2 金属的晶体结构与结晶
02第二章金属的晶体结构与结晶
02第二章金属的晶体结构与结晶金属晶体结构和结晶是金属学中非常重要的基础知识。
金属的晶体结构是指金属中原子或离子的排列方式，金属的结晶则是指金属从液态或气态转变为固态时，原子或离子按照一定的方式排列形成的晶体。
金属的晶体结构主要有两种：面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）。
在面心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和体心位置，形成紧密堆积的结构；在体心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和立方体中心位置，形成简单堆积的结构。
面心立方结构的特点是具有最高的密度，原子间的相互作用较强，因此具有较高的熔点和较好的导电性能。
典型的面心立方结构金属有铜、铝等。
体心立方结构的特点是具有较低的密度和较大的晶胞，原子间的相互作用较弱，因此具有较低的熔点和较差的导电性能。
典型的体心立方结构金属有铁、钨等。
金属的结晶过程分为凝固和晶体形核两个阶段。
凝固是指金属从液态或气态转变为固态的过程，形核则是指随着温度降低和原子间相互作用增强，形成新的晶胞。
金属的凝固过程受到多种因素的影响，如对流、缺陷和晶界等。
对流是指液态金属在凝固过程中的流动，容易形成非均匀结构；缺陷是指晶体中存在的原子空位或附加原子，对晶体性能有重要影响；晶界是指两个晶粒之间的边界，是金属中弹性较差区域。
金属的结晶方式主要有四种：脱溶结晶、化学结晶、物理结晶和相变结晶。
脱溶结晶是指金属从液态中直接凝固形成晶体，常见于无机盐的结晶；化学结晶是指金属通过化学反应形成固态产物，如金属氧化物的结晶；物理结晶是指金属通过物理方法产生晶体结构，如高温下的拉拔；相变结晶是指金属在相变点附近由液态转变为固态的结晶方式，如冶金过程中的凝固。
金属的晶体结构和结晶对金属的性能和应用有重要影响。
不同的晶体结构和结晶方式会影响金属的导电性、强度、延展性和热处理能力等性能。
因此，深入了解金属的晶体结构和结晶对于金属学的研究和应用具有重要意义。
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：
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
第02章金属的晶体结构与结晶
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。
金属材料与热处理第二章 金属的晶体结构与结晶
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
金属的晶体结构与结晶
✓ 良好的抗磁性等。
34
孕育处理：在液态金属中加入孕育剂或变 质剂，增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。
加入人 工晶核
晶粒 细化
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铝合金中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铁水中加入硅铁、硅钙合金； 铝硅合金中加入钠盐
振动
在金属结晶的过 程中采用机械振动、 超声波振动等方法， 可以破碎正在生长中 的树枝状晶体，形成 更多的结晶核心，获 得细小的晶粒。
棱边为空间坐标轴； b) 以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒
数； c) 将各倒数化为最小整数，加圆括号。
（hkl）
晶面族{hkl}
8
晶向指数的确定方法： a) 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边
为空间坐标轴； b) 过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向； c) 读出该方向任意一点的空间坐标值； d) 化为最小整数，加方括号。[uvw] 所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族<uvw>
Ni,Mn
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3)密排六方晶格 a.a夹角1200 n=(1/6) ×12+(1/2) ×2+3=6 密排方向a R=a/2 K=0.74 常见金属：Mg Zn Be
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四、晶体的各向异性 单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。 各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原
子密度和分布状态不同，从而导致不同方向 上的性能差异，这种现象叫各向异性。
9
致密度K：晶胞中原子所占体积与该晶 包体积之比。
对原子排列的紧密 程度进行定量比较！
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三、金属中常见的三种晶体结构
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
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1）体心立方晶格
A=b=c; α=β=γ=900
02第二章 金属的晶体结构与结晶
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
第二章金属的晶体结构与结晶详解
晶胞：能够完全反映 晶格特征的、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，反之为 反方向，并以（晶格常数） 棱边长度和棱面夹角来表示 晶胞的形状和大小 。
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。
3、晶面、晶向
•在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶 面。 •任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指 方向称为晶向。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 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
三、金属的结晶过程
结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变 大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。
金 属 结 晶 过 程 示 意 图
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 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。 金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形 成数目（mm3.s）]和长大率G（mm/s）
（３）面缺陷（晶界和亚晶界） 面缺陷使金属强度、硬度增高，塑性变形困难 ——“细晶强化”。
第二节 纯金属的结晶与铸锭 （二、三节合并）
• • • • • 凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的铸态组织