１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固 体金属物质分为晶体和非晶体 两大类。
晶体
晶体： 物质内部的原子是按一定 的次序有规律排列的。如金刚 石、石墨等，固态金属一般属 于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是 无规则排列的，如玻璃、松香 和沥青等。
固体 物质
非晶体
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1.2.1 金属的晶体结构
体心立方的晶格是一个立方体，其中心和八个角上各有一 个原子，如图1－5所示。 属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、W、 V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。
图１－5 体心立方球体模型及其晶格
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2.面心立方晶格
图
面心立方晶格的晶胞
－
也是一个立方体，其六个
面
面中心和八个角上各有一
心
个原子，如图1－5所示。
2）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 率的增长比长大速率的增加要快，过冷度ΔT越大，单位体积中晶 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 大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。
３）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 生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。
▪ 晶格：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 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1-4b)所示。
▪ 晶胞：即晶格中最小的几何单元。
晶体结构
晶格
晶胞
图１－4 晶体结构示意图 2
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。 １.体心立方晶格
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纯铁的同素异构转变
图１－9
液态纯铁冷却到1538℃时 结晶成体心立方晶格的δ－ Fe,继续冷却1394℃时发生 同素异构转变,转变成立方 晶格的γ-Fe,再继续冷却到 912℃时又发生同素异构转 变,转变成体心立方晶格的-
纯铁的同素异构转变
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1.2.4 合金的晶体结构
合金：是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元 素所组成的金属材料。
这类金属塑性较差。
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图 － 密 排 六 方 球 体 模 型 及 其 晶 胞
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1.2.2 金属的结晶过程 １.金属的结晶
▪ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 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温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
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温度 ΔT
T0 Tn
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。
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3.金属的结晶过程 动画演示
金属的结晶过程包括形核和晶核长大两个阶段， 并持续到液相全部转变成固相为止。
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 完毕整个过程。
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(1)形核
▪ 形核：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 均质形核两种方式。
（1）晶粒度对金属力学性能的影响 通常，金属的晶粒越细，力学性能越好。晶
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。 （2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度 、动 力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
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1)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 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。
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、三元合金。 组元1
合 组元3 金 组元2 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，可以形成固溶体、金属化合物和 机械混合物三种结构。
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1.固溶体
(1)固容体的类型 ▪ 间隙固溶体：当溶质原子很
小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。 如图1-10a所示。如C、H、 O等原子易形成间隙固溶体。
▪ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。 如图1-10b 所示。 如Fe-Ni、Cu-Ni等。
1）均质形核：又称自发形核，是熔融金属内
仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷
形
度下，金属液中的一些原子自发聚集在一
核
起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。
2）非均质形核：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
晶核衬底的形核过程。
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(2)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。 结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液
４）其它方法
热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。
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1.2.3 金属的同素异构转变
▪同素异构转变：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。 如纯铁的同素异构转变。
二次结晶: 金属的同素异构转变过程与液态金属 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， 故常称为重结晶或二次结晶。
▪ T0 ——理论结晶温度 ▪ Tn——实际结晶温度 ▪ ΔT——过冷度
时间
图1-8 纯金属的冷却曲线
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2.过冷
▪ 过 冷：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。
▪ 过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值 称为过冷度。 即： ΔT=T0-Tn
式中 ΔT——过冷度（℃）； T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； Tn ——金属的实际结晶温度（℃）。
立 方
属于这类晶格的金属有
球
γ-Fe 、Cu、Al、Ni等。
体 模
型
及
它们都具.密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是 一个六方柱体，其上下底面 的中心和十二个角上各有一 个原子，且在六方柱体的中 间还有三个原子，如图1－7 所示。属于这类晶格的金属 有Ｍg 、Ｚn 、Ｃd 、Ｂe等。
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、长大的晶体互相接触为止。 晶粒：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。 晶界：相邻晶粒之间的界面称为晶界。
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4.晶粒度及其控制
▪ 晶粒度：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 量表征。