第二章 金属的晶体结构与结晶
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金属的晶体结构与结晶
金属结 晶过程 示意图
自发形核 △T = 200℃
非自发形核 △T = 20℃
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
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。
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）
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
3a 4
。
⑷晶胞所含原子数 2个原子。
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
全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。 （二）性能
熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）
1. 正常价化合物
组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守 化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
自发形核 △T = 200℃
非自发形核 △T = 20℃
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金
冰
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
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。
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）
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
3a 4
。
⑷晶胞所含原子数 2个原子。
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
全不同于任一组元且具有金属特性的新相即为金属间化合 物，或称中间相。 （二）性能
熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。
（三）分类（根据金属间化合物的形成条件结构特点分）
1. 正常价化合物
组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守 化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg2Si、 Cu2Se、ZnS、AlP等。
金属的结构与结晶教案
金属的结构与结晶教案第一章：金属的结构1.1 金属原子的电子排布解释金属原子的电子排布特点，如自由电子的存在。
通过图示展示金属原子的电子排布。
1.2 金属键描述金属键的形成和特点，如金属原子之间的电子云共享。
使用模型或图示来解释金属键的概念。
1.3 金属的晶体结构介绍金属的晶体结构类型，如面心立方、体心立方和简单立方结构。
利用图示和实物模型来展示不同晶体结构的特点。
第二章：金属的结晶2.1 结晶过程解释金属结晶的过程，包括成核和生长阶段。
讨论影响结晶速率和晶体生长的因素。
2.2 晶粒大小和形状探讨晶粒大小和形状对金属性能的影响。
解释晶粒生长和晶界迁移的概念。
2.3 晶界的性质描述晶界的特点和性质，如晶界的能量和原子排列。
探讨晶界对金属性能的影响。
第三章：金属的塑性变形3.1 滑移机制解释金属塑性变形的滑移机制，如位错滑移。
使用图示和模型展示位错滑移的过程。
3.2 塑性变形的条件讨论金属发生塑性变形的条件，如应力、温度和晶体结构。
分析不同晶体结构对塑性变形的影响。
3.3 塑性变形的织构形成探讨塑性变形过程中织构的形成和变化。
解释织构对金属性能的影响。
第四章：金属的热处理4.1 退火处理解释退火处理的目的和过程，如消除晶界和改善塑性。
讨论退火处理对金属性能的影响。
4.2 固溶处理描述固溶处理的方法和目的，如提高金属的强度和硬度。
使用图示展示固溶处理过程中原子分布的变化。
4.3 时效处理解释时效处理的过程和作用，如形成沉淀相和提高金属的性能。
分析时效处理对金属性能的影响。
第五章：金属的腐蚀与防护5.1 腐蚀类型介绍金属腐蚀的类型，如均匀腐蚀、点蚀和腐蚀疲劳。
使用图示和实例来区分不同类型的腐蚀。
5.2 腐蚀原因讨论金属腐蚀的原因，如化学反应、电化学反应和微生物作用。
分析腐蚀过程的基本原理。
5.3 防护方法探讨金属腐蚀的防护方法，如涂层、阴极保护和腐蚀抑制剂。
解释各种防护方法的原理和应用。
第六章：金属的机械性能6.1 强度与韧性解释金属的强度和韧性概念。
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--节晶体结构与常见晶体类型
25
2r-+2r+= a0
2r-=x
2r- x
2r 2r 2x
2r 2r 2x
2r
x
r 0.414 r
正负离子相互 接触状态
26
当r+/r-=0.414时，正负离子刚好处于相互接触状态(临界 状态)； 当r+/r-<0.414时，负离子间相接触，而正、负离子相脱 离，负离子间斥力大，能量高，使结构不稳定; 当r+/r->0.414时，正、负离子间相接触，而负离子间相 脱离，这时正、负离子引力较大，负离子间斥力小，能 量较低，结构仍是稳定的。
对于面心立方晶胞，原子半径=R，
a 2 2R
V a3 16 2R3
V球
4 4 R3
3 100 % 74.05%
V晶胞 16 2R3
15
名称
堆积方式
配位 数
密排面
空隙
堆积 系数
六方密 堆积
ABAB……
12
∥ 四面体空隙 （0001） 八面体空隙
0.74
立方密 ABCABC…… 堆积 Nhomakorabea12
r + /r 0～0.155 0.155 ～0.225 0.225 ～0.414 0.414 ～0.732 0.732 ～1
1
配位数 2 3 4 6 8 12
配位多面体 直线 三角形 四面体 八面体 立方体
立方八面体
P29
23 23
※分析：对于NaCl晶体，Na+的配位数是6；对于CsCl晶 体 ， Cs+ 的 配 位 数 是 8 。 这 是 由 于 rCs+ ＞ rNa+ (0.182nm>0.110nm)。Cs+填入的空隙比八面体更大些， 即Cs+周围比Na+周围能排列更多的Cl-。所以，Cs+离子 的配位数大于Na+的配位数。
2r-+2r+= a0
2r-=x
2r- x
2r 2r 2x
2r 2r 2x
2r
x
r 0.414 r
正负离子相互 接触状态
26
当r+/r-=0.414时，正负离子刚好处于相互接触状态(临界 状态)； 当r+/r-<0.414时，负离子间相接触，而正、负离子相脱 离，负离子间斥力大，能量高，使结构不稳定; 当r+/r->0.414时，正、负离子间相接触，而负离子间相 脱离，这时正、负离子引力较大，负离子间斥力小，能 量较低，结构仍是稳定的。
对于面心立方晶胞，原子半径=R，
a 2 2R
V a3 16 2R3
V球
4 4 R3
3 100 % 74.05%
V晶胞 16 2R3
15
名称
堆积方式
配位 数
密排面
空隙
堆积 系数
六方密 堆积
ABAB……
12
∥ 四面体空隙 （0001） 八面体空隙
0.74
立方密 ABCABC…… 堆积 Nhomakorabea12
r + /r 0～0.155 0.155 ～0.225 0.225 ～0.414 0.414 ～0.732 0.732 ～1
1
配位数 2 3 4 6 8 12
配位多面体 直线 三角形 四面体 八面体 立方体
立方八面体
P29
23 23
※分析：对于NaCl晶体，Na+的配位数是6；对于CsCl晶 体 ， Cs+ 的 配 位 数 是 8 。 这 是 由 于 rCs+ ＞ rNa+ (0.182nm>0.110nm)。Cs+填入的空隙比八面体更大些， 即Cs+周围比Na+周围能排列更多的Cl-。所以，Cs+离子 的配位数大于Na+的配位数。
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：
机械工程材料：第二章 金属的晶体结构与结晶
处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界；
亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。
在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产 生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。
常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法
第二章 金属的晶体结构与结晶
金属特性与金属键 金属的晶体结构 实际金属结构 金属的结晶 金属铸锭组织
一、金属特性与金属键
原子的构造
①金属原子的最外层轨道电子少。 ②金属原子易失去电子而成为正离子。 ③金属键
金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。
金属特性
关系
①优良的导电性和导热性。 ①导电：在电势作用下，自由
②不透明和具有金属光泽。
电子定向移动；
③较高的强度和较好的塑性。②正的电阻温度系数：
④正的电阻温度系Βιβλιοθήκη 。T↗，离子振动↗，电子运动阻力↗ ③塑性：金属中离子与电子间能保
持一定的相对关系。
二、金属的晶体结构
1. 晶体的基本知识
晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定熔 点和各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡)
晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。
晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (α、β、γ ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。
亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。
在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产 生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。
常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法
第二章 金属的晶体结构与结晶
金属特性与金属键 金属的晶体结构 实际金属结构 金属的结晶 金属铸锭组织
一、金属特性与金属键
原子的构造
①金属原子的最外层轨道电子少。 ②金属原子易失去电子而成为正离子。 ③金属键
金属正离子与自由电子间的静电作用， 使金属原子结合起来形成金属整体。
金属特性
关系
①优良的导电性和导热性。 ①导电：在电势作用下，自由
②不透明和具有金属光泽。
电子定向移动；
③较高的强度和较好的塑性。②正的电阻温度系数：
④正的电阻温度系Βιβλιοθήκη 。T↗，离子振动↗，电子运动阻力↗ ③塑性：金属中离子与电子间能保
持一定的相对关系。
二、金属的晶体结构
1. 晶体的基本知识
晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则排列，具有固定熔 点和各向异性。(金刚石、盐) 非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡)
晶格(点阵) 表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。 假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球； B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。
晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。 (1)晶格常数: 棱边长度 (a,b,c)，单位A0(10-10m) ; 轴间夹角 (α、β、γ ） (2)晶面、晶向 : 晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。
第二章 纯金属的结晶
1）光滑界面： 以原子尺寸观察时，表现为固 相界面上原子排列的光滑、平 整，固液两相以界面分开，界 面以上，所有原子处于液体状 态；在界面以下，所有原子处 于固体状态。 显微尺度：参差不齐的锯齿状。
界面-密排面
小平面界面
2） 粗糙界面：
以原子尺寸观察时，固相界 面上的原子高低不平，犬牙 交错分布。 微观上：平整
第二章
纯金属的结晶
第一节 金属的结晶现象
1、概念：
由液态转变为固态的过程，称凝固。如果转变成的固态是 晶体，这个过程就是结晶。
特点：(2个) 1）存在过冷现象和过冷度： 过冷现象：由热分析法测得纯金属的冷却曲线
看出：金属结晶前，温度连续下降，冷却到理论结晶温度 Tm（熔点）时，并未结晶，需继续冷却到Tm之下某一温度 Tn（实际结晶温度）时，才开始结晶，此过程称过冷现象。
N2：受原子扩散能力影响的形核率因子。温度越 高，原子的扩散能力越大，则N2越大。
N、N1、N2与温度关系的示意图如下：
由图ａ：△Ｔ↗→Ｔ↘→Ｎ１↗，△Ｔ↘→Ｔ↗→Ｎ2↗， 即结晶刚开始，Ｎ随△Ｔ的增大而增大；超过极大值时，Ｎ 又随△Ｔ的增大而减小 大多数金属的形核率总是随过冷度的增大而增大，如图ｂ。 在开始一段过冷度范围内，几乎不产生晶核；当降低到某一 温度，形核率急剧增加，对应温度称有效成核温度。
过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，
称过冷度，以△T表示。△T=Tm－Tn；
结晶的必要条件：有一定过冷度
影响过冷度的因素：
金属的本性：金属不同，过冷度不同；
金属的纯度：纯度越高，过冷度越大； 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低；
界面-密排面
小平面界面
2） 粗糙界面：
以原子尺寸观察时，固相界 面上的原子高低不平，犬牙 交错分布。 微观上：平整
第二章
纯金属的结晶
第一节 金属的结晶现象
1、概念：
由液态转变为固态的过程，称凝固。如果转变成的固态是 晶体，这个过程就是结晶。
特点：(2个) 1）存在过冷现象和过冷度： 过冷现象：由热分析法测得纯金属的冷却曲线
看出：金属结晶前，温度连续下降，冷却到理论结晶温度 Tm（熔点）时，并未结晶，需继续冷却到Tm之下某一温度 Tn（实际结晶温度）时，才开始结晶，此过程称过冷现象。
N2：受原子扩散能力影响的形核率因子。温度越 高，原子的扩散能力越大，则N2越大。
N、N1、N2与温度关系的示意图如下：
由图ａ：△Ｔ↗→Ｔ↘→Ｎ１↗，△Ｔ↘→Ｔ↗→Ｎ2↗， 即结晶刚开始，Ｎ随△Ｔ的增大而增大；超过极大值时，Ｎ 又随△Ｔ的增大而减小 大多数金属的形核率总是随过冷度的增大而增大，如图ｂ。 在开始一段过冷度范围内，几乎不产生晶核；当降低到某一 温度，形核率急剧增加，对应温度称有效成核温度。
过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，
称过冷度，以△T表示。△T=Tm－Tn；
结晶的必要条件：有一定过冷度
影响过冷度的因素：
金属的本性：金属不同，过冷度不同；
金属的纯度：纯度越高，过冷度越大； 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低；
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。
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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）晶粒大小的控制
①增加过冷度 ─→ 冷速↑△T↑结晶能力↑ 形核数↑ ②变质处理 ─→ 难熔颗粒 ─→ 充当晶核
└─→ 阻止晶核长大
③振动处理 ─→ 振动 ─→ 大晶核破裂 ─→ 细小晶核
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
1.晶体与非晶体
* 晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间 呈规则的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、 金属等。
* 非晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空 间无规则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等
晶体特点 ① 天然规则外形
② 各向异性——同一性能在不同方向测 试，结果不同
③ 具有一定熔点 非晶体特点
二、 常见的金属晶体结构 ① 体心立方晶格（BCC— Body-Centered Cube）
有：钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、 α-Fe等
Cr、δ-Fe、α-Fe等
② 面心立方晶格（FCC— Face-Centered Cube）
面心立方晶格金属有：铝、铜、镍、 金、银、γ-Fe等。
③密排六方晶胞（HCP —Hexagonal Close-Packed）
线缺陷--形成位错对金属的机械性能影响很大， 位错极少时，金属强度很高，位错密度越大， 金属强度也会提高。
面缺陷--晶界和亚晶界越多，晶粒越细， 金属强度越高， 金属塑性变形的能力越大， 塑性越好。
2.3 金属的结晶 物质由液态转变为固态的
过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的
过程称为结晶。 物质由一个相转变为另一
个相的过程称为相变。因 而结晶过程是相变过程。
玻璃制品 水晶
最常用的是热分析法。
一、结晶的概念 结晶—金属由液态变为固 态晶体的过程。
T0 —— 理论结晶温度
T1 —— 实际结晶温度
过冷—实际结晶温度低于理论结晶温度的 现象。
过冷度：△T＝T0－T1 冷速↑，T1↓—— △T↑，结晶能力↑
实践证明，金属都是在一定的过冷度 下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条 件。
（二）难熔杂质的影响 形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非 均 匀 形 核 示 意 图 均匀形核
所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂 质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似 时，将强烈地促使非自发形核，大大提高形 核率。
① 一般没有天然规则外形
② 各向同性——同一性能在不同方向测试， 结果相同
③ 没有一定熔点
晶体结构 晶格
晶胞
晶体结构—晶体中原子（离子或分子） 规则排列的方式.
晶格—假设通过原子结点的中心划出许多空间 直线所形成的空 间格架。
晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。
晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a,b,c
密排六方晶格金属有：镁、镉（Cd）、 锌、铍（Be）等。
三、单晶体的各向异性
晶体内部的晶格位向（即原子排 列方向）完全一致的晶体——单晶体。
在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子 排列密度不同，因而导致在同一晶体的不同晶 面晶向上的各种性能也不同，这种现象称为 “各向异性”。
第二节 金属的实际晶体结构 一、多晶体结构
雾 凇
二、金属的结晶过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成
T＜T0 时
吸附 晶核 ─周─围─原→子 长大
同
时
新晶核 ─→ 长大
同 时
…………
实际金属结晶主要以树枝状长大.
这是由于存在负温度梯度，且晶核棱
角处的散热条件好，生长快，先形成
一次轴，一次轴又会产生二次轴…，
树枝间最后被填充。
第二章 金属的晶体结构与结晶 教学内容
- 金属及其合金的结构与结晶
教学要求 - 掌握金属材料的晶体结构和金属的三
种典型晶格结构。 - 掌握纯金属和合金的结晶
重点 - 晶体结构基本概念、金属的三种典型
晶体结构
难点 - 相图建立和典型相图分析 - 合金的一些基本概念的掌握
2.1 金属的晶体结构 一、晶体概念
二、晶体缺陷
实际使用的金属，某些区域的原子规 律排列受到破坏，这种区域称为——晶体 缺陷。 （一）点缺陷—三维尺度上都很小， 不超过几个原子直径的缺陷。
① 空位 ② 间隙原子 ③置换原子
点缺陷使周围原子发生靠拢或撑开， 造成晶格畸变。
点缺陷的形成主要是由于原子在各自平 衡位置上做不停的热运动的结果。
负温度梯度
树枝状长大的实际观察
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
三、影响生核与长大的因素
Hale Waihona Puke 控制结晶过程①形核率N↑
②长大速度 G↓
─→ 细化晶粒
(一)过冷度的影响
金属结晶时，形核率和长大速 度都决定于过冷度。在一般的液体 金属的过冷范围内，过冷度愈大， 形核率愈高，则长大速度相对较小， 金属凝固后得到的晶粒就愈细；当 缓慢冷却时，过冷度小，晶粒就粗 大。
（三）晶粒大小及控制
（1）晶粒度的概念
晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的 数目或单位面积上晶粒的数目表示。也可以用晶粒的 平均线长度（或直径）表示。
影响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。
- N愈大，结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈细小。
- 若N不变，晶粒的G愈小，则结晶所需的时间愈长， 能生产的核心愈多，晶粒就愈细。
（二）线缺陷—二维尺度很小而第三维 尺度很大的缺陷。
① 刃型位错 ② 螺型位错
位错线周围的晶 格发生了畸变。
实际金属晶粒内 存在着大量的位错， 晶体中的位错密度以 单位体积中位错线的 总长度来表示。
（3）面缺陷—二维尺度很大而第三维尺 度很小的缺陷。
① 晶界 ② 亚晶界
亚 晶 界
※ 金属晶体缺陷的影响 点缺陷--造成局部晶格畸变,使金属的电阻率; 屈服强度增加,密度发生变化。
实际使用的金属材料是由许多小晶体 组成的。由许多小晶体组成的晶体称为— —多晶体。
在多晶体中，一般不显示各向异性。
晶界
晶粒
多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理 方法有关，一般在显微镜下才能看到。在显 微镜下观察到各种晶粒的形态、大小和分布 情况，称为显微组织。
晶粒大小对材料的性能影响很大，在 常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、 韧性愈好。