第二章金属的晶体结构与结晶
教学目的及要求
通过本章的学习，使学生掌握常用纯金属的结构特点和性能特点，建立金属材料结构与性能之间的关系。
主要内容
1．材料的结合方式
2．金属的晶体结构与结晶
学时安排
讲课2学时。
教学重点
1．金属的三种典型的晶体结构
2．晶体缺陷及其对性能的影响
3．纯金属的结晶过程
教学难点
1．金属材料的晶体结构
2．各类缺陷对结构及性能的影响
第一节纯金属的晶体结构
一、晶体结构的基本概念
晶体结构：指在晶体内部，原子、离子或原子集团规则排列的方式。
晶体结构不同，其性能往往相差很大。
晶格：为了便于分析研究，通常把将晶体中实际存在的原子、离子或原子集团等物质质点，抽象为空间中纯粹的几何点，而完全忽略它的物质性，这些抽象的几何点称为阵点。
用假想的直线把这些阵点连接起来，得到周期性规则排列的三维空间格子称为晶格。
晶胞：组成晶格的能反映其特征和规律的最基本几何单元，称为晶胞。
晶格可以看作是由许多大小和形状完全相同的晶胞紧密地堆垛在一起而成的。
晶格常数：晶胞各棱边的长度用a、b、c表示，称为晶格常数或点阵常数，其大小通常以埃为计量单位。
晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。
a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。
在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。
配位数和致密度：表示晶格中原子排列的紧密程度。
配位数：指晶格中与任一原子处于相距最近并距离相等的原子数目；
致密度（K）：指晶胞中原子排列的致密程度，即晶胞中原子所占的体积与晶胞体积（V）的比值，比值K越大，致密度越大。
二、金属中常见的晶体结构类型
三种典型晶体结构特征：
晶体结构与材料性能：（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的金属较差。
第二节实际金属中的晶体缺陷
一、常见晶体缺陷及分类
晶体缺陷：实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。
分类：按空间尺寸分为三种。
1．点缺陷。
不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小，主要是空位、置换原子、间隙原子。
2．线缺陷。
不规则区域在一个方向的尺寸很大，在另外两个方向的尺寸都很小，主要是位错。
3．面缺陷：不规则区域在两个方向的尺寸很大，在另外一个方向的尺寸很小，主要是晶界和亚晶界。
二、晶体缺陷对晶体性能的影响
1．点缺陷周围晶格发生畸变，材料的屈服强度提高，塑性韧性下降，电阻增加。
2．线缺陷附近的晶格畸变，对强度影响显著。
强度的变化与位错密度有关。
位错密度很低或者很高时，晶体的强度比较高。
3．面缺陷：晶格发生畸变，晶界增多能显著提高材料的强度，也可提高材料的塑性和韧性，但是容易发生高温氧化，耐腐蚀性能降低。
细晶强化：通过细化晶粒而使材料强度提高的方法称为细晶强化，是强化材料的方法之一。
第三节金属的结晶
一、结晶的概念
凝固：是物质由液态变为固态的过程。
结晶：是物质由液态凝固为固态晶体的过程。
金属的结晶：是指液态金属凝固成固态金属晶体的过程。
一次结晶：一是从液态到固态晶体的过程；
二次结晶：从固态晶体到另一种固态晶体的过程。
二、液态金属的结构
液态金属结构的特点是：“近程有序，远程无序”。
在液态金属中，近程规则排列的原子集团处于时聚时散、此起彼伏的变化状态，为金属结晶提供了重要的结构条件。
三、纯金属的结晶过程
1．从宏观角度看结晶规律：（1）金属的结晶是在一定的过冷度下完成的，即存在过冷现象。
（2）结晶过程是在恒温下完成的。
过冷度：理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差。
2．从微观的角度：包括晶核的形成和长大两个基本过程。
液态金属冷却到凝固温度时，首先形成晶核，在继续冷却的过程中，晶核吸收周围的原子而长大成小的晶粒，与此同时，又有新的晶核不断形核和长大，直至相邻晶粒彼此接触，液态金属完全消失，结晶成金属晶体。
大多数金属为多晶体。
（1）形核方式
自发形核：液态金属中时聚时散的原子集团是自发形核的核心，形核均匀，但形核速度慢。
非自发形核：依靠容器壁、金属液体中的未熔颗粒和杂质形核，形核率高，速度快。
（2）长大方式：过冷度较小时，以平面方式长大；过冷度较大时，以树枝晶形式长大。
四、晶粒大小的控制
1．晶粒度
晶粒度是表示晶粒大小的指标。
工业上，通常采用晶粒度等级来表示晶粒大小。
标准晶粒度一般分为八级，一级最粗，八级最细。
晶粒度级别越高，晶粒越细。
工业中常用的细晶粒是7～8级，晶粒尺寸为0.022mm。
2.晶粒大小对力学性能的影响
一般地，金属的晶粒越细，常温下的力学性能越好。
3．晶粒大小的控制
形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核的数目。
长大速率（G）：晶核在单位时间内生长的长度。
在长大速率相同的情况下，形核越多，晶粒越细。
比值N/G越大，晶粒越细小。
铸造生产中，常用控制晶粒度的方法有：
a）控制过冷度
b）变质处理
c）附加振动、搅拌等。