金属晶体结构与结晶
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晶格空位和间 隙原子的运动 是金属中原子 扩散的主要方 式之一，这对 热处理过程起 着重要的作用。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（2）线缺陷
晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶 体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位 错，如下图所示。
位错线的密度可用单位体积 内位错线的总长度表示。位 错密度愈大，塑性变形抗力 愈大。因此，目前通过塑性 变形，提高位错密度，是强 化金属的有效途径之一。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（3）面缺陷
面缺陷即晶界和亚晶界。 ➢ 晶界：晶粒之间原子无规
则排列的过渡层,又称大角 度晶界。 ➢ 亚晶界：晶粒内部亚组织 之间的边界，一系列刃型 位错所形成的小角度晶界。
第三章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的结构 第二节 纯金属的结晶 第三节 金属的同素异构转变 第四节 合金的晶体结构 第五节 合金的结晶 第六节 金属铸锭的组织结构
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
一、晶体的基本概念 1、晶体与非晶体
晶体：原子在三维空间排列有规律,有熔点,各向异性。
固态物质
3.2 纯金属的结晶
2、过冷现象 ➢金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结
晶温度T0以下才开始结晶，这种现象称为过冷。
➢理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。
即△T ＝T0 －T1
➢纯金属结晶的条件是应当有一定的过冷度。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
➢冷却速度越金大属晶，体结则构与结过晶 冷度越大。
金属晶体结构与结晶
3.3 金属的同素异构转变
➢同素异构转变 金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格 的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转 变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡 （Sn）等。
金属晶体结构与结晶
以铁为例
3.3 金属的同素异构转变
δ- Fe
1394O C
γ - Fe 912OC
➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个 金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原 子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有 铬、钒、钨、钼和α-铁等。
非晶体：原子是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。
晶体与非晶体的根本区别在于其内部原子的排列是否规则。
晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。
➢ 在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外， 包括金属和合金在内的绝金属大晶体多结构数与结固晶 体都是晶体。
3.1 金属的结构
(2)晶格、晶胞、晶格常数
晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。 晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大， 金属的强度、硬度越高。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
结晶：金属由液态转变为固态晶体的现象叫做结晶。
一、纯金属的冷却曲线和冷却现象
1、冷却曲线
以极缓慢速度冷却
金属晶体结构与结晶
实际冷却条件下的冷却
金属晶体结构与结晶
形核率N 、长大速度G 与过冷度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小 的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核 的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理 金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁 振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶 而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以 增大形核率。
α- Fe
意义：没有这一转变，铁碳合金（钢和铸铁）就不 可能通过多种热处理金来属晶改体结变构与其结晶组织和性能。
3.1 金属的结构
3、密排Hale Waihona Puke Baidu方晶格
密排六方晶格如图所示。 在晶胞的十二个角上各有 一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个 原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方 晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、α-钛和 β-铬等。
密排六方晶格晶胞中的金属原晶体子结构数与n结=晶3 + 2 X 1/2 + 12 X 1/6 = 6
3.2 纯金属的结晶
二、金属的结晶过程
纯金属结晶过程
➢晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
三、金属结晶后的晶粒大小
1、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，晶粒大小可 以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。 为了方便测量，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直 径来表示。 实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的 强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒 内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越 细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的 机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固， 强度和韧性就越好。 金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
2、细化晶粒的方法
（1）增加过冷度 增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。
3.1 金属的结构
三、金属的实际晶体结构
1、单晶体与多晶体的概念 ➢ 单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。 ➢ 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒
之间的界面称为晶界。
晶
晶
粒
界
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
2、晶体中的缺陷 （1）点缺陷
最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这 些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能 的变化。
体心立方晶格晶胞金中属晶的体原结构子与结数晶n = 1 + 8 X 1/8 = 2
3.1 金属的结构
2、面心立方晶格
面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成 立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心 立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和γ-Fe等。
面心立方晶格晶胞中金的属晶原体结子构数与结n晶= 6 X 1/2 + 8 X 1/8 = 4
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（2）线缺陷
晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶 体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位 错，如下图所示。
位错线的密度可用单位体积 内位错线的总长度表示。位 错密度愈大，塑性变形抗力 愈大。因此，目前通过塑性 变形，提高位错密度，是强 化金属的有效途径之一。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（3）面缺陷
面缺陷即晶界和亚晶界。 ➢ 晶界：晶粒之间原子无规
则排列的过渡层,又称大角 度晶界。 ➢ 亚晶界：晶粒内部亚组织 之间的边界，一系列刃型 位错所形成的小角度晶界。
第三章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的结构 第二节 纯金属的结晶 第三节 金属的同素异构转变 第四节 合金的晶体结构 第五节 合金的结晶 第六节 金属铸锭的组织结构
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
一、晶体的基本概念 1、晶体与非晶体
晶体：原子在三维空间排列有规律,有熔点,各向异性。
固态物质
3.2 纯金属的结晶
2、过冷现象 ➢金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结
晶温度T0以下才开始结晶，这种现象称为过冷。
➢理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。
即△T ＝T0 －T1
➢纯金属结晶的条件是应当有一定的过冷度。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
➢冷却速度越金大属晶，体结则构与结过晶 冷度越大。
金属晶体结构与结晶
3.3 金属的同素异构转变
➢同素异构转变 金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格 的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转 变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡 （Sn）等。
金属晶体结构与结晶
以铁为例
3.3 金属的同素异构转变
δ- Fe
1394O C
γ - Fe 912OC
➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个 金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原 子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有 铬、钒、钨、钼和α-铁等。
非晶体：原子是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。
晶体与非晶体的根本区别在于其内部原子的排列是否规则。
晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。
➢ 在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外， 包括金属和合金在内的绝金属大晶体多结构数与结固晶 体都是晶体。
3.1 金属的结构
(2)晶格、晶胞、晶格常数
晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。 晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大， 金属的强度、硬度越高。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
结晶：金属由液态转变为固态晶体的现象叫做结晶。
一、纯金属的冷却曲线和冷却现象
1、冷却曲线
以极缓慢速度冷却
金属晶体结构与结晶
实际冷却条件下的冷却
金属晶体结构与结晶
形核率N 、长大速度G 与过冷度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小 的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核 的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理 金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁 振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶 而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以 增大形核率。
α- Fe
意义：没有这一转变，铁碳合金（钢和铸铁）就不 可能通过多种热处理金来属晶改体结变构与其结晶组织和性能。
3.1 金属的结构
3、密排Hale Waihona Puke Baidu方晶格
密排六方晶格如图所示。 在晶胞的十二个角上各有 一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个 原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方 晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、α-钛和 β-铬等。
密排六方晶格晶胞中的金属原晶体子结构数与n结=晶3 + 2 X 1/2 + 12 X 1/6 = 6
3.2 纯金属的结晶
二、金属的结晶过程
纯金属结晶过程
➢晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
三、金属结晶后的晶粒大小
1、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，晶粒大小可 以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。 为了方便测量，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直 径来表示。 实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的 强度、硬度、塑性和韧性。
这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒 内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越 细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的 机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固， 强度和韧性就越好。 金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
2、细化晶粒的方法
（1）增加过冷度 增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。
3.1 金属的结构
三、金属的实际晶体结构
1、单晶体与多晶体的概念 ➢ 单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。 ➢ 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒
之间的界面称为晶界。
晶
晶
粒
界
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
2、晶体中的缺陷 （1）点缺陷
最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这 些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能 的变化。
体心立方晶格晶胞金中属晶的体原结构子与结数晶n = 1 + 8 X 1/8 = 2
3.1 金属的结构
2、面心立方晶格
面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成 立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心 立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和γ-Fe等。
面心立方晶格晶胞中金的属晶原体结子构数与结n晶= 6 X 1/2 + 8 X 1/8 = 4