金属的结晶构造和结晶过程
金属材料第三章结晶
第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。
结构起伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。
液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。
两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
简述金属的结晶过程
简述金属的结晶过程金属的结晶是指金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程是一个复杂而精细的物理过程，涉及到许多因素，如温度、压力、合金成分等。
本文将从金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面，简述金属的结晶过程。
一、金属的熔化金属的结晶过程首先是金属的熔化过程。
当金属受到加热时，金属内部的原子开始变得活跃起来，原子之间的距离逐渐增大，金属内部的结构逐渐变得无序。
当温度升高到金属的熔点时，金属开始从固态转变为液态。
在液态状态下，金属原子之间的结构无序，原子之间可以自由移动。
金属的熔化过程是金属结晶的第一步。
二、金属的凝固当金属从液态冷却到一定温度时，金属开始凝固。
凝固是指金属从液态到固态的过程。
在凝固过程中，金属原子重新排列，逐渐形成有序的晶体结构。
凝固的过程中，金属原子逐渐聚集在一起，形成晶体的晶粒。
晶粒是金属结晶的基本单位，每个晶粒内部的结构有序而紧密，不同晶粒之间的结构则不同。
晶粒的大小和形状取决于凝固过程中的温度变化、冷却速率和合金成分等因素。
三、晶体的生长金属的凝固过程会伴随着晶体的生长。
晶体的生长是指晶粒在凝固过程中逐渐增大和扩展的过程。
在凝固过程中，金属原子会不断地从熔融的金属中扩散到已经凝固的晶粒中，使晶粒逐渐增大。
晶体的生长速率取决于金属的冷却速率和金属原子的扩散速率。
如果冷却速率较快，金属原子的扩散速率较慢，晶体的生长速率就会减慢，晶粒就会变小。
反之，如果冷却速率较慢，金属原子的扩散速率较快，晶体的生长速率就会加快，晶粒就会变大。
晶体的生长过程中，晶粒之间会出现界面，界面上的结构也会随着晶体的生长而改变。
金属的结晶是一个复杂而精细的过程，涉及到金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面。
金属的结晶过程是金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程受到多种因素的影响，如温度、压力、合金成分等。
理解金属的结晶过程有助于我们深入了解金属的性质和应用，并为金属材料的制备和加工提供理论基础。
金属的结晶过程介绍
金属的结晶过程介绍
1 结晶：金属从液体转变成晶体状态的过程。
晶核形成：自发晶核，液体金属中一些原子自发聚集，规则排列。
外来晶核：液态金属中一些外来高熔点固态微质点。
晶核长大：已晶核为中心,按一定几何形状不断排列。
晶粒大小控制：晶核数目:，多—细(晶核长得慢也细)。
冷却速度：快—细(因冷却速度受限,故多加外来质点)。
晶粒粗细对机械性能有很大影响,若晶粒需细化,则从上述两方
面入手。
结晶过程用冷却曲线描述。
2 冷却曲线
温度随时间变化的曲线—热分析法得到
二金属的同素异购转变(二次结晶\重结晶)
同素异构性—一种金属能以几种晶格类型存在的性质。
同素异购转变—金属在固体时改变其晶格类型的过程。
如:铁、锡、锰、钛、钴。
以铁为例:
δ-Fe(1394℃)γ-Fe(912℃)α-Fe
体面心体心
因为铁能同素异构转变,才有对钢铁的各种热处理，(晶格转变时,体积会变化,以原子排列不同)。
简述纯金属结晶过程的结晶过程及形核
简述纯金属结晶过程的结晶过程及形核
纯金属的结晶过程：
1.熔融：首先，将金属材料以高温进行熔融，使它变成一种流体状态，以便更
好地发挥凝固时形成结晶体的能力。
2.凝固：凝固过程是将高温熔融液金属冷却而形成晶体的过程。
当熔融液不断
冷却时，它会变得更加粘稠，这样分子之间的相互作用才会明显增强，从而使它们朝向结晶的方向发展。
3.形核：经过凝固过程后，原子之间的作用形成结晶的起始点，即所谓的形核。
最初的形核通常很小，晶体以它为中心，不断得到更多的金属原子，最终在将结晶物构建完成后，结晶体宣告形成。
4.排列：当金属原子结晶后，它们会按照一定的规律排列。
当结晶受到冷却作
用后，原子按照固定的结构进行排列，可以形成完美的三维晶体。
5.结晶体：结晶体形成时，会形成均匀的金属晶体，经不断凝固，结晶体会提
高它的稳定性，使晶体拥有良好的力学性能。
以上就是纯金属结晶过程及其形核的详细描述，因为结晶过程是金属成型的必经步骤，所以对金属成型性能有着至关重要的影响。
只有掌握正确的结晶过程和形核，才能让金属材料达到最佳的性能。
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
金属结晶的过程
金属结晶的过程金属结晶的过程是指金属从液态转变为固态的过程，主要包括以下几个步骤：1. 熔化：金属首先被加热至其熔点以上，从固态转变为液态状态。
在液态状态下，金属的原子或离子不再排列成有序的晶格结构，而是以无序的方式移动和分布。
2. 过冷：在液态金属中，存在着过冷现象，即金属在熔点以下的温度仍保持液态状态。
这是由于金属液体的结构稳定性较高，需要在一定的条件下才能转变为固态。
3. 成核：一旦金属液体过冷，其中的一些原子或离子会以有序的方式开始重新排列，并在液体中形成微小的固体核，这个过程被称为成核。
成核通常发生在液体中的一些不均匀区域或者在液体表面。
4. 长大：成核后的微小固体核会通过原子或离子的迁移和积聚来继续生长，形成更大的晶粒。
这个过程被称为晶粒长大。
晶粒的生长速度与温度、压力和扩散速率等因素相关。
5. 完全凝固：当晶粒不断长大并且互相连接时，整个金属体开始逐渐凝固并过渡为固态金属。
在凝固完成后，金属的晶格结构变得有序，并且晶粒相互连续形成一个连续的金属晶体结构。
需要注意的是，金属结晶的过程受到多种因素的影响，包括温度、压力、成核的条件和速率、扩散速率等。
不同的金属在结晶过程中可能会呈现出不同的特征和晶粒形状。
当金属进入液态状态后，其原子会具有较高的热能，能够自由移动，而且相互之间的相互作用较弱。
在这种状态下，金属的原子会以随机的方式排列和移动。
随着金属液体的过冷，即温度低于其熔点时，会发生成核现象。
成核是指在固态金属中形成起始晶核的过程。
成核可以通过两种方式发生：1. 自发成核：在金属液体中存在一些局部的原子或离子团聚形成团簇，这些团簇会进一步成长并形成微小的晶核。
自发成核的速率在一定温度下是稳定的，与金属的化学性质和温度有关。
2. 异质成核：当金属液体接触到具有相同或相似晶格结构的固体表面时，固体表面可以作为异相核心，促使金属液体中的原子团聚并形成晶核。
异质成核可以显著增加金属结晶的速率。
简述金属的结晶过程
简述金属的结晶过程
金属的结晶过程是指金属从液态到固态时，其原子经历的有序排列过程。
结晶是金属固态化学成分的排列和有序化过程，并且伴随着晶体的生长。
金属的结晶过程可以分为三个阶段：核心形成、晶体生长和晶体重塑。
1. 核心形成阶段：在金属液体中，当温度逐渐降低时，金属离子和自由电子开始逐渐放慢运动。
在某个温度点以下，金属离子和自由电子的活动受到阻碍，形成小团的结晶核心。
2. 晶体生长阶段：在核心形成后，结晶核心会吸附金属离子和自由电子，形成金属晶体。
结晶核心表面的金属离子和自由电子会与周围的金属离子和自由电子进行相互吸引和结合，从而逐渐扩大晶体的尺寸。
晶体生长过程中，金属原子按照一定的规则排列，形成晶胞结构。
3. 晶体重塑阶段：在晶体生长过程中，晶体的形态和尺寸会受到外界条件（如温度、压力等）的影响。
当温度和压力变化时，晶体会发生重塑现象，即晶体重新排列形态，形成新的晶体。
这是因为金属原子在固态下具有一定的流动性。
总的来说，金属的结晶过程是一个通过有序排列金属原子的过程，通过核心形成、晶体生长和晶体重塑三个阶段，使金属从液态转变为固态。
金属的结晶过程对金属材料的晶体形态和性能有很大影响。
金属晶体结构及结晶
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
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
第二章 纯金属的结晶
界面-密排面
小平面界面
2） 粗糙界面：
以原子尺寸观察时，固相界 面上的原子高低不平，犬牙 交错分布。 微观上：平整
第二章
纯金属的结晶
第一节 金属的结晶现象
1、概念：
由液态转变为固态的过程，称凝固。如果转变成的固态是 晶体，这个过程就是结晶。
特点：(2个) 1）存在过冷现象和过冷度： 过冷现象：由热分析法测得纯金属的冷却曲线
看出：金属结晶前，温度连续下降，冷却到理论结晶温度 Tm（熔点）时，并未结晶，需继续冷却到Tm之下某一温度 Tn（实际结晶温度）时，才开始结晶，此过程称过冷现象。
N2：受原子扩散能力影响的形核率因子。温度越 高，原子的扩散能力越大，则N2越大。
N、N1、N2与温度关系的示意图如下：
由图ａ：△Ｔ↗→Ｔ↘→Ｎ１↗，△Ｔ↘→Ｔ↗→Ｎ2↗， 即结晶刚开始，Ｎ随△Ｔ的增大而增大；超过极大值时，Ｎ 又随△Ｔ的增大而减小 大多数金属的形核率总是随过冷度的增大而增大，如图ｂ。 在开始一段过冷度范围内，几乎不产生晶核；当降低到某一 温度，形核率急剧增加，对应温度称有效成核温度。
过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，
称过冷度，以△T表示。△T=Tm－Tn；
结晶的必要条件：有一定过冷度
影响过冷度的因素：
金属的本性：金属不同，过冷度不同；
金属的纯度：纯度越高，过冷度越大； 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低；
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
金属的结晶过程
金属的结晶过程一、引言金属是一类重要的材料，具有良好的导电、导热和机械性能，在工业生产中得到广泛应用。
金属的结晶过程是指金属从液态到固态的转变过程，是金属材料形成晶体结构的过程。
本文将介绍金属的结晶过程及其相关特性。
二、金属的结晶过程金属的结晶过程是一个涉及原子排列和晶体生长的复杂过程。
当金属升温至熔点以上时，金属内部的原子开始脱离固态结构，形成自由运动的液态金属。
当金属冷却至熔点以下时，液态金属中的原子逐渐聚集形成晶体结构。
1. 原子的自由运动在金属熔化时，金属内部的原子开始失去固态结构的稳定，变得活跃起来。
原子的自由运动使得金属内部的原子能够更加接近，并形成较为紧密的结构。
2. 晶核的形成当金属冷却至熔点以下时，原子逐渐减少其运动速度，开始重新排列形成晶体结构。
在金属中，晶核是指最早形成的晶体微粒。
晶核的形成受到多种因素的影响，如温度、杂质和晶界能量等。
3. 晶体生长晶体生长是金属的结晶过程中最重要的阶段之一。
在晶核周围，原子逐渐添加到晶体结构中，使得晶体逐渐增大。
晶体的生长速率与温度、溶质浓度和结晶界面的形态有关。
4. 晶体的排列随着金属的继续冷却，晶体逐渐增大并排列有序。
金属晶体的排列方式通常分为立方晶系、六方晶系和正交晶系等。
不同的金属具有不同的晶体结构。
三、金属结晶的特性金属的结晶过程赋予了金属一些特性，这些特性对金属材料的性能产生重要影响。
1. 晶粒尺寸晶粒尺寸是指金属中晶体的大小。
晶粒尺寸的大小对金属的力学性能、电学性能和耐蚀性能等产生影响。
通常情况下，晶粒尺寸越小，金属的性能越好。
2. 晶界晶界是相邻晶粒之间的边界区域，是金属中的缺陷。
晶界对金属的力学性能和导电性能等起着重要作用。
晶界的数量和性质直接影响着金属的性能。
3. 金属的力学性能金属的结晶过程直接影响其力学性能。
晶体的排列和晶粒尺寸等因素决定了金属的硬度、强度和韧性等力学性能。
4. 金属的导电性和导热性金属的结晶过程与金属的导电性和导热性密切相关。
金属结晶是由什么和什么长大两个基本过程组成的
金属结晶是由什么和什么长大两个基本过程组成的金属自液态冷却变为固态的过程
金属结晶，是指由晶核核心形成和晶核长大两个基本过程组成的，即金属是从自液态冷却转变为固态的过程，是原子从不规则排列的状态过渡到原子规则排列的晶体状态的过程。
物质由液态→固态的过程称为凝固，由于液态金属凝固后一般都为晶体，所以液态金属→固态金属的过程也称为结晶。
由金工实习大家知道绝大多数金属材料都是经过冶炼后浇铸成形，即它的原始组织为铸态组织。
了解金属结晶过程，对于了解铸件组织的形成，以及对它锻造性能和零件的最终使用性能的影响，都是非常必要的。
而且掌握纯金属的结晶规律，对于理解合金的结晶过程和其固态相变也有很大的帮助。
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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
Logo
Logo
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
Logo
❖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°。
密排六方晶格
一、合金的相结构 间隙固溶体
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置换固溶体
特点
晶格：与溶剂相同
性能：产生固溶强化
α－Fe ＋ C
(体心) (六方)
F
(体心)
b↑，HB↑， ↓， ↓k
(晶格畸变↑ ，强化效果↑)
一、合金的相结构
Logo
溶质原子对晶格畸变影响示意图
一、合金的相结构
金属化合物
Logo
合金各组元按一定整数比化合而成的固体物质
原子个数 原子半径
致密度
Logo
6
R=a/2 0.74（74%）
Logo 第二节 金属的结晶
一、金属的冷却曲线和过冷现象
金属的结晶 （液态金属转变为固态金属的过程）
冷却曲线 （热分析法）
一、金属的冷却曲线和过冷现象
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纯金属结晶 冷却曲线
Tm是理论结晶温度 T1是实际结晶温度
特点
T1不变 T1 < Tm
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二、二元合金相图
结晶过程：小于亚共晶成分合金(IV) ❖冷却曲线 ❖组织转变
二、二元合金相图
组织和相的关系
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二、二元合金相图
共析相图
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S1S2+S3 c d＋e
Logo 体心立方晶格
致密度
❖ 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积 之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大, 原 子排列紧密程度越大。
❖ 体心立方晶胞的致密度为：
❖晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据, 其余 为空隙。
面心立方晶格
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面心立方晶格 Cu，Ag，Pb，Ni， γ －Fe 等
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第二节 金属的结晶构造和结晶过程
1 金属与合金的晶体构造及其结晶过程
基本概念
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金属：由一种金属元素所组成。如Cu，Al， Mg，Zn
合金：由一种金属元素为主，加入其他金属 （或非金属）元素所组成，例
Cu ＋ Zn → 铜锌合金(黄铜)
Fe ＋ C → 铁碳合金(钢、铸铁)
第一节 金属的晶体结构
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相的分类： 合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物 。
固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。 金属化合物：组元之间形成的新相，
其结构不同于任何组元。
一、合金的相结构
固溶体
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合金的组元在固态下能够相互溶解而形成单一、均匀的物质
➢ 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称为固溶体。
➢ 晶胞：空间点阵中能代表 原子排列规律的最小的几 何单元称之为晶胞，是构 成空间点阵的最基本单元。
➢ 晶胞表示方法 三 个 棱 边 的 长 度 a,b,c 及 其夹角α,β,γ表示。
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二、晶格、晶胞、晶格常数
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晶面：晶格中原子所构成的平面。 晶向：原子所构成的方向。
Logo 三、金属中常见的三种晶格类型 常见金属晶格类型
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
金属晶粒愈细小，力学性能愈好！
三、金属的同素异晶转变
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金属在固态下随温度不同而发生晶格类型的转变
➢ 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较 多；另一组元为溶质，含量较少。
➢ 固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶 体也可表示为A(B), 其中A为溶剂, B为溶质。例如铜锌 合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示, 亦可表 示为Cu(Zn)。
一、合金的相结构
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置换固溶体 溶质原子取代溶剂原子 间隙固溶体 溶质原子溶入溶剂晶格的间隙中
❖ 实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体，每一 个单晶体称为一个晶粒，其边界称为晶界。
❖ 单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。
第三节 合金的基本显微组织结构
一、合金的相结构
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合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属 经一定方法合成的具有金属特性的物质。
组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以 是化合物。 （如一元、二元、三元合金〕
面心立方晶格
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❖金属原子分布在立方体的八个角上和六个 面的中心。面中心的原子与该面四个角上 的原子紧靠。
❖面心立方晶胞的特征：
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
面心立方晶格
原子个数 原子半径
致密度
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4
0.74（74%）
密排六方晶格
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密排六方晶格 Mg，Zn，Be，Cd等
合金系：给定合金以不同的比例而合成的一系列不同 成分合金的总称。如Fe-C，Fe-Cr等。
相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。
一、合金的相结构
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组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合 体。如单相、两相、多相合金。
金属及其组织一般应用显微镜才能看到，所以常称 显微组织。
一、合金的相结构
物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体 材料、形状记忆材料、储氢材料等。
一、合金的相结构
机械混合物
各组元在固态下以混合的形式存在
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特点
F ＋ Fe3C
P
(体心) (六方) (体心＋六方 )
晶格：保持各组元晶格类型
性能：取决于各组元的性能和数量比
形式：固+固、固+化、固+元素、化+化、元素+化、元素+元素
过冷度 ∆T＝ T1 - Tm 冷却速度↑
∆T↑
二、金属的结晶过程
形核和长大
在一定时间内完成
特点 过程：局部
整体
实质：形核 ＋ 长大
自发形核 非自发形核
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呈树枝状
二、金属的结晶过程
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晶核—在理论结晶温度以下，液态中某些原子小集团自发地聚 术 集成为结晶核心。
语
晶核长大—沿着有利于散热的方向按树枝状方式生
等
二、二元合金相图
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• 合金相图是用来表示合金在不同成分、温度下的组织 状态，以及它们之间相互关系的一种图形（亦称状态图 或平衡图）
是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力 加工和热处理工艺等的重要工具。
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二、二元合金相图
二元合金相图的建立
❖ 金相法 ❖ 膨胀法 ❖ 电阻法 ❖ 热分析法（以Cu-Ni系相图为例）：
特点
晶格：与各组元不同
Fe ＋ C (体心) (六方)
性能：硬而脆(不同于各组元)
一般，T 熔↑，HB↑， ↓
Fe3C (复杂)
一、合金的相结构
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渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图
一、合金的相结构
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金属化合物的特性
力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高， 高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时， 通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工 具钢、高速钢等钢中的重要组成相。
▪ 配制一系列成分不同的Cu-Ni合金； ▪ 测定上述合金的冷却曲线 ▪ 找出各合金的临界点 ▪ 以温度为纵坐标、以成分为横坐标的图中，将各临
界点连接起来即得到Cu-Ni合金相图
二、二元合金相图
匀晶相图
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二、二元合金相图
匀晶相图
▪ 特点：液态、固态均无限互溶
▪ 同类： Cu-Ni、 Cu-Au、 Au-Ag、Fe-Cr等
二、二元合金相图
相图分析：点、线、区
❖点： ❖线： ❖区：
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