金属的结构与结晶
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。
金相基础-金属结构与结晶
原子半径 0.05 nm
由正离子和共有电子以静电引力键合的形式即为金属键
3. 纯金属的晶体结构
体心立方晶格（如铁素体， Cr , Mo 等） 面心立方晶格（如奥氏体，Ni , Al 等） 密排六方晶格（如 Zn , Mg ,Cd 等）
金属化合物 ，其晶格类型和性能均不同于 任一组元。如渗碳体Fe3C。
Fe---C
Cu---Ni
间隙化合物--- Fe3C
一个碳原子在由6个铁原子构成的正八面体的体心位置 --- Fe3C晶胞结构
三种典型金属结构的晶体学特点
第二节 纯金属及合金的结晶
1. 纯金属 结晶 结晶金属由液态转变为固态的过程，称为凝固，亦称结晶。 过冷度实际结晶温度与理论结晶温度的差値，称为过冷度。 结晶过程分两步： 形 核－晶核的形成以非自发形核为主，如液体变固体：制造半导体
第一章 金相检验基础
第一节 金属与合金的晶体结构 1. “金属”定义和特点
金属是由众多原子（确切地说离子）组成的 集聚状态, 原子的排列有特定的规则。
金属的特征（不透明、高的导电导热性、有 金属光泽、高的强韧性和正的电阻温度系数等） 取决于金属原子的规则排列。 2. “晶体”定义和特点
原子呈规则排列的物质都是晶体。固体金属 都是晶体（部分的非金属也为晶体）。晶体具有 均匀性，各向异性， 固定的熔点，结构对称等 特点。
发达的 柱状晶
第三节 金属性能的分类
金属 性能
物理性能
化学性能
力学性能
工艺性能 #
密度 性
熔点
能 热膨胀
参
导热 数
耐腐蚀 抗氧化
强度 塑性 韧性 疲劳 硬度
金属的晶体结构与结晶
具有规则的几何形状
性能特点
有一定的熔点，性能 没有规则的几何形状 呈各向异性（在各个 没有固定的熔点，性 方向上具有不同的性 能呈各向同性 能） 石英、云母、食盐、 玻璃、蜂蜡、松香、 糖、味精、固态金属 沥青、橡胶
典型物质
二、金属的晶格类型
晶体中原子排列的情况
晶格
●晶格与晶胞 晶格 表示原子在晶体
振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
三、同素异构转变
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。
纯铁的同素异构转变
912 C
-Fe
-Fe
T
1538
-Fe
1394
-Fe
912
770
-Fe
铁磁性
纯铁冷却曲线图
t
注意：
金属的同素异构转变也是一种结晶的过程， 故又称为重结晶，铁的同素异构转变是钢铁能够 进行热处理的依据。 通过同素异构转变，可使金属在固态下 重组晶粒，获得所需性能，也就是说在不改 变零件尺寸、形状的情况下使其内部组织结 构和性能发生改变。
中排列规律的空间格架
晶胞
能完整反映晶格特征的最小几何单元
晶胞
● 三种常见的金属晶体结构
1.体心立方晶格
2.面心立方晶格
3.密排六方晶格
1.体心立方晶格
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方 体的中心 如：铬Gr、钒V、钨W、钼Mo、铌Nb、 α-Fe等
2、面心立方晶格
晶胞是一个立方体，原子位于立方体的八个顶点和立方体 的六个面的中心 如：铜Cu、铝Al、铅Pb、镍Ni、γ-Fe等
晶界
2.单晶体与多晶体 只有一个晶粒组成的晶体称 为单晶体，如图所示
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
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
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
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。
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金属的结构与结晶
一、判断题
1、非晶体具有各向同性的特点。
( )
2、金属结晶时，过冷度越大，结晶后晶粒越粗。
( )
3、一般情况下，金属的晶粒越细，其力学性能越差。
( )
4、多晶体中，各晶粒的位向是完全相同的。
( )
5、单晶体具有各向异性的特点。
( )
6、金属的同素异构转变是在恒温下进行的。
( )
7、组成元素相同而结构不同的各金属晶体，就是同素异构体。
( )
8、同素异构转变也遵循晶核形成与晶核长大的规律。
( )
9、金属的同素异构转变也是一种结晶过程。
( )
10、非晶体具有各异性的特点。
( )
11、晶体的原子是呈有序、有规则排列的物质。
( )
12、非晶体的原子是呈无序、无规则堆积的物质。
( )
13、金属分为黑色金属和有色金属。
( )
14、大多数晶格的晶粒都是固定不变得。
( )
15、金银铜铁锌铝等都属于金属而不是合金。
( )
16、金属材料是金属及其合金的总称。
( )
17、最常用的细化晶粒的方法是变质处理。
( )
18、金是属于面心立方晶格。
( )
19、银是属于面心立方晶格。
( )
20、铜是属于面心立方晶格。
( )
21、单晶体是只有一个晶粒组成的晶体。
( )
22、晶粒间交接的地方称为晶界。
( )
23、晶界越多，金属材料的性能越好。
( )
24、结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体状态的过程。
( )
25、纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。
( )
26、金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成。
( )
27、只有一个晶粒组成的晶体成为单晶体。
( )
28、晶体缺陷有点、线、面缺陷。
( )
29、面缺陷分为晶界和亚晶界两种。
( )
30、纯铁是有许多不规则的晶粒组成。
( )
31、晶体有规则的几何图形。
( )
32、非晶体没有规则的几何图形。
( )
33、铝具有密度小熔点低导电性导热性好的性能特点。
( )
34、面缺陷有晶界和亚晶界两大类。
( )
35、普通金属都是多晶体。
( )
36、物质是由原子和分子构成的。
( )
37、所有金属都是晶体。
( )
38、金属的同素异构转变也是一种结晶过程， 故又称为重结。
( )
39、常见的三种金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。
( )
40、即使是相同的原子构成的晶体， 只要原子排列的晶格形式不同， 则他们之间 的
性能就会存在很大的差别。
( )
41、晶粒间交界的地方称为晶粒。
( )
42、点缺陷分有间隙原子，空位原子和置代原子 3 大类。
( ) 二、选择题
1、a-Fe 是具有 ( ) 晶格的铁。
A 、体心立方 B 、面心立方 C 、密排立方
2、纯铁在 1450摄氏度是具有 ( ) 晶格，在1000摄氏度时具有 ( ) 晶格， 在 600 摄氏度时具有 (
) 晶格。
A 、 a-Fe
B 、 y-Fe
C 、 &-Fe
3、 a-Fe 转变为 y-Fe 时的温度为 ( ) 摄氏度。
A 、 770 B 、 912 C 、 1538
4、物质是由原子和 ( ) 构成。
A 、质子 B 、分子 C 、铜子
5、 原子其存在形式为液态、气态和 ( ) 。
A 、 固态
B
、气态
C
、 物态
6、 所有金属都是 ( ) 。
A 、非晶体 B 、晶体 C 、固晶体
7、 ( ) 是原子呈有序、有规则排列的物质。
A 、晶体
B 、非晶体
C 、晶格
8、 ( ) 具有规则的几何图形。
A 、晶体
B 、非晶体
C 、晶格
9、 原子的最小单元是 ( ) 。
A 、晶格 B 、晶体 C 、晶胞
10、
( ) 的原子呈无序、无规则堆积的物质。
A 、晶体
B 、非晶体
C 、晶格 11、 非晶体没有规则的 ( )。
A 、 几何图形
B 、几何元素
C 、几何位置 12、体心立方晶格有 ( ) 个顶
点。
A 、 6
B 、 8
C 10
13、面心立方晶格有 ( )
个顶点。
A 、 6
B 、 8
C
10
14、常见的晶体缺陷不包括( ) 。
A、点缺陷 B 、线缺陷C 面缺陷D 断裂
15、晶粒间交界的地方称为( ) 。
A、晶粒 B 、晶界C 、晶格
16、金(Au)是( ) 。
A体心立方晶格 B 、面心立方晶格 C 、密排六方方晶格17 、只有一个( ) 组成的晶体称为单晶
体。
A、晶粒 B 、晶格C 、晶界
18、晶体缺陷有() 大类。
A、3 B 、4 C 、5
19、点缺陷有( ) 大类。
A、3 B 、4 C 、5
20、铁是( ) 。
A体心立方晶格 B 、面心立方晶格、 C 、密排六方方晶格21、银是( ) 。
A体心立方晶格 B 、面心立方晶格、 C 、密排六方方晶格
22、石英属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
23、云母属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
24、明矾属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
25、食盐属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
26、蔗糖属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
27、味精属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
28、玻璃属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
29、蜂蜡属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
30、松香属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
31 、沥青属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格
32、橡胶属于( ) 。
A、晶体 B 、非晶体 C 、晶格。