第二章 金属与合金的晶体结构与结晶

第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第一节 金属的晶体结构
自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。

晶体与非晶体的区别表现在许多方面。

晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。

此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。

在一般情况下的固态金属就是晶体。

一、晶体结构的基础知识
（1）晶格与晶胞
为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）
晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。

（2）晶胞表示方法
不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。

结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，
称为晶格常数。

晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。

当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。

（3）致密度
金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。

二、三种典型的金属晶格
1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。

它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。

属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。

2、面心立方晶格晶胞示
意图见图2-2b。

它的晶胞也是
一个立方体，立方体的8个顶
角和立方体的6个面中心各有
一个原子，其单位晶胞原子数
为4个，其致密度为0.74（原
子排列较紧密）。

属于该晶格类
型的常见金属有Al、Cu、Pb、
Au、γ-Fe等。

3、密排六方晶格它的晶
胞是一个正六方柱体，原子排
列在柱体的每个顶角和上、下
底面的中心，另外三个原子排
列在柱体内，晶胞示意图见图
2-2c。

其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。

属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。

三、金属实际的晶体结构
前面讨论的金属结构是理想的结构，即原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向）完全一致，且无任何缺陷存在，称为单晶体。

目前，只有采用特殊方法才能获得单晶体。

1、金属的多晶体结构实际使用的金属大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成，每个小晶体内部晶格位向基本上是一致的，而各小晶体
之间位向却不相同，如图2-3所示。

这种外形不
规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒。

晶粒与晶粒
之间的界面称为晶界。

实践表明，在每个晶粒内部，晶格位向也有
位向差（1°～2°），这些位向差很小的小晶块
嵌镶成一颗晶粒。

这些小晶块称为亚晶或亚结
构，亚晶之间边界称为亚晶界。

2、金属的晶体缺陷在金属晶体中，由于晶体形成条件、原子的热运动及其它各种因素影响，原子规则排列在局部区域受到破坏，呈现出不完整，通常把这种区域称为晶体缺陷。

根据晶体缺陷的几何特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

（1）点缺陷晶体缺陷呈
点状分布，最常见的点缺陷有
晶格空位、间隙原子等，如图
2-4所示。

由于点缺陷出现，
使周围原子发生“撑开”或“靠
拢”现象，称为晶格畸变。

晶
格畸变的存在，使金属产生内应力，晶体性能发生变化，如强度、硬度增加，它也是强化金属的手段之一。

（2）线缺陷晶体缺陷呈线状分布，
线缺陷主要是指位错。

最常见的位错是刃型
位错，如图2-5所示。

这种位错的表现形式
是晶体的某一晶面上，多出一个半原子面，
它如同刀刃一样插入晶体，故称为刃型位
错，在位错线附近一定范围内，晶格发生了
畸变。

（3）面缺陷缺陷呈面状分布，通常指的是晶界和亚晶界。

实际金属材料是多晶体结构，多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的，所以晶界处是不
同位向晶粒原子排列无规则的过渡层，如图2-6
所示。

晶界处原子处于不稳定状态，能量较高，
因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特征，如常
温下晶界有较高的强度和硬度；晶界处原子扩散
速度较快；晶界处容易被腐蚀、熔点低等。

第二节 金属的结晶
一、纯金属的结晶
1、结晶的概念 金属的结晶是指金属由液态转变为固态的过程。

2、纯金属的冷却曲线 纯金属的结晶都是在一定温度下进行的，它的冷却结晶过程可用图2-7所示的冷却曲线来描述。

由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的
延长，它所含的热量不断散失，温度也不断下降，
但是当冷却到某一温度时，温度随时间延长并不
变化，在冷却曲线上出现了“平台”，“平台”对
应的温度是纯金属实际结晶温度。

出现“平台”
的原因，是结晶时放出的潜在热正好补偿了金属
向外界散失的热量。

结晶完成后，由于金属继续
向环境散热，温度又重新下降。

需要指出的是，图中T 0为理论结晶温度，金属实际结晶温度T 1总是低于理论结晶温度T 0的现象，称为“过冷现象”；理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度，以ΔT 表示。

01T T T ∆=-。

金属结晶时温度的大小与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度越低。

二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程发生在冷却曲线上平台所经历的这段时间。

液态金属结晶时，都是首先在液态中出现一些微小的晶体——晶核，它不断长大，同时新晶核又不断产生并相继长大，直至液态金属全部消失为止，如图2-8所示。

因此金属
的结晶包括晶核的形成和晶核的长大两个基本过程，并且这两个过程是同时进行的。

1、晶核的形成由图2-8可见，当液态
金属冷至结晶温度以下时，某些类似晶体原子
排列的小集团便成为结晶核心，这种由液态金
属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形
核。

而在实际金属中常有杂质的存在，这种液
态金属依附于这些杂质更容易形成晶核。

这种
依附于杂质或型壁而形成晶核的过程称为非
自发形核。

自发形核和非自发形核在金属结晶
时是同时进行的，但非自发形核常起优先和主
导作用。

2、晶核的长大晶核形成后，当过冷度较大或金属中存在杂质时，金属晶体常以树枝状的形式长大。

在晶核形成初期，外形一般比较规则，但随着晶核的长大，形成了晶体的顶角和棱边，此处散热条件优于其它部位，因此在顶角和棱边处以较大成长速度形成枝干。

同理，在枝干的长大过程中，又会不断生出分支，最后填满枝干的空间，结果形成树枝状晶体，简称枝晶。

三、金属结晶后的晶粒大小
金属结晶后晶粒大小对金属的力学性能有重大影响，一般来说，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。

为了提高金属的力学性能，希望得到细晶组织，因此必须了解影响晶粒大小的因素及控制方法。

结晶后的晶粒大小主要取决于形核率N与晶核的长大速度率G。

显然，凡能促进形核率N，抑制长大速率G的因素，均能细化晶粒。

1、增加过冷度形核率和长大速率都随过冷度增大而增大，但在很大范围内形核率比晶核长大速率增长得更快。

故过冷度越大，单位体积中晶粒数目越多，晶粒细化。

实际生产中，通过加快冷却速度来增大过冷度，这对于大型零件显然不易办到，因此这种方法只适用于中、小型铸件。

2、变质处理在液态金属结晶前加入一些细小变质剂，使结晶时形核率N 增加，而长大速率G降低，这种细化晶粒方法称为变质处理。

此外，采用机机械振动、超声波和电磁波振动等，增加结晶动力，使枝晶破碎，也间接增加形核核心，同样可细化晶粒。

第三节合金的晶体结构
纯金属虽然具有优良的导电、导热等性能，但它的力学性能较差，并且价格昂贵，因此在使用上受到很大限制。

机械制造领域中广泛使用的金属材料是合金，尤其是铁碳合金。

一、合金的基本概念
（1）合金由两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为合金。

（2）组元组成合金的最基本的独立物质称为组元，简称元。

组元一般是指组成合金的元素，但一些稳定的化合物有时也可作为组元，如Fe3C。

（3）合金系由二个或二个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，称为合金系。

（4）相在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分称为相。

（5）组织用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分称为组织。

组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，因此组织是决定材料最终性能的关键。

二、合金的组织
多数合金组元液态时都能互相溶解，形成均匀液溶体。

固态时由于各组分之间相互作用不同，形成不同的组织。

通常固态时合金形成固溶体、金属化合物和机械混合物三类组织。

1、固溶体合金由液态结晶为固态时，一组元的晶格中溶入另一种或多种其他组元而形成的均匀相称为固溶体。

保留晶格的组元称为溶剂，溶入晶格的组元称为溶质。

根据溶质原子在溶剂中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。

（1）置换固溶体溶剂结点上的部分原子被溶质原子所替代而形成的固溶体，称为置换固溶体。

如图2-9a所示。

溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的溶解度，通常用质量百分数来表示。

（2）间隙固溶体溶质原子溶入溶剂晶格之中而形成的固溶体，称为间隙固溶体，如图2-9b所示。

由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变。

晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。

它是提高材料力学性能的重要途径之一。

2、金属化合物合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物，它的晶格类型和性能完全不同于任一组元，一般可用化学分子式表示，如Fe3C。

金属化合物具有熔点高、硬度高、脆性大的特点，在合金中主要作为强化相，可以提高材料的强度、硬度和耐磨性，但塑性和韧性有所降低。

3、机械混合物两种或两种以上的相按一定质量百分数组合成的物质称为机械混合物。

混合物中各组成相仍保持自己的晶格，彼此无交互作用，其性能主要取决于各组成相的性能以及相的分布状态。

第四节合金的结晶
一、合金相图的概念
合金相图是表明在平衡条件下，合金的组成相和温度、成分之间关系的简明图解。

它是进行金相分析、制定铸造、锻压、焊接、热处理等热加工工艺的重要依据。

二、二元合金相图的建立
相图大多数是通过实验方法建立起来的，目前测绘相图的方法很多，但最常用的是热分析法。

三、二元合金相图的分析
两组元在液态和固态下均能无限互溶所构成的相图称为二元匀晶相图。

属于该类相图的合金有Cu-Ni 、Fe-Cr 、Au-Ag 等。

下面以Cu-Ni 合金为例，对二元合金结晶过程进行分析。

1、相图分析 图2-10为Cu-Ni 合金
相图，图中A 点、B 点分别是纯铜和纯镍
的熔点，AaB 线是合金开始结晶的温度线，
称为液相线；AbB 线是合金结晶终了的温
度线，称为固相线。

液相线以上为单一液相区，以“L ”
表示；固相线以下是单一固相区，以“α”
表示固溶体；液相线与固相线之间为液相
和固相两相共存区，以“L+α”表示。

2、合金的结晶过程 以60%Ni w 的合金为例说明合金的结晶过程。

由图可见，当合金以极缓慢速度冷至t1时，开始从液相中析出α，随着温度不断降低，α相不断增多，而剩余的液相L 不断减少，并且液相和固相的成分通过原子扩散分别沿着液相线和固相线变化。

当结晶终了时，获得与原合金成分相同的α相固溶体。

3、枝晶偏析 合金在结晶过程中，只有在极其缓慢冷却条件下原子具有充分扩散的能力，固相的成分才能沿固相线均匀变化。

但在实际生产条件下，冷却速度较快，原子扩散来不及充分进行，导致先后结晶出的固相成分存在差异，这种晶粒内部化学成分不均匀现象称为晶内偏析（又称枝晶偏析）。

图2-10 Cu-Ni 合金相图
Ni%
Cu 60100t2t18001000120014001600B 0204080A
偏析的存在，严重降低了合金的力学性能和加工工艺性能，生产中常采取扩散退火工艺来消除它。