晶体的结构与结晶

非 晶 体 的 特 点
• 原子在三维空间呈不规则的排列。 • 没有固定熔点，随着温度的升高将逐 渐变软，最终 变为有明显流动性的液 体。如塑料、玻璃、沥青等。 • 各个方向上的原子聚集密集大致相同， 即具有各向同性。
2、晶体结构的基本概念
晶体中的原子排列
为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成 是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的 中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架 的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式 的几何空间格架，简称晶格。
1.点缺陷 点缺陷是指在三维尺度上都很小的, 不超过几个原子直径的 缺陷。 （1）空位 在晶体晶格中, 若某结 点上没有原子, 则这结点称为空位。 （2）间隙原子 位于晶格间隙之中的 原子叫间隙原子。 （3）异类原子
异类原子比金属原子半径大
异类原子比金属原子半径大
• 点缺陷 空间三维尺寸都
很小的缺陷。
r 2 a
⑷晶胞所含原子数 6个原子。
(5)致密度 74%。 (6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。
4、立方晶系的晶面、晶向表示方法
在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。 表示晶面的符号称为晶面指数。 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。 表示晶向的符号称为晶向指数。
3、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 V为晶胞体积。
体心立方晶格（bcc晶格）
二、金属的同素异构转变
许多金属在固态下只有一种晶体结构，如铝、铜、银等金 属在固态时无论温度高低，均为面心立方晶格。钨、钼、钒等 金属则为体心立方晶格。但有些金属在固态下，存在两种或两 种以上的晶格形式，如铁、钴、钛等。这类金属在冷却或加热 过程中，其晶格形式会发生变化。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。
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，反之为反方向，并以棱边长度 （晶格常数）和棱面夹角（α、β、γ）来表示 晶胞的形状和大小 。
（二）、结晶过程 金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。 1. 形核 液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的 核心叫做晶核。形核有两种方式。 (1) 自发形核 在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。 当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不 再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。这种由液态金属 内部由金属原子自发形成的晶核叫自发晶核。
纯铁的同素异构转变
δ-Fe 1538cº
体心立方
γ -Fe 1394º c
面心立方
α- Fe 912º c 室温
体心立方
金属的同素异构转变的意义 可以用热处理的方法即可通过加热、保温、冷却来改变材 料的组织，从而达到改善材料性 能的目的。 金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，故称为 二次结晶或重结晶。在发生同素异构转变时金属也有过冷现 象，也会放出潜热，并具有固定的转变温度。新同素异构晶体 的形成也包括形核和长大两个过程。同素异构转变是在固态下 进行，因此转变需要较大的过冷度。由于晶格的变化导致金属 的体积发生变化，转变时会产生较大的内应力。例如 γ -Fe转 变为α - Fe时，铁的体积会膨胀约1％。它可引起钢淬火时产生 应力， 严重时会导致工件变形和开裂。
过冷度是结晶的必要条件
自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋 向于能量最低的稳定状态。在一定温度条件下，只有那些引起 体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能 自发进行。 液态金属和固态金属的自由能-温度关系曲线中，两条曲 线交点所对应的温度To即为理论 结晶温度或熔点。液态金属要结 晶，温度必须低于To ，也就是 说要有一定的过冷度。此时金属 在液态和固态之间存在一个自由 能差（Δ F ）。Δ F 就是液态金 属结晶的动力。
热分析法原理
纯 金 属 结 晶 时 的 冷 却 曲 线
温 度 To T1
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)

实际冷却曲线
时间
T0：平衡结晶温度（理论结晶温度） T1：纯金属的实际结晶温度
冷却曲线中To为金属的熔点(又称理论结晶温度), T1为开始 结晶温度。曲线中斜线段为液态金属逐渐冷却, 水平段温度低 于理论结晶温度, 这种现象称为过冷现象。理论结晶温度To与 开始结晶温度 T1之差叫做过冷度, 用 ΔT 表示。 ΔT = To - T1
第二章
材料的结构与性能
内容提要： 本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶 体结构、晶体缺陷。 学习目标： 本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合 金的结构，了解金属材料的组织及性能。 学习建议： 1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及 其特点，应充分发挥空间想象力。 2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。 应掌握常见的晶面和晶向的表示方法。
不锈钢中的位错
螺型位错
3. 面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。金属 晶体中的面缺陷主要有两种: （1）晶界 晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。 （2）亚晶界 晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向 相差很小的所谓亚晶粒组成的。 晶界和亚晶界均可提高金属的强度。 晶界越多, 晶粒越细, 金属的塑性变形能力 越大, 塑性越好。
第一节
金属的晶体结构
一、晶体的基本知识 1、晶体和非晶体 晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非 晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作 周期性地排列 。 非晶体 非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起 （如松香、玻璃、沥青）
晶 体 的 特 点
• 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。 • 具有一定的熔点。如铁的熔点为1538℃，铜的熔 点为1083℃。 • 晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶 体具有各向异性。 • 在一定条件下有规则的几何外形。 晶体不同方向上性能不同的性质叫 做晶体的各向异性。
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
3 a 4
⑷晶胞所含原子数
2个原子
⑸致密度 68% K = n v′/ V 具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、 Nb等30余种金属。
面心立方晶格（fcc晶格）
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示
第四节
晶粒大小及其控制
一、晶粒度的概念
金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是 由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。 晶粒大小即晶粒度用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均 线长度（或直径）表示。晶粒度号越大晶粒越细。
第三节 金属的结晶与同素异构转变
金属一般都要经过熔炼、浇注成形或浇注成铸锭再经冷加工 成形，这样结晶形成的组织直接影响金属内部的组织与性能，所 以了解金属的结晶规律是十分必要的。（冶炼、注锭）
一、纯金属的结晶
物质从液体状态转变为固态晶体的过程称为结晶（crystallize）。 广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列 状态（晶态）的过程均属于结晶过程。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为二次结晶或重结晶。
⑵晶格常数 a=b=c,α=β=γ=90°
⑶原子半径
r
2 a 4
⑷晶胞所含原子数 (5)致密度 74%。
4个原子。
具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。
密排六方晶格（hcp晶格）
⑴原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 ⑶原子半径
c a b c, 1.633, 90， 120 . 1a
晶面指数的确定方法
在立方晶系中, 由于原子的排列 具有高度的对称性, 往往存在许 多原子排列完全相同但在空间位 向不同(即不平行)的晶面, 这些 晶面总称为晶面族, 用大括号表 示, 如{100 }。
晶向指数的确定方法
原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向 统称为晶向族, 用尖括号表示, 如: <100> = [100] + [010] + [001]
第二节
• 晶体的基本概念 • 金属晶体的缺陷：
实际金属的结构
点缺陷——晶体空格、间隙原子 线缺陷——位错 面缺陷——晶界、亚晶界
一、单晶体和多晶体
晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。 由多晶粒构成的晶体称为多晶体。
二、晶体缺陷
实际金属不是理想完美的单晶体, 由于受到 结晶及其他加工条件的影响，使得晶粒存在有许 多不同类型的缺陷。
液态金属中，金属原子作不规则运动。但在小范围内，原 子会出现规则排列。这些小范围内的规则排列称近程有序。这 种近程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。 通常的固态金属属于晶体材料，金属原子是规则排列，也 叫远程有序。 近程有序结构 远程有序结构
结晶
结构起伏
（一）、冷却曲线与过冷度
热 分 析 法

空位


间隙原子
置换原子
2. 线缺陷 线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。这就是位错 , 由晶体中原子平面的错动引起。 （1）刃型位错 在金属晶体中，由 于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分 出现一个多余的半原子面。 （2）螺型位错 晶体右边的上部点相对于 下部的距点向后错动一个原子间距，即右边 刃型位错 上部相对于下部晶面发生错动。 位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等 过程中形成。