第二章 金属的晶体结构与结晶
金属晶体内部结构和结晶
2-1 金属的晶体结构
一、金属的特性与金属键
▪ 良好的导热性和导电性 ▪ 有光泽、不透明 ▪ 较高强度、可塑性
金属晶体内部结构和结晶
二、晶体结构的基本概念
晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在 三维空间的具体排列方式。
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晶格：为了便于研究，用假想直线将金属 中原子的中心位置连接起来表示原子分 布的几何图形。
晶向指数：用以表示晶 向空间方位的符号。
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晶面指数确定方法： a) 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三
棱边为空间坐标轴； b) 以晶格常数为单位，求晶面截距，取倒
数； c) 将各倒数化为最小整数，加圆括号。
（hkl）
晶面族{hkl}
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晶向指数的确定方法： a) 任选一点为空间坐标系原点，以晶胞三棱边
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三、金属中常见的三种晶体结构
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
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1）体心立方晶格
A=b=c; α=β=γ=900 晶胞内原子数n=(1/8)×8+1=2 密排方向：体对角线 3 a 原子半径 r=( 3 /4)a K=0.68 常见金属： α-Fe, Cr, V, Nb, W, Mo等高
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晶胞：代表晶格结构特征的最基本单元。
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晶格常数： 晶胞各边尺寸a.b.c 单
位：Å （1 Å =10-8 c m ）
晶胞各边夹角αβγ
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晶面：晶体中原子排列 的平面。
晶向：晶体中原子排列 的方向。
晶面指数：用以表示晶 面空间方位的符号。
电磁搅拌
将正在结晶的金 属置于一个交变的电 磁场中，由于电磁感 应现象，液态金属会 翻滚起来，冲断正在 结晶的树枝状晶体的 枝晶，增加了结晶的 核心，从而细化晶粒。
熔点金属。 金属晶体内部结构和结晶
2）面心立方晶格
A=b=c; α=β=γ=900
n= (1/8)×8+(1/2)×6=4
密排方向：面对角线 2 a
原子半径r=( 2 /4)a
K=0.74
常见金属：γ-Fe
Au(10630),Ag(9600),Cu(9000)AL(6000),
Ni,Mn
加入人 工晶核
晶粒 细化
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铝合金中加入钛、锆； 钢水中加入钛、钒、铝； 铁水中加入硅铁、硅钙合金； 铝硅合金中加入钠盐
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振动
在金属结晶的过 程中采用机械振动、 超声波振动等方法， 可以破碎正在生长中 的树枝状晶体，形成 更多的结晶核心，获 得细小的晶粒。
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结晶动力△F
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二、纯金属的结晶过程
生核
长大
形成 晶体
形成
金 属
晶核
液
晶核长 大
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1）晶核的形成
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2）晶核的长大
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冷却速度对金属晶粒度的影响
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晶核的形成
自发形核
非自发形核
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三、细化铸态金属晶粒的措施 晶粒大小的衡量——晶粒度
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细晶强化：一般情况下，晶粒越小，强度 硬度越高，塑性和韧性越好，工程上通 过细化晶粒来提高金属力学性能的方法 叫细晶强化。
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增大金属的过冷度
成核速率N： ——单位时间单位体积形 成的晶核数。个/（m3.s） 晶体长大速度G： ——单位时间晶体长大的 长度。M/s
子密度和分布状态不同，从而导致不同方向 上的性能差异，这种现象叫各向异性。
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单晶体铁的弹性模量 <111> 2.90×105MPa <100> 1.35 × 105MPa 单晶体铁在磁场中沿<100> 方向磁化，比沿<111> 方向 容易，所以制造变压器硅钢 片时<100> 方向应平行于导 磁方向，以降低损耗。
1）点缺陷——空位和离位原子
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（置换原子）
2）线缺陷——位错
位错密度——单位体积中位错线长度。
位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
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3）面缺陷——晶界、亚晶界
面缺陷能提高金属材料的强 度和塑性，因此细化晶粒是 改善金属材料性能的有效途
径
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2-3 金属的晶体内部结构和结晶
一、概述
纯金属的结晶条件 T0 ——理论结晶温度 Tn——实际结晶温度 过冷度 △T=T0-Tn
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热力学定律：在恒温条件下，只有那些引起体系 自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低 的过程才能自发进行。
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超高速急冷技术： 将液态金属连续留
入旋转的冷却轧辊 之间，急冷后可获得几
毫米宽的非晶态金 属材料薄带。 非晶态金属特点： ✓ 很高的强度和韧性。 ✓ 高的电阻率。 ✓ 良好的抗磁性等金。属晶体内部结构和结晶
孕育处理：在液态金属中加入孕育剂或变 质剂，增加晶核的数量或阻碍晶核的长大。
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3)密排六方晶格 a.a夹角1200 n=(1/6) ×12+(1/2) ×2+3=6 密排方向a R=a/2 K=0.74 常见金属：Mg Zn Be
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四、晶体的各向异性 单晶体：原子排列具有同一位向的晶体。 各向异性：在单晶体中，不同晶向或晶面的原
为空间坐标轴； b) 过坐标原点作一直线，使其平行于待求晶向； c) 读出该方向任意一点的空间坐标值； d) 化为最小整数，加方括号。[uvw] 所有原子排列相同的一族晶向称为晶向族<uvw>
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致密度K：晶胞中原子所占体积与该晶包 体积之比。
对原子排列的紧密 程度进行定量比较！
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2-2 实际金属的晶体缺陷
一、多晶体 ——由许多位向不同的单晶体组成的晶体。
各向异性被抵消——伪等向性 晶粒：多晶体中每一个单晶体。
不规则颗粒状 10-1~10-3 mm 晶界：晶粒与晶粒之间交界处的界面。
原子排列混乱疏松
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晶界
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二、晶体缺陷