金属晶体结构与结晶
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金属的晶体结构与结晶
金属结 晶过程 示意图
自发形核 △T = 200℃
非自发形核 △T = 20℃
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
晶
四、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、物理性能和化学 性能均有很大影响。 细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐 蚀性好。 作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则磁导率越 大，磁滞损耗减少。
致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。
式中，n为晶胞所含原子数
v′为单个原子体积
V为晶胞体积。
体心立方晶格（bcc晶格）
⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
r
3a 4
。
⑷晶胞所含原子数 2个原子。
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
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
全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。 （二）性能
熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）
1. 正常价化合物
组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守 化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
自发形核 △T = 200℃
非自发形核 △T = 20℃
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
晶
四、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、物理性能和化学 性能均有很大影响。 细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、耐腐 蚀性好。 作为软磁材料的纯铁，晶粒越粗大，则磁导率越 大，磁滞损耗减少。
致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。
式中，n为晶胞所含原子数
v′为单个原子体积
V为晶胞体积。
体心立方晶格（bcc晶格）
⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
r
3a 4
。
⑷晶胞所含原子数 2个原子。
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
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
全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。 （二）性能
熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）
1. 正常价化合物
组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守 化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
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：
金属的晶体结构和结晶
2 影响晶核形成和长大的因素
图2-2 成核速率、长大速度与过冷度的关系
1）过冷度：ΔT大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和
长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N不G 的比值，晶粒变细，但过冷度过大，对晶粒细化丌利， 结晶发生困难。 2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合 金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶 时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒 的处理方法。 3)机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
形核有自发形核和非自发形核两种方式， 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规 则排列的结晶核心；非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表 面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得 多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。
晶体的长大以枝晶状形式迚行的，并丌断地分枝发展。
金属的晶体结构与结晶
讲师：郑欣
本章目的：
1 建立金属晶体结构的理想模型；
2 揭示金属的实际晶体结构；
金属的晶体结构
一、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有熔点；②具有各 向异性。如：食盐，冰，金刚石，金 属等。 非晶体——①无熔点；②各向 同性。如：玻璃，松香，沥青等。
本章结束！
体心立方晶格的致密度：
4 3 K 2 a 3 4
3
a 0.68
3
即晶格中有68%的体积被原子占有，其余为空隙。
属于这种体心立方晶格的金属有Fe(＜912℃,α-Fe)、Cr、
Mo、W、V等。
金属晶体结构及结晶
★ 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1 ~2)的小 晶块（或称“亚结构”）。亚晶粒之间的交界面称亚晶界 。亚晶界的原子排列也不规则，也产生晶格畸变。
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。
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
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
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
金属的晶体结构与结晶
晶体缺陷并不是静止不变的，而是随着一定 温度和加工过程等各种条件的改变而变动的
第三节、非金属晶体
• 在晶体中，根据原子间的键不同，一般可分为四类主要晶 体，即金属晶体、离子晶体、共价键晶体和分子晶体。
一、离子键
常见的离子晶体结构如氯化钠晶体结构，这种结构基本上是面 心立方晶格,钠离子失去一个电子成为带正电荷的钠离子，氯离 子获得一个电子成为带负电荷的氯离子。形成离子键。 离子键结合力大，离子晶体的硬度高，但脆性大。
第四节，金属结晶
一、 凝固与结晶的概念
物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体， 则这种凝固又称为结晶。
液态金属与固态金属的主要差别在于：液态金属无 一定形状，易流动，原子间的距离大，但在一定温 度条件下，在液态金属中存在与固态金属的“远程 排列”不同的“近程排列”。
向同性。
2、晶体结构的基本知识
（1）晶格
为了清楚的表明原子在空间的排列规律，人为地将原子看作一个 点，再用一些假想线条，将晶体中各原子的中心连接起来，便形成 了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方 式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。晶格中的每个的点称 为结点。晶格中各种不同方位的原子面，称为晶面。
在常温下，晶粒越小，材料的强度越强，塑性、韧性越好
单晶体 其内部的晶格位向完全一致
（二）、晶体的缺陷
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。
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
第02章金属的晶体结构与结晶
冷却曲线是表示金属冷却时，温度随时间变化的关系曲 线。如图2-12曲线中的水平线段表明，液态金属凝固时 释放出的结晶潜热，恰好抵偿了向周围空气中散失的热 量。水平线段对应的温度就是纯金属的结晶温度。
图2-11 热分析装置示意图
图2-12 纯金属的冷却曲线
2.4.1.3 合金的结晶
合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结 晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一 恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内 进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所 以二者的冷却曲线是不相同的。
2.4.1.2 纯金属的结晶
用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。
目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属 的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置 将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一 定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所 示。
2.3.2.3 面缺陷
面缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图2-10(a)、(b)所示。
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。
2.4.1.5 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)。 如图2-13所示为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。
图2-11 热分析装置示意图
图2-12 纯金属的冷却曲线
2.4.1.3 合金的结晶
合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结 晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一 恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内 进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所 以二者的冷却曲线是不相同的。
2.4.1.2 纯金属的结晶
用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。
目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属 的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置 将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一 定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所 示。
2.3.2.3 面缺陷
面缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图2-10(a)、(b)所示。
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。
2.4.1.5 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)。 如图2-13所示为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。
金属的晶体结构与结晶.
（1）晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从 而加强了金属内部的结合力。 （2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动 力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态 金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
图1-11a 石墨的晶格
图1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定 的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶 格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组 成物的晶粒。
机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间， 并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。
晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律， 可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并 将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架， 简称晶格，如图1-4b)所示。
晶胞：即晶格中最小的几何单元。
晶体结构
晶格
晶胞
图１－4 晶体结构示意图
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方 晶格和密排六方晶格等三种类型。 １.体心立方晶格
如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和 固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能 介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？ 2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？ 3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
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小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从 而加强了金属内部的结合力。 （2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动 力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态 金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
图1-11a 石墨的晶格
图1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定 的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶 格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组 成物的晶粒。
机械混合物的力学性能通常介于各组成物之间， 并取决于各组成物的含量、性能、分布和形态。
晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律， 可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并 将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架， 简称晶格，如图1-4b)所示。
晶胞：即晶格中最小的几何单元。
晶体结构
晶格
晶胞
图１－4 晶体结构示意图
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方 晶格和密排六方晶格等三种类型。 １.体心立方晶格
如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）和 固溶体（铁素体）组成的机械混合物，其力学性能 介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？ 2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？ 3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
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小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。
02第二章 金属的晶体结构与结晶
组织。
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 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
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 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
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1
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非晶体：原子是杂乱无章的堆积在一起无规则可循。
晶体与非晶体的根本区别在于其内部原子的排列是否规则。
晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。
➢ 在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外， 包括金属和合金在内的绝金属大晶体多结构数与结固晶 体都是晶体。
3.1 金属的结构
(2)晶格、晶胞、晶格常数
这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒 内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越 细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的 机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固， 强度和韧性就越好。 金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
2、细化晶粒的方法
（1）增加过冷度 增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。
体心立方晶格晶胞金中属晶的体原结构子与结数晶n = 1 + 8 X 1/8 = 2
3.1 金属的结构
2、面心立方晶格
面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成 立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心 立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和γ-Fe等。
面心立方晶格晶胞中金的属晶原体结子构数与结n晶= 6 X 1/2 + 8 X 1/8 = 4
3.1 金属的结构
三、金属的实际晶体结构
1、单晶体与多晶体的概念 ➢ 单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。 ➢ 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒
之间的界面称为晶界。
晶
晶
粒
界
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
2、晶体中的缺陷 （1）点缺陷
最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这 些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能 的变化。
位错线的密度可用单位体积 内位错线的总长度表示。位 错密度愈大，塑性变形抗力 愈大。因此，目前通过塑性 变形，提高位错密度，是强 化金属的有效途径之一。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（3）面缺陷
面缺陷即晶界和亚晶界。 ➢ 晶界：晶粒之间原子无规
则排列的过渡层,又称大角 度晶界。 ➢ 亚晶界：晶粒内部亚组织 之间的边界，一系列刃型 位错所形成的小角度晶界。
晶格空位和间 隙原子的运动 是金属中原子 扩散的主要方 式之一，这对 热处理过程起 着重要的作用。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（2）线缺陷
晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶 体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位 错，如下图所示。
晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。 晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大， 金属的强度、硬度越高。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
结晶：金属由液态转变为固态晶体的现象叫做结晶。
一、纯金属的冷却曲线和冷却现象
1、冷却பைடு நூலகம்线
以极缓慢速度冷却
金属晶体结构与结晶
实际冷却条件下的冷却
3.2 纯金属的结晶
二、金属的结晶过程
纯金属结晶过程
➢晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
三、金属结晶后的晶粒大小
1、晶粒大小对金属力学性能的影响
金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可 以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。 为了方便测量，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直 径来表示。 实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的 强度、硬度、塑性和韧性。
金属晶体结构与结晶
形核率N 、长大速度G 与过冷度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小 的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核 的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理 金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁 振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶 而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以 增大形核率。
3.2 纯金属的结晶
2、过冷现象 ➢金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结
晶温度T0以下才开始结晶，这种现象称为过冷。
➢理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。
即△T ＝T0 －T1
➢纯金属结晶的条件是应当有一定的过冷度。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
➢冷却速度越金大属晶，体结则构与结过晶 冷度越大。
➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个 金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原 子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有 铬、钒、钨、钼和α-铁等。
α- Fe
意义：没有这一转变，铁碳合金（钢和铸铁）就不 可能通过多种热处理金来属晶改体结变构与其结晶组织和性能。
3.1 金属的结构
3、密排六方晶格
密排六方晶格如图所示。 在晶胞的十二个角上各有 一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个 原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方 晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、α-钛和 β-铬等。
密排六方晶格晶胞中的金属原晶体子结构数与n结=晶3 + 2 X 1/2 + 12 X 1/6 = 6
金属晶体结构与结晶
3.3 金属的同素异构转变
➢同素异构转变 金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格 的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转 变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡 （Sn）等。
金属晶体结构与结晶
以铁为例
3.3 金属的同素异构转变
δ- Fe
1394O C
γ - Fe 912OC
第三章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的结构 第二节 纯金属的结晶 第三节 金属的同素异构转变 第四节 合金的晶体结构 第五节 合金的结晶 第六节 金属铸锭的组织结构
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
一、晶体的基本概念 1、晶体与非晶体
晶体：原子在三维空间排列有规律,有熔点,各向异性。
固态物质
晶体与非晶体的根本区别在于其内部原子的排列是否规则。
晶体有一定的熔点，且性能呈各向异性，而非晶体与此相反。
➢ 在自然界中，除普通玻璃、松香、石蜡等少数物质以外， 包括金属和合金在内的绝金属大晶体多结构数与结固晶 体都是晶体。
3.1 金属的结构
(2)晶格、晶胞、晶格常数
这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒 内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越 细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的 机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固， 强度和韧性就越好。 金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
2、细化晶粒的方法
（1）增加过冷度 增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却转变速度。
体心立方晶格晶胞金中属晶的体原结构子与结数晶n = 1 + 8 X 1/8 = 2
3.1 金属的结构
2、面心立方晶格
面心立方晶格如图所示。在晶胞的八个角上各有一个原子，构成 立方体。在立方体的六个面的中心各有一个原子，所以叫做面心 立方晶格。属于这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和γ-Fe等。
面心立方晶格晶胞中金的属晶原体结子构数与结n晶= 6 X 1/2 + 8 X 1/8 = 4
3.1 金属的结构
三、金属的实际晶体结构
1、单晶体与多晶体的概念 ➢ 单晶体：晶体内部的晶格位向是完全一致。 ➢ 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。晶粒与晶粒
之间的界面称为晶界。
晶
晶
粒
界
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
2、晶体中的缺陷 （1）点缺陷
最常见的点缺陷是空位和间隙原子，如下图所示。因为这 些点缺陷的存在，会使其周围的晶格发生畸变，引起性能 的变化。
位错线的密度可用单位体积 内位错线的总长度表示。位 错密度愈大，塑性变形抗力 愈大。因此，目前通过塑性 变形，提高位错密度，是强 化金属的有效途径之一。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（3）面缺陷
面缺陷即晶界和亚晶界。 ➢ 晶界：晶粒之间原子无规
则排列的过渡层,又称大角 度晶界。 ➢ 亚晶界：晶粒内部亚组织 之间的边界，一系列刃型 位错所形成的小角度晶界。
晶格空位和间 隙原子的运动 是金属中原子 扩散的主要方 式之一，这对 热处理过程起 着重要的作用。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
（2）线缺陷
晶体中的线缺陷通常是各种类型的位错。所谓位错就是在晶 体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。 这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位 错，如下图所示。
晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。 晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大， 金属的强度、硬度越高。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
结晶：金属由液态转变为固态晶体的现象叫做结晶。
一、纯金属的冷却曲线和冷却现象
1、冷却பைடு நூலகம்线
以极缓慢速度冷却
金属晶体结构与结晶
实际冷却条件下的冷却
3.2 纯金属的结晶
二、金属的结晶过程
纯金属结晶过程
➢晶核的形成和晶核的长大，这两个步骤是同时进的。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
三、金属结晶后的晶粒大小
1、晶粒大小对金属力学性能的影响
金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可 以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。 为了方便测量，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直 径来表示。 实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的 强度、硬度、塑性和韧性。
金属晶体结构与结晶
形核率N 、长大速度G 与过冷度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理 变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细小 的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加晶核 的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理 金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁 振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成碎晶 而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，以 增大形核率。
3.2 纯金属的结晶
2、过冷现象 ➢金属在实际结晶过程中，从液态必须冷却到理论结
晶温度T0以下才开始结晶，这种现象称为过冷。
➢理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。
即△T ＝T0 －T1
➢纯金属结晶的条件是应当有一定的过冷度。
金属晶体结构与结晶
3.2 纯金属的结晶
➢冷却速度越金大属晶，体结则构与结过晶 冷度越大。
➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有一个 金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有一个原 子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格的金属有 铬、钒、钨、钼和α-铁等。
α- Fe
意义：没有这一转变，铁碳合金（钢和铸铁）就不 可能通过多种热处理金来属晶改体结变构与其结晶组织和性能。
3.1 金属的结构
3、密排六方晶格
密排六方晶格如图所示。 在晶胞的十二个角上各有 一个原子，构成六方柱体。上下底面中心各有一个 原子。晶胞内部还有三个原子，所以叫做密排六方 晶格。属于这类晶格金属有铍、镁、锌、α-钛和 β-铬等。
密排六方晶格晶胞中的金属原晶体子结构数与n结=晶3 + 2 X 1/2 + 12 X 1/6 = 6
金属晶体结构与结晶
3.3 金属的同素异构转变
➢同素异构转变 金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格 的转变过程称为同素异构转变或同素异晶转 变。如铁（Fe）、钴（Co）、钛（Ti）、锡 （Sn）等。
金属晶体结构与结晶
以铁为例
3.3 金属的同素异构转变
δ- Fe
1394O C
γ - Fe 912OC
第三章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的结构 第二节 纯金属的结晶 第三节 金属的同素异构转变 第四节 合金的晶体结构 第五节 合金的结晶 第六节 金属铸锭的组织结构
金属晶体结构与结晶
3.1 金属的结构
一、晶体的基本概念 1、晶体与非晶体
晶体：原子在三维空间排列有规律,有熔点,各向异性。
固态物质