1—1 金属的晶体结构

位错 晶界
1、点缺陷——空位和间隙原子
空位和间隙原子
晶格畸变
强度、硬度和电阻增加
应用
金属材料的热处理过程
2、线缺陷——位错
位错密度：指单位体积内，位 错线的总长度。 位错的存在以及位错密度的变 化，对金属的性能如强度、塑 性、疲劳等都起着重要影响。 如金属材料的塑性变形与位错 的移动有关。 冷变形加工后金属出现了强度 提高的现象（加工硬化），就 是由于位错密度的增加所致。
（二）、合金的相结构
固溶体 合金的相结构 化合物
固溶体
a)间隙固溶体 b)置换固溶体
晶格发生畸变示意图
固溶体中的晶格畸变示意图
提高金属材料的力学性能方法：
弥散强化 固溶强化
课
后
作
业
1
3
4
5
《金属材料与热处理》
第一章金属的结构与结晶
主要内容
第一节 金属的晶体结构 第二节 纯金属的结晶 第三节 观察结晶过程（实验）
第一节 金属的晶体结构
内容
晶体与非晶体 金属的晶格类型 单晶体与多晶体 晶体缺陷
目的
掌握晶体非晶体的区分，了解金属的晶格类型，了解晶体 缺陷对材料性能的影响。
δ - Fe
bcc
1394 °C
γ - Fe
912 °C
fcc
α - Fe
bcc
纯铁的冷却曲线
1600 温 1500 度 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500
1534℃ 1394℃
δ - Fe
γ - Fe
912℃
α - Fe
时间
第三节 合金的晶体结构 （一）、合金的基本概念 组元 相 组织
一、晶体的基本知识 （一）、晶体与非晶体 物质是由原子和分子构成的，其存在状态有 气态、液态和固态。固态物质根据其结构特点不 同可分为晶体与非晶体。
一、晶体的基本知识
（一）、晶体与非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大 类。在晶体中，原子呈有序、规则排列 。非晶体中原子（或 分子）则是无序无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）
2.晶核的长大方式—树枝状
长大过程
2.晶核的长大方式分解图
各种晶体枝晶形状 金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
3.影响晶核的形核率和晶体长大率的因素
过冷度的影响
未熔杂质的影响
1)过冷度的影响
三）细化晶粒的途径
1）提高冷却速度
V冷
二、实际金属的晶体结构


（一）金属材料都是多晶体。 单晶体：晶格位向完全一致的晶体。晶粒，
晶粒 晶体
晶界
多晶体示意图
（二）、晶体的缺陷
缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有 很大的影响。
分类（根据晶体缺陷的几何形态特征）：
空位
点缺陷 晶体的缺陷 线缺陷 面缺陷
填隙原子 置换原子
二、金属的晶格类型
金属的晶格类型是指金属中原子排列的规律。 为了更清楚地表示金属中原子排列的规律，可将 原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接 起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的 空间格架，称为晶格。 晶格是由许多形状、大小相同的小几何单元重 复堆积而成的。我们把其中能够完整地反映晶体 晶格特征的最小几何单元称为晶胞。 晶胞是可以反映金属原子排列规律的最小单元 ，所以一般都是取出晶胞来研究金属的晶格结构 。
结晶平台(是由结晶潜热导致)
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
过冷现象 ：T实际<T理论； 过冷度：过冷是结晶的必要条件。
ΔT = T0 – T1
二).结晶的一般规律(结晶过程)
பைடு நூலகம்形核
结晶
长大
结晶 过程
形核、长大
1.晶核的形成
在一定的过冷度下,当F体≥F表时,晶核就形成。 晶核形成的形式: 自发形核 △T = 200℃ 非自发形核 △T = 20℃
2）变质处理
△T
N
晶粒细小
•
变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂 （又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大 量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸 造晶粒。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法。
3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
二、金属的同素异晶转变 纯铁的同素异晶转变反应式:
晶胞是一个正六棱柱，原子排列除 排列于柱体的每个顶点和上、下两个底 面的中心外，正六棱柱的中心还有三个 原子。
二、实际金属的晶体结构
只由一个晶粒组成的晶体称为单晶体，。单 晶体的晶格排列方位完全一致。 单晶体必须人工制作，如生产半导体元件的单晶 硅，单晶铢等。单晶体在不同方向上具有不同性 能的现象称为各向异性。 多晶体是由很多大小、外形和晶格排列方向 均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒，晶 粒间交界的地方称为晶界。 普通金属材料都是多晶体，虽然每个晶粒具 有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶 界作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因 而整个多晶体呈现无向性，即各向同性。
（二）、晶格、晶胞、晶格常数
1、晶格： 实际晶体的空间简化格子。简化过程如下图： 2、晶胞：能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元。
a、b、c
简化的空间格子
3、晶格常数：棱边长度 和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小。
a、b、c
、、r
（三）、金属中常见晶格
1、体心立方晶格(bcc)：如 a Fe Cr 晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。
刃型位错示意图
立体 模型
平面 模型
a) 刃形位错示意图 晶格立体模型 b) 平面图
3、面缺陷——晶界和亚晶界
晶界的过渡结构示意图
亚晶界结构示意图
晶界结构
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶 主要内容 凝固与结晶的概念 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变
金属结晶录像（单击）
转炉炼钢
一、 凝固与结晶的概念
晶胞是一个立方体，原子位于立方 体的八个顶点和立方体的中心
1/8
2、面心立方晶格(fcc)
面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。 面心立方晶格的金属有 r Fe 、 Al 等。
晶胞是一个立方体，原子位于立方 体的八个顶点和六个面的中心
3、密排六方晶格(hcp)
密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
一、晶体与非晶体的基本知识 晶体的性能特点： 1、具有规则的几何 形状。 2、有一定的熔点， 性能呈各向异性（在 各方向上变现出不同 的性能） 非晶体的性能特点： 1、没有规则的几何 形状。 2、没有固定的熔点 ，性能呈各向同性。
自然界的绝大多数物质在固态下为晶体，只有少数为 非晶体，所有的金属都是晶体。
1.凝固 物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 晶体物质由液态转变成固态的过程。 微观上：物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列转变的过程。
2.金属结晶的结构条件
近程有序结构
远程有序结构
结晶
结构起伏
二、 结晶的现象与规律 一）结晶的一般过程 1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
To T1
理论冷却曲线