第二章金属的晶体结构与结晶

第二章金属的晶体结构与结晶金属材料的应用金属材料的性能金属材料的结构晶体结构金属的结晶第二章金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构金属的结晶纯金属的晶体结构实际金属的晶体结构纯金属的结晶同素异构转变晶粒大小及其控制第二章金属的晶体结构与结晶

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识

晶体

指原子（更确切地说是离子）按一定几何形状作有规律重复排列的物体。

非晶体

内部原子无规则排列的固态物体。第二章金属的晶体结构与结晶纯铁纯铜纯铝晶体玻璃沥青松香非晶体

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶

晶体与非晶体的差异及相互转化性能上区分：熔点、各向同异性；转变产物：非晶体金属、玻璃纤维等

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶

晶格

在研究晶体结构时，为了便于分析各种晶体中原子排列规律和几何形状，通常把组成晶体的每一个原子视为一个几何结点，并用假想的几何直线把各结点中心连接起来，便形成一个三维空间格架。这种抽象的用于描述原子在晶体中排列方式的三维空间格架，称为结晶格子，简称晶格。

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶

晶格

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识晶体模型和晶格示意图第二章金属的晶体结构与结晶

晶胞

在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来表示原子排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶

晶格常数

在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点，其3条棱边作为3个坐标轴X，Y，Z，称为晶轴，而且规定在坐标原点的前、后、上方为轴的正方向，反之为负，并以棱边长度a、b、c和棱面间的夹角α、β、γ来表示晶胞的形状和大小，其中棱边长度称为晶格常数，其大小常以Å（埃）为计量单位（1Å=1×10-8cm）。

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶

晶格常数

各种晶体物质构成的原子不同，构成的晶格形式、晶格常数会有所不同，于是便表现出不同的物理、化学和力学特性。

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶

晶系

按晶胞棱边长度和夹角的不同将晶体的基本类型归纳成的晶体系列，称为晶系。晶系构成示意图

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶

第一节金属的晶体结构

常用金属材料晶系

立方正方六方斜方金属中，原子总是具有趋于最紧密排列的倾向，使晶格的排列组合形式大为减少，常常形成具有高度对称性的比较简单的几何形式纯金属的晶体结构晶体的基本知识第二章金属的晶体结构与结晶除铋、锑、锗、镓等类金属为共价键结合外，其他金属主要是金属键结合

金属的特性和金属键

带负电的自由电子与带正电的的金属正离子之间产生静电吸引力，使金属原子结合在一起，这就是金属键结合的本质良好的导电性、导热性和塑性具有金属光泽正的电阻温度系数金属特性金属原子间的结合键称为金属键。金属键金属键示意图

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶体心立方晶格

常见金属晶体结构

晶胞模型晶格类型刚性模型晶格常数：a=b=c棱面间夹角：

α=β=γ=90°属于该类晶格的常见金属有:α-Fe(<912℃)、δ-Fe(>1394℃)、Cr、W、Mo、V等

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶面心立方晶格

常见金属晶体结构

晶胞模型晶格类型刚性模型晶格常数：a=b=c棱面间夹角：

α=β=γ=90°属于该类晶格的常见金属有:γ

-Fe(912-1394℃)、Cu、Al、Ni、Pb、Au、Ag等

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶密排六方晶格

常见金属晶体结构

晶胞模型晶格类型刚性模型晶格常数：底面边长

a和高

c，

c/a=1.633～1.899棱面间夹角：

α=β=γ

=60°

δ=90°属于该类晶格的常见金属有:Mg、Zn、

Be、Cd等

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

晶体的各向异性

在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同。这种现象称为晶体的各向异性。

立方晶系不同晶面和晶向原子排列示意图晶面

晶体学中，通过晶体中原子中心的平面晶向

通过原子中心的直线所代表的方向

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

晶体的各向异性

产生原因

不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同影响

不论在物理、化学还是力学性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度、或电阻率、磁导率、线胀系数，还是在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出不同指导意义

指导生产，获得性能优异的产品

第一节金属的晶体结构纯金属的晶体结构金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶实际金属的晶体结构

单晶体

晶体材料内部位向完全一致的晶体多晶体

由许多晶格位向不同的小晶体构成的晶体结构，称为多晶体单晶体晶面示意图多晶体晶面示意图多晶体

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

晶粒

多晶体中每个外形不规则的颗粒状的小晶体晶界

晶粒与晶粒间的交界多晶体的晶粒和晶界示意图晶粒晶界实际金属的晶体结构多晶体

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

晶界示意图亚晶界示意图

亚晶粒

晶粒内部晶格位向差小于2°、3°的更小的晶块亚晶界

亚晶粒间的过渡区实际金属的晶体结构多晶体

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

显微组织

在显微镜下所观察到的金属中各种晶粒的大小、形态和分布图像，称为显微组织（也叫金相组织）纯铁的显微组织照片实际金属的晶体结构多晶体

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

点缺陷线缺陷面缺陷

晶体内部存在的原子不规则排列区域实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

点缺陷

指晶体空间中，在长、宽、高三维尺度上都很小的、不超过几个原子直径的缺陷点缺陷示意图实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

点缺陷的形成

实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶空位间隙原子小置换原子大置换原子

点缺陷的影响

实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构点缺陷破坏了原子的平衡状态，引起周围晶格产生畸变，阻碍原子的移动，必需施加更大的外力才能使其结构改变，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降第二章金属的晶体结构与结晶

线缺陷

指晶体的某一平面上，沿着某一方向伸展开来呈线状分布的缺陷特征

在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸则很短主要形式

位错（在晶体中的某处有一列或若干列原子，发生了某种规律的错排现象）实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶刃型位错示意图

线缺陷——位错

刃型位错当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶刃型位错形成示意图

线缺陷——位错

刃型位错的形成刃型位错滑移_立体图实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构刃型位错的结构示意图第二章金属的晶体结构与结晶刃型位错示意图和金相图片

刃型位错的金相照片实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构

线缺陷——位错

第二章金属的晶体结构与结晶螺型位错示意图螺型位错

晶体右前边的点相对于左边的点向下错动一个原子间距，即右边前部相对于左部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征，这种线缺陷称螺型位错实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构

线缺陷——位错

第二章金属的晶体结构与结晶孪晶

晶体中两晶块以特定的取向关系相交接，构成晶体结构所不具备的（但常常是接近原有的）对称关系时，这样的一对连生晶块称为孪晶孪晶与位错交互作用金相照片孪晶示意图

线缺陷——位错

实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃型位错（白点为原子）实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构

线缺陷——位错

第二章金属的晶体结构与结晶位错的影响

不论刃型位错还是螺型位错，以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变。在相应的外部条件下，刃型位错和螺型位错均可在晶体中进行不同形式的运动。位错在晶体中的存在及其密度变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳、蠕变以及原子扩散、相变等许多结构转化都将起着重要的影响。由于线缺陷的影响面比点缺陷大的多，因此对材料性能的影响也大的多。实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构

线缺陷——位错

第二章金属的晶体结构与结晶位错密度

单位体积晶体中位错的总长度或者是通过1cm2面积的位错数目金属的抗拉强度与其中位错密度的关系实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构

线缺陷——位错

第二章金属的晶体结构与结晶

面缺陷

指晶体空间中，在两个方向的尺寸很大，而第三个方向的尺寸很小而呈面状分布的缺陷晶界

亚晶界

孪晶界

面缺陷（主要类型）实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

面缺陷

晶界

晶界模型（位相差＜15°）晶界特性当金属暴露在腐蚀环境里，晶界容易被腐蚀晶界处的熔点较晶粒内低当金属内部发生相变时，晶界处是优先成核原子在晶界上扩散比在晶粒内快晶界阻碍位错运动，这里不易产生塑性变形，硬度、强度均比晶粒内高实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

面缺陷

亚晶界实际上小角度晶界具有晶界的特性对金属的力学性能有很大影响

亚晶界模型（位相差1~3°)Fe-4Si合金中的亚晶界，×1250

面缺陷

实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

缺陷对金属材料的影响

晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高并使金属的物理、化学和力学性能发生显著的变化，如晶界和亚晶界愈多，位错密度愈大，金属的强度便愈高实际金属的晶体结构晶体缺陷

第一节金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶金属的多晶结构和晶格缺陷是怎样形成的

第一节金属的晶体结构实际金属的晶体结构第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶冷却曲线与过冷度

结晶

物质从液体状态转变为固态晶体的过程原子不规则排列（近程有序排列）原子规则排列(远程有序排列）物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形成无规则结构冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷却速度大于10ºC/S时，可阻止金属及合金的结晶，获得非晶态金属材料第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶冷却曲线与过冷度

纯金属的结晶特点

在恒温下进行在过冷条件下进行结晶前后为单相可用冷却曲线描述第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶冷却曲线与过冷度

冷却曲线液体态金属在结晶时的温度-时间的关系曲线称为冷却曲线

过冷度理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度用ΔT表示，即ΔT=T0—Tn

纯金属的冷却曲线T0TnΔTt（时间）T（温度）第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶结晶过程

结晶的一般规律形核核长大

金属结晶过程示意图形核与核长大动画第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶结晶过程

晶核的形成

在一个微小的体积中原子有不规则排列转变为规则排列的过程自发形核非自发形核（异核形核）

第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶结晶过程

晶核的长大树枝状长大

树枝状长大模型实际金属结晶主要以树枝状长大(这是由于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)

第二节金属的结晶纯金属的结晶结晶过程

晶核的长大树枝状长大

金属的树枝晶冰的树枝晶第二章金属的晶体结构与结晶核均匀长大核树枝状长大第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶结晶条件

自由能降低

自由能：

物质能自动向外界释放出多余的或能够对外作功的能量叫自由能

根据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，总是向能量最低状态转变液态金属过冷后自由才能降低

第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶纯金属的结晶结晶条件过冷度的影响因素与金属本性有关比如铜、铁在相同冷却速度下过冷度不同与金属的纯度有关杂质越多，过冷度越小与冷却速度有关快冷，实际结晶温度低，过冷度大

第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶金属的同素异构转变

同素异构转变

金属在固态下随温度变化，由一种晶格变成另一种晶格的现象

同素异构体

由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体770纯铁的冷却曲线第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶金属的同素异构转变

同素异构转变实质

是重结晶过程

（遵循结晶规律）生产中可利用纯铁的同素异构转变，对其进行各种热处理，以改变其组织和性能，更好地在工程上满足应用要求第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶晶粒大小及其控制

晶粒度的概念

晶粒的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）表示晶粒度大小对金属性能的影响常温下，晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性也越好,即细晶强化高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好第二章金属的晶体结构与结晶

第二节金属的结晶晶粒大小及其控制

晶粒度的影响因素

生核速率N（晶核形成数目/s·mm3)核长大速度G（mm/s)N/G比值越大，晶粒越细小因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒第二章金属的晶体结构与结晶过冷度对N、G的影响

第二节金属的结晶晶粒大小及其控制

晶粒度的控制（细