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1金属的结构和结晶

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1-1金属的晶体结构和结晶

1-1金属的晶体结构和结晶

谢谢！
滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。



由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的 位错，
最简单的位错“刃型位错”。因为相对滑移的结果上 半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插 入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。


实际晶体中存在大量的位错,一般用位错密度 来表示位错的多少。



面缺陷

原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺 寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如前面讲 的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷。

显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原
子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规 则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错
墙。

这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位 错密度愈大，晶体的强度愈高。
（2）面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，
但在立方体的每个面上还各有一个原子。 晶格常数a=b=c，通常只用a表示 在这种晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互
2 接触，因而其原子半径： r 4 a


又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共 个原子。
1 1 有的，故面心立方晶格的晶胞中包含有：8 8 2 6 4


杂质原子都是点缺陷。
点缺陷示意图


点缺陷的影响
当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱
离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，
点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材
料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。
线缺陷

第一章 金属的结晶构造和结晶过程

第一章 金属的结晶构造和结晶过程
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来自、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
温
度a
L
L+S
b S
A
B
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
二、二元合金相图 ❖ 匀晶相图结晶过程分析：冷却曲线＋结晶过程
面心立方晶格
原子个数 原子半径
致密度
4
0.74（74%）
密排六方晶格
密排六方晶格 Mg，Zn，Be，Cd等
密排六方晶格
❖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°。
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
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
原子个数 原子半径
致密度
6
R=a/2 0.74（74%）
第二节 金属的结晶
一、金属的冷却曲线和过冷现象

金属的结构与结晶：

金属的结构与结晶：

• ③密排六方晶格：与简单六方晶胞不同，它不仅在由12个 原子所构成的简单六方体的上下六方面的中心还各有一个 原子而且在两个六方面之间还有三个原子。密排六方晶格 的晶格常数比值c/a≈1.633。 • 属于这种晶格的金属有铍（Be）、镁（Mg）、锌（Zn）、 镉（Cd）。
• f 晶格的致密度：金属晶体的特点是其原子排列紧密，即 致密度较高。晶格的致密度指其晶胞中所含的原子所占有 • 的体心立方晶格的致密度为
四、金属的实际结构和晶体缺陷：
• a 多晶体结构： • ①单晶体：其内部的晶格位向完全一致时称这块晶体为 “单晶体”。 • ②实际情况是每块金属中包含着许许多多的小晶体，每个 小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而每个小晶体 之间，彼此的位向都不相同。 • ③晶粒：由于每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通 常将它们叫做“晶粒”。 • ④“晶粒间界”或“晶界”：晶粒与晶粒之间的界面称为 晶界。 • ⑤多晶体：由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。 • 工业纯铁的弹性模量等性能之所以测不出它们象单晶体中 那样的各向异性，就因为其中各晶粒的位向不同，结果只 能表现平均性能。
• ⑤塑性变形对组织和性能的影响： • a 晶粒沿变形方向拉长，性能趋于各向异性： • 经过塑性变形，在力的作用下，随着金属的外形的变化， 其内部的晶粒形状也会发生相应的变化，可随金属的外形 的压扁或拉长，其内部的晶粒的形状也会被压扁或拉长。 一般与金属的外形的改变成比例。当变形量很大时各晶粒 会被拉长为细条状或纤维状晶界变得模糊不清。此时金属 的性能将会具有明显的方向性，即纵向的强度和塑性远大 于横向。这种组织叫做“纤维组织”。
e 影响晶核的形成和成长速率的因素：
• ①过冷度的影响：金属结晶时的冷却速度较大，其过冷度 越大，不同过冷度对晶核的形成率和成长率有不同的影响。 过冷度等于零时，晶核的形成率和成长率均为零。随着过 冷度的增加，晶核形成率和成长率都增大，但在一定的过 冷度的情况下，到达最大值，二者先后又各趋于零，而后 当过冷度再一步增大时，它们又逐渐减少。 • ②结论：结晶时的冷却速度越大，过冷度越小时，金属的 晶粒度越细。 • ③未熔杂质的影响：未熔的杂质，当其晶体结构在某种程 度上与金属相近时，可显著地加速晶核的形成，使金属的 晶粒细化。当液体中有这种未熔杂质存在时，金属可以沿 着这些现成的固体质点表面产生晶核，减少它暴露于液体 中的表面积，使表面能降低，其作用会远大于加速冷却， 增大过冷度的影响。

金属的结构与结晶

金属的结构与结晶

过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之 差：ΔT=T0-Tn 。 过冷是结晶的必要条件。 晶核：形成规则排列的原子集团而成 为结晶的核心。晶核分为自发晶核和外 来晶核两种。
2、结晶过程 液态金属中原子结晶的过程，即晶核 不断地形成及长大的过程，直到液态金 属已全部耗尽，结晶过程也就完成了， 如图所示。
金属的结构 与结晶
一 金属的结晶结构
一、晶体与非晶体 1.非晶体：在物质内部，凡原子呈无序堆积状况 的，称为非晶体。 如：普通玻璃、松香、树脂等。
2.晶体：凡原子呈有序、有规则排列的物质，金 属的固态、金刚石、明矾晶体等。 性能：晶体有固定的熔、沸点，呈各向异性，非 晶体没有固定熔点，而且表现为各向同性。
(2)变质处理 在浇注时向液态金属中加入一定的变 质剂，起到外来晶核的作用，并能在铸 件的整个体积内都能得到均匀细化的晶 粒。 (3)振动 机械振动、超声波振动、电磁振动等， 造成枝晶破碎，使晶粒数量增加，达到 细化目的。 此外，还可以采用热处理和压力加工的 方法，使固态金属的粗晶粒细化。
二、同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是一成不变 的，但是，铁、锰、锡、钛等金属的晶 格类型都会随温度的升高或降低而发生 改变。一种固态金属，在不同的温度区 间具有不同的晶格类型的性质称为同素 异构性。
单晶体：一块晶体就是一颗晶粒(晶格排列 方位完全一致)，如图所示。单晶体必须 专门人工制作，如生产半导体元件的单 晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现 象称为各向异性。 普通金属材料都是多晶体。多晶体的金 属虽然每个晶粒具有各向异性，但由于 各个晶粒位向不同，加上晶界的作用， 这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因 而整个多晶体呈现出无向性，即各向同 性。
3、晶粒大小与机械性能的关系 金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、 硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生 产中为了得到细晶粒的铸件，常采取以 下几种方法： (1)加快冷却速度 金属结晶过程中过冷度愈大，结晶推动 力增加，生核速率增长要快一些，故过 冷度愈大，晶粒愈细。薄壁铸件的晶粒 较细，厚大的铸件往往是粗晶，铸件外 层的晶粒较细，心部则是粗晶。

金属材料的结构与结晶

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

机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶

机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶

均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：

绪论,第一章金属的结构与结晶

绪论,第一章金属的结构与结晶

73
1、过冷现象：金属的实际结晶温度低于 理论结晶温度（熔点）。 2、过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实 际结晶温度Tn之差。 △T=Tm-Tn>0 3、同一成分的金属，冷却速度愈大，则 过冷度也愈大。 4、临界过冷度（△Tk）：过冷度有一最 小值，若过冷度小于这个值，结晶过程 就不能进行。
74
(二)结晶过程的微观现象
原子密度最大的晶面是（111），
晶向是［110］。
51
52
(四)晶体的各向异性
由于晶体中不同晶面和晶向上的原子 密度不同，因而晶体在不同方向上的性能 有所差异。 如冷轧硅钢片，当易于磁化的〈100〉 晶向平行于轧制方向时，得到优异的磁导 率。
53
§ 1-2金属的实际结构和缺陷
一、多晶体结构 1、单晶体：内部的晶格位向完全一致的 晶体。
九江长江大桥 : 跨度216 米,始建于 1973年12月，1992年公路桥建成通车，
3
§0-2 影响金属材料性能的因素 一、化学成分 组成金属材料的各种元素的种类及其浓 度（一般用重量百分数）。 成分 铝 抗拉强度(MPa) 20-80 延伸率 （%） 32-40
铜
纯铁
200-240
250-330
6
3、显微组织：用100-2000倍的显微镜所观 察到的组织。（反映了晶粒的种类、形状、 大小以及各种晶粒的相对数量和相对分布）
通常所说的组织就是指显微组织。
7
8
9
10
11
12
13
14
15
第一章
金属的结构与结晶
16
§1-1金属的晶体结构 一、晶体的概念 1、晶体：原子(离子)呈规则排列的物质。 2、晶体结构（结构）：构成晶体的原子在 三维空间的具体的排列方式。 3、晶格：表示晶体中原子排列形式的空间 格子。 建立：原子简化成点，用假想线连接点。

机械工程材料-思考与练习题答案

机械工程材料-思考与练习题答案

能
10. 金属再结晶后的晶粒大小与（ ）和（ ）有关。预先变形度；再结晶温度
11. 工业金属不能在（ ）变形度进行变形，否则再结晶后的晶粒（ ），使机械性能（ ）。
２-10％临界；粗大；降低
12. 铸钢锭经过热轧后，粗大的晶粒会（ ），缩松、气孔等缺陷会（ ），并且还会出现
（
）组织。细化；焊合；流线或纤维
晶粒细化
16. 金属热加工纤维组织是（ ）呈纤维状，此种组织的机械性能呈现（ ）。夹杂物及枝晶
偏析；方向性
17. 钢的锻造温度高于（
）温度，故属于（ ）加工。再结晶；热
18. 材料的弹性模量愈高，其刚度愈（ ）。刚度（ ）通过热处理改变；材料一定时，可通
过（ ）和（
）的方法来提高零件的刚度。高；不能；增加零件的横截面积；
版权归河北工业大学 材料学院 材料科学系所有--禁止在网上传播-----022-26582288
A，去应力退火 B，再结晶退火 C，完全退火 D，重结晶退火
3. 实测的晶体滑移需要的临界分切应力值比理论计算的小，这说明晶体滑移机制是（ ）。B
A，滑移面的刚性移动 B，位错在滑移面上运动 C，空位、间隙原子迁移 D，晶界迁移
A，属于热加工 B，属于冷加工 C，不是热加工或冷加工 D，无法确定
7. 晶体滑移总是沿着（ ）晶面和晶向进行。A
A，原子密度最大的 B，与外力成 45 度的 C，任意的 D，原子密度最小的
8. 为了提高零件的机械性能，通常将热轧圆钢中的流线（纤维组织）通过（
）。C
A，热处理消除 B，切削来切断 C，锻造使其分布合理 D，锻造来消除
相作用。∨ 5. 金属化合物以细小颗粒或片状均匀分布在固溶体中会使强度提高，化合物愈细小、分布愈均

吉林大学工程材料第1章 金属的晶体结构和结晶

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

1金属的结构和结晶详解

1金属的结构和结晶详解

描述晶体结构的一些重要概念
晶胞原子数：一个晶胞内所含原子数目
晶格常数和原子半径 配位数：某一原子周围最近的等距离相邻原子数 致密度：晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比
体心立方 晶胞原子数 2
面心立方 4 根号2a=4r 12 74%
密排六方 6 4r=2a 12 74%
原子半径与 根号3a=4r 晶格常数 配位数 致密度 8晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上 和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子 为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个 晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋ 6×1／2＝4（个）。 具有面心立方晶格的金属有γ -Fe、Cu 、Al 、Au 、 Ag 、Pb 、Ni 等。
金属晶体三种典型结构
1、体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞它是一 个立方体。在晶胞的中心和八个 角上各有一个原子，晶胞角上的 原子为相邻的八个晶胞所共有， 每个晶胞实际上只占有1／8个原 子。而中心的原子为该晶胞所独 有。故晶胞中实际原子数为8×1 ／8＋1＝2（个）。具有体心立方 晶格的金属有 α -Fe 、Cr 、Mo 、 V 、W 等。
1.3.1 点缺陷
空位
间隙原子
杂质原子:置换杂质原子 间隙杂质原子
点缺陷平衡浓度与温度有关,又称热平衡缺陷 金属晶体中的点缺陷主要是空位
1.3.2 位错
刃型位错
螺型位错
刃型位错示意图 a) 晶格立体模型 b) 平面图
位错密度：指单位晶体中位错线的总长度
1.3.3 面缺陷
外表面
堆垛层错 晶界 亚晶界 孪晶界
1.2.3 金属晶体中晶面和晶向
晶面：金属晶体中由原子组成的任一平面
晶向：由原子列组成组成任一直线方向

第二章(1)金属的结构与结晶

第二章(1)金属的结构与结晶
N/G 越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
❖ 提高冷却速度、增大过冷度过冷度对N、G的影响
V冷
△T
N/G 晶粒细小
V 在铸造生产中，用金属型代替砂型，增 冷 大金属型的厚度，降低金属型的预热温度等
❖ 变质处理：加入一些细小变质剂，增大形核率，
减低长大速率。
❖ 机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
晶体缺陷 ( crystal defect )
点缺陷
线缺陷 面缺陷
点缺陷(point defБайду номын сангаасct)
空位 (vacancy)
间隙原子 (gap atom)
置换原子 (substitutional atom)
a. 空位：晶格中某些缺排原 子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙 中的原子。可以是基体金属 原子，也可以是外来原子。
密排面 数量 密排方向 数量
体心立方晶格 {110} 6 <111> 4 面心立方晶格 {111} 4 <110> 6 密排六方晶格 六方底面 1 底面对角线 3
三种常见晶格的密排面和密排方向
密排面:﹛110﹜，数量: 6
体心立方晶格 密排方向:<111>，数量: 4
密排面:﹛111﹜，数量: 4
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
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。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核

金属材料纲要第一章金属的结构与结晶 Microsoft Word 文档

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金属材料绪论1、金属：由单一元素组成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质。

如：金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。

2、合金：是指由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素通过熔炼或其它方法合成的具有金属特性的材料。

3、金属材料是金属及其合金的总称。

4、材料的成分和热处理决定其组织，组织决定其性能，性能决定用途。

第一章金属的结构与结晶§1-1金属的晶体结构1、自然界中绝大多数固态物质是晶体，少数为非晶体。

所有金属都是晶体。

2、晶体：原子呈有序，有规则排列的物质。

例：所有金属，石英，云母，明矾，食盐，糖，味精，硫酸铜。

晶体的性能特点：有规则的几何形状；有固定的熔点；各向异性。

3、非晶体：原子呈无序，无规则堆积的物质。

例：玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶。

晶体的性能特点：有规则的几何形状；有固定的熔点；各向异性。

4、晶格：能反映原子排列规律的空间格架。

晶胞：能完整反映晶体晶格特征的最小几何单元。

5、晶格类型体心立方晶格α—Fe 、钨（W）、钼（Mo）晶格类型面心立方晶格γ—Fe、金（Au）、银（Ag）、铜、铝、密排六方晶格镁、锌金刚石和石墨都是由碳原子组成，但由于晶格结构不同性能差异巨大。

6、金属由许多小晶粒组成，晶粒之间的交界称为晶界。

晶界越多金属材料的力学性能越好。

7、单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。

单晶体必须人为制造。

表现为各向异性。

多晶体：普通金属材料都是多晶体。

整个多晶体表现为各向同性。

8、晶体缺陷：晶体中原子紊乱排列的现象称为晶体缺陷。

它在塑性变形和热处理中起重要作用。

点缺陷：空位原子、间隙原子、置代原子晶体缺陷线缺陷：刃位错面缺陷：晶界、亚晶界§1-2 纯金属的结晶1、结晶：生产中金属的凝固过程就是结晶。

结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体（晶体）状态的过程。

结晶潜热：结晶过程中放出的热量称为结晶潜热。

2、过冷度：实际结晶温度与理论结晶温度之差称为过冷度。

过冷度与冷却速度有关 ，冷却速度越快过冷度越大。

金属的结构与结晶

金属的结构与结晶

金属的结构与结晶§1-1 金属的晶体结构★学习目的：了解金属的晶体结构★重点: 有关金属结构的基本概念：晶面、晶向、晶体、晶格、单晶体、晶体，金属晶格的三种常见类型。

★难点：金属的晶体缺陷及其对金属性能的影响。

一、晶体与非晶体1、晶体：原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。

（晶体内的原子之所以在空间是规则排列，主要是由于各原子之间的相互吸引力与排斥力相平衡的结晶。

）规则几何形状性能特点：熔点一定各向异性2、非晶体：非晶体的原子则是无规则、无次序的堆积在一起的（如普通玻璃、松香、树脂等）。

二、金属晶格的类型1、晶格和晶胞晶格：把点阵中的结点假象用一序列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。

晶胞：构成晶格的最基本单元2、晶面和晶向晶面：点阵中的结点所构成的平面。

晶向：点阵中的结点所组成的直线由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。

（阵点（结点）：把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。

点阵：阵点（或结点）在空间的排列方式称晶体。

）晶胞晶面晶向3、金属晶格的类型是指金属中原子排列的规律。

7个晶系 14种类型最常见：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格（1）、体心立方晶格：(体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子 )。

属于这种晶格的金属有：铬Cr、钒V、钨W、钼Mo、及α-铁α-Fe所含原子数 1/8×8+1=2（个）（2）、面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。

属于这种晶格的金属有：Al、Cu、Ni、Pb（γ－Fe）等所含原子数 1/8×8+6×1/2=4（个）（3）、密排六方晶格：由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。

属于这种晶格的金属有铍（Be）、Mg、Zn、镉（Cd）等。

金属材料的晶体结构与结晶

金属材料的晶体结构与结晶
1.2 合金的晶体结构与结晶
1.1.1 合金的晶体结构
合金是指由两种或两种以上的金属元素或由金属元素与非金属元素 组成的具有金属特性的物质。
组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。由两个组元组成的合 金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金，由三个以上组 元组成的合金称为多元合金。
合金中结构相同、成分相同和性能一致，并以界面相互隔开的组成 部分称为相。只有一种相组成的合金为单相合金，由两种或两种以上相 组成的合金为多相合金。用金相观察方法，在金属及合金内部看到的相 的形态、数量、大小和分布及相间结合状态称为显微组织。
非晶体
晶体
金属材料的晶体结构与结晶
1.晶体结构的基本知识
图2-1 晶体结构示意图
金属材料的晶体结构与结晶
1.常见的金属晶格类型 常见的金属晶格类型包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方
晶格三大类。 1）体心立方晶格 body—centered cubic lattice 特点：b 较好。如：＜912℃ Fe, Cr, Mo, V等。 含有2个原子体积组成。
图2-7 刃型位错示意图
金属材料的晶体结构与结晶
（3）面缺陷。面缺陷是指在晶体中呈面状分布（在两个方向上尺寸很大，在第 三个方向上尺寸很小）的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。
晶界是位向不同的晶粒间的过渡区，其宽度为5～10个原子间距。晶界区域的晶 粒的位向通过晶界的协调逐步过渡到相邻晶粒的位向，如图2-8（a）所示。亚晶界 是由位向相差很小的亚晶粒组成的，如图2-8（b）所示。晶界和亚晶界的原子排列 都不规则，会产生晶格畸变。因此，晶界和亚晶界均可提高金属的强度，改善塑性 和韧性。
图2-10 液态金属的结晶过程示意图
金属材料的晶体结构与结晶

金属材料晶体学

金属材料晶体学

金属的结构与结晶1.1 金属材料的结构1.1.1 纯金属的晶体结构晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。

通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。

这种格架称为晶格。

晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。

能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞。

晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。

晶胞的基本特性即反映该晶体结构(晶格)的特点。

晶体晶格晶胞晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a 、b 、c 和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。

其中a 、b 、c 为晶格常数。

金属的晶格常数一般为1×10-10m ～7×10-10m 。

不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同,表现出不同的物理、化学和机械性能。

金属的晶体结构可用x 射线结构分析技术进行测定。

1.1.2 三种常见的金属晶体结构1.1.2.1 体心立方晶格(胞) (B.C.C.晶格) [点击查看动画模型]体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。

具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe, <912℃)等。

体心立方晶胞特征：①晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°②晶胞原子数：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。

③原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半, 或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。

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：④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。

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3、密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧 面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。 一个是柱体的高度，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上 和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个 原子。 密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、 下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞 独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝ 6（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 等。
1.4 金属结晶的基本概念
凝固:物质由液态转变成固态的过程。 结晶:晶体物质由液态转变成固态的过程。
1.4.1 液态金属结构
长程无序 短程有序 结构起伏 能量起伏
1.4.2 金属结晶的宏观现象
温 度 To T1 理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
1 过冷现象
过冷概念
过冷度
影响因素
1.2 金属的晶体结构
1.2.1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（或分子） 按一定的几何规律作周期 性地排列 。非晶体中原 子（或分子）则是无规则 的堆积在一起。（如松香、 玻璃、沥青）
晶体：物理性质突变
各向异性
非晶体：物理性质变化逐渐过度 各向同性 晶体与非晶体的本质区别在内部结构 而非外形，一定条件下晶体与非晶体 可以相互转化
描述晶体结构的一些重要概念
晶胞原子数：一个晶胞内所含原子数目
晶格常数和原子半径 配位数：某一原子周围最近的等距离相邻原子数 致密度：晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比
体心立方 晶胞原子数 2
面心立方 4 根号2a=4r 12 74%
密排六方 6 4r=2a 12 74%
原子半径与 根号3a=4r 晶格常数 配位数 致密度 8 68%
1.3.1 点缺陷
空位
间隙原子
杂质原子:置换杂质原子 间隙杂质原子
点缺陷平衡浓度与温度有关,又称热平衡缺陷 金属晶体中的点缺陷主要是空位
1.3.2 位错
刃型位错
螺型位错
刃型位错示意图 a) 晶 格 立 体 模 型 b) 平 面 图
位错密度：指单位晶体中位错线的总长度
1.3.3 面缺陷
外表面
堆垛层错 晶界 亚晶界 孪晶界
1.2.2 纯金属的晶体结构
为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把 每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些 几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成 一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个 结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排 列形式的几何空间格架，简称晶格。
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特 点，为了便于讨论 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，整个晶格就是有许多大小、形状和位 向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为 原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并 称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方 为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度a， b，c和棱面夹角α ，β ，γ 来表示晶胞的形状和 大小 。其中a，b，c称为晶格常数。
1.1 金属的特征
金属材料:包括纯金属,合金,指由金属元素或以 金属元素为主形成的具有一般金属特性的材料 决定材料基本性能的因素:化学成分 内部结构 组织状态 金属的特性：良好的导电性 导热性 延展性 金 属光泽 正的电阻温度系数 其中正电阻温度系数是金属的严格定义
金属的结合方式：金属键
金属键的性质决定了金属的宏观特性 导电性 正电阻温度系数 导热性 不透明并且具有光泽 延展性
2、面心立方晶格
面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上 和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子 为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个 晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋ 6×1／2＝4（个）。 具有面心立方晶格的金属有γ -Fe、Cu 、Al 、Au 、 Ag 、Pb 、Ni 等。
金属晶体三种典型结构
1、体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞它是一 个立方体。在晶胞的中心和八个 角上各有一个原子，晶胞角上的 原子为相邻的八个晶胞所共有， 每个晶胞实际上只占有1／8个原 子。而中心的原子为该晶胞所独 有。故晶胞中实际原子数为8×1 ／8＋1＝2（个）。具有体心立方 晶格的金属有 α -Fe 、Cr 、Mo 、 V 、W 等。
2. 孕育变质处理
常用孕育变质剂:钒钛,硅铁硅钙
纯金属的生长形态
正温度梯度:平面生长 负温度梯度:枝晶生长
若枝晶在三维 空间均衡发展, 这时晶粒称为 等轴枝晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
1.6 晶粒大小控制
细晶强化:常温下工作的金属,晶粒越细小,其强度, 硬度越高，而且塑性，韧性也越好 细化晶粒的处理方法： 1. 增大金属过冷度------提高金属凝固时的冷却速度
1.2.3 金属晶体中晶面和晶向
晶面：金属晶体中由原子组成的任一平面
晶向：由原子列组成组成任一直线方向
求晶面指数 1 求截距 2 取倒数 3化整 注意：1 待定晶面不要通 过坐标轴原点 2 正负号的意义
求晶向指数 1 引直线 2 求坐标 3 化整 也可以通过待求晶向上任意两点坐标值 之差求晶向指数 立方晶系中，晶面指数和晶向指数相同 时，则晶面与晶向垂直
1.2.4 金属晶体的各向异性
晶体各向异性
多晶体材料各向同性
1.3 晶体缺陷
晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰 而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为 晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、 化学性能、机械性能）将产生显著影响，如钢的耐腐蚀性， 实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所 得数值。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三 类：点缺陷 线缺陷 面缺陷
时间
2 潜热释放
1.4.3 金属结晶的微观过程 • 形核 • 长大
形核、长大
多晶体金属 单晶体金属
1.5 形核和长大
1.5.1 均匀形核和异质形核
均匀形核:从过冷液态金属中自发形成晶核的过程
异质形核:液态金属物质:连续张大机制,适用于绝大多 数金属的结晶长大过程 小平面型界面:二维形核机制 晶体缺陷生长机制