第二章、金属学基础知识.
金属学及热处理要点总结
第一章金属的晶体结构决定材料性能的三个因素：化学成分、内部结构、组织状态金属：具有正的电阻温度系数的物质。
金属与非金属的主要区别是金属具有正的电阻温度系数和良好的导电能力。
金属键：处以聚集状态的金属原子，全部或大部分贡献出他们的价电子成为自由电子，为整个原子集体所共有，这些自由电子与所有自由电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着，贡献出价电子的原子则变为正离子，沉浸在电子云中，依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用结合起来，这种结合方式叫做金属键。
双原子模型：晶体：原子在三维空间做有规则周期性重复排列的物质叫做晶体。
晶体的特性：1、各向异性2、具有一定的熔点。
空间点阵：为了清晰地描述原子在三维空间排列的规律性，常将构成晶体的实际质点忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称为阵点或节点，这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子团或分子团的中心，各个阵点的周围环境都相同。
做许多平行的直线将这些阵点连接起来形成一个三维空间格架，叫做空间点阵。
晶胞：从点阵中选取的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。
晶格常数：晶胞的棱边长度称为晶格常数，在X、Y、Z轴上分别以a、b、c表示。
致密度：表示晶胞中原子排列的紧密程度，可用原子所占体积与晶胞体积之比K表示。
三种典型的晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。
体心立方晶格：α-Fe、Cr、W、V、Nb、Mo 配位数8 致密度0.68 滑移系：{110}*<111> 共12 个堆垛顺序ABAB 面心立方晶格：γ-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 配位数12 致密度0.74 滑移系：{111}*<110> 共12 个堆垛顺序ABCABC 密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd 配位数12 致密度0.74 滑移系：{0001}*<1121> 堆垛顺序ABAB晶向族指数包含的晶向指数：一、写出<u v w>的排列二、给其中每个晶向加一个负号，分三次加三、给其中每个晶向加两个负号，分三次加四、给每个晶向加三个负号晶面族指数包含的晶面指数：（如果h k l 中有一个是零就写出排列各加一个负号，如果有两个零就只写出排列就行。
第二章、金属学基础知识.
第二章金属学基础知识第一节金属晶体结构一、晶体与非晶体1. 固态物质的分类一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。
2. 晶体的特征①晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质，如图2-1②晶体具有固定熔点、几何外形和各向异性特征，诸如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。
3. 非晶体的特征非晶体是指其组成微粒无规则堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。
非晶体没有固定的熔点，而且性能无方向性。
二、晶体结构的基本知识(一)晶格把晶体内部原子近似地视为刚性质点，用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子。
这种抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格，如图2-1（b）。
(二)晶胞组成晶格的最小几何单元称为晶胞，如图2-1（a）。
(三)常见的金属晶格类型1．体心立方晶格，如图2-2。
体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。
具有这种晶格的金属有钨(W)、钼(Ｍo)、铬(Ｃr)、钒(Ｖ)、α铁(α－Fe)等。
2．面心立方晶格，如图2-3。
面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。
具有这种晶格的金属有金(Ａu)、银(Ag)、铝(Ａl)、铜(Ｃu)、镍(Ni)、γ铁(γ－Ｆe)等。
3．密排六方晶格，如图2-4。
密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子数是6个。
具有此种晶格的金属有镁( Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、α钛(α-Ti)等。
三、金属的实际晶体结构1.单晶体如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。
2.多晶体①由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-5。
②多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
金属学与热处理第二章
根据构成能障的界面情况的不同，可能出现两种不同的形核
方式：
均匀形核
非均匀形核
15
3.1 均匀形核
在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。均质生核在熔 体各处几率相同，晶核的全部固－液界面皆由生核过程提供。因 此，所需的驱动力也较大。理想液态金属的生核过程就是均匀形 核，又称均质形核或自发形核。
16
31
(2) 形核速率
' GA Gk GA Gk f ( ) N k1 exp[( )] k1 exp[( )] kBT kBT
根据上式可知，异质形核率与下列因素有关： (1) 过冷度(ΔT)：过冷度越大，形核率越高。
32
(2) 界面：界面由夹杂物的特性、形态和数量来决定。如夹 杂物基底与晶核润湿，则形核率大。 失配度
20
(3) 形核率 形核速率为单位时间、单位体积生成固相核心的数目。临界
尺寸r的晶核处于介稳定状态，既可溶解，也可长大。当r >rk时 才能成为稳定核心，即在rk的原子集团上附加一个或一个以上的 原子即成为稳定核心。其成核率 N 为：
N N1 N 2
Gk N1 N L exp( ) kBT
(1) 形核热力学
液相与固相体积自由能之差--相变的驱动力
由于出现了固/液界面而使系统增加了界面能--相 变的阻力
G G均 V GV 4 3 r GV 4 r 2 3
17
临界形核半径
2 Tm 2 rk Gv H f T
18
(2) 形核功
在实际金属中，由于金属原子的活动能力强，不易出现极大 点，即随着过冷度的增大，形核率急剧增加。 23
(4) 均匀生核理论的局限性 均匀形核的过冷度很大,约为0.2T m，如纯铝结晶时的过冷度
金属学基础知识
比工程塑料的铸造性能好。
2. 锻造性能锻造性能是指材料是否易于进行压力加工的性能，取决于材料的塑性和变形抗力，塑性越好，变形抗力越小，材料的锻造性能越好。
例如，纯铜在室温下就有良好的锻造性能，碳素钢在加热状态锻造性能良好，铸铁则不能锻造。
热塑性塑料可经挤压和压塑成型，与金属挤压和模压成型相似。
3. 焊接性能两块材料在局部加热至熔融状态下能牢固地焊接在一起的能力称为该材料的焊接性能。
碳素钢的焊接性能主要由化学成分决定，其中含碳量的影响最大。
例如，低碳钢具有良好的焊接性，而高碳钢、铸铁的焊接性不好。
4. 热处理性能生产上，热处理既可用于提高材料的力学性能及某些特殊性能，以进一步充分发挥材料的潜力，亦可用于改善材料的加工工艺性能，如改善切削加工、拉拔挤压加工和焊接性能等。
常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火及表面热处理（表面淬火及化学热处理）等。
5. 切削加工性能材料接受切削加工的难易程度称为切削加工性能。
切削加工性能主要用切削速度、加工表面光洁度和刀具使用寿命来衡量。
影响切削加工性能的因素有工件的化学成分、组织、硬度、导热性及加工硬化程度等。
一般认为，具有适当硬度（170～230HBW）和足够脆性的金属材料切削性能良好，所以灰铸铁比钢切削性能好，碳素钢比高合金钢切削性能好。
改变钢的成分（如加入少量铅、磷等元素）和进行适当的热处理（如低碳钢进行退火，高碳钢进行球化退火）可改善钢的切削加工性能。
1.2 金属学基础知识1.2.1 纯金属的晶体结构1.2.1.1 晶体与非晶体1. 晶体固态下原子（或分子）呈规则排列而形成的聚集状态，称为晶体，如纯铝、纯铁、纯铜等都属于晶体。
2. 非晶体原子（或分子）呈无规则的无序堆积的聚集状态，称为非晶体，如松香、玻璃、沥青、石蜡等都属于非晶体。
绝大多数金属和合金在固态下都属于晶体。
1.2.1.2 晶体结构1. 晶格晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。
为便于理解，把金属内部的原子近似地看成是刚性小球，则金属晶体就可看成是由刚性小球按一定几何规则紧密堆积而成的物体，如图1-5（a）所示。
金属基本常识
金属基本常识金属是一类常见的物质，具有特殊的化学性质和物理性质，广泛应用于各个领域。
本文将介绍金属的基本常识，包括定义、分类、制备方法以及常见金属的性质和应用。
一、金属的定义和分类金属是一类具有金属光泽、良好导电导热性能和可塑性的物质。
根据金属元素的化学性质和晶体结构，金属可以分为两类：有色金属和黑色金属。
1. 有色金属有色金属指的是呈现出特定颜色的金属，如铜、铝、铅和锌等。
这些金属具有良好的导电导热性能、可塑性和耐腐蚀性。
有色金属广泛应用于电子、建筑、航空航天等领域。
2. 黑色金属黑色金属是指呈现黑色的金属，如铁、钢等。
这类金属具有高强度、良好的延展性和可塑性，常用于制造机械设备、建筑结构和交通工具等。
二、金属的制备方法金属的制备方法主要包括矿石冶炼、熔融电解和粉末冶金等。
1. 矿石冶炼矿石冶炼是指将含有金属元素的矿石通过冶炼工艺提取出金属。
例如，将含铜矿石进行烧烤、熔炼和电解的过程，最终得到纯铜。
2. 熔融电解熔融电解是指将金属盐、金属氧化物等在高温条件下熔化，通过电解的方式将金属离子还原成金属。
这种方法常用于制备高纯度的金属，如铝的制备。
3. 粉末冶金粉末冶金是指将金属粉末按一定的比例混合后，通过压制、烧结等工艺制备金属制品。
这种方法可以制备复杂形状的金属制品，如齿轮、刀具等。
三、常见金属的性质和应用以下介绍几种常见的金属及其性质和应用。
1. 铁铁是最常见的金属之一，具有良好的延展性和可塑性。
它广泛应用于建筑、制造机械设备和交通工具等领域。
2. 铜铜具有良好的导电导热性能和可塑性，是重要的工业材料。
它被广泛应用于电子、建筑、制造和工艺品等领域。
3. 铝铝具有较低的密度和良好的导电导热性能，广泛应用于航空航天、汽车制造和建筑等领域。
4. 锌锌具有良好的耐腐蚀性，在电镀、制造合金和防锈涂料等方面有广泛应用。
5. 镍镍是重要的合金元素，广泛用于制造不锈钢、合金钢和电池等。
结语金属作为一类重要的材料，对人类社会的发展起到了重要的推动作用。
金属学与热处理第二章
复习重点：名词、简答、各章课堂强调的重点及书后作业第二章纯金属的结晶一、名词：结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程.结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。
孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。
结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。
近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。
远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。
结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。
晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。
形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。
过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。
均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。
非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。
变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。
能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。
正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。
负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。
晶粒度：晶粒的大小。
缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。
二、简答：1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？答：过冷现象、结晶潜热释放现象2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？答：金属的本性、纯度和冷却速度。
金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，则过冷度越大。
3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？1）界面结构；2）界面附近的温度分布；3）潜热的释放与逸散4. 晶体长大机制有哪几种？1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制5、结晶过程的普遍规律是什么？答：结晶是形核和晶核长大的过程6、均匀形核的条件是什么？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③结晶必须在一定温度下进行。
金属学名词解释第二章
变质处理：是指在浇注前往液态金属中加入形核剂（变质剂），促进形成大量的非均匀形核来细化晶粒。（用在铸件断面较大的情况下。。细化晶粒）
铸造织构（结晶织构）：是指晶体学位向致的铸态组织。
定向凝固技术：通过单向散热使整个铸件获得全部柱状晶的技术。
缩孔：铸件在冷却和凝固的过程中，由于金属的液态收缩和凝固收缩，原来填满铸型的液态金属，凝固后就不在能填满，此时如果没有液态金属继续补充，就会出现收缩孔洞。称为缩孔。（缩短缩孔方法：加快铸锭底部冷却速度和在铸锭顶部加保温盖）
1金属结晶宏观现象：过冷现象和结晶潜热。热分析法
2过冷度：金属理论结晶温度与实际温度之差称为过冷度。过冷度越大，实际温度越低。
3过冷现象：在一定压力下，当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点，而液体仍不凝固的现象，叫过冷现象，
4过冷液体：在一定压力下，当液体的温度已低于该压力下液体的凝固点，而液体仍不凝固的现象，叫过冷现象，此时的液体称为过冷液体。（过冷液体产生的原因是因为液体太过纯净，没有凝固所需的“结晶核”所致）
柱状晶粒：如果枝晶某一个方向上的一次晶轴长得很长，而在其他方向长大时受到阻碍，这样形成的细长晶粒叫做柱状晶粒。
细晶强化：这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。（凡是促进形核，抑制长大的因素都能细化晶粒）
增加过冷度方法：1.提高液态金属的冷却速度，（用金属型或石墨型代替砂型增加金属型厚度 2降低金属型温度） 2 降低浇注温度和浇注速度（可使铸型温度升高不至升高太快，延长了凝固时间，晶核数目增多，可获得细小晶粒）。
负温度梯度：是指液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况。（过冷度随至界面距离增加而增加）
平面长大方式：具有粗糙界面结构的晶体在正温度梯度下长大时，固液界面始终近似的保持平面。这种长大方式叫平面长大方式。
金属学与热处理—第二章1-4节
教学要求：
1 了解金属结晶过程的形核、长大
2 理解金属铸锭的组织与缺陷
3 掌握金属结晶的热力学条件和结构条件
重点：金属结晶的热力学条件和结构条件 难点：金属结晶过程的形核、长大 学时数：共4学时
§1
金属的结晶现象
注意结晶和凝固的 区别
结晶： 液体 --> 晶体——金属生产的第一步
θ=0 a)
θ b) 不同湿润角的晶核形状
θ c)
2、影响非均质形核率的因素
⑴ 过冷度的影响：∵形核功小；
∴ΔT=0.02Tm
~0.2Tm ⑵
┗ 远小于均匀形核 ⑵ 固体杂质结构的影响：
~0.02Tm
⑴
△T 非均匀形核率⑴与均匀形核率 ⑵随过冷度变化的比较
LB B cos L
温度
Tm
△T
急冷
非晶态材料
非均匀形核
1、临界形核半径和形核功
液相L
1 3 V r (2 3 cos cos3 ) 3
σLα σLβ θ
晶核α
S1
S1 2r 2 (1 cos )
S2
σαβ
L L cos
基底β
r
S 2 r 2 sin2
结晶的结构条件
相起伏
能量起伏
晶胚
晶核
§4 晶核的形成
形核方式：
不是所有的晶坯均能 形成晶核，为什么？
均匀形核
非均匀形核
是指完全依靠液态金属中稳定的原
子集团（相起伏）形核的过程，液
相中各区域出现新相晶核的几率都 是相同的。——理想情况
均匀形核
非均匀形核
是指晶胚依附于液态金属中现 成的微小固相杂质质点或器壁 的表面形核的过程。——实际 液态金属结晶情况均属此类。
初中化学金属学知识点总结
初中化学金属学知识点总结金属学是初中化学中的重要内容，它涵盖了金属的基本概念、性质、分类、应用以及与人类生活的密切关系。
以下是初中化学金属学知识点的详细总结：一、金属的基本概念金属是元素周期表中的一类元素，通常具有“金”字旁的汉字名称。
它们大多数具有典型的金属特性，如良好的导电性、导热性、延展性和可塑性。
金属的原子结构特点是外层电子较易脱离原子核束缚，形成正离子和自由电子。
二、金属的物理性质1. 导电性和导热性：金属内部的自由电子能够自由移动，这使得金属具有优良的导电和导热性能。
2. 延展性和可塑性：金属晶体中的金属键使得金属具有很好的延展性和可塑性，可以锻造成各种形状。
3. 金属的色泽：大多数金属具有特有的金属光泽，部分金属如金、铜等具有独特的颜色。
4. 密度和硬度：不同金属的密度和硬度各异，如铅的密度大，硬度小；钻石的硬度最大。
三、金属的化学性质1. 金属的氧化：金属容易与氧气反应生成金属氧化物，如铁在潮湿空气中易生锈。
2. 金属的还原性：金属可以作为还原剂，将其他物质还原，如锌可以还原硫酸铜溶液中的铜离子。
3. 金属的置换反应：活动金属能够置换酸或水中的氢或其他金属，如铁可以置换硫酸中的氢气。
4. 金属的电化学性质：金属在电解质溶液中可以形成原电池，较为活泼的金属会失去电子。
四、金属的分类金属可以根据其在元素周期表中的位置和化学性质进行分类，常见的分类有：1. 按活性分类：如活泼金属（钠、钾）和不活泼金属（金、铂）。
2. 按价位分类：如贵金属（金、银）和普通金属（铁、铜）。
3. 按地壳含量分类：如丰度金属（铝、铁）和稀缺金属（铑、钯）。
五、金属的应用金属在工业、建筑、交通、电子等领域有着广泛的应用：1. 工业生产：金属是制造机械、工具、管道等工业产品的基础材料。
2. 建筑材料：钢铁、铝材等金属用于建筑结构和装饰。
3. 交通工具：汽车、飞机、船舶等交通工具的主要材料。
4. 电子设备：金属用于制造电线、电路板等电子元件。
第02章 金属学基础知识
晶体缺陷
点缺陷——空位、间隙原子、置代原子
物质扩散的原因
金属实际结构及晶体缺陷
线缺陷—位错
内部滑移造成
晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象
特征：
刃型位错
螺型位错
①在位错线方向尺寸大 ②位错线周围产生晶格畸变
金属实际结构及晶体缺陷
面缺陷——晶界、亚晶界
细化晶粒可增加面缺陷，提高强度
过冷度： T= T0 - Tn 结晶的必要条件： 有过冷度！
ΔT
自由能E
ΔE
金属的结晶
影响过冷度的因素
实际结晶温度 Tn：
V冷
纯度
Tn
Tn
T
T
金属的结晶
二、纯金属的结晶
液体 晶体
晶胚
液态金属
条件适宜 T
晶核
长大
晶粒
完全结晶
形核
晶核长大
金属的结晶
形核方式
自发形核（均质形核）
在结晶过程中，晶核完全是 由液体中瞬时短程有序的原 子团形成
晶界
亚晶界
特征：
①属面接触
②产生晶格畸变
金属实际结构及晶体缺陷
晶体缺陷对性能的影响 晶界处位错密度高，使其局部σ σ HBS δ（ψ） ak HBS
对实际金属来说，晶体缺陷越多（尤其位错）
案例
天然钻石是在地表以下200公里的深 度在极端的高温（约1500°C）和高 压（约50000大气压）的条件下生长 的。但人们已经可以在实验室的环境 下创造同样的条件来生产合成钻石
非晶体
金属制品
纯金属的晶体结构
一、晶体结构
晶体
晶格（空间格架）
晶胞
第2章金属学的基本知识
（1）点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。 最常见的点缺陷是空位和间隙原子。 点缺陷可提高材料的强度和硬度。
（2）线缺陷 线缺陷的特征是在两个方向的 尺寸很小，在另一个方向的尺寸相对很大。 晶体中的线缺陷实际上就是位错，也就是说 在晶体中有一列或若干列原子，发生了有规律的 错排现象。分为刃型位错和螺型位错。
（3）晶格常数 在三维空间中，晶胞的几何 特征即大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及 棱边夹角α、β、γ来描述，其中晶胞的棱边长 度a、b、c一般称为晶格常数。
3.金属常见的晶体结构 （1）体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一 个立方体，在立方体的中心有一个原子，在立方体 的八个角上分别有一个与其他晶胞共有的原子。其 晶格常数a＝b＝c，棱边夹角α＝β＝γ＝90°。属于 体心立方晶格的金属有α－Fe、Cr、W、Mo等。
2.2
金属与合金的结晶
结晶 金属与合金在液态转变为固态晶体的过 程中，其原子是由不规则排列的液体状态逐步过渡 到原子作规则排列的晶体状态，这一过程称为结晶。 一、纯金属的结晶 1.冷却曲线和过冷现象 纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度）， 因此纯金属的结晶过程是在一个恒定的温度下进行 的，其结晶过程可以用冷却曲线来描述。
臵换固溶体
②间隙固溶体 间隙固溶体是指溶质原子溶入 溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。 由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都 是有限固溶体。 形成间隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子 的比值r溶质/r溶剂≤0.59。因此形成间隙固溶体的溶 质元素都是一些原子半径 小的非金属元素，如氢、 硼、碳、氮、氧等。
柱状晶区 由于模壁温度升高，结晶释放 出的潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小， 形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶 体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。
金属学的基础知识
（一）熟悉金属及合金的固态结构晶体：人们将原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，金属和合金在固态下通常都是晶体。
晶体的特性：(1) 晶体具有一定的熔点；(2) 各向异性或异向性。
即在不同的方向上测量其性能（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异。
(3)一般具有规则的外形。
1、三种典型的金属晶体结构：金属晶体中，金属键使原子（分子或离子）的排列趋于尽可能紧密，构成高度对称性的简单晶体结构，常见的有以下三种。
(1) 体心立方结构（body-centered cubic, “bcc”）如下图，晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体。
具有bcc结构的金属有α-Fe, Cr, V, Nb, Mo, W等约30种。
(2) 面心立方结构（face-centered cubic, “fcc”）见下图。
γ-Fe, Cu, Ni, Al, Ag等约20种金属具有这种晶体结构。
(3) 密排六方结构（hexagonal closed-packed, “hcp”）见下图。
在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。
具有hcp结构的金属有Zn, Mg, α-Ti, Cd等。
多晶型转变（同素异构转变）：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。
当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。
如Fe在912℃以下为bcc结构，称为α-Fe，在912-1394℃，具有fcc结构，称为γ-Fe，而从1394℃至熔点，又转变为bcc结构，称为δ-Fe。
2、合金的晶体结构：在液态下，大多数合金的组元均能相互溶解，称为均匀的液体，因而只具有一个液相。
但凝固后，由于各组元的晶体结构、原子结构等不同，各组元之间的相互作用不同，在固态合金中可能出现不同的相结构（phase structure），主要有固溶体（solid solution）和金属化合物（intermetallic compound）两大类。
金属学重点
《金属学与热处理》上课重点第一章．金属的晶体结构①【阵点】为了清楚的表明原子在空间排列的规律性，常常将构晶体的原子（活原子群）忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称之为阵点②【晶格】将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格③【晶胞】从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称之为晶胞④三种典型晶体结构参数，以及其原子半径、晶胞的推导晶体结构晶胞数配位数致密度面心立方晶体结构体心立方晶体结构密排六方晶体结构4261280.740.680.7412体心立方：设晶胞的点阵常数为a，则立方体对角线长度为√3 ，等于4个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√3 / 4；致密度：面心立方：每个角上的原子为8 个晶胞所有，每个晶胞实际占有该原子的1/8，其面对角线长度为√2，等于4 个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√2/ 4；致密度：密排六方：对于典型密排六方金属，其原子半径为1/2，致密度：⑤三种常见金属结构的滑移系（要求可以画出阴影）⑥晶面、晶向、晶面族、晶向族的概念【晶面、晶向、晶面族、晶向族】有一系列原子组成的平面称为晶面，任意两个原子之间的连线所指方向称为晶向；原子排列情况相同但空间位向不同的所有晶向称之为晶向族；原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族晶向指数求法：从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向→在直线上取一点，求出其X、Z 三轴坐标→将三个坐标值按比例化为最小简单数→加[uvw]；Ps：a.一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向；b．原子排序相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族；以<uvw>表示；晶面指数求法：定原点→求截距→取倒数→化最小整数→加（uvw）Ps：a.晶面指数代表一组互相平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数；b．在同一种晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面均属于一个晶面族，以{hkl}表示；若某一晶向[uvw]与某一晶面（hkl）互相垂直时，则晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h，v=k，w=l；若相互平行，则必须满足：hu+vk+lw=0.⑦什么是晶体？晶体的三种缺陷及其分类？【晶体】晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列【单晶体】内部晶格位向完全一致的晶体（亦称理想晶体）（1）点缺陷：在某一温度，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对他的约束，脱离原来的平衡位置迁移导别处，于是在原位置上出现了空结点，这就是空位；例如：空位、间隙以及置换原子（2）线缺陷：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发声有规律的错动；例如：刃型位错（位错线与柏氏矢量垂直）、螺型位错（位错线与柏氏矢量平行）（3）面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内表面两种，内表面包括：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛晶界和相界。
第二章 金属学的基本知识
§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强 化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，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，如图2-1 (c)。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。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来
金属学知识点总结
第一章金属的晶体结构1、除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。
2、将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格。
3、晶胞中原子排列的紧密程度通常用两个参数来表征：配位数、致密度。
4、原子所占体积与晶胞体积之比称为致密度。
5、体心立方结构有两种间隙：一种是八面体间隙，另一种是四面体间隙。
6、在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。
7、晶体的点缺陷有三种：空位、间隙原子和置换原子。
8、塑性变形时，由于局部区域的晶体发生滑移即可形成位错。
9、刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直，螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行。
10、把单位体积中所包含的位错线的总长度称为位错密度。
11、晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内界面两类。
12、晶体的内界面缺陷有：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。
13、金属：是具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度的升高而增加。
14、晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质称为晶体。
15、晶体结构：是指晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式。
16、点阵：能清楚地表明原子在空间排列规律性的原子的几何点，称之为点阵。
17、晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，称为晶胞。
用来分析晶体中原子排列的规律性。
18、配位数：是指晶体结构中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目。
19、螺型位错：设想在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面发生了一个原子间距的相对切边，这种晶体缺陷就是螺型位错。
20、表面能：由于在表面层产生了晶格畸变，其能量就要升高，这种单位面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。
21、什么是晶体？晶体有何特性？答：晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质称为晶体。
1）晶体具有一定的熔点。
在熔点以上，晶体变为液体，处于非晶体状；在熔点以下，液体又变为晶体。
2）晶体的另一个特点是在不同的方向上测量其性能，表现出或大或小的差异，称为各向异性或异向性。
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第二章金属学基础知识第一节金属晶体结构一、晶体与非晶体1. 固态物质的分类一切物质都是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。
2. 晶体的特征①晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质，如图2-1②晶体具有固定熔点、几何外形和各向异性特征，诸如金刚石、石墨及一般固态金属材料等均是晶体。
3. 非晶体的特征非晶体是指其组成微粒无规则堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香等都是非晶体。
非晶体没有固定的熔点，而且性能无方向性。
二、晶体结构的基本知识(一)晶格把晶体内部原子近似地视为刚性质点，用一些假想的直线将各质点中心连接起来，形成一个空间格子。
这种抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子称为晶格，如图2-1（b）。
(二)晶胞组成晶格的最小几何单元称为晶胞，如图2-1（a）。
(三)常见的金属晶格类型1．体心立方晶格，如图2-2。
体心立方晶格的晶胞是立方体，立方体的八个顶角和中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是2个。
具有这种晶格的金属有钨(W)、钼(Ｍo)、铬(Ｃr)、钒(Ｖ)、α铁(α－Fe)等。
2．面心立方晶格，如图2-3。
面心立方晶格的晶胞也是立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子，每个晶胞实有原子数是4个。
具有这种晶格的金属有金(Ａu)、银(Ag)、铝(Ａl)、铜(Ｃu)、镍(Ni)、γ铁(γ－Ｆe)等。
3．密排六方晶格，如图2-4。
密排六方晶格的晶胞是六方柱体，在六方柱体的十二个顶角和上下底面中心各有一个原子，另外在上下面之间还有三个原子，因此，每个晶胞实有原子数是6个。
具有此种晶格的金属有镁( Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、α钛(α-Ti)等。
三、金属的实际晶体结构1.单晶体如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。
2.多晶体①由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-5。
②多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
③将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的内界面称为晶界。
④在晶界上原子的排列不象晶粒内部那样有规则性，这种原子排列不规则的部位称为晶体缺陷。
3.晶体缺陷分为以下三种：(一)点缺陷，如图2-6♦点缺陷是晶体中呈点状的缺陷，最常见的缺陷是晶格空位和间隙原子。
♦原子空缺的位置称为空位。
♦存在于晶格间隙位置的原子称为间隙原子。
(二)线缺陷，如图2-7♦线缺陷是指晶体内部某一平面上沿一方向呈线状分布的缺陷，主要是指各种类型的位错。
♦位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。
由于位错存在，造成金属晶格畸变，并对金属的性能，如强度、塑性、疲劳及原子扩散、相变过程等产生重要影响。
(三)面缺陷，如图2-8♦面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷，通常是指晶界。
在晶界处由于原子呈不规则排列，使晶格处于畸变状态，它在常温下对金属的塑性变形起阻碍作用，从而使金属材料的强度和硬度有所提高。
第二节 纯金属的结晶一、冷却曲线与过冷度1．纯金属冷却曲线。
将纯金属熔化，然后以缓慢的速度冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，最后将测量结果绘制在温度──时间坐标上，即可得到纯金属冷却曲线，如图2-9（a ）。
2. 理论结晶温度纯金属的冷却曲线上出现水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属的理论结晶温度(T 0)。
3. 实际结晶温度非纯金属在结晶过程中，从液态必须冷却到理论结晶温度 (T 0)以下才开始结晶，这种现象称为过冷，如图2-9（b ）。
③理论结晶温度T 0和实际结晶温度T 1之差△T ，称为过冷度。
④过冷度并不是恒定值试验指出：金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而是与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。
金属结晶必须在一定的过冷度下进行，过冷是金属结晶的必要条件，但不是充分条件。
金属要进行结晶，还要满足动力学条件，如必须有原子的移动和扩散等。
二、金属的结晶过程实验证明：液态金属在达到结晶温度时，首先形成一些极细小的微晶体，称为晶核。
随着时间的推移，已形成的晶核不断长大。
与此同时，又有新的晶核形成、长大，直至液态金属全部凝固，如图2-10。
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一般情况下，晶粒越细小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好，如表2-1。
2．细化晶粒的方法(1)加快液态金属的冷却速度，如降低浇注温度。
(2)变质处理。
在浇注前，将少量固体材料加入熔融金属液中，促进金属液形核，以改善其组织和性能的方法。
加入的少量固体材料可起晶核的作用，从而达到细化晶粒的效果。
(3)采用机械振动、超声波振动和电磁振动等，可使生长中的枝晶破碎，使晶核数增多，从而细化晶粒。
第三节金属的同素异构转变第三节金属的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称同素异晶转变，如铁、锰、钛等，在结晶成固态后继续冷却时晶格类型还会发生变化，如图2-11。
同素异构转变是钢铁的一个重要特性，它是钢铁能够进行热处理的理论依据，同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的（犹如队列变换队形一样)，这一过程有如下特点：(1)同素异构转变是由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程来完成，新晶核优先在原晶界处生成；(2)同素异构转变时有过冷(或过热)现象，并且转变时具有较大的过冷度；(3)同素异构转变过程中，有相变潜热产生，在冷却曲线上出现水平线段，但这种转变是在固态下进行的，它与液体结晶相比具有不同之处；(4)同素异构转变时常伴有金属的体积变化等。
小结与作业第四节合金的晶体结构第四节合金的晶体结构一、基本概念1．合金合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。
2．组元组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
一般来说，组元就是组成合金的元素，但有时也可将稳定的化合物作为组元。
3．合金系由若干给定组元按不同比例配制而成的一系列化学成分不同的合金，称为合金系。
4．相在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分叫相。
5．组织用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况叫组织。
二、合金的晶体结构根据合金中各组元间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。
(一)固溶体合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。
1．置换固溶体溶质原子代替一部分溶剂原子占据溶剂晶格部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。
按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。
溶解度主要取决于组元间的晶格类型、原子半径和原子结构。
实践证明，大多数合金只能有限固溶，且溶解度随着温度的升高而增加。
只有两组元晶格类型相同，原子半径相差很小时，才可以无限互溶，形成无限固溶体。
2．间隙固溶体溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂结点位置，而嵌入各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。
由于溶剂晶格的间隙有限，所以，间隙固溶体只能有限溶解溶质原子，同时只有在溶质原子与溶剂原子半径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。
间隙固溶体的溶解度与温度、溶质与溶剂原子半径比值以及溶剂晶格类型等有关。
通过溶入溶质原子形成固溶体，使合金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。
实践证明：只要适当控制固溶体中溶质的含量，就能在显著提高金属材料强度的同时仍然使其保持较高的塑性和韧性。
(二)金属化合物金属化合物是指合金中各组元间原子按一定整数比结合而形成的晶体相。
金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。
合金中出现金属化合物时，通常能显著地提高合金的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性也会明显地降低。
(三)机械混合物由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。
在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格类型和性能，而整个机械混合物的性能介于各组成相性能之间，与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。
在金属材料中使用的合金材料绝大多数是机械混合物这种组织状态。
三、合金的结晶特点合金结晶过程同纯金属一样，仍为晶核形成和晶核长大两个过程。
合金与纯金属结晶的不同之处，如图2-13。
(1)纯金属结晶是在恒温下进行，只有一个临界点。
而合金则绝大多数是在一个温度范围内进行结晶，结晶的开始温度与终止温度不相同，有两个或两个以上临界点。
(2)合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有变化，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。
(3)合金结晶后不是单相，一般有三种情况：单相固溶体；单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；结晶开始形成单相固溶体(或单相化合物)，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。
（4）由一定成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质转变过程称为共晶转变(或称共晶反应)，其结晶产物称为共晶体。
实验证明：共晶转变是在恒温下进行的。
（5）在固态下由一种单相固溶体同时析出两相固体物质转变过程，称为共析转变(或称共析反应)。
共析转变与共晶转变一样，也是在恒温条件下进行的。
第五节铁碳合金的基本组织第五节铁碳合金的基本组织铁和碳的合金称为铁碳合金，如钢和铸铁都是铁碳合金。
铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。
一、铁素体(F)，如图2-14，如图2-15铁素体是指α-Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号F(或α)表示。
α-Fe的溶碳量很小，在727℃时溶碳量最大（W C=0.0218%），随着温度的下降其溶碳量逐渐减少。
铁素体在770℃（居里点）有磁性转变，在770℃以下具有铁磁性，在770℃以上则失去铁磁性。
二、奥氏体(A)，如图2-16，如图2-17奥氏体是指γ-Fe内固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A(或γ)表示。
=2.11%），随着温度下奥氏体溶碳能力较大，在1148℃时溶碳量最大（WC=0.77%。
降溶碳量逐渐减少，在727℃时的溶碳量为WC稳定的奥氏体属于铁碳合金的高温组织，当铁碳合金缓冷到727℃时，奥氏体将发生转变，转变为其它类型的组织。
奥氏体是非铁磁性相。
C)，如图2-16三、渗碳体(Fe3渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于FeC的一种间隙式化合3物。
C，以符渗碳体的碳的质量分数是6.69%，熔点为1227℃，其分子式为Fe3号Cm表示。
渗碳体不发生同素异构转变，有磁性转变，在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去磁性。
渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存在形式，是亚稳定的金属化合物，在一定条件下，渗碳体可分解成铁和石墨，这一过程对于铸铁的生产具有重要意义。