第二章结构与结晶(热)
3.晶粒大小及控制 （1）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的确量度。用单位体积中晶粒的 数目Zv或单位面积上晶粒的数目Zs表示，也可以用晶 粒的平均线长度（直径）来表示。 Zv=0.9(N/G)3/4
Zs=1.1(N/G)1/2
在一般情况下,形核速率越大,长大速度越小，晶 粒越小, 则金属的强度, 塑性和韧性越好。工程上使晶
生了扭曲—晶格畸变，
使金属的电阻率、屈服 强度增加，金属的密度
发生变化。
2.线缺陷
线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。
它包括各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶 体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的
错排现象。最典型为刃型位错。
位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即
第二节 实际金属结构
一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶
体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。
实际晶体中存 在的晶体缺陷，按
缺陷几何特征可分
为以下三种：
1.点缺陷
点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子
直径的缺陷。 ⑴空位； ⑵间隙原子； ⑶置换原子，如图所示。 点缺陷破坏了原子 的平衡状态，使晶格发
为二次结晶或重结晶。
理论结晶温度T0或熔点是固态和液态的能量相等的温 度。
理论结晶温度T0 与开
始结晶温度Tn之差叫做过 冷度，用Δ T表示。 Δ T= T0—Tn 冷却速度越大，则 开始结晶温度越低，过 冷度也就越大。 过冷是结晶的必要 条件
二、金属的结晶过程 液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本 过程来实现的。
2 4
a
具有面心立方晶格的金属：γ -Fe、Ni、Al、Cu、
3.密排六方晶格（hcp晶格） 密排六方晶格的晶胞如图所示。
a 晶格常数： b c , c a
1 . 633 , 90 ， 120 .
原子半径：r
1 2
a
晶胞所含原子数 ：6个原子。
具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α Ti等。
五、铸锭结构及其控制 把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件 的工艺叫做铸造。 1.铸锭结构 最典型的铸造结构为三
晶区组织。
⑴细等轴晶区 在铸锭的 表层形成的一层厚度不大、
晶粒很细的区域。
⑵柱状晶区 ⑶粗等轴晶区
２.铸锭的缺陷
（１）缩孔和疏松
（２）宏观偏析
三、单晶体的各向异性
金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的
各向异性。 1. 晶面和晶向的概念 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。 2 . 晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方 式和排列紧密程度是不一样的。 3. 多单晶体的伪各向同性
L V
式中，ρ 为位错密度（m-2）；Σ L为位错线的总长度 （m）；V为体积（m3）。位错的存在极大地影响金属的 力学性能，如图所示。
3.面缺陷
面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。 金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。 晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所 示。亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。 晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。
第三节 非金属晶体
一、离子晶体
正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的晶体。
如NaCl晶体结构如图所示。 离子晶体的硬度高、 热膨胀系数小，但脆性 大，具有很好的绝缘性。 典型的离子晶体是无色 透明的。
二、 共价晶体键
以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合 的晶体。如金刚石，硅酸盐等
共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高， 挥发度低。
第二章 晶体结构与结晶
第一节 金属的晶体结构
一、晶体的基本概念
所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重 复排列的一类物质。 晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。从晶格中
取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，
称为晶胞。晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。
二、常见的金属晶格
1.体心立方晶格（bcc晶格） 体心立方晶格的晶胞如图所示。
三、结晶型高分子聚合物
高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分
子链之间的几何排列或堆砌结构,也称超分子结构。依分
子在空间排列的规整性可将高聚物分为结晶型、部分结 晶型和无定型(非晶态)三类。
第四节金属的结晶 一、结晶的概念
金属从液态转变为晶态固体的过程称为结晶。通常
把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。而 把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称
2）树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶 体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度， 这时长大
三、影响形核和长大的因素 成核速率N 为单位时间单位体积 形成的晶核数（个/m3·s), 长大速 度G为单位时间晶体长大的长度 （m/s) 。 （1）过冷度的影响 随着过冷度的增加, 形核速率 和长大速度均会增大。当过冷度进 一步增大时，成核速率增大更快， 因而比值N/G也增大, 结果使晶粒 细化。 （2）难熔杂质的影响 增加晶核的数量，使晶粒细化。
图2-5
金属结晶示意图
⑴晶核的形成
1）自发形核 从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的 过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。
2）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核， 形成的结晶核心叫做非自发晶核。
⑵晶体的长大 1）平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以 其表面向前平行推移的方式长大。
剂或变质剂，以细化
晶粒和改善组织。
108 47.5
四、同素异构转变 金属在固态下随温度的改变，由一 种晶格转变为另一种晶格的现象，称 为同素异构转变。
Fe Fe Fe
bcc fcc bcc 1394℃ 912℃
铁的同素异构转变是钢铁材 料能够进行热处理改性的内因和 依据。 同素异构转变是在固态下完 成的，也是通过形核、长大来完 成的。称为重结晶。
粒细化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种
方法称为细晶强化。
晶粒度与力学性能的关系 （2）晶粒大小的控制
晶粒度 σb 晶粒数 /mm2 (Mpa)
σs 46 70
δ
1）增大过冷度
2）变质处理：在 液体金属中加入孕育
(Mpa) (%)
6.3 51 194
237 274 294
35.3 44.8
晶格常数： a=b=c,α =β =γ =90°；原子半径：r 晶胞所含原子数： 2个原子。 V、Nb等30余种金属。
3 4
a
具有体心立方晶格的金属：α -Fe、β -Ti、Cr、W、Mo、
2.面心立方晶格（fcc晶格） 面心立方晶格的晶胞如图所示。
晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°；原子半径： r 晶胞所含原子数 ：4个原子。 Pb、Au、Ag等。
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。
第2章晶体结构和晶体
点缺陷示意图
化工学院
§2-2 实际金属结构 2.线缺陷
晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原 子发生了有规律的错排现象。这种错徘现象是晶体内部局部滑移造成的，根 据局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，如图所示为常见的一种刃 型位错。由于该晶体的右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格的上 半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好象在晶格中额外插入了半层原子面 一样，该多余半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围，晶格发生了 畸变。 化工学院
化工学院
§2-4 金属的结晶
三、金属的结晶过程
液态金属的结晶过程分为晶核形成和晶核的成长两个阶段 晶核的形成，一是由液态金属中一些原子自发地聚集在一起，按金属晶体 的固有规律排列起来称为自发晶核。二是由液态金属中一些外来的微细固态 质点而形成的，称为外来晶核 当液体冷却到结晶温度后，一些短程有序的原子团开始变得稳定，成为极 细小的晶体，称之为晶核。随后，液态金属的原子就以它为中心，按一定的 几何形状不断地排列起来，形成晶体。晶体在各个方向生长的速度是不一致 的，在长大初期，小晶体保持规则的几何外形，但随着晶核的长大，晶体逐 渐形成棱角，由于棱角处散热条件比其它部位好，晶体将沿棱角方向长大， 从而形成晶轴，称为一次晶轴；晶轴继续长大，且长出许多小晶轴，二次晶 轴、三次晶轴、…，成树枝状，当金属液体消耗完时，就形成晶粒。
化工学院
§2-2 实际金属结构
一、多晶体结构
单晶体的金属材料除专门制作外基本上不存在，如半导体工业中的单 晶硅。实际的金属结构包含许多小晶体，每个小晶体的晶格是一样的，但 各小晶体之间彼此方位不同。 每个小晶体具有不规则的颗粒状外形，即晶粒，两相邻晶粒之间之间 的界面不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列总是不规则的，这 种多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。一般情况下，多晶体中不显各向异 性。为什么？
第二章 金的晶体结构与结晶
第二章 金属的晶体结构与结晶不同的金属材料具有不同的力学性能；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。
金属性能的这些差异，完全是由金属内部的组织结构所决定的。
因此，研究金属的晶体结构及其变化规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。
第一节 金属的晶体结构一、晶体与非晶体固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。
晶体：凡原子(或分子)按一定的几何规律作规则的周期性重复排列的物质，称为晶体；非晶体：原子(或分子)无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。
自然界中，除少数物质(如松香、普通玻璃、石蜡等)属于非晶体外，大多数固态物质都是晶体。
由于晶体内部原子(或分子)的排列是有规则的，所以自然界中许多晶体都具有规则的外形，如结晶盐、水晶、天然金刚石等。
但晶体的外形不一定都是有规则的，如金属和合金等，这与晶体的形成条件有关。
因此，晶体与非晶体的根本区别还在于其内部原子(或分子)的排列是否有规则。
晶体与非晶体的区别还表现在许多性能方面，如晶体具有固定的熔点(或凝固点)、具有各向异性的特征。
而非晶体则没有固定的熔点(或凝固点)，具有各向同性的特征。
显然，气体和液体都是非晶体。
特别是在液体中，虽然其原子(或分子)也是处于紧密聚集的状态，但不存在周期性排列，所以固态的非晶体可以看成是一种过冷状态的液体，只是其物理性质不同于通常的液体而已，玻璃就是一个典型的例子，故往往将非晶体称为玻璃体。
非晶体在一定条件下可以转化为晶体，如玻璃经高温长时间加热后能形成晶态玻璃。
而通常呈晶态的物质，如果将它从液态快速冷却下来，也可能成为非晶体，如金属液的冷却速度超过10℃／s时，可得到非晶态金属。
二、金属晶体的特性晶体又分为金属晶体和非金属晶体两类。
金属晶体除具有晶体所共有的特征外，还具有独特的性能，如金属具有金属光泽、良好的导电性和导热性、良好的塑性及正的电阻温度系数等。
这主要与金属的原子结构及原子问的结合方式有关。
第二章 晶体结构与结晶
α-Fe
γ-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部 位发生（如晶界、 位发生（如晶界、晶内 缺陷、特定晶面等）。 缺陷、特定晶面等）。
锡 疫
固态相变的晶界形核
⑵由于固态下扩散困难，因 由于固态下扩散困难， 而过冷倾向大。 而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化， 固态转变伴随着体积变化，
（2）细化晶粒的方法 ）细化晶粒的方法
1）增大过冷度——提高液体金属的冷却速 增大过冷度 过冷度——提高液体金属的冷却速 度。 2）变质处理——在金属中加入能非自发形 变质处理——在金属中加入能非自发形 核的物质，增加晶核的数量或者阻碍晶核长 核的物质， 大。 3）振动或搅拌——造成枝晶破碎细化（增 振动或搅拌——造成枝晶破碎细化 造成枝晶破碎细化（ 加新生晶核）。 加新生晶核）。
(2)晶核长大 (2)晶核长大
晶核长大：即金属结晶时， 晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为 晶体的过程。 晶体的过程。 两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长 树枝 状生 长 平面生长
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
枝晶形成的原因： 枝晶形成的原因：
式中 ΔT——过冷度（℃）； ΔT——过冷度 过冷度（ ——金属的理论结晶温度 金属的理论结晶温度（ T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； ——金属的实际结晶温度 金属的实际结晶温度（ Tn ——金属的实际结晶温度（℃）。
金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。 金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。
（4）铸锭的缺陷 ）
1、缩孔（集中缩孔） 、缩孔（集中缩孔） --最后凝固的地方 最后凝固的地方 2、缩松（分散缩孔） 、缩松（分散缩孔） --枝晶间和枝晶内 枝晶间和枝晶内 3、气孔（皮下气孔） 、气孔（皮下气孔）
第二章 纯金属的结晶
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。
第二章 纯金属的结晶
均匀形核时的能量变化
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成 假设过冷液体中出现一个半径为 r 的球形晶胚，它所引起的自由能变 化为： 4 3 G r GV 4r 2 3 在开始时，表面能项占优势，当r增加 到某一临界尺寸后，体积自由能的减 少将占优势。于是在ΔG与r的关系曲 线上有一个极大值ΔGK，与之对应的r 值为rK。 对上式进行处理，得到临界晶核半径 rK为：
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
临界晶核半径rK为：
2Tm 2 rK GV HT
晶核的临界半径rK与过冷度ΔT成反比，过冷度 越大，则临界半径rK越小。另外已经知道，相 起伏的最大尺寸rmax与温度有关，温度越低， 过冷度越大，相起伏的最大尺寸rmax越大。 rmax = rK 所对应的过冷度ΔT K称为临界过冷度。
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
在过冷液体中形成固态晶核时，若液相中各个区域出 现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式为均匀形核， 又称为均质形核或自发形核；
若新相优先出现在液相中某些区域，则称为非均匀形 核，又称为异质形核或非自发形核。 均匀形核是指液态金属绝对纯净，无任何杂质，也不 和型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接 形核的理想情况。实际的液态中，总是或多或少地含有某 些杂质，晶胚常常依附于这些固态杂质质点（包括型壁） 上形核，所以，实际金属的结晶主要是按非均匀形核方式 进行。
液体
晶体
液体中的相起伏
第二章 纯金属的结晶 2.3 金属结晶的结构条件 在液态金属中，每一瞬间都涌 现出大量的尺寸不等的近程有序 原子集团。
相起伏的最大尺寸rmax与温度 有关，温度越高，尺寸越小；温 度越低，尺寸越大，越容易达到 临界晶核尺寸。 根据结晶的热力学条件，只 有在过冷液体中出现的尺寸较大 的相起伏才能在结晶时转变为晶 核，称为晶胚。 最大相起伏尺寸与 过冷度的关系
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。
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
35
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。
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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