1.过冷现象 金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度
T0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固 态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度T0以 下的某一温度Tn，才开始进行结晶，温度Tn称为实际结晶温 度。实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0的现象称为过 冷现象。二者温度之差称为过冷度，用△T表示，即 △ T=T0-Tn界。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所 以过冷是金属结晶的一个必要条件。
属于面心立方晶格的金属有: γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag, Pb等。
(3)密排六方晶格。密排六方晶格晶胞如图2 -4所示。在晶胞 六方柱体的十二角和上下底面中心各有一个原子，晶胞的中间 还有三个原子。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
晶胞十二个角的原子均为六个晶胞所共有，上下底面上的原子 为两个晶胞共有，晶胞中间的三个原子为该晶胞独有，所以密 排六方晶格晶胞中的原子个数为3+12 x 1/6+2 x 1 /2=6个。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
3.面缺陷 面缺陷主要是指晶界与亚晶界。晶粒之间的界面称为晶界。
晶界可以被看成是两个邻近晶粒间具有一定宽度的过渡地带， 其原子排列是不规则的，处于相邻两晶粒取向的拆中位置上， 如图2 -9所示。 在电子显微镜下观察晶粒可以看出，每个晶粒都是由一些小 晶块组成，称这些小晶块为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由晶界，如图210所示。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
晶界处的晶格畸变，比晶粒内部具有高的能量。因此，晶界具 有在常温下强度和硬度较高的特点，且随晶粒细化，强度与硬 度正比例增长;在高温下晶界的强度和硬度较低;晶界容易被腐 蚀;晶界的熔点较低;晶界处原子扩散速度较快等一系列特性。
上一页
返回
2.2 纯金属的结晶
2.3 合金的形成
2.3.2合金形成相结构的方式
合金中相结构是指合金组织中相的晶体结构。根据合金中 各组元间的相互作用，合金中的相结构主要有固溶体和金属化 合物两大类。
项目二 金属材料结构的认识
2.1 金属材料晶体结构 2.2 纯金属的结晶 本篇小结
2.1 金属材料晶体结构
2.1.1 晶体与非晶体
物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不 同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。
凡内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称 为晶体，如所有固态金属都是晶体。晶体通常具有固定的熔点 和各向异性等特性。
内部质点无规则地堆积在一起的物质称为非晶体，如玻璃、 松香、沥青等都是非晶体。非晶体通常在整体上是无序的，但 原子间靠化学键结合在一起，所以在有限小的范围内观察也有 一定的规律。
下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
非晶体材料往往没有固定的熔点，在各个方向的性能是相同的， 即所谓各向同性。
晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。如金属液体在高 速冷却下可以得到非晶态金属;玻璃经适当热处理可形成晶体 玻璃。有些物质，内部结构可看成是有序和无序的中间状态， 如塑料、液晶等。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
晶胞每个角上的原子均为八个晶胞所共有，六面体每个面上的 原子为两个晶胞共有，所以面心立方晶胞中的原子数为 6x1/2+8x1/8=4个。
晶胞六面体的每个面上对角线方向上原子是彼此紧密相接触 排列的，此对角线的长度应为 (a为六面体棱边长度)，可 计算出面心立方晶格原子半径:r= /4 。
下一页 返回
2.3 合金的形成
2.3.1合金、相和组织的基本概念
所谓合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属，经 熔炼或烧结而成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的、 独立的物质叫做组元(简称元)。组元可以是金属、非金属或稳 定化合物。根据组成合金的组元数目，可将合金分为二元合金、 三元合金、多元合金等。例如，黄铜是由铜和锌组成的二元合 金;碳钢是铁与碳组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁组成的 三元合金。由给定的组元可以配制成一系列不同合金，组成一 个系统，称为合金系。
2.常见的晶格类型
(1)体心立方晶格。体心立方晶格晶胞如图2 -2所示。晶胞 是一个正六面体，除晶胞的八个角上各有一个原子外，中心还 有一个原子。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
晶胞每个角上的原子均为八个晶胞所共有，而中心原子为该晶 胞所独有，所以体心立方晶胞中的原子数为 1+8x1/8= 2(个)。
晶胞的对角线方向上原子是彼此紧密相接触排列的，此对角线 的长度应为 (a为六面体棱边长度)，可计算出体心立方晶 格原子半径r= /4 .
属于体心立方晶格的金属有 -Fe, Cr, W, V, Mo等。 (2)面心立方晶格。面心立方晶格晶胞如图2-3所示。晶胞是
一个正六面体，除在晶胞八个角上各有一个原子外，在各个面 的中心还有一个原子。
形核方式分为自发形核和非自发形核两种。在一定的过冷条件 下，仅依靠本身的原子有规则排列而形成晶核，称为自发形核， 又称均质形核。实际铸造生产中，这种形核现象很少。通常金 属液中总是存在着各种固态杂质微粒，依附在这些杂质表面很 容易形成晶核，这种形核过程称为非自发形核，又称非均质形 核。
上一页 下一页 返回
2.纯金属的结晶过程 结晶过程总是从形成一些极小的晶体开始，这些细小晶体称为
晶核。随着温度下降，液体中的原子不断向晶核聚集，使晶核 不断长大;
上一页 下一页 返回
2.2 纯金属的结晶
同时液体中会不断有新的晶核形成并长大，直到各晶粒之间相 互接触、液体完全消失为止。所以，结晶的基本过程是形核与 其长大过程。如图2-12所示。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
(3)晶格常数。为研究晶体结构，在晶体学中还规定用晶格参
数来表示晶胞的几何形状及尺寸。晶格参数包括晶胞的棱边长
度a, b,c和棱边夹角α , β, γ ，如图2-1 (c)所示。晶胞的
各棱边长度的单位为
。
由于金属中原子之间的键力较强，且无方向性，所以在金属 晶体中，原子总是趋于结合得最紧密。其中最常见的金属晶格 类型主要包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格3 种。
原子由不规则排列的液态逐步过渡到规则的晶体状态的过 程称为结晶。金属结晶时形成的铸态组织，不仅影响其铸态性 能，而且也影响随后经过一系列加工后材料的性能。因此，掌 握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的结晶过程，从而获 得性能优良的金属材料。
下一页 返回
2.2 纯金属的结晶
2.2.1纯金属结晶过程
上一页 下一页 返回
2.2 纯金属的结晶
3.附加振动 在金属结晶时，对液态金属施加机械振动、超声波振动、电磁
振动等措施，可使液体中长大了的晶体破碎，增加晶核数目， 获得细晶组织。
上一页
返回
2.3 合金的形成
纯金属虽然具有许多优良的性能并获广泛应用，但其强度和硬 度一般都很低，远不能满足零件的使用要求。因此，工业上用 量最大、范围最广的金属材料是合金。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
2.线缺陷 晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位
错。通常位错分为两种:一种是刃形位错;另一种是螺形位错。 如图2 -7所示，在晶体的某一水平面上，多出一个半原子面，
这个半原子面如同刀刃一样插入晶体，称为刃形位错。刃形位 错可用符号 表示。 如图2-8所示，晶体上下两部分的原子排列面在某些区域相互 吻合的次序发生错动，使不吻合的过渡区域原子排列呈螺旋形， 称为螺形位错。 在位错附近区域产生晶格畸变。位错很容易在晶体中移动，对 金属的塑性变形、强度、扩散、相变等力学性能和物理化学性 能都起着重要的作用。
上一页 下一页 返回
2.3 合金的形成
相是指金属或合金中化学成分、晶体结构及原子聚集状态 相同的，并于其他部分有明显界面分开的均匀组成部分。如纯 金属在液态或固态时均为一个相，分别称为液相和固相。
组织是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布 方式不同的一种或多种相构成的组合形貌。
上一页 下一页 返回
晶胞上下底面上的原子是彼此紧密相接触排列的，可计算出密 排六方晶格原子半径r=a/2 (a为六边形的边长)。
属于密排六方晶格的金属有:Mn, Zn, Be, Cd等。
上一页 下一页 返回
2.1 金属材料晶体结构
2.1.3 实际晶体中的缺陷
实际金属通常都是由很多外形不规则的小晶粒组成的，称为 多晶体。同一种材料所有晶粒的结构完全相同，但彼此之间原 子排列位向不同，使金属的性能在各个方向上基本是一致的， 这种现象称为“伪各向同性”，如图2 -5所示。
足够大的能量时，能克服周围原子对它的牵制作用，脱离平衡 位置而逃走，使结构中出现了空结点，称为空位。当金属中含 有杂质，而这些杂质原子又相当小时，这些杂质原子往往存在 于金属晶格的间隙中，称为间隙原子。当异类原子占据晶格的 位置时，称为置换原子，如图2-6所示。 由于空位、间隙原子、置换原子的存在引起周围晶格畸变， 结果使金属屈服点增高，影响金属的部分物理性能和化学性能。
上一页 下一页 返回
2.2 纯金属的结晶
结晶温度通常采用热分析法测量，即先将金属熔化，并使温 度均匀，然后以极慢的速度冷却，记录下温度随时间的变化曲 线，称为冷却曲线，如图2-11所示。
纯金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的原因，是由于金属在 结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度 并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有 结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。
上一页 下一页 返回
2.2 纯金属的结晶
1.增加过冷度 从图2-13可以看出，过冷度增大，形核率和长大速度都增大，
但前者的增大更快，因此结晶后晶粒就越细。在铸造工业中， 由砂型铸造改为金属模铸造，可提高铸件的力学性能，就是利 用增大过冷度来细化晶粒所致。 2.变质处理 细化晶粒的另一种方法是在浇注前向金属液体中加入一些能促 进形核或抑制晶核长大的物质，使金属晶粒细化，这种方法称 为变质处理(也称孕育处理)。 例如，在浇铸铁液前加入硅铁或硅钙合金，在铝合金中加入微 量钦或铝，都能达到细化晶粒的目的。