金属晶体结构及结晶课件

第一节金属的晶体结构物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原子（或分子、离子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。

C60金属的晶体结构第一节金属的晶体结构物质由原子组成。原子的晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。晶体具有各向异性。非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。金刚石晶格SiO2非晶态金属的晶体结构金刚石晶格SiO2非晶态金属的晶体结构石墨及其晶格金刚石及其晶格组成成分相同，但晶体结构不同的两种晶体，其性能不同！金属的晶体结构石墨及其晶格金刚石及其晶格组成成分相同，但晶体结构不同的两种SiO2的结构

在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。金属的晶体结构SiO2的结构在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。金属的晶体能自发地形成多面体外形晶体有确定的熔点晶体是各向异性的晶体能对X射线产生衍射效应。晶体的特征：

金属的晶体结构晶体能自发地形成多面体外形金属的晶体结构（一）金属中原子的结合方式

在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子,所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有,所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用而使金属原子结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为金属键。金属的晶体结构（一）金属中原子的结合方式在金属晶体中，金属原子（二）晶体学基础把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空间格架称为晶格。组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常数，单位是10-10m(Å)；晶胞各边夹角以a、b及g表示。caX

b

ba

YZ原子排列模型

晶格晶胞简单立方晶体金属的晶体结构（二）晶体学基础把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（Miller）指数。（二）晶体学基础金属的晶体结构在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间（三）常见的金属晶格体心立方BCC(body-centercubic)面心立方

FCC(face-centeredcubic)密排六方HCP(hexagonalclose-packed)模型晶胞原子数密排面金属的晶体结构（三）常见的金属晶格体心立方面心立方密排六方模型晶胞原子（1）体心立方晶格（BCC）晶格常数为a(a=b=c)，致密度为68%晶胞原子数为2属于这种晶格类型的金属有a-Fe（912℃以下纯铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）等。

模型晶胞晶胞原子数金属的晶体结构（1）体心立方晶格（BCC）晶格常数为a(a=b=c)，

体心立方晶格的参数金属的晶体结构体心立方晶格的参数金属的晶体结构模型晶胞晶胞原子数晶格常数为a(a=b=c)，致密度为74%晶胞原子数为4属于这类晶格的金属有g-Fe（912~1394℃的纯铁）、铜（Cu）、铝（Al）、镍（Ni）等。

（2）面心立方晶格（FCC）金属的晶体结构模型晶胞

面心立方晶格的参数金属的晶体结构面心立方晶格的参数金属的晶体结构晶胞是一个六方柱体，柱体的上下底面六个角及中心各有一个原子,柱体中心还有三个原子，致密度为74%晶胞原子数为6属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。模型晶胞晶胞原子数（3）密排六方晶格（HCP）金属的晶体结构晶胞是一个六方柱体，柱体的上下底面六个角及中心各有一个原子,

密排六方晶格的参数12

的最近原子是12个金属的晶体结构密排六方晶格的参数12的最近原子是12个金属的晶体结构金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属

a＝b＝cα＝β＝γ＝90°

a＝b＝c

α＝β＝γ＝90°

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90°

,γ＝120°0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立（四）单晶体与多晶体结晶方位完全一致的晶体，称为单晶体。通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。单晶体多晶体晶粒晶界金属的晶体结构（四）单晶体与多晶体结晶方位完全一致的晶体，称为单晶体。单晶体举例食盐晶体单晶体举例食盐晶体天然水晶天然水晶雪花雪花单晶冰糖单晶冰糖多晶体举例来自外太空的陨石多晶体举例来自外太空的陨石沙子沙子金属金属陶瓷陶瓷

晶体中各晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，导致同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能也不同，这种现象称为各向异性。[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpaa-Fe单晶体，BCC（五）单晶体的各向异性金属的晶体结构晶体中各晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，导致同

单晶体具有各向异性的特征。但工业上实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任何方向上其弹性模量E均为2.1×105MPa。

（五）单晶体的各向异性金属的晶体结构单晶体具有各向异性的特征。但工业上实际应用的金属材通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。多晶体结构单晶体多晶体晶粒晶界（六）实际金属结构金属的晶体结构通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部纯铁的显微组织照片多晶体示意图多晶体金属中的各晶粒位向紊乱，其各向异性显示不出来，使多晶体呈现各向同性，这种状态也称为“伪同向性”。在显微镜下观察到的各种晶粒的形态、大小和分布情况，称为“显微组织”。晶粒大小对材料性能影响很大。常温下，晶粒越小，材料的强度越高，塑性、韧性越好。多晶体结构金属的晶体结构纯铁的显微组织照片多晶体示意图多晶体金属中的各晶粒位向紊乱，晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。晶体缺陷（六）实际金属结构金属的晶体结构晶格的不完整部位称晶体缺陷。晶体缺陷（六）实际金属结构金属点缺陷是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺寸）的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三种形式：空位、置换原子和间隙原子。（1）点缺陷金属的晶体结构点缺陷是指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺点缺陷可促使周围原子发生靠拢或撑开的现象，从而造成晶格畸变。空位间隙原子小置换原子大置换原子

（1）点缺陷―

晶格畸变金属的晶体结构点缺陷可促使周围原子发生靠拢或撑开的现象，从而造成晶格畸变。线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，具体形式是各种类型的位错。最简单的类型是刃型位错，也就是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。刃型位错螺型位错（2）线缺陷

金属的晶体结构线缺陷是晶体中呈线状分布的缺陷，具体形式是各种类型的位错。刃晶体中位错的量可用位错线长度来表示。位错密度是指单位体积中位错线的总长度，单位为cm/cm3或

cm-2。退火金属中位错密度一般为106~108cm-2

左右。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）（2）线缺陷—位错密度金属的晶体结构晶体中位错的量可用位错线长度来表示。透射电镜下钛合金中的位错面缺陷主要指金属中的晶界、亚晶界等。晶界是相邻两晶粒间不同晶格方位的过渡区，使该区域内原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。金属晶体中多数晶粒间位向差在30~40

之间。晶界示意图1Cr17不锈钢的多晶体（3）面缺陷—晶界金属的晶体结构面缺陷主要指金属中的晶界、亚晶界等。晶界示意图1Cr17不亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1

~2

)的小晶块（或称“亚结构”）。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界的原子排列也不规则，也产生晶格畸变。亚晶界示意图Cu-Ni合金中的亚结构（3）面缺陷—亚晶界金属的晶体结构亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1~2)的小晶体缺陷对性能的影响①使实际金属的强度远远小于理想金属②晶界处位错密度高，使其局部强度硬度③对实际金属来说，晶体缺陷越多（尤其位错）强度硬度塑性韧性

金属的晶体结构晶体缺陷对性能的影响①使实际金属的强度远远小于理想金属金属晶体缺陷对塑性变形的影响滑移的实质：位错在切应力作用下运动的结果金属的晶体结构晶体缺陷对塑性变形的影响滑移的实质：位错在切应力作用下运动物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果凝固后得到晶体，这种凝固过程就称为结晶。玻璃制品水晶一、结晶的概念

第二节金属的结晶物质由液态转变为固态的过程称为凝固。玻璃制品水晶一、结晶的概一、结晶的概念—冷却曲线通过热分析法，将液态金属放在坩埚中及其缓慢冷却，可得到金属结晶时温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线。金属的结晶金属冷却曲线的测定一、结晶的概念—冷却曲线通过热分析法，将液态金属放在坩埚中及一、结晶的概念—理论结晶温度曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热补偿了冷却时散失的热量引起的，即结晶在恒温下进行。纯金属都有一个理论结晶温度Tm（熔点或平衡结晶温度）。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在Tm以下的实际结晶温度下Tn才能进行。时间ΔTTmTn温度一、结晶的概念—理论结晶温度曲线上水平阶段是由于结晶时放出结一、结晶的概念—过冷液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差

T称为过冷度

T=Tm–Tn过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。过冷是金属结晶的必要条件。Tm一、结晶的概念—过冷液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象二、金属的结晶过程金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。结晶过程示意图

由于有序原子集团的尺寸很小，所以把液态金属结构的特点概括为近程有序。温度降低，这些近程有序的原子集团（又称为晶胚）尺寸会增大；当具备结晶条件时，大于一定尺寸的晶胚就会成为晶核。晶核的出现就意味着结晶开始了。

气态结构液态结构固态结构二、金属的结晶过程金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。金属结晶的微观过程:金属结晶的微观过程:金属结晶的微观过程（1）形核

从液体中形成具有一定临界尺寸的小晶体(晶核)的过程（2）长大晶核由小变大长成晶粒的过程

——实际金属最终形成多晶体注：单个晶粒由形核→长大多个晶粒形核与长大交错重叠

**当只有一个晶核时→单晶体

**晶核越多，最终晶粒越细金属结晶的微观过程（1）形核

形核方式分为：①均匀形核(自发形核、均质形核)：依靠稳定的原子集团——相起伏②非均匀形核(非自发形核、异质形核)：晶核依附于液态金属中现成的微小固相杂质质点的表面形成。二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程形核方式自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）金属的结晶形核方式自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）金属的液固界面类型小平面界面非小平面界面光滑界面:液固界面截然分开粗糙界面:

液固界面犬牙交错

——金属多为粗糙界面液固界面类型小平面界面非小平面界面光滑界面:粗糙界面:光滑界面有两种机制：（1）二维晶核长大机制

——速度很慢（2）晶体缺陷长大机制

——结构上存在台阶时如螺型位错——速度较（1）快二、金属的结晶过程晶核长大的机制光滑界面有两种机制：（2）晶体缺陷长大机制二、金属的结晶过程

粗糙界面主要有一种机制：（3）垂直长大机制（连续长大）界面上所有位置均为生长点：

——垂直界面连续长大；

——长大速度远较(1)、(2)快；

——金属晶体长大的主要方式二、金属的结晶过程晶核长大的机制粗糙界面主要有一种机制：二、金属的结晶过程晶核二、金属的结晶过程—枝晶实际金属结晶主要以树枝状长大.这是由于晶核棱角处的散热条件好，且缺陷多，易于固定转移来的原子，所以生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。二、金属的结晶过程—枝晶实际金属结晶主要以树枝状长大.三、影响生核与长大的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。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.三、影响生核与长大的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大三、影响生核与长大的因素随着过冷度增加,形核速率和长大速度均会增大。但当过冷度超过一定值后，成核速率和长大速度都会下降。这是由于液体金属结晶时的成核和长大，均需原子扩散才能进行。当温度太低时，原子扩散能力减弱，所以，成核速率和长大速度下降。实际应用中，ΔT达不到极值，ΔT较小时，长大速度快于形核；ΔT较大时，形核速度快于长大。（一）过冷度的影响三、影响生核与长大的因素随着过冷度增加,形核速率和长大速度高熔点杂质的晶体结构与金属的晶体结构相似时，将强烈促使非自发形核，提高形核率。三、影响生核与长大的因素（二）难熔杂质的影响高熔点杂质的晶体结构与金属的晶体结构相似时，将强烈促使非自发晶粒度：是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目ZV，或者单位面积上晶粒的数目ZS表示，影