金属材料的组织结构
金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)
金属组织结构的基本轮廓(晶粒、晶界、亚晶、晶体结构)1. 引言1.1 概述金属组织结构是材料科学领域中的一个重要研究内容，它涉及到金属材料的微观结构和性能之间的关系。
金属材料广泛应用于制造业和其他领域，因此深入了解金属组织结构对于提高材料性能、改进加工工艺以及开发新型高性能金属具有重大意义。
1.2 文章结构本文将从晶粒、晶界、亚晶和晶体结构四个方面来介绍金属组织结构的基本轮廓。
首先，我们将探讨晶粒的定义、特征以及形成机制与生长过程；其次，我们将详细研究晶界的定义、分类以及对材料力学性能的影响；然后，我们将介绍亚晶的定义、形成机制、观测方法以及研究进展；最后，我们将深入探讨晶体结构，并分析不同类型的晶格结构对材料性质的影响。
1.3 目的本文旨在向读者介绍金属组织结构的基本概念和特征，并探讨其与材料性能之间的关系。
通过对晶粒、晶界、亚晶和晶体结构的详细讨论，读者将能够了解金属材料中微观组织的形成原理以及不同组织结构对材料性质（如强度、塑性、导电性等）的影响。
这将为材料科学工作者和工程师提供有力的指导，以优化金属材料的设计和应用。
2. 晶粒晶粒是金属材料中的基本组织单位，它由大量的原子或分子有序排列而成。
每个晶粒内的原子结构和取向相对稳定，在固态材料中晶粒大小和形状各不相同，具有一定的特征。
2.1 定义与特征晶粒是由同一种晶体结构组成的半球或多面体区域，在结构上呈现出高度有序、周期性和规则性。
它们在材料中是随机分布的，并且相邻晶粒之间以边界进行分割。
每个晶粒具有自己独特的取向和晶格结构，这使得不同的晶粒在外部场合下会表现出不同的性质。
2.2 形成机制与生长过程初始时，金属材料以液态或气态形式存在。
当冷却或凝固时，从液态转变为固态，并开始形成初生晶核。
这些初生晶核会通过吸收周围溶质进行长大并扩张，直到与其他固相结合形成完整的晶体。
这个过程叫做再结晶或冷却结晶。
2.3 晶粒大小与材料性能的关系晶粒的大小对金属材料的性能具有重要影响。
金相学的研究范畴
金相学的研究范畴金相学是研究金属材料的组织结构、性质和变化规律的一门学科，是材料科学和工程学中的重要分支。
其研究范畴主要包括金属材料的显微组织、相变、热处理以及性能等方面。
一、显微组织金相学的主要研究对象是材料的显微组织。
金属材料的显微组织分为晶粒、晶界、孪晶以及包括夹杂物、气孔等缺陷。
显微组织的形成与材料的制备工艺、热处理工艺、变形工艺等密切相关。
通过金相显微镜观察金属材料的显微组织，可以对材料的性能进行评估并指导材料的制备和应用。
二、相变相变是指材料的组织结构在一定条件下发生的变化。
金属材料在加热、冷却、变形等过程中会发生不同类型的相变，如固态相变、相变时的凝固组织演变、固溶体相变、析出等。
相变的类型和规律对材料的性能产生重要影响，因此对金属材料的相变行为进行研究对材料的制备和应用具有重要意义。
三、热处理热处理是指通过加热和冷却等工艺手段，改变材料的组织结构和性能的过程。
金属材料的热处理工艺包括退火、淬火、回火等。
通过对金属材料进行不同的热处理工艺，可以改善材料的硬度、强度、塑性、韧性等性能，以适应不同的应用环境。
四、性能金相学研究的另一个重要方面是材料的性能。
金属材料的性能包括力学性能、物理性能、化学性能等。
其中，力学性能是指材料在力学加载下的变形和破坏行为，包括强度、硬度、延展性、韧性等；物理性能是指材料在外界条件下的物理变化行为，包括热膨胀系数、热导率、电导率等；化学性能是指材料与化学物质相互作用的性质，包括耐腐蚀性、化学稳定性等。
通过对材料性能的研究，可以为材料的制备和应用提供指导和优化。
金相学是研究金属材料的组织结构、性质和变化规律的一门学科。
其研究范畴涉及显微组织、相变、热处理和性能等方面。
通过对金属材料的研究，可以为材料的制备和应用提供指导，并推动材料科学和工程学的发展。
金属材料的组织结构
金属材料的组织结构晶体结构是金属材料中最基本的组织结构。
金属材料的晶体结构是由原子通过化学键的方式排列而成的。
金属晶体结构通常为紧密堆积或者是面心立方结构。
紧密堆积的晶体结构中，原子分布紧密，没有空隙，金属的密度较高。
而面心立方结构中，每个原子周围都有最靠近的三个原子，因此，金属的面心立方结构也是最密堆积的结构之一、晶体结构的不同将导致金属的性能也有所不同。
晶粒结构是金属材料中相当重要的组织结构。
晶粒是由具有相同晶体结构的晶体单元构成的。
在金属材料加工过程中，晶粒会逐渐生长，最终形成多个晶粒相邻而不连续的结构。
晶粒的大小和形状对金属的性能非常重要。
晶粒尺寸越大，金属的强度就越低，但是其塑性和韧性会增加；而当晶粒尺寸较小时，金属的强度会提高，但是韧性和塑性会降低。
晶粒形状的不均衡也会对金属的性能产生重要影响。
晶粒中的缺陷（如晶界、孪晶等）也会影响金属的强度和韧性。
相结构是金属材料中不同组分的混合结构。
金属材料可以由一个或者多个相组成。
相是指具有相同化学成分和结构的区域。
在金属材料中，不同相之间的晶粒大小和分布状态也会影响材料的性能。
例如，在金属合金中，可以通过控制相的种类和分布来调节材料的硬度、强度、抗腐蚀性等性能。
除了上述的基本组织结构外，金属材料中还存在一些其他的组织结构，如晶体缺陷、析出物和纹理等。
晶体缺陷是指晶体中的缺陷或者杂质。
晶体缺陷的种类包括点缺陷（如空位、间隙原子等）、线缺陷（如晶界、位错等）和面缺陷（如孪晶界等）。
晶体缺陷会影响金属的力学性能和电学性能。
析出物是金属中的第二相，它们通过固溶度和固相反应形成。
析出物的尺寸和形状也会影响材料的性能。
纹理是指金属材料中晶粒的方向分布，它会对材料的机械性能、磁性能等产生影响。
综上所述，金属材料的组织结构对其性能和用途有着重要影响。
晶体结构、晶粒结构和相结构是金属材料的基本组织结构。
晶体结构决定了金属的原子排列方式，晶粒结构影响金属的强度和韧性，相结构调节金属的性能调节。
常用金属材料的显微组织
03
钢铁材料的显微组织
钢的显微组织分类
铁素体
一种具有体心立方晶格 的相，在钢中通常作为
基体相。
奥氏体
一种具有面心立方晶格 的相，在钢的熔炼过程
中通常形成。
渗碳体
一种具有复杂晶格结构 的相，在钢中作为强化
相。
珠光体
由铁素体和渗碳体组成 的层状相，具有较好的
塑性和韧性。
钢材的显微组织特点
钢材的显微组织结构取决于其制造工艺，如熔炼、 轧制、热处理等。
马氏体
形状记忆合金中的马氏体是 一种有序的晶体结构，能够 通过加热或冷却实现形状的 变化。
奥氏体
形状记忆合金中的奥氏体是 一种无序的晶体结构，能够 通过加热或冷却实现形状的 恢复。
孪晶
形状记忆合金中的孪晶是一 种特殊的晶体结构，能够通 过温度变化实现形状的变化 和恢复。
06
金属材料显微组织的观察与分析方法
高温合金中的碳化物是一种硬质点，能够 提高材料的耐磨性和抗腐蚀性能。
精密合金的显微组织
特点 精密合金是一种具有优异物理、 化学和机械性能的金属材料，其 显微组织通常包括单相、双相、 多相等结构。
多相 精密合金中的多相组织由多种晶 体结构组成，如奥氏体、铁素体 和碳化物，能够提供优异的机械 性能和耐腐蚀性能。
铝及铝合金
纯铝具有轻巧和良好的导电性， 但强度较低。铝合金通过添加镁、 锰等元素来提高其强度和耐腐蚀
性。
钛及钛合金
钛是一种轻巧、高强度的金属， 具有良好的耐腐蚀性和生物相容 性。钛合金通过添加铝、钼等元 素来进一步提高其强度和耐腐蚀
性。
特殊金属材料
不锈钢
功能金属材料
不锈钢是一种具有高度耐腐蚀性和良 好机械性能的合金钢。常见的类型包 括奥氏体、马氏体和双相不锈钢。
金属材料的结构与组织
晶界结构示意图
晶界原子排列示意图
亚晶界 亚晶粒之间的边界（过 渡区），也称小角度晶界。它也 是一种原子排列不太规则的区域. 亚晶界是位错规则排列的结构。
例如，亚晶界可由位错垂直排列 成位错墙而构成。
亚晶界
• 面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能量高，影响范围
也较大。因此，晶界具有与晶粒内部不同的特性。
冷却曲线中出现水平线段，是因为 结晶时放出大量的结晶潜热，补偿 了金属向周围散失的热量。
纯金属冷却曲线
2.2 金属结晶过程
液态金属向固态转变经历形成晶核和晶核长大两个过
程。首先在液态金属中形成极小的晶体——晶核作为 结晶中心。此后，已形成的晶核不断长大，同时又不 断产生新的晶核并长大，直至液相完全消失。每个晶 核长大成为一个晶粒。
1.3 实际金属的晶体结构 实际金属的晶体结构与理想晶体的结构不同。实际金 属是由很多结晶位向不同的小晶体（即晶粒）组成， 晶粒内晶体的位向不同。 一般金属都是多晶体。晶粒之间的分界面称为晶界。
1Cr17不锈钢的多晶体
1. 单晶体与多晶体 • 单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。 如单晶Si半导体。
溶剂原子
溶质原子
溶质在间隙固溶体的溶解是有限的，故都是有限固溶体。 间隙固溶体中，溶质原子的排列是无序的，所以也都是无 序固溶体。
置换固溶体
溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶
格结点位置而形成的固溶体。 置换固溶体又可分为两类：
• 显微组织 在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小与分布。
3.2 合金的相结构
合金的相结构分为固溶体和金属化合物两大类。 1. 固溶体 合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且 结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含 量较多；另一组元为溶质，含量较少。 合金在固态下溶质原子溶入溶剂而形成的一种与溶 剂有相同晶格的相，称为固溶体。 固溶体的重要标志是它仍保持溶剂晶格。固溶体用α、 β、γ等符号表示。
金属在塑性变形中的组织结构与性能变化
6 材料在塑性变形中的组织结构与性能变化本章仅将简要地介绍冷形变及其后的加热过程、以及热形变过程对金属和合金的组织结构与性能的影响的主要理论。
6.1 冷形变后金属组织结构和性能的变化金属和合金在低于再结晶温度进行压力加工时，通常就称为冷形变或冷加工。
钢在常温下进行的冷轧、冷拔、冷挤、冷冲等压力加工过程皆为冷形变过程。
在冷形变过程中组织和性能都会发生变化。
6.1.1 金属组织结构的变化金属塑性变形的物理实质基本上就是位错的运动，位错运动的结果就产生了塑性变形。
在位错的运动过程中，位错之间、位错与溶质原子、间隙位置原子以及空位之间、位错与第二相质点之间都会发生相互作用，引起位错的数量、分布和组态的变化。
从微观角度来看，这就是金属组织结构在塑性变形过程中或变形后的主要变化。
塑性变形对位错的数量、分布和组态的影响是和金属材料本身的性质以及变形温度、变形速度等外在条件有关的。
单晶体塑性变形时，随着变形量增加，位错增多，位错密度增加，运动位错在各种障碍前受阻，要继续运动需要增加应力，从而引起加工硬化。
变形到一定程度后产生交滑移，因而引起动态回复，这些塑性变形过程中的变化已是我们所熟知的，不再细述。
多晶体塑性变形时，随着变形量增加和单晶体变形一样，位错的密度要增加。
用测量电阻变化、储能变化的方法，或者用测量腐蚀坑的方法以及电镜直接观测的方法都可以出金属材料的位错密度。
退火状态的金属，典型的位错密度值是105～108 cm -2，而大变形后的典型数值是1010～1012cm -1。
通过实验得到的位错密度（ρ）同流变应力（σ）之间的关系是：21ρασGb = （6-1） 式中：a —等干0．2～0．3范围的常数；G —剪切弹性模量；b —柏氏矢量。
多晶体塑性变形时，因为各个晶粒取向不同，各晶粒的变形既相互阻碍又相互促进，变形量稍大就形成了位错胞状结构。
所谓胞状结构，是变形的各种晶粒中，被密集的位错缠给结区分许多个单个的小区域。
金属材料的耐磨性与疲劳性能分析
金属材料的耐磨性与疲劳性能分析在工业生产中，金属材料的耐磨性和疲劳性能是重要的性能指标。
耐磨性是指金属材料在摩擦和磨损的作用下能够保持良好的表面质量和机械性能的能力。
而疲劳性能则是指金属材料在受到交替载荷作用下，能够保持一定的力学性能和寿命的能力。
本文将对金属材料的耐磨性和疲劳性进行分析。
一、耐磨性能分析金属材料的耐磨性是指在磨损环境下，金属的表面不能过度磨损或产生裂纹、麻点、氧化等缺陷。
金属材料的耐磨性能主要是由金属材料的化学组成、金相组织结构、硬度和表面粗糙度等因素决定的。
1.金属材料的化学组成金属材料的化学组成对其耐磨性具有重要影响。
铁基金属在含氧气氛下容易产生氧化层，从而影响材料的耐磨性。
而合金化能使金属获得更好的耐腐蚀性、耐磨性和强度。
2.金相组织结构金相组织结构主要由晶粒尺寸、晶体形状、相的数量和组成、氧化物、夹杂物和缺陷等因素决定。
通常，细小均匀的晶粒、紧密无缺陷的结晶和良好的晶界结合能够提高金属材料的耐磨性。
3.硬度金属材料硬度高的话，摩擦面之间的接触压力也会增加，这样对于磨损接触面的微观垫层和垫层上形成的氧化物、夹杂物的剪切和破裂所需的引致力也会增加。
所以，金属材料的硬度越高耐磨性能越好。
4.表面粗糙度金属材料的表面粗糙度也对其耐磨性能有影响。
通常，表面粗糙度越小，表面的揉合层和磨损层也会越小，摩擦阻力也会减小，从而提高了金属材料的耐磨性。
二、疲劳性能分析一般情况下，金属材料的机械件在使用过程中都会遭到交替载荷的作用，这些载荷也就是往复拉伸和压缩的力，造成了所谓的“疲劳断裂”。
疲劳性能是指金属材料在长期使用过程中承受交替载荷作用下，能够保持一定的力学性能和寿命的能力。
金属材料的疲劳性能主要取决于材料的组织结构、载荷的频率、幅值和材料的应力水平。
1.金属材料的组织结构金属材料的组织结构对其疲劳性能有很大影响。
疲劳寿命是一种热态性能，组织结构中的组织成分、晶粒大小、晶界等都会对疲劳寿命产生影响。
金属材料的结构与组织
金属材料的结构与组织金属材料是指由金属元素组成的材料，具有优良的电导和热传导性能，因此广泛应用于工业制造和建筑领域。
金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响，以下将从晶体结构、晶粒大小、晶界和位错等方面介绍金属材料的结构与组织。
首先是金属材料的晶体结构。
金属是由多个金属原子组成的晶格结构，具有高度的有序性。
常见的金属结构包括面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP）。
FCC结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，原子间的距离相等，如铝和铜。
BCC结构中，每个原子周围有8个最近邻原子，原子间的距离比FCC结构略大，如铁和钒。
HCP结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，但原子间的距离比其他两种结构大，如钛和锆。
金属的晶体结构对材料的硬度、延展性和导电性能等有着重要影响。
其次是金属材料的晶粒大小。
晶粒是金属中具有相同晶体结构的晶胞的集合体。
金属材料的晶粒大小对其性能有着重要影响。
晶粒越小，材料的强度和硬度越高，延展性和塑性则较差；晶粒越大，材料的延展性和塑性越好，但强度和硬度相对较低。
晶粒大小的控制通常通过热处理、变形加工和再结晶等方法实现。
金属材料的结构还与晶界有关。
晶界是相邻两个晶粒之间的界面。
晶界具有比晶粒内部更高的活动性，容易成为材料中的非晶区域、孔隙和裂纹的起点。
晶粒内部原子排列有序，而晶界则是原子排列的不规则区域，原子间的距离不够紧密，因此晶界对材料的力学性能和耐腐蚀性能等有着重要影响。
晶界的稳定性和结构特点常通过电子显微镜和X射线衍射等技术进行研究。
最后是金属材料中的位错。
位错是指晶体中原子排列的缺陷或错位。
位错可以增加金属材料的塑性和韧性，使其具有较好的变形能力。
在金属中，位错的形成和移动是塑性变形的主要机制。
位错的种类包括直线位错、螺旋位错和平面位错等，其特点和形成机制各不相同。
位错的存在对金属材料的断裂和疲劳性能有重要影响。
综上所述，金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响。
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➢ 当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将 从液相中直接形成，这种形核方式称为自发形核。
➢ 2. 非自发形核
➢ 在实际液态金属中，往往存在一些微小的固体微粒，晶核就 优先依附于这些现成的固体表面而形成，这种形核方式称为 非自发形核。
金属材料的组Βιβλιοθήκη 结构(二)过冷度对形核和晶核长大的影响
金属材料的组织结构
体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上，一 个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。
具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α铁(α-Fe, <912 ℃)等。大多具有较高的强度和韧性。
体心立方晶胞
金属材料的组织结构
体心立方晶胞特征：
（1）晶格常数
金属材料的组织结构
常温下，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越 高，同时塑性和韧性也越好，即综合机械性能好。
高温下，晶粒应适当粗化，其性能较好。因为高温下原子 沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大大减弱所致。
(二)决定晶粒度的因素 晶粒度取决于N/G，其值越大，晶粒越细小。
金属材料的组织结构
a=b=c, α=β=γ=90°
金属材料的组织结构
（2）晶胞原子数
在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8 个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方 晶胞所含的原子数为 2个。
(二)面心立方晶格
面心立方晶胞原子如何排列
(三)细化晶粒方法及原理
1. 控制过冷度
V实增大，Tn降低，△T增大，为结晶过程提供了更多 的能量 。
2. 变质处理
在液态金属中加入一定变质剂（粉末状、细颗粒）， 促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶 粒。
3. 机械振动法（如搅动）﹑超声波振动法等。
金属材料的组织结构
第二节 纯金属的晶体结构
过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响，主要是因为 在结晶过程中有两个因素同时在起作用： 一是晶体与液体的自由能差（△F），是晶核形成和长大的驱
动力； 二是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长
大的必须条件。 如图2—4、2—5所示。
金属材料的组织结构
三、晶粒大小的控制 (一)晶粒度对金属性能的影响
（1）晶格常数
a=b=c，α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个)
1/8*8+1/2*6=4
金属材料的组织结构
(三)密排六方晶格
密排六方晶胞原子如何排列
金属材料的组织结构
十二个金属原子分布在六方体的十二个角上，在上下 底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个 原子。
具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍 (Be)等。大多具有较大的脆性，塑性差。
金属材料的组织结构
金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中 心的原子与该面四个角上的原子紧靠。
具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、 银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912 ℃～1394 ℃)等。大都具有较
高的塑性。
面心立方晶胞
金属材料的组织结构
面心立方晶胞的特征：
能间的关系。 ➢ 6.能够分析平衡状态下典型成份铁碳合金的组织转变过
程。
金属材料的组织结构
➢教学内容：
➢ 金属的结晶过程，结晶规律，纯金属的晶体结构，合金 的组织，铁碳合金平衡状态图。
➢重点、难点：
➢ 有关金属学的基本概念， ➢ 铁碳合金平衡状态图及其分析。
本章主要阅读文献：
金属材料的组织结构
1、周凤云主编. 工程材料及应用. 武汉：华中科技大 学出版社，2002。
一、晶格、晶胞、晶体常数
晶体结构： 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。
晶格： 通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线
将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原 子(或离子)平衡中心的位置。
晶体和晶格的示意图
金属材料的组织结构
晶胞：
金属材料的组织结构
能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞， 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本 特性即可反映该晶体结构(晶格)的特点。
金属材料的组织结构
第二篇 金属的组织结构
[机械制造工程]精品课程小组
金属材料的组织结构
➢教学目的与要求:
➢ 1.了解金属结晶过程及其规律。 ➢ 2.了解常用金属的晶体结构及同素异构对金属性能的影
响。 ➢ 3.掌握合金的基本相与基本组织及其对合金性能的影响。 ➢ 4.掌握合金的成分、组织与性能的关系。 ➢ 5.能利用铁—碳相图定性地分析铁碳合金成分、组织、性
晶格常数：
晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、 c和三条棱边之间的夹角α、β、γ这六个参数来描 述。其中a、b、c 为晶格常数。 金属的晶格常数一 般为: 1×10-10 m～7×10-10 m。
晶胞和晶格常数示意图
金属材料的组织结构
二、常用金属的晶体结构 (一)体心立方晶格
体心立方晶胞原子如何排列
2、于永泗主编.机械工程材料. 大连：大连理工大学 出版社，2003。
3、卢秉恒主编. 机械制造技术基础. 北京：机械工 业出版社，1999 。
第一节
金属材料的组织结构
金属的结晶
一、金属结晶的有关概念 (一)晶体的概念
晶体：是指原子（离子﹑分子）在三维空间呈有规则的周期性 重复排列的物质。
特点：各向异性 具有规则的外形 具有固定的熔点
金属材料的组织结构
（二）金属结晶时的过冷现象 1、理论结晶温度 2、过冷现象
实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的 现象叫过冷现象。
金属材料的组织结构
液态和固态自由能随温度变化的示意图以 及纯金属的冷却曲线
二、金属结晶的过程
金属材料的组织结构
➢ 金属的结晶过程分为三个方面进行表述：
1.液态——固态； 2.原子由液态下的无序状态——固态下的有序状态；
3.原子由液态下的高速运动——固态下原子的低速运 动。
金属材料的组织结构
金属结晶过程示意图
1、晶胚； 2、晶核形成； 3、晶核长大和新的晶核产生； 4、晶核长大； 5、所有液态形成晶核
金属材料的组织结构
(一)形核方式
➢ 金属结晶时，由于结晶条件不同，可能出现两种不同的形核 方式：一种是自发形核，另一种是非自发形核。