第三章 金属的结晶
金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件
一、 液态金属的结构特点
金属键：导电性，正电阻温度系数
近程有序：近程规则排列的原子集团
结构起伏：近程规则排列的原子集团是不
稳定的，处于时聚时散，时起时
伏，此起彼伏，不断变化和运动之
中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子
集团达到一定的尺寸时，可能成为
结晶核心称为晶核, 即由液态金属的 结构起伏提供了结晶核心。结构起
伏是金属结晶的结构条件。
二、 结晶过程
形核：液相中出现结晶核心即晶核；
晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新
晶核不断形成并长大；
不断形核、不断长大；
晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各
异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体
形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体
三、 结晶的过冷现象
用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、 结晶的热力学条件
热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
第二章 金属的晶体结构与结晶
教学目的及要求
通过本章的学习，使学生掌握常用纯金属的结构特点和性能特点，建立金属材料结构与性能之间的关系。
主要内容
1． 材料的结合方式
2． 金属的晶体结构与结晶
学时安排
讲课2学时。
教学重点
1．金属的三种典型的晶体结构
2．晶体缺陷及其对性能的影响
3．纯金属的结晶过程
教学难点
1． 金属材料的晶体结构
2． 各类缺陷对结构及性能的影响
第一节 纯金属的晶体结构
一、晶体结构的基本概念
晶体结构：指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。晶体结构不同，其性能往往相差很大。
晶格：为了便于分析研究，通常把将晶体中实际存在的原子、离子或原子集团等物质质点，抽象为空间中纯粹的几何点，而完全忽略它的物质性，这些抽象的几何点称为阵点。用假想的直线把这些阵点连接起来，得到周期性规则排列的三维空间格子称为晶格。
晶胞：组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元，称为晶胞。晶格可以看作是由许多大小和形状完全相同的晶胞紧密地堆垛在一起而成的。
晶格常数：晶胞各棱边的长度用a、b、c表示，称为晶格常数或点阵常数，其大小通常以埃为计量单位。晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。
在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。 配位数和致密度 ：表示晶格中原子排列的紧密程度。
配位数：指晶格中与任一原子处于相距最近并距离相等的原子数目；
致密度（K）：指晶胞中原子排列的致密程度，即晶胞中原子所占的体积与晶胞体积（V）的比值，比值K越大，致密度越大。
二、金属中常见的晶体结构类型
三种典型晶体结构特征：
特征
晶格 晶胞内原子数 r与a的关系 配位数 致密度 最密排
原子面 最密排原子方向 典型金属
体心立方（bcc） 2 r=3a/4 8 0.68 110 < 111> -Fe,W ,Cr,Mo,V
金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的晶体结构
固态物质按其原子排列规律的不同可分为晶体与非晶体两大类。原子呈规则排列的物质称为晶体，如金刚石、石墨和固态金属及合金等，晶体具有固定的熔点，呈现规则的外形，并具有各向异性特征；原子呈不规则排列的物质称为非晶体，如玻璃、松香、沥青、石蜡等，非晶体没有固定的熔点。
一、晶体结构的基本概念
在金属晶体中，原子是按一定的几何规律作周期性规则排列。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体。
图2.1 晶体、晶格与晶胞示意图
1．晶格
为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，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格子称为晶格。晶体中的每个点叫做结点。
2．晶胞
晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，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的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。
3．晶格常数
晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，如图2.1 c)所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数，以埃(Å)为单位来表示(1Å =10-8cm)。
当棱边长度a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。
二、常见金属的晶格类型
1．体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞是一个立方体，其晶格常数a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)×8+1=2个。具有体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、α铁(α-Fe)等。
第二章 金属的晶体结构与结晶
（一）教学内容
晶体结构的基本知识：晶格、晶胞、金属常见的晶格类型。金属的实际晶体结构：多晶体结构、点缺陷、线缺陷、面缺陷。纯金属的结晶：结晶的概念、结晶过程、晶粒大小对机械性能的影响、同素异构转变。铸锭的组织与缺陷。
（二）教学目的与要求：
本章阐述了晶体结构的基本知识，金属晶体结构常见的类型，金属的实际晶体结构和缺陷，金属的结晶过程，同素异构转变，铸锭的组织和缺陷。要求理解晶格、晶胞、实际金属的多晶体结构、结晶等概念。掌握金属晶体的三种常见晶格类型：面心立方、体心立方和密排立方晶胞。掌握实际金属点、线、面缺陷与金属机械性能的关系。掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对机械性能的影响，细化晶粒的措施，纯铁的同素异构转变。掌握铸锭组织的结晶形成过程，铸锭组织对性能的影响。
（三）重点、难点
借助模型帮助学生掌握金属常见的晶格结构类型。着重讲解实际金属的各种晶体缺陷的特征及其对金属机械性能的影响关系。借助冷却曲线建立过冷度的概念，以及过冷度与冷却速度、晶粒大小和金属机械性能的关系，建立金属同素异构转变的物理概念。
（四）考核知识点与考核要求
1.晶体与非晶体的区别（识记）
2.晶格、晶胞、晶格常数的基本概念（识记）
3．纯金属的三种晶体结构（识记，了解体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格的结构）
4．金属的冷却曲线及过冷现象（识记, 掌握实际金属点、线、面缺陷与金属机械性能的关系。）
5．金属的结晶过程（领会, 掌握纯金属结晶过程，过冷度与晶粒大小对机械性能的影响，细化晶粒的措施，纯铁的同素异构转变。）
6．金属的同素异构转变（识记, 掌握铸锭组织的结晶形成过程，铸锭组织对性能的影响。）
7．实际的晶体的构造（识记）
