工
金相组织是在显微镜下所观察到的图象。
艺
学
12
第二章 金属的晶体结构
二、晶体结构、金相组织与晶体缺陷 3、晶体缺陷：重点内容
局部原子排列的不完整区域。
强度、硬度提高， 固溶强化等
线缺陷
位错
加工硬化等
金
属 面缺陷 晶界、亚晶界
工 艺 学
易腐蚀， 细晶强化
18
第二章 金属的晶体结构
三、金属的结晶与铸锭组织
纯金属的结晶过程 冷却曲线与过冷度 细化晶粒的措施
单晶体与非晶态合金的制取
金
属 工
铸锭组织
艺 学
金属的同素异构转变
19
第二章 金属的晶体结构
1、纯金属的结晶过程 不断形核＋晶核不断长大同时进行的基本过程。
金 模壁温升，形核率降低，长大率提高，形成柱状晶。
属 工
中心等轴晶粒区
艺 学
中心区温差减小，形成粗大等轴晶粒区。
26
第二章 金属的晶体结构
6、金属的同素异构转变
概念： 温度变化－－晶格类型变化。 意义： 利用热处理，改善材料性能。
金
属
工
艺
学
27
第二章 金属的晶体结构
金 属
δ-Fe
γ -Fe
α- Fe