金属的晶体结构与结晶
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单晶体 7.0 2.5 多晶体
b 140～150
s 30～40
～50 30
31 40
180 211
38 44
0.2
0.16 0.1
263
264 278
57
65 116
49
51 50
• １. 增加过冷度
• 如图2-14所示，金属的形核率和长大 速度均随过冷度而变化，但两者变化 速率并不相同，当过冷度达到一定值 后，形核率比晶核长大速度增长更快， 因此，增加过冷度能使晶粒细化。 • 过冷度与冷却速度有关，冷却速度越 快，过冷度就越大，金属结晶后其晶 粒就越细小。在铸造中，由砂模铸造 改为金属模铸造，就是利用这个道理 来细化晶粒的。这种方法只适用于中、 小型铸件。对于大型铸件，提高冷却 速度又容易使铸件产生裂纹或变形等 缺陷，则需要用其他方法来细化晶粒。
原子
c
b
a
晶 胞 示意图
2.1 金属的晶体结构
• 3种常见的金属晶格类型
1. 体心立方晶格 body—centered cubic lattice
特点：强度高、塑性低。
如：＜912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 含有2个原子体积组成。
2.1 金属的晶体结构
2. 面心立方晶格 face—centered cubic lattice
心，达到细化晶粒的目的。
小结
1．金属材料都是晶体，主要有体心立方、面 心立方、密排六方等三种晶体结构。 2．金属结晶的必要条件是过冷。 3．实际金属是多晶体。存在着各种晶体缺陷， 包括点缺陷、线缺陷、面缺陷。 4．晶体缺陷是金属强度的影响因素，工程金 属的强化方法靠增加晶体缺陷实现的。 5．固溶强化、细晶粒强化是强化金属材料的 重要措施之一。 6．金属的同素异构转变过程。
同素异构体:同一种金属的不同晶体结构的晶体，称
为该金属的同素异构体。
金属在固态下，随温度的改变由一种晶格类型转变 为另一种晶格类型的现象叫做“同素异构转变”。
2.2 金属的同素异构转变
意义:由于纯铁具有同素异构转 变的特点，因而才有可能对铁碳 合金进行各种热处理，以改变其 组织和性能。
但同素异构转变时均伴随着体积变 化，产生较大内应力，如γ -Fe转变 为 ɑ-Fe时，铁的体积会膨胀1%， 这可引起钢热处理时产生内应力，
2.4 金属的结晶
过冷现象与过冷度
1.凝固过程的测定 • 热分析法测定冷却曲线 • 原理：利用凝固过程的热效应
热分析装置示意图
2.4 金属的结晶
2.纯金属凝固冷却曲线
过冷现象： 实际开始结晶温度（TN）总是低于理论结晶温度（ TO） 过冷度：
△T= TO —TN
△T随V冷却而变：V冷却↑， △T↑
晶体缺陷对晶体性能的影响
点缺陷 点缺陷周围晶格发生畸变，材料的 屈服强度提高，塑性韧性下降，电 阻增加。
线缺陷
附近的晶格畸变，对强度影响显著。 强度的变化与位错密度有关。
面缺陷
晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度， 也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温 氧化，耐腐蚀性能降低。
细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方 法称为细晶强化。
δ -Fe
1394℃
γ -Fe
912℃
ɑ-Fe
严重时导致工件变形和开裂。
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
金属的显微组织： 是指金属在显微镜下所表现出来的特征和形貌。
纯铁的显微组织
多晶体结构
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
实际金属的晶体结构
实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷。
金属的结晶过程示意图
结晶开始时，液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列成 微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方式长大，当成长的 枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属 液全部凝固为止，最后形成了许多小晶粒。
二、 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有很大的影响，一般情况下， 细晶粒金属比粗晶粒金属在常温下具有更高的硬度、强度、 塑性和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-1。 人们常用细化晶粒的方法来改善金属的力学性能。 • 常用的细化晶粒的方法有以下几种： 晶粒平均直径/ mm σb /MPa σs /MPa δ/%
图2-14 形核率和长大 速度
•
2. 变质处理
• 变质处理，也叫孕育处理，就是在液态金属中加入一定 的变质剂(或叫孕育剂)，使其分散在金属液中作为人工 晶核，可使晶粒数目显著增加，或者抑制晶核的长大速 度，从而细化晶粒的方法。
• ３.
振动处理
• 在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁 振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核
根据晶体缺陷的几何特征，可分为以下3种情况
1.点缺陷
• 晶体中的空位、间隙原子、 杂质原子都是点缺陷。
• 钢的化学热处理就是依靠原子 的扩散来完成的。
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
2.线缺陷 • 线缺陷是晶格中的各种位错。
• 所谓“位错”，是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生
了一列或若干列原子有规律的错排现象。
当V冷却及其缓慢时，TN → TO，
TO 为熔化与结晶的平衡点
纯金属的冷却曲线
• 金属的结晶过程
• 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶体核 心(简称生核)和晶核进行长大(简称为核长大)。 • 1.两种形核方式 • 均匀形核：晶核在均匀液相中由液相的一些原子集团直接形 成，不受杂质粒子或外表面的影响。 • 非均匀形核：晶核依附于固态杂质或模壁上形成。这是金属 凝固过程中主要形核方式。
• 位错的种类很多，常见的类型有两种，即刃型位错和螺型位错，
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
2.线缺陷
刃型位错示意图
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
2.线缺陷
螺型位错示意图
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
3.面缺陷
主要是指晶界和亚晶界，
晶界的过渡结构示意图
亚晶界的面缺陷示意图
非晶体
②具有各向异性。
如：食盐，冰，金刚石，金属等。 非晶体——①无确定的熔点；② 各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。
晶体
2.1 金属的晶体结构
2. 晶格与晶胞
晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。 晶胞：组成晶格最基本的几何单元。
2.1 金属的晶体结构
3. 晶格常数 晶胞棱边长度—a ,b , c 三棱边之间的夹角——α ，β ，γ
特点：强度低、塑性好。
如：＞912℃ Fe ,Cu, Al 等金属。 含有4个原子体积组成。
2.1 金属的晶体结构
3. 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice 特点：硬度高、强度不高、脆性大。 如：锌(Zn) , 镁(Mg), 镉(Cd)等金属。
a=b＜c
C
b
a
2.2 金属的同素异构转变
2.1 金属的晶体源自文库构
根据金属键结合的特点可以解释金属晶体的一些性能。 导电性 导热性
可塑性
光泽性 不透明性 电阻和正的电阻温度系数等性能
2.1 金属的晶体结构
• 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有确定的熔点；
2.1 金属的晶体结构
• 组成物质的质点(原子、分子、或离子)之间通过某种相 互作用而联系在一起，这种作用力称为“键”。 • 结合键对物质的性能有重大影响。通常结合键分为结合 力较强的离子键、共价键、金属键和结合力较弱的分子 键与氢键。 • 金属原子结构的特点是外层电子数不饱和，容易失去电 子，变成正离子，而脱离的电子变成自由电子，为整个 金属所共有，并在整个金属内部运动，形成电子气。 • 这种由金属正离子和公有的自由电子之间相互作用而结 合的方式称为“金属键”。 • 除铋、锑、锗和镓等金属为共价键结合外，其余绝大多 数的固态金属主要是金属键结合。
金属的晶体结构与结晶
2.1 金属的晶体结构 2.2 金属的同素异构转变 2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响 2.4 金属的结晶
2.1 金属的晶体结构
金属是指由金属原子或金属原子与其他非金属原子组
合起来具有金属特性的物质。
金属特性包括导电性、导热性、可塑性、光泽性、不 透明性、电阻和正的电阻温度系数等性能。
2.4 金属的结晶
凝固与结晶的关系
• 凝固：液体转变为固态
• 结晶：液态转变为具有晶体结构的固态
• 关系：结晶是凝固过程的一种特殊形式 • 特征：恒温点完成
2.4 金属的结晶
• 液态金属的结构特点
• 对液态金属进行X射线分析表明，液态金属原子总体看来 呈无规则排列，但有少量的原子构成排列规则的、时聚时 散的原子团，液态金属的这种结构特征称为“短程有序”。 而固态金属是晶体，其内部原子在很长距离内呈规则排列， 并以一定的平横位置为中心不停地作热振动。固态金属的 这种结构特征称为“长程有序”。
• 实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶 粒组成。因此在实际金属中有很多晶界存在。由 于晶界处原子排列不规律，偏离平衡位置较多， 因此晶格畸变程度较大。 晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗 塑性变形能力较强。 • 除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它 们的晶格位向有微小的差异，人们把这些小晶块 叫做亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚 晶界处的原子排列不规则，也存在着晶格畸变。 • 凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变， 因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、 化学和力学性能发生显著的变化。
b 140～150
s 30～40
～50 30
31 40
180 211
38 44
0.2
0.16 0.1
263
264 278
57
65 116
49
51 50
• １. 增加过冷度
• 如图2-14所示，金属的形核率和长大 速度均随过冷度而变化，但两者变化 速率并不相同，当过冷度达到一定值 后，形核率比晶核长大速度增长更快， 因此，增加过冷度能使晶粒细化。 • 过冷度与冷却速度有关，冷却速度越 快，过冷度就越大，金属结晶后其晶 粒就越细小。在铸造中，由砂模铸造 改为金属模铸造，就是利用这个道理 来细化晶粒的。这种方法只适用于中、 小型铸件。对于大型铸件，提高冷却 速度又容易使铸件产生裂纹或变形等 缺陷，则需要用其他方法来细化晶粒。
原子
c
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a
晶 胞 示意图
2.1 金属的晶体结构
• 3种常见的金属晶格类型
1. 体心立方晶格 body—centered cubic lattice
特点：强度高、塑性低。
如：＜912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 含有2个原子体积组成。
2.1 金属的晶体结构
2. 面心立方晶格 face—centered cubic lattice
心，达到细化晶粒的目的。
小结
1．金属材料都是晶体，主要有体心立方、面 心立方、密排六方等三种晶体结构。 2．金属结晶的必要条件是过冷。 3．实际金属是多晶体。存在着各种晶体缺陷， 包括点缺陷、线缺陷、面缺陷。 4．晶体缺陷是金属强度的影响因素，工程金 属的强化方法靠增加晶体缺陷实现的。 5．固溶强化、细晶粒强化是强化金属材料的 重要措施之一。 6．金属的同素异构转变过程。
同素异构体:同一种金属的不同晶体结构的晶体，称
为该金属的同素异构体。
金属在固态下，随温度的改变由一种晶格类型转变 为另一种晶格类型的现象叫做“同素异构转变”。
2.2 金属的同素异构转变
意义:由于纯铁具有同素异构转 变的特点，因而才有可能对铁碳 合金进行各种热处理，以改变其 组织和性能。
但同素异构转变时均伴随着体积变 化，产生较大内应力，如γ -Fe转变 为 ɑ-Fe时，铁的体积会膨胀1%， 这可引起钢热处理时产生内应力，
2.4 金属的结晶
过冷现象与过冷度
1.凝固过程的测定 • 热分析法测定冷却曲线 • 原理：利用凝固过程的热效应
热分析装置示意图
2.4 金属的结晶
2.纯金属凝固冷却曲线
过冷现象： 实际开始结晶温度（TN）总是低于理论结晶温度（ TO） 过冷度：
△T= TO —TN
△T随V冷却而变：V冷却↑， △T↑
晶体缺陷对晶体性能的影响
点缺陷 点缺陷周围晶格发生畸变，材料的 屈服强度提高，塑性韧性下降，电 阻增加。
线缺陷
附近的晶格畸变，对强度影响显著。 强度的变化与位错密度有关。
面缺陷
晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度， 也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温 氧化，耐腐蚀性能降低。
细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方 法称为细晶强化。
δ -Fe
1394℃
γ -Fe
912℃
ɑ-Fe
严重时导致工件变形和开裂。
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
金属的显微组织： 是指金属在显微镜下所表现出来的特征和形貌。
纯铁的显微组织
多晶体结构
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
实际金属的晶体结构
实际晶体中排列不规则的区域统称为晶体缺陷。
金属的结晶过程示意图
结晶开始时，液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列成 微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方式长大，当成长的 枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属 液全部凝固为止，最后形成了许多小晶粒。
二、 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有很大的影响，一般情况下， 细晶粒金属比粗晶粒金属在常温下具有更高的硬度、强度、 塑性和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-1。 人们常用细化晶粒的方法来改善金属的力学性能。 • 常用的细化晶粒的方法有以下几种： 晶粒平均直径/ mm σb /MPa σs /MPa δ/%
图2-14 形核率和长大 速度
•
2. 变质处理
• 变质处理，也叫孕育处理，就是在液态金属中加入一定 的变质剂(或叫孕育剂)，使其分散在金属液中作为人工 晶核，可使晶粒数目显著增加，或者抑制晶核的长大速 度，从而细化晶粒的方法。
• ３.
振动处理
• 在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁 振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核
根据晶体缺陷的几何特征，可分为以下3种情况
1.点缺陷
• 晶体中的空位、间隙原子、 杂质原子都是点缺陷。
• 钢的化学热处理就是依靠原子 的扩散来完成的。
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
2.线缺陷 • 线缺陷是晶格中的各种位错。
• 所谓“位错”，是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生
了一列或若干列原子有规律的错排现象。
当V冷却及其缓慢时，TN → TO，
TO 为熔化与结晶的平衡点
纯金属的冷却曲线
• 金属的结晶过程
• 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶体核 心(简称生核)和晶核进行长大(简称为核长大)。 • 1.两种形核方式 • 均匀形核：晶核在均匀液相中由液相的一些原子集团直接形 成，不受杂质粒子或外表面的影响。 • 非均匀形核：晶核依附于固态杂质或模壁上形成。这是金属 凝固过程中主要形核方式。
• 位错的种类很多，常见的类型有两种，即刃型位错和螺型位错，
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
2.线缺陷
刃型位错示意图
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
2.线缺陷
螺型位错示意图
2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响
3.面缺陷
主要是指晶界和亚晶界，
晶界的过渡结构示意图
亚晶界的面缺陷示意图
非晶体
②具有各向异性。
如：食盐，冰，金刚石，金属等。 非晶体——①无确定的熔点；② 各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。
晶体
2.1 金属的晶体结构
2. 晶格与晶胞
晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。 晶胞：组成晶格最基本的几何单元。
2.1 金属的晶体结构
3. 晶格常数 晶胞棱边长度—a ,b , c 三棱边之间的夹角——α ，β ，γ
特点：强度低、塑性好。
如：＞912℃ Fe ,Cu, Al 等金属。 含有4个原子体积组成。
2.1 金属的晶体结构
3. 密排六方晶格 hexagonal closepacked lattice 特点：硬度高、强度不高、脆性大。 如：锌(Zn) , 镁(Mg), 镉(Cd)等金属。
a=b＜c
C
b
a
2.2 金属的同素异构转变
2.1 金属的晶体源自文库构
根据金属键结合的特点可以解释金属晶体的一些性能。 导电性 导热性
可塑性
光泽性 不透明性 电阻和正的电阻温度系数等性能
2.1 金属的晶体结构
• 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有确定的熔点；
2.1 金属的晶体结构
• 组成物质的质点(原子、分子、或离子)之间通过某种相 互作用而联系在一起，这种作用力称为“键”。 • 结合键对物质的性能有重大影响。通常结合键分为结合 力较强的离子键、共价键、金属键和结合力较弱的分子 键与氢键。 • 金属原子结构的特点是外层电子数不饱和，容易失去电 子，变成正离子，而脱离的电子变成自由电子，为整个 金属所共有，并在整个金属内部运动，形成电子气。 • 这种由金属正离子和公有的自由电子之间相互作用而结 合的方式称为“金属键”。 • 除铋、锑、锗和镓等金属为共价键结合外，其余绝大多 数的固态金属主要是金属键结合。
金属的晶体结构与结晶
2.1 金属的晶体结构 2.2 金属的同素异构转变 2.3 实际金属的晶体结构及其对性能的影响 2.4 金属的结晶
2.1 金属的晶体结构
金属是指由金属原子或金属原子与其他非金属原子组
合起来具有金属特性的物质。
金属特性包括导电性、导热性、可塑性、光泽性、不 透明性、电阻和正的电阻温度系数等性能。
2.4 金属的结晶
凝固与结晶的关系
• 凝固：液体转变为固态
• 结晶：液态转变为具有晶体结构的固态
• 关系：结晶是凝固过程的一种特殊形式 • 特征：恒温点完成
2.4 金属的结晶
• 液态金属的结构特点
• 对液态金属进行X射线分析表明，液态金属原子总体看来 呈无规则排列，但有少量的原子构成排列规则的、时聚时 散的原子团，液态金属的这种结构特征称为“短程有序”。 而固态金属是晶体，其内部原子在很长距离内呈规则排列， 并以一定的平横位置为中心不停地作热振动。固态金属的 这种结构特征称为“长程有序”。
• 实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶 粒组成。因此在实际金属中有很多晶界存在。由 于晶界处原子排列不规律，偏离平衡位置较多， 因此晶格畸变程度较大。 晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗 塑性变形能力较强。 • 除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它 们的晶格位向有微小的差异，人们把这些小晶块 叫做亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚 晶界处的原子排列不规则，也存在着晶格畸变。 • 凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变， 因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、 化学和力学性能发生显著的变化。