第二节第二节 金属的结构与结晶金属的结构与结晶 一、晶体与晶格一、晶体与晶格1.晶体与晶格的概念晶体与晶格的概念 固态物质按内部质点（原子或分子）固态物质按内部质点（原子或分子）排列的特点分为晶体与非晶体自然界排列的特点分为晶体与非晶体自然界中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻中除少数物质（如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等）外，绝大多数无机非金属璃、松香等）外，绝大多数无机非金属物质都是晶体，一般情况下，金属及其物质都是晶体，一般情况下，金属及其合金多为晶体结构但晶体与非晶体在合金多为晶体结构但晶体与非晶体在一定条件可相互转换一定条件可相互转换 晶体晶体 的概念就是原子（或分子）按一定的的概念就是原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列；大多数的金几何规律作周期性地排列；大多数的金属是晶体属是晶体 非晶体非晶体 则是无规则的堆积在一起非则是无规则的堆积在一起非晶体则如松香、玻璃、沥青晶体则如松香、玻璃、沥青 [ [晶体晶体] ]————内部质点在三维空间按内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列；一定的规律周期性地排列； [ [非晶体非晶体] ]————内部质点是散乱排列内部质点是散乱排列的。
的[ [金属中的原子堆垛金属中的原子堆垛] ]：：为便于表述晶体内原子的排列规律，我们把原子看成刚性小球，金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的 [ [晶格晶格] ]：：把原子看成一个结点，然后用把原子看成一个结点，然后用假想的线条将这些结点连结起来，便构假想的线条将这些结点连结起来，便构成了一个有规律性的空间格架称晶格成了一个有规律性的空间格架称晶格 [ [晶胞晶胞] ]：：晶格中能完全反映晶格特晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞晶胞中各棱征的最小几何单元称晶胞晶胞中各棱边的长度边的长度a a、、b b、、c c称为晶格常数称为晶格常数 由于晶体中原子重复排列的规由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征列的特征金属金属——晶格晶格——晶胞晶胞—— 原子原子 2. 2. 晶格类型晶格类型[ [体心立方晶格体心立方晶格] ]：： 体心立方晶格的晶胞是一个立方体，体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的立方体的八个顶角和立方体的中心各有八个顶角和立方体的中心各有一个原子。
一个原子 具有体心立方晶格的金属有：具有体心立方晶格的金属有：α- -FeFe（（温度低于温度低于912℃912℃的铁的铁）、铬（）、铬（CrCr）、）、钨（钨（W W）、）、钼（钼（MoMo）、）、钒（钒（V V）、）、β-Ti-Ti（（温度在温度在883~1668℃883~1668℃的钛）等的钛）等 体心立方晶格体心立方晶格 体心立方晶格 [ [面心立方晶格面心立方晶格] ]：： 面心立方晶格的晶胞是一个立面心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子的中心各有一个原子 属于面心立方的金属有：属于面心立方的金属有：γγ- -FeFe（（温度在温度在912~1394912~1394℃的的铁铁）、铝）、铝（（AlAl）、）、铜（铜（CuCu）、）、银（银（AgAg）、）、金金（（AuAu）、）、镍（镍（NiNi））等 面心立方晶格面心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。
的中间还有三个原子 具有密排六方晶格的金属有：镁（具有密排六方晶格的金属有：镁（MgMg）、）、锌（锌（ZnZn）、）、αα-Ti-Ti（（温度低于温度低于883℃883℃的钛）、的钛）、镉（镉（CdCd）、）、铍（铍（BeBe））等 [ [密排六方晶密排六方晶格格] ]：： [ [密排六方晶格密排六方晶格] ]：： 密排六方晶格的晶胞是一个上下密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六柱体的底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子个原子，六柱体的中间还有三个原子 具有密排六方晶格的金属有：镁具有密排六方晶格的金属有：镁（（MgMg）、）、锌（锌（ZnZn）、）、αα-Ti-Ti（（温度低于温度低于883℃883℃的钛）、镉（的钛）、镉（CdCd）、）、铍（铍（BeBe））等 晶胞中的原子数晶胞中的原子数 原子排列原子排列 晶胞晶胞密排立方晶格密排立方晶格 密排立方晶格密排立方晶格 密排六方晶格的晶胞密排六方晶格的晶胞是一个上下是一个上下底面为正六边形的六柱体，在六底面为正六边形的六柱体，在六柱体的十二个顶角和上、下底面柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子，六柱体的的中心各有一个原子，六柱体的中间还有三个原子。
中间还有三个原子 具有密排六方晶格的金属有：具有密排六方晶格的金属有：镁（镁（MgMg）、）、锌（锌（ZnZn）、）、αα-Ti-Ti（（温度低于温度低于883℃883℃的钛）、镉的钛）、镉（（CdCd）、）、铍（铍（BeBe））等 金属的晶体结构面心面心立方晶格立方晶格体心立方晶格体心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 渗碳体晶格渗碳体晶格 晶格致密度晶格致密度 从原子堆垛可看出，上述三种晶格从原子堆垛可看出，上述三种晶格中原子排列的紧密程度不一样，面心立中原子排列的紧密程度不一样，面心立方和密排六方晶格中的原子排列较紧密，方和密排六方晶格中的原子排列较紧密，经计算，晶格中有经计算，晶格中有74%74%的空间被原子所占的空间被原子所占据，即这两种晶格的致密度均为据，即这两种晶格的致密度均为0.740.74，，其余为晶格间隙；而体心立方晶格的原其余为晶格间隙；而体心立方晶格的原煤子排列较松散，其致密度为煤子排列较松散，其致密度为0.680.68 体心立方、面心立方、密排六方晶格致密度比较 3.晶面与晶向晶面与晶向晶向：晶向：空间点阵中节点空间点阵中节点列的方向。
空间中任列的方向空间中任两节点的连线的方向，两节点的连线的方向，代表了晶体中原子列代表了晶体中原子列的方向晶向指数：晶向指数：表示晶向方表示晶向方位符号 晶面：晶面：空间中不在一直线任空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方代表了晶体中原子列的方向 晶面指数晶面指数：：表示晶面方位的表示晶面方位的符号 各向异性各向异性 在一个单晶体中，由于各晶面和晶在一个单晶体中，由于各晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的结合力向上的原子密度不同，原子间的结合力也不同，因此，在各方向上的物理、也不同，因此，在各方向上的物理、化学和力学性能也不同，这一现象被称化学和力学性能也不同，这一现象被称为各向异性为各向异性 二、晶体结构与晶体缺陷二、晶体结构与晶体缺陷 1. 多晶体结构多晶体结构单晶体：单晶体： 我们把晶体内部的晶格向位完全一致的我们把晶体内部的晶格向位完全一致的 晶体叫做单晶体晶体叫做单晶体 单晶体单晶体 也叫也叫 晶粒晶粒晶粒晶粒 之间的交界即为之间的交界即为 晶界晶界 2. 晶体缺陷晶体缺陷 理想晶体：理想晶体：原子完全按一定的次序规则排原子完全按一定的次序规则排 列的晶体。
列的晶体晶体缺陷：晶体缺陷：在实际金属晶体中，存在原子在实际金属晶体中，存在原子不规则排列的局部区域，这些区域称为晶不规则排列的局部区域，这些区域称为晶体缺陷 按陷的几何形态，晶体缺陷分为按陷的几何形态，晶体缺陷分为点缺点缺陷陷、、线缺陷线缺陷和和面缺陷面缺陷三种三种晶体缺陷三种三种晶体缺陷都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从都会造成晶格畸变，使变形抗力增大，从而提高材料的强度、硬度而提高材料的强度、硬度 这些缺陷的存在，对金属的性这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响能）将产生显著影响 如钢的耐腐蚀性，实际金属的如钢的耐腐蚀性，实际金属的屈服强度远远低于通过原子间的作屈服强度远远低于通过原子间的作用力计算所得数值用力计算所得数值 点缺陷点缺陷 ——空位和间隙原子空位和间隙原子 晶格中某个原晶格中某个原子脱离了平衡位置，子脱离了平衡位置，形成空结点，称为形成空结点，称为空位空位；某个晶格间；某个晶格间隙挤进了原子，称隙挤进了原子，称为为间隙原子间隙原子。
线缺陷线缺陷 ————位错位错 晶体中，某处有一列或若干列原子晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为发生有规律的错排现象，称为位错位错 在位错周围，由于原子的错排使晶格发在位错周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧生了畸变，使金属的强度提高，但塑性和韧性下降实际晶体中往往含有大量位错，生性下降实际晶体中往往含有大量位错，生产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能产中还可通过冷变形后使金属位错增多，能有效地提高金属强度有效地提高金属强度 螺型位错螺型位错刃型位错刃型位错 面缺陷面缺陷——晶界和亚晶界晶界和亚晶界 面缺陷面缺陷包括包括晶界晶界和和亚晶界亚晶界 晶界晶界是晶粒与晶粒之间的界面另外，是晶粒与晶粒之间的界面另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为为亚晶粒亚晶粒，亚晶粒的交界称为，亚晶粒的交界称为亚晶界亚晶界 晶界晶界示意图示意图 实验证明：实验证明： 晶界和亚晶界越多、位错密度越大，晶界和亚晶界越多、位错密度越大，金属的强度越高。
金属的强度越高 在室温下，一般情况是金属的晶粒在室温下，一般情况是金属的晶粒越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性越细，其强度、硬度越高；塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化越好，这种现象称为细晶强化 三、金属的结晶与铸锭组织三、金属的结晶与铸锭组织1. 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程结晶过程结晶过程是金属内的原子从液态的无序的混乱排是金属内的原子从液态的无序的混乱排列转变成固态的有规律排列列转变成固态的有规律排列 晶核形成：晶核形成：自发形核与非自发形核自发形核与非自发形核 晶核长大：晶核长大： 金属液中的原子不断向晶核表面迁移，金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失生并长大，直至金属液全部消失 结晶过程结晶过程 经历了形核经历了形核————长大长大————形核形核————长大长大... ... 的过的过程程 液态金属中原子结晶的过程，即晶核不断地形成液态金属中原子结晶的过程，即晶核不断地形成及长大的过程，直到液态金属已全部耗尽，结晶过程及长大的过程，直到液态金属已全部耗尽，结晶过程也就完成了也就完成了 。
2. 2. 冷却曲线与过冷度冷却曲线与过冷度冷却曲线：冷却曲线：是温度与时间的关系曲线，可用来是温度与时间的关系曲线，可用来描述金属的结晶规律将温度描述金属的结晶规律将温度T T和对应时间和对应时间t t绘绘制成制成T-tT-t曲线 曲线分析：曲线分析：随时间的增加，纯金属液的温度不随时间的增加，纯金属液的温度不断下降；当冷到某一温度时，在曲线上出现了断下降；当冷到某一温度时，在曲线上出现了一个恒温的水平线段，所对应的温度就是金属一个恒温的水平线段，所对应的温度就是金属的结晶温度（或熔点），在结晶过程中，由于的结晶温度（或熔点），在结晶过程中，由于放出的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度保放出的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金属继续散热，持恒定不变；结晶结束后，由于金属继续散热，固态金属的温度开始下降固态金属的温度开始下降 [ [理论结晶温度理论结晶温度] ]：：纯金属在无限缓慢的冷却条件下纯金属在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，用用T T0 0表示[ [实际结晶温度实际结晶温度] ]：：实际生产中金属的冷却速度不可实际生产中金属的冷却速度不可能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶能是极其缓慢的，实际测出的结晶温度称实际结晶温度，用温度，用T Tn n表示。
表示[ [过冷现象过冷现象] ]：：金属的实际结晶温度总是低于理论结金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即晶温度，即T Tn n
体 （（1 1））过冷度过冷度 随着过冷度的增加，形核率和长随着过冷度的增加，形核率和长大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要大速度都会增加，但形核率增加比长大速度增加要快，所以产生的晶核数目增加因此，通过加快冷快，所以产生的晶核数目增加因此，通过加快冷却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化却速度，即增加过冷度，可使晶粒细化 （（2 2））未熔杂质未熔杂质 在金属液中加入变质剂（高熔在金属液中加入变质剂（高熔点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细点的固体微粒），以增加结晶核心的数目，从而细化晶粒，这种方法称变质处理，变质处理在生产中化晶粒，这种方法称变质处理，变质处理在生产中应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷应用广泛，特别对体积大的金属很难获得大的过冷度时，采用变质处理可有效地细化晶粒度时，采用变质处理可有效地细化晶粒 （（3 3））振动振动 在金属结晶时、施以机械振动、电在金属结晶时、施以机械振动、电磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期磁振动、超声波振动等方法，可使金属在结晶初期形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒形成的晶粒破碎，以增加晶核数目，起到细化晶粒的目的。
的目的 4. 铸锭组织铸锭组织 实际受各种实际受各种因素的影响，铸因素的影响，铸造金属的组织是造金属的组织是多种多样的多种多样的 表层等轴细晶区表层等轴细晶区 晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇晶粒细小，取向随机，尺寸等轴，因为浇铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大铸时锭模温度低，大的过冷度加上模壁和涂料帮助形核，大的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区的形核率使与锭模接触的表层得到等轴细晶区柱状晶区柱状晶区 随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温随模具温度的升高，只能随锭模的散热而降低温度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度，形核困难，只有表层晶粒向内生长，不同晶向的生长速度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖度不一样，那些较生长有利的部分晶粒同时向内长大，掩盖了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区了大量的晶粒，形成了较粗且方向基本相同的长形晶粒区 中心等轴晶区中心等轴晶区 凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，凝固的进行后期，四周散热和液体的对流，中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、中心的温度达到均匀，降到凝固店以下后，表层晶粒的沉降、生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，生长中碎断晶枝的冲入可作为核心，且可向四周均匀生长，形成等轴晶。
晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大形成等轴晶晶核数量的有限，该区间的晶粒通常较粗大 力学性能力学性能 表层硬表层硬柱状区有方向形柱状区有方向形中心疏松、多杂质中心疏松、多杂质 铸锭中的组织缺陷铸锭中的组织缺陷缩孔：缩孔：大多材料凝固后体积收缩，留下的空腔就形成缩孔，缩孔是不可大多材料凝固后体积收缩，留下的空腔就形成缩孔，缩孔是不可避免的，减少危害措施可后加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用部避免的，减少危害措施可后加液体补缩减小缩孔，让缩孔在不使用部位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔位，如铸锭或铸件的冒口，凝固后切去来保证使用部位无缩孔疏松：疏松：实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固的固体实际为微小分散的收缩孔，树枝间或晶粒间收缩孔被凝固的固体封闭而得不到液体补充而留下得缺陷中部比边缘多，尺寸大得铸件封闭而得不到液体补充而留下得缺陷中部比边缘多，尺寸大得铸件比小尺寸铸件严重型材的轧制可减小或消除其不利的影响比小尺寸铸件严重型材的轧制可减小或消除其不利的影响 气孔：气孔：液体中的气体在凝固中未排出在凝固体内形成的缺陷气体的来液体中的气体在凝固中未排出在凝固体内形成的缺陷。
气体的来源析出型源析出型( (气体在液、固中的溶解度不同气体在液、固中的溶解度不同) )和反应型和反应型( (凝固过程中发生凝固过程中发生的化学反应生成的化学反应生成) )夹杂物：夹杂物：与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂物有浇铸与基体要求成分和组织都不相同多余颗粒，外来夹杂物有浇铸中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等中冲入的其它固体物，如耐火材料、破碎铸模物等成分偏析：成分偏析：在多组元材料中，不同位置材料的成分不均匀叫做偏析按在多组元材料中，不同位置材料的成分不均匀叫做偏析按其区域分为宏观偏析其区域分为宏观偏析( (不同区域的成分不同不同区域的成分不同) )和微观偏析和微观偏析( (各区域平均各区域平均成分相同，在微观位置如一个晶粒的内部或更小的范围看成分有差别成分相同，在微观位置如一个晶粒的内部或更小的范围看成分有差别) ) 5. 5. 金属的同素异构转变金属的同素异构转变 金属在固态金属在固态下晶格随温度发下晶格随温度发生改变的现象生改变的现象 纯铁是具有同素纯铁是具有同素异构性的金属，异构性的金属，如图是铁的同素如图是铁的同素异构转变的冷却异构转变的冷却曲线。
曲线同素异构转变：同素异构转变： 金属的同素异金属的同素异构转变也是一种结晶构转变也是一种结晶过程，它同样包含晶过程，它同样包含晶核的形成和长大，故核的形成和长大，故又叫又叫重结晶重结晶转变时也有也有结晶潜热结晶潜热的放出的放出和和过冷现象过冷现象 铁的同素异构铁的同素异构转变是钢铁能够进行转变是钢铁能够进行热处理热处理的的重要依据重要依据。