金属的晶体结构与结晶

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1、.金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 按原子排列的特征，可将固按原子排列的特征，可将固体金属物质分为体金属物质分为晶体晶体和和非晶体非晶体两大类。两大类。晶体晶体：物质内部的原子是按一定物质内部的原子是按一定的次序的次序有规律排列有规律排列的。如金刚的。如金刚石、石墨等，固态金属一般属石、石墨等，固态金属一般属于晶体。于晶体。非晶体非晶体：非晶体内部的原子则是：非晶体内部的原子则是无规则排列的，如玻璃、松香无规则排列的，如玻璃、松香和沥青等。和沥青等。非晶体非晶体晶体晶体固体固体物质物质1.2.1.2.1 1 金属的晶体结构金属的晶体结构晶格晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，

2、为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，简称晶格，如图简称晶格，如图1-41-4b)b)所示。所示。晶胞晶胞：即晶格中最小的几何单元。即晶格中最小的几何单元。图图4 4 晶体结构示意图晶体结构示意图晶体结构晶体结构晶格晶格晶胞晶胞 常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格等三种类型。晶格和密排六方晶格等三种类型。.体心立方晶格体心立方晶格 体心立方的晶格是

3、一个体心立方的晶格是一个立方体立方体，其中心和八个角上各有一，其中心和八个角上各有一个原子，如图个原子，如图1 15 5所示。所示。属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有-Fe-Fe、CrCr、WW、V V等。等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。它们都具有较好的塑性和较大的强度。图图5 5 体心立方球体模型及其晶格体心立方球体模型及其晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞面心立方晶格的晶胞也是一个也是一个立方体立方体，其六个，其六个面中心和八个角上各有一面中心和八个角上各有一个原子，如图个原子，如图1 15 5所示。所示。属于这类晶格的金属有属于这类晶格的金属有 -Fe-

4、Fe、CuCu、AlAl、NiNi等。等。它们都具有较好的塑性。它们都具有较好的塑性。图图1 16 6 面面心心立立方方球球体体模模型型及及其其晶晶胞胞.密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是密排六方晶格的晶胞是一个一个六方柱体六方柱体，其上下底面，其上下底面的中心和十二个角上各有一的中心和十二个角上各有一个原子，且在六方柱体的中个原子，且在六方柱体的中间还有三个原子，如图间还有三个原子，如图1 17 7所示。属于这类晶格的金属所示。属于这类晶格的金属有有g g、n n、d d、e e等。等。这类金属塑性较差。这类金属塑性较差。图图1 17 7 密密排排六六方方球球体体模模型型及及其其

5、晶晶胞胞1.2.21.2.2金属的结晶过程金属的结晶过程.金属的结晶金属的结晶 即液态金属凝固时原子即液态金属凝固时原子占据占据晶格的规定位置形晶格的规定位置形成晶体的过程。成晶体的过程。纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温度与时间的关系曲线，即温度与时间的关系曲线，即冷却曲线冷却曲线来表示，如图来表示，如图1-1-8 8所示。所示。图图1-8 1-8 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线T T0 0 理论结晶温度理论结晶温度T Tn n实际结晶温度实际结晶温度TT过冷度过冷度T温度温度T0Tn时间时间2.2.过冷过冷过冷过冷：即熔融金属冷却到平衡的凝

6、固点以下即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下 而没有发生凝固的现象。而没有发生凝固的现象。过冷度过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值理论结晶温度与实际结晶温度的差值 称为过冷度。称为过冷度。即：即：T=TT=T0 0-T Tn n式中式中 TT过冷度（过冷度（）；）；T T0 0 金属的理论结晶温度（金属的理论结晶温度（）；）；T Tn n 金属的实际结晶温度（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。冷却速度越快过冷度也越大。冷却速度越快过冷度也越大。3 3.金属的结晶过程金属的结晶过程 动画演示动画演示金属的金属的结晶过

7、程结晶过程包括包括形核形核和和晶核长大晶核长大两个阶段，两个阶段，并持续到液相全部转变成固相为止。并持续到液相全部转变成固相为止。金属的结晶过程动画金属的结晶过程动画 演示了金属从形核、晶体长大直至结晶演示了金属从形核、晶体长大直至结晶 完毕整个过程。完毕整个过程。(1)(1)形核形核形核形核：又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非均质形核两种方式。均质形核两种方式。1 1）均质形核）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内又称自发形核，是熔融金属内 仅因过冷而产生晶核的过程。在一

8、定过冷仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷 度下，金属液中的一些原子自发聚集在一度下，金属液中的一些原子自发聚集在一 起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。2 2）非均质形核）非均质形核：又称非自发形核，是以熔融又称非自发形核，是以熔融 金属内原有的或加入的异质点作为晶核或金属内原有的或加入的异质点作为晶核或 晶核衬底的形核过程。晶核衬底的形核过程。形形核核(2)(2)晶核长大晶核长大晶核长大晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同

9、时液态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属全部消失、长大的液态金属全部消失、长大的晶体互相接触晶体互相接触为止。为止。晶粒晶粒：多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的 位向）基本相同的小晶体称为晶粒。位向）基本相同的小晶体称为晶粒。晶界晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。：相邻晶粒之间的界面称为晶界。4.4.晶粒度及其控制晶粒度及其控制晶粒度晶粒度：指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定粒平均直径、单位面积或单位体积的晶

10、粒数目来定量表征。量表征。（1 1）晶粒度对金属力学性能的影响晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的通常，金属的晶粒越细，力学性能越好晶粒越细，力学性能越好。晶。晶粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从而加强了金属内部的结合力。而加强了金属内部的结合力。（2 2）细化晶粒的方法细化晶粒的方法 生产中常采用加入形核剂、增大过冷度生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动、动力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。1)1)加入形核剂加入形核剂 加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态加入金属液中能作

11、为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态 金属中某些元金属中某些元金属中某些元金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。2 2）增大过冷度）增大过冷度 形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核率的增长比长大速率的增加要快，过冷度率的增长比长大速率的增加要快，过冷度TT越大，单位体积中晶越大，单位体积中

12、晶核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。）动力学法）动力学法通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。）其它方法）其它方法热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。1.2.1.2.3 3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变同素异构转变同素异构转变：金属在固

13、态下随温度的变化改变其金属在固态下随温度的变化改变其 晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。如纯铁的同素异构转变如纯铁的同素异构转变。二次结晶二次结晶:金属的同素异构转变过程与液态金金属的同素异构转变过程与液态金属属 的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷 度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程，度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程，故常称为重结晶或二次结晶。故常称为重结晶或二次结晶。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变图图图图9 9 9 9 纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁

14、的同素异构转变1.2.1.2.4 4 合金的晶体结构合金的晶体结构合金合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元元 素所组成的金属材料。素所组成的金属材料。组元组元：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。：组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金。金。合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元相互之间作用方式不同，可以形成元相互之间作用方式不同，可以形成固溶体、金属化合固溶体、金属化合物物和和机械混合物机

15、械混合物三种结构。三种结构。组元组元1 1组元组元2 2组元组元3 3合合 金金 1.1.固溶体固溶体(1)(1)固容体的类型固容体的类型间隙固溶体间隙固溶体：当溶质原子很：当溶质原子很小时，只能处于溶剂原子的小时，只能处于溶剂原子的间隙中，称为间隙固溶体。间隙中，称为间隙固溶体。如图如图1-1-1010a a所示。如所示。如C C、HH、O O等原子易形成间隙固溶体。等原子易形成间隙固溶体。置换固溶体置换固溶体：当溶质和溶剂：当溶质和溶剂的原子直径较接近时，只能的原子直径较接近时，只能替代一部分溶剂原子而占据替代一部分溶剂原子而占据溶剂晶格中的某些结点位置，溶剂晶格中的某些结点位置，称为置换

16、固溶体。称为置换固溶体。如图如图1-1-1010b b 所示。所示。如如Fe-NiFe-Ni、Cu-NiCu-Ni等。等。图图图图1-1-1-1-10101010a a a a 间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体图图图图1-1-1010b b 置换固溶体置换固溶体置换固溶体置换固溶体(2)(2)固溶强化固溶强化固溶强化固溶强化：通过溶入某：通过溶入某种溶质元素形成固溶体种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度而使金属的强度、硬度升高的现象。升高的现象。如图如图1-1-1010c c、1-10d1-10d所示。所示。1-1-1010c c 间隙固溶体晶格畸变间隙固溶体晶格畸变1-1-101

17、0d d 置换固溶体晶格畸变置换固溶体晶格畸变2.2.金属化合物金属化合物金属化合物金属化合物：即由两组元的原子按一定的数量比相即由两组元的原子按一定的数量比相互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。碳钢中的碳钢中的FeFeC C、合金钢中的合金钢中的TiCTiC、WCWC、VCVC等均等均属于金属化合物。属于金属化合物。FeFeC C的晶格如图的晶格如图1-111-11b b所示。所

18、示。图图1-1-1111a a 石墨的晶格石墨的晶格图图1-1-1111b b 渗碳体的晶格渗碳体的晶格3.3.机械混合物机械混合物机械混合物机械混合物：即由纯金属、固溶体或化合物按一定：即由纯金属、固溶体或化合物按一定 的重量比组成的物质。的重量比组成的物质。机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组成物的晶粒。成物的晶粒。机械混合物的机械混合物的力学性能力学性能通常介于各组成物之间，通常介于各组成物之间，并取决于各组成物的并取决于各组成物的含量含量、性能性能、分布分布和和形态形态。如碳钢中的珠光体就是由化合物如碳钢中的珠光体就是由化合物（渗碳体）渗碳体）和和固溶体固溶体（铁素体）铁素体）组成的机械混合物，其力学性能组成的机械混合物，其力学性能介于二者之间。介于二者之间。思考题思考题1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒 细化的机理是什么？细化的机理是什么？3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构 转变与液态结晶的异同点。转变与液态结晶的异同点。返回目录返回目录