金属晶体内部结构和结晶
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金属的晶体结构与结晶
金属结 晶过程 示意图
自发形核 △T = 200℃
非自发形核 △T = 20℃
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
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。
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
V为晶胞体积。
体心立方晶格（bcc晶格）
⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
r
3a 4
。
⑷晶胞所含原子数 2个原子。
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的 特点，为了便于讨论 通常只从晶格中，选 取一个能够完全反映晶格特征的、最小的 几何单元来分析晶体中原子排列的规律，
这个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
全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。 （二）性能
熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）
1. 正常价化合物
组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守 化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
自发形核 △T = 200℃
非自发形核 △T = 20℃
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
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。
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
V为晶胞体积。
体心立方晶格（bcc晶格）
⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
r
3a 4
。
⑷晶胞所含原子数 2个原子。
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的 特点，为了便于讨论 通常只从晶格中，选 取一个能够完全反映晶格特征的、最小的 几何单元来分析晶体中原子排列的规律，
这个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
全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。 （二）性能
熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）
1. 正常价化合物
组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守 化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
金属晶体结晶知识点总结
金属晶体结晶知识点总结一、晶体结晶概念及原子排列规律1. 晶体结晶概念：晶体是由一定种类的原子或者分子按照一定的排列顺序和规则组成的固体物质，具有周期性排列结构和明显的晶体性质。
2. 晶体的原子排列规律：晶体的结晶形式是由原子或分子的周期性排列而形成的，这种排列具有高度规则性和周期性，其排列方式受到晶体内部原子结构和晶体生长条件的影响。
二、晶体的基本结构1. 金属晶体的结构：金属晶体基本结构是由金属离子或原子经过排列而成。
在金属晶格中，金属原子之间由金属键结合，通过电子云间的共享而形成结晶结构。
2. 晶体的晶格：晶体的结构由晶格组成，晶格是由一系列平行排列的基本单元组成的。
晶格在三维空间中构成晶体的结构基础，束缚着晶体材料的原子或离子。
3. 晶体的晶胞：晶体的基本结构单元是晶胞，晶胞是晶体内可以复制整个晶体结构的最小重复单元，是晶体中基本的空间单位。
三、晶体生长1. 晶体生长的条件：晶体生长的条件包括适当的温度、压力和爆发原子。
晶体的生长过程受到物理、化学条件和材料的约束。
2. 晶体的生长方式：晶体生长方式分为固体相生长和溶液相生长两种方式，固体相生长是指晶体在固态材料中生长，溶液相生长是指晶体在溶液中生长。
3. 晶体生长的影响因素：晶体生长过程中受到多种因素的影响，包括溶液浓度、温度、溶液饱和度、晶种的形状和结构等。
四、晶体结构及其性能1. 晶体的结构类型：晶体的结构分为立方晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、三斜晶系、六方晶系六种。
2. 晶体结构对性能的影响：晶体的结构类型决定了晶体的物理、化学和机械性能，不同的结构对材料的性能有不同的影响。
3. 晶体的晶格缺陷：晶格缺陷是指晶格中原子位置的缺失、位错、夹杂等现象，这些缺陷会影响晶体的性能和行为。
五、晶体的性能1. 金属的晶体缺陷：金属晶体包括点缺陷、线缺陷、面缺陷等，这些缺陷对金属的力学性能、导电性能和腐蚀性能有重要影响。
2. 晶体的热学性能：晶体的热学性能包括热导率、线膨胀系数、比热容等，这些性能与晶体结构和晶格缺陷有关。
金属材料的结构与结晶
只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时
才能形成间隙固溶体。
例：Fe和C形成间隙固溶体。
间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。
图2-12（ｂ）
图2-12（ａ）
（2）臵换固溶体：溶质原子占据晶格结点位臵而形 成的固溶体。 （图2-12b）
两组元原子尺寸相近时，易形成臵换固溶体。可形
成有限固溶体和无限固溶体。 例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为臵
立方晶格中的某些晶面立方晶格中的某些晶面100100面面110110面面111111面面立方晶格中的某些晶向立方晶格中的某些晶向111111向向110110向向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同因此原子结合力也就不同从而在不同的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
1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。 2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。
3. 晶格参数：
晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。
4. 三种典型的金属晶体结构 面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。 面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良
好的塑性； 密排六方晶格的金属有 Mg、Zn、Be等
Fe3C组成的机械混合物。
机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的
平均值。
35 钢的显微组织
机械混合物P
将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色
基体是Fe与C形成的固溶体， 含碳0.0218% 体 心立方晶格（称为铁素体F）， 黑色条纹为 渗
碳体（Fe3C）。
黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为
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：
金属的晶体结构和结晶
2 影响晶核形成和长大的因素
图2-2 成核速率、长大速度与过冷度的关系
1）过冷度：ΔT大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和
长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N不G 的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化丌利， 结晶发生困难。 2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合 金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶 时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒 的处理方法。 3)机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
形核有自发形核和非自发形核两种方式， 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规 则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表 面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得 多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。
晶体的长大以枝晶状形式迚行的，并丌断地分枝发展。
金属的晶体结构与结晶
讲师：郑欣
本章目的：
1 建立金属晶体结构的理想模型；
2 揭示金属的实际晶体结构；
金属的晶体结构
一、晶体的基本概念
1．晶体 非晶体
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则反 之。 特点：晶体——①有熔点；②具有各 向异性。如：食盐，冰，金刚石，金 属等。 非晶体——①无熔点；②各向 同性。如：玻璃，松香，沥青等。
本章结束！
体心立方晶格的致密度：
4 3 K 2 a 3 4
3
a 0.68
3
即晶格中有68%的体积被原子占有，其余为空隙。
属于这种体心立方晶格的金属有Fe(＜912℃,α-Fe)、Cr、
Mo、W、V等。
金属的结晶构造和结晶过程
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金属晶体模型
二、晶格、晶胞、晶格常数
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晶体 原子呈有序排列
名 非晶体 原子呈无序排列
词 术 语
晶格 描述原子排列规律的空间格子 晶胞 组成晶格的最基本单元
晶格常数 晶胞的棱边长度
将晶体中原子排列，假想成空间的几何格架
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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二、晶格、晶胞、晶格常数
Logo
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。
1 538℃
1 394℃
912℃
L
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。
密排六方晶格
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❖十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上 下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀 分布三个原子。
❖ 密排六方晶胞的特征：
晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间 的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与底面之间的夹角为90°。
金属晶体结构及结晶
★ 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1 ~2)的小 晶块（或称“亚结构”）。亚晶粒之间的交界面称亚晶界 。亚晶界的原子排列也不规则，也产生晶格畸变。
亚晶界示意图
Cu-Ni 合金中的亚结构
金属的晶体结构
①使实际金属的强度远远小于理想金属 ②晶界处位错密度高，使其局部强度 强度 硬度 塑性 韧性 硬度
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空
间格架称为晶格。
组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常 数，单位是10-10m(Å)； 晶胞各边夹角以a、b及g表示。
Z
b g X ba a源自c Y原子排列模型晶
格
晶
胞
简单立方晶体
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
物质由原子组成。原子的结 合方式和排列方式决定了物 质的性能。 原子、离子、分子之间的结 合力称为结合键。它们的具 体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原 子（或分子、离子）的聚集 状态可分为晶体和非晶体两 大类。
C60
金属的晶体结构
晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则 周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。 晶体具有各向异性。 非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则 排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。
[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa ；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpa
金属的晶体结构
（五）单晶体的各向异性 单晶体具有各向异性的特征。但工业上 实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一
般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任
何方向上其弹性模量E均为2.1×105MPa。
亚晶界示意图
Cu-Ni 合金中的亚结构
金属的晶体结构
①使实际金属的强度远远小于理想金属 ②晶界处位错密度高，使其局部强度 强度 硬度 塑性 韧性 硬度
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空
间格架称为晶格。
组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常 数，单位是10-10m(Å)； 晶胞各边夹角以a、b及g表示。
Z
b g X ba a源自c Y原子排列模型晶
格
晶
胞
简单立方晶体
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
物质由原子组成。原子的结 合方式和排列方式决定了物 质的性能。 原子、离子、分子之间的结 合力称为结合键。它们的具 体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原 子（或分子、离子）的聚集 状态可分为晶体和非晶体两 大类。
C60
金属的晶体结构
晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则 周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。 晶体具有各向异性。 非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则 排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。
[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa ；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpa
金属的晶体结构
（五）单晶体的各向异性 单晶体具有各向异性的特征。但工业上 实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一
般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任
何方向上其弹性模量E均为2.1×105MPa。
第三章金属的晶体结构与结晶
第三章 金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
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
吉林大学工程材料第1章 金属的晶体结构和结晶
由于金属键无方向性及饱和性，使得大部分金 属都具有紧密排列的趋向，以致其中绝大多数的金 属晶体都属于三种密排的晶格形式。
三、金属晶体中常见的三种晶格类型
度量晶体中原子排列的紧密程度的方法：
常用的有配位数、致密度。
A：配位数： 晶格中任一原子周围所紧邻的最近且 等距的原子数。 （定性的）
B：致密度：
表格 1-3 三种典型晶格的密排面和密排方向
晶格类型 体心立方 面心 密排六方
密排面 ｛１１０｝ ｛１１１｝ 底面
密排方向 〈１１1〉 〈１１0〉 底面对角线
以后我们将看到，金属晶格的密排面及密排方向 的确定，对我们研究金属的特性是有重要意义的。
五、晶体的各向异性
对于同一个完整的晶体，当我们从不同方向 上测量某些量时，(如弹性模量E、强度极限 b、 屈服极限 s 、电阻率、磁导率、线胀系数、耐蚀 性等)，将得到不同的数值。如铁(－Fe) 〈111〉方向E=2.80×105MN／m2 〈100〉方向E=1.30×105MN／m2 这就引出一个新的概念：
晶界这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相 邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图1-12a）。
（a）
（b）
图1－12 晶界（a）及亚晶界（b）示意图
而亚晶界这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小 晶格位向差形成的面缺陷（如图1-12b）。可以把 它看作是一种位错的堆积或称“位错墙”。
三、晶体缺陷对金属性能的影响
{111}
1 3 0 . 58 6 a2 3 2 a 2
3a 0.29a 6
〈111〉 <111>
1 2 1 1.16 2 a 3a
6a 0.82a 3
规律 ： 原子间彼此相接触的晶面和晶向为最密排的晶面和晶
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?
金属的晶体结构与结晶.
（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。
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。
图1-11a 石墨的晶格
图1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定 的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶 格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组 成物的晶粒。
机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间， 并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。
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
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
如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和 固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能 介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？ 2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？ 3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
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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。
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。
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。
图1-11a 石墨的晶格
图1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定 的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶 格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组 成物的晶粒。
机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间， 并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。
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
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
如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和 固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能 介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？ 2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？ 3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
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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。
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
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
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
金属的晶体结构与结晶
机械工程材料
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属 在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关。
金属的特性与金属键 1. 金属的特性 固态金属的主要特性有： 1）良好的导电、导热性。 2）不透明，有金属光泽。 3）具有较高的强度和良好的塑性。 4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升 高而增大。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶体结构的基本概念 晶体与非晶体
自然界中的一切固态物质，按其内部粒子的排列情况可分为晶体 和非晶体。凡内部粒子呈规则排列的固态物质称为晶体，如食盐 、雪花、固态金属等都是晶体。凡内部粒子呈无规则堆积的固态 物质，成为非晶体，如普通玻璃、松香等都是非晶体。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属键
金属原子外层电子与原子核的结合力 较弱，很容易摆脱原子核的吸引力， 这种电子成为自由电子。失去外层电 子的金属原子成为正离子。自由电子 在正离子间自由运动，形成所谓的“电 子气”。正离子与电子气之间依靠静电 引力结合起来，这种结合方式称为“金 属键”。
金属键模型
金属结晶的现象分为： 1. 结晶过程的宏观现象 2. 结晶潜热的释放 3. 结晶过程的微观过程
金属结晶的结晶条件： 结晶的热力学条件 结晶的结构条件
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式。一 种是均匀形核，又叫均质形核或自发形核；另一种是非均 匀形核，又叫异质形核或非自发形核。如果液相中各个区 域出现新相晶核的几率都相同，则为均匀形核；如果新相 优先出现在液相中的某些区域，则为非均匀形核。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属 在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关。
金属的特性与金属键 1. 金属的特性 固态金属的主要特性有： 1）良好的导电、导热性。 2）不透明，有金属光泽。 3）具有较高的强度和良好的塑性。 4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升 高而增大。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶体结构的基本概念 晶体与非晶体
自然界中的一切固态物质，按其内部粒子的排列情况可分为晶体 和非晶体。凡内部粒子呈规则排列的固态物质称为晶体，如食盐 、雪花、固态金属等都是晶体。凡内部粒子呈无规则堆积的固态 物质，成为非晶体，如普通玻璃、松香等都是非晶体。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属键
金属原子外层电子与原子核的结合力 较弱，很容易摆脱原子核的吸引力， 这种电子成为自由电子。失去外层电 子的金属原子成为正离子。自由电子 在正离子间自由运动，形成所谓的“电 子气”。正离子与电子气之间依靠静电 引力结合起来，这种结合方式称为“金 属键”。
金属键模型
金属结晶的现象分为： 1. 结晶过程的宏观现象 2. 结晶潜热的释放 3. 结晶过程的微观过程
金属结晶的结晶条件： 结晶的热力学条件 结晶的结构条件
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式。一 种是均匀形核，又叫均质形核或自发形核；另一种是非均 匀形核，又叫异质形核或非自发形核。如果液相中各个区 域出现新相晶核的几率都相同，则为均匀形核；如果新相 优先出现在液相中的某些区域，则为非均匀形核。
金属的晶体结构与结晶
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第二章 金属的晶体结构与结晶
金属晶体内部结构和结晶
2-1 金属的晶体结构
一、金属的特性与金属键
▪ 良好的导热性和导电性 ▪ 有光泽、不透明 ▪ 较高强度、可塑性
金属晶体内部结构和结晶
二、晶体结构的基本概念
晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在 三维空间的具体排列方式。
金属晶体内部结构和结晶
晶格：为了便于研究，用假想直线将金属 中原子的中心位置连接起来表示原子分 布的几何图形。
晶向指数：用以表示晶 向空间方位的符号。
金属晶体内部结构和结晶
晶面指数确定方法： a) 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三
棱边为空间坐标轴； b) 以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒
数； c) 将各倒数化为最小整数，加圆括号。
（hkl）
晶面族{hkl}
金属晶体内部结构和结晶
晶向指数的确定方法： a) 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边
金属晶体内部结构和结晶
三、金属中常见的三种晶体结构
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
金属晶体内部结构和结晶
1）体心立方晶格
A=b=c; α=β=γ=900 晶胞内原子数n=(1/8)×8+1=2 密排方向：体对角线 3 a 原子半径 r=( 3 /4)a K=0.68 常见金属： α-Fe, Cr, V, Nb, W, Mo等高
金属晶体内部结构和结晶
晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。
金属晶体内部结构和结晶
晶格常数： 晶胞各边尺寸a.b.c 单
位：Å （1 Å =10-8 c m ）
晶胞各边夹角αβγ
金属晶体内部结构和结晶
晶面：晶体中原子排列 的平面。
晶向：晶体中原子排列 的方向。
晶面指数：用以表示晶 面空间方位的符号。
电磁搅拌
将正在结晶的金 属置于一个交变的电 磁场中，由于电磁感 应现象，液态金属会 翻滚起来，冲断正在 结晶的树枝状晶体的 枝晶，增加了结晶的 核心，从而细化晶粒。
熔点金属。 金属晶体内部结构和结晶
2）面心立方晶格
A=b=c; α=β=γ=900
n= (1/8)×8+(1/2)×6=4
密排方向：面对角线 2 a
原子半径r=( 2 /4)a
K=0.74
常见金属：γ-Fe
Au(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),
Ni,Mn
加入人 工晶核
晶粒 细化
金属晶体内部结构和结晶
铝合金中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铁水中加入硅铁、硅钙合金； 铝硅合金中加入钠盐
金属晶体内部结构和结晶
振动
在金属结晶的过 程中采用机械振动、 超声波振动等方法， 可以破碎正在生长中 的树枝状晶体，形成 更多的结晶核心，获 得细小的晶粒。
金属晶体内部结构和结晶
结晶动力△F
金属晶体内部结构和结晶
二、纯金属的结晶过程
生核
长大
形成 晶体
形成
金 属
晶核
液
晶核长 大
金属晶体内部结构和结晶
1）晶核的形成
金属晶体内部结构和结晶
2）晶核的长大
金属晶体内部结构和结晶
冷却速度对金属晶粒度的影响
金属晶体内部结构和结晶
晶核的形成
自发形核
非自发形核
金属晶体内部结构和结晶
三、细化铸态金属晶粒的措施 晶粒大小的衡量——晶粒度
金属晶体内部结构和结晶
细晶强化：一般情况下，晶粒越小，强度 硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通 过细化晶粒来提高金属力学性能的方法 叫细晶强化。
金属晶体内部结构和结晶
增大金属的过冷度
成核速率N： ——单位时间单位体积形 成的晶核数。个/（m3.s） 晶体长大速度G： ——单位时间晶体长大的 长度。M/s
子密度和分布状态不同，从而导致不同方向 上的性能差异，这种现象叫各向异性。
金属晶体内部结构和结晶
单晶体铁的弹性模量 <111> 2.90×105MPa <100> 1.35 × 105MPa 单晶体铁在磁场中沿<100> 方向磁化，比沿<111> 方向 容易，所以制造变压器硅钢 片时<100> 方向应平行于导 磁方向，以降低损耗。
1）点缺陷——空位和离位原子
金属晶体内部结构和结晶
（置换原子）
2）线缺陷——位错
位错密度——单位体积中位错线长度。
位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
金属晶体内部结构和结晶
金属晶体内部结构和结晶
3）面缺陷——晶界、亚晶界
面缺陷能提高金属材料的强 度和塑性，因此细化晶粒是 改善金属材料性能的有效途
径
金属晶体内部结构和结晶
2-3 金属的晶体内部结构和结晶
一、概述
纯金属的结晶条件 T0 ——理论结晶温度 Tn——实际结晶温度 过冷度 △T=T0-Tn
金属晶体内部结构和结晶
热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系 自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低 的过程才能自发进行。
金属晶体内部结构和结晶
超高速急冷技术： 将液态金属连续留
入旋转的冷却轧辊 之间，急冷后可获得几
毫米宽的非晶态金 属材料薄带。 非晶态金属特点： ✓ 很高的强度和韧性。 ✓ 高的电阻率。 ✓ 良好的抗磁性等金。属晶体内部结构和结晶
孕育处理：在液态金属中加入孕育剂或变 质剂，增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。
金属晶体内部结构和结晶
3)密排六方晶格 a.a夹角1200 n=(1/6) ×12+(1/2) ×2+3=6 密排方向a R=a/2 K=0.74 常见金属：Mg Zn Be
金属晶体内部结构和结晶
四、晶体的各向异性 单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。 各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原
为空间坐标轴； b) 过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向； c) 读出该方向任意一点的空间坐标值； d) 化为最小整数，加方括号。[uvw] 所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族<uvw>
金属晶体内部结构和结晶
致密度K：晶胞中原子所占体积与该晶包 体积之比。
对原子排列的紧密 程度进行定量比较！
金属晶体内部结构和结晶
2-2 实际金属的晶体缺陷
一、多晶体 ——由许多位向不同的单晶体组成的晶体。
各向异性被抵消——伪等向性 晶粒：多晶体中每一个单晶体。
不规则颗粒状 10-1~10-3 mm 晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。
原子排列混乱疏松
金属晶体内部结构和结晶
晶界
金属晶体内部结构和结晶
二、晶体缺陷
金属晶体内部结构和结晶
2-1 金属的晶体结构
一、金属的特性与金属键
▪ 良好的导热性和导电性 ▪ 有光泽、不透明 ▪ 较高强度、可塑性
金属晶体内部结构和结晶
二、晶体结构的基本概念
晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在 三维空间的具体排列方式。
金属晶体内部结构和结晶
晶格：为了便于研究，用假想直线将金属 中原子的中心位置连接起来表示原子分 布的几何图形。
晶向指数：用以表示晶 向空间方位的符号。
金属晶体内部结构和结晶
晶面指数确定方法： a) 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三
棱边为空间坐标轴； b) 以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒
数； c) 将各倒数化为最小整数，加圆括号。
（hkl）
晶面族{hkl}
金属晶体内部结构和结晶
晶向指数的确定方法： a) 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边
金属晶体内部结构和结晶
三、金属中常见的三种晶体结构
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
金属晶体内部结构和结晶
1）体心立方晶格
A=b=c; α=β=γ=900 晶胞内原子数n=(1/8)×8+1=2 密排方向：体对角线 3 a 原子半径 r=( 3 /4)a K=0.68 常见金属： α-Fe, Cr, V, Nb, W, Mo等高
金属晶体内部结构和结晶
晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。
金属晶体内部结构和结晶
晶格常数： 晶胞各边尺寸a.b.c 单
位：Å （1 Å =10-8 c m ）
晶胞各边夹角αβγ
金属晶体内部结构和结晶
晶面：晶体中原子排列 的平面。
晶向：晶体中原子排列 的方向。
晶面指数：用以表示晶 面空间方位的符号。
电磁搅拌
将正在结晶的金 属置于一个交变的电 磁场中，由于电磁感 应现象，液态金属会 翻滚起来，冲断正在 结晶的树枝状晶体的 枝晶，增加了结晶的 核心，从而细化晶粒。
熔点金属。 金属晶体内部结构和结晶
2）面心立方晶格
A=b=c; α=β=γ=900
n= (1/8)×8+(1/2)×6=4
密排方向：面对角线 2 a
原子半径r=( 2 /4)a
K=0.74
常见金属：γ-Fe
Au(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),
Ni,Mn
加入人 工晶核
晶粒 细化
金属晶体内部结构和结晶
铝合金中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铁水中加入硅铁、硅钙合金； 铝硅合金中加入钠盐
金属晶体内部结构和结晶
振动
在金属结晶的过 程中采用机械振动、 超声波振动等方法， 可以破碎正在生长中 的树枝状晶体，形成 更多的结晶核心，获 得细小的晶粒。
金属晶体内部结构和结晶
结晶动力△F
金属晶体内部结构和结晶
二、纯金属的结晶过程
生核
长大
形成 晶体
形成
金 属
晶核
液
晶核长 大
金属晶体内部结构和结晶
1）晶核的形成
金属晶体内部结构和结晶
2）晶核的长大
金属晶体内部结构和结晶
冷却速度对金属晶粒度的影响
金属晶体内部结构和结晶
晶核的形成
自发形核
非自发形核
金属晶体内部结构和结晶
三、细化铸态金属晶粒的措施 晶粒大小的衡量——晶粒度
金属晶体内部结构和结晶
细晶强化：一般情况下，晶粒越小，强度 硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通 过细化晶粒来提高金属力学性能的方法 叫细晶强化。
金属晶体内部结构和结晶
增大金属的过冷度
成核速率N： ——单位时间单位体积形 成的晶核数。个/（m3.s） 晶体长大速度G： ——单位时间晶体长大的 长度。M/s
子密度和分布状态不同，从而导致不同方向 上的性能差异，这种现象叫各向异性。
金属晶体内部结构和结晶
单晶体铁的弹性模量 <111> 2.90×105MPa <100> 1.35 × 105MPa 单晶体铁在磁场中沿<100> 方向磁化，比沿<111> 方向 容易，所以制造变压器硅钢 片时<100> 方向应平行于导 磁方向，以降低损耗。
1）点缺陷——空位和离位原子
金属晶体内部结构和结晶
（置换原子）
2）线缺陷——位错
位错密度——单位体积中位错线长度。
位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
金属晶体内部结构和结晶
金属晶体内部结构和结晶
3）面缺陷——晶界、亚晶界
面缺陷能提高金属材料的强 度和塑性，因此细化晶粒是 改善金属材料性能的有效途
径
金属晶体内部结构和结晶
2-3 金属的晶体内部结构和结晶
一、概述
纯金属的结晶条件 T0 ——理论结晶温度 Tn——实际结晶温度 过冷度 △T=T0-Tn
金属晶体内部结构和结晶
热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系 自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低 的过程才能自发进行。
金属晶体内部结构和结晶
超高速急冷技术： 将液态金属连续留
入旋转的冷却轧辊 之间，急冷后可获得几
毫米宽的非晶态金 属材料薄带。 非晶态金属特点： ✓ 很高的强度和韧性。 ✓ 高的电阻率。 ✓ 良好的抗磁性等金。属晶体内部结构和结晶
孕育处理：在液态金属中加入孕育剂或变 质剂，增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。
金属晶体内部结构和结晶
3)密排六方晶格 a.a夹角1200 n=(1/6) ×12+(1/2) ×2+3=6 密排方向a R=a/2 K=0.74 常见金属：Mg Zn Be
金属晶体内部结构和结晶
四、晶体的各向异性 单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。 各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原
为空间坐标轴； b) 过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向； c) 读出该方向任意一点的空间坐标值； d) 化为最小整数，加方括号。[uvw] 所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族<uvw>
金属晶体内部结构和结晶
致密度K：晶胞中原子所占体积与该晶包 体积之比。
对原子排列的紧密 程度进行定量比较！
金属晶体内部结构和结晶
2-2 实际金属的晶体缺陷
一、多晶体 ——由许多位向不同的单晶体组成的晶体。
各向异性被抵消——伪等向性 晶粒：多晶体中每一个单晶体。
不规则颗粒状 10-1~10-3 mm 晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。
原子排列混乱疏松
金属晶体内部结构和结晶
晶界
金属晶体内部结构和结晶
二、晶体缺陷