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1、第第2 2章章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2.3 2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体的概念晶体的概念物质都由原子构成。物质都由原子构成。自然界的固态物质，自然界的固态物质，根据其内部原子根据其内部原子的聚集状态不同，的聚集状态不同，可分为晶体和非晶体两大类。可分为晶体和非晶体两大类。在物质内在物质内部，部，凡原子呈有序、凡原子呈有序、有规则排列的物体称为晶体。有规则排列的物体称为晶体。绝大多绝大多数金属在固态下一般均属于晶体，数金属在固态下

2、一般均属于晶体，如纯铁、如纯铁、纯铝、纯铝、天然金天然金刚石等。刚石等。相反，相反，凡原子呈无序堆积状态的凡原子呈无序堆积状态的 ，称为非晶体，称为非晶体，例如沥青、例如沥青、普通玻璃、普通玻璃、松香、松香、树脂等，树脂等，均属于非晶体。均属于非晶体。晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，晶体与非晶体，由于原子排列方式不同，它们的性能也有差它们的性能也有差异。异。晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；晶体具有固定的熔点，其性能呈各向异性；非晶体没非晶体没有固定熔点，有固定熔点，而且表现为各向同性。而且表现为各向同性。下一页 返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构晶体结构的基础知识晶体结

3、构的基础知识1.1.晶格和晶胞晶格和晶胞通过通过X X射线分析法得知射线分析法得知,晶体内部原子是按一定的几何规律排晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。列的。为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况，为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况，把原把原子看成是一个小球，子看成是一个小球，则金属晶体就是由这些小球有规律地堆则金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体，积而成的物体，如如图图2-12-1所示。所示。下一页上一页返回图图2-1 2-1 晶体内部原子排列示意图晶体内部原子排列示意图返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构为了形象地表示晶体中原子排列的规律，为了形象地表示晶体中原子

4、排列的规律，可以将原子简化成可以将原子简化成一个点，一个点，用假想的线将这些点连接起来，用假想的线将这些点连接起来，构成有明显规律构成有明显规律性的空间格架。性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格，叫做晶格，如如图图2-22-2（a a）所示。所示。由图由图2-22-2（a a）可见，）可见，晶格是由许多形状、晶格是由许多形状、大小相同的最小大小相同的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元重复堆积而成的。能够完整地反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞，几何单元称为晶胞，如图如图2-22-2（b b）所示。）所示

5、。下一页上一页返回图图2-2 2-2 晶格和晶胞示意图晶格和晶胞示意图返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构2.2.晶面和晶向晶面和晶向在晶体中由一系列原子组成的平面在晶体中由一系列原子组成的平面,称为晶面。称为晶面。如如图图2-32-3所所示为简单立方晶格的一些晶面。示为简单立方晶格的一些晶面。通过两个或两个以上原子中心的直线，通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排可代表晶格空间排列的一定方向，列的一定方向，称为晶向，称为晶向，如如图图2-42-4所示。所示。由于在同一晶由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，

6、因此原子因此原子结合力也就不同，结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。性能，这就是晶体具有各向异性的原因。下一页上一页返回图图2-3 2-3 立方晶格中的一些晶面立方晶格中的一些晶面返回图图2-4 2-4 立方晶格中的几个晶向立方晶格中的几个晶向返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构金属晶格的类型金属晶格的类型金属的晶格类型很多金属的晶格类型很多,但绝大多数但绝大多数(占占85%)85%)金属属于下面金属属于下面 3 3种晶格。种晶格。1.1.体心立方晶格体心立方晶格它的晶胞是一个立方体它的晶胞是一

7、个立方体,原子位于立方体的原子位于立方体的8 8个顶角上和立方个顶角上和立方体的中心体的中心,如如图图2-52-5所示。所示。属于这种晶格类型的金属有铬属于这种晶格类型的金属有铬（CrCr）、钒（）、钒（V V）、钨）、钨 （W W）、钼）、钼 （MoMo）及）及 -铁（铁（-FeFe）等。等。下一页上一页返回图图2-5 2-5 体心立方晶胞体心立方晶胞返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构2.2.面心立方晶格面心立方晶格它的晶胞也是一个立方体它的晶胞也是一个立方体,原子位于立方体的原子位于立方体的8 8个顶角上和个顶角上和立方体立方体6 6个面的中心，个面的中心，如如图图2-62-

8、6所示。所示。属于这种晶格类型的属于这种晶格类型的金属有铝（金属有铝（AlAl）、）、铜（铜（CuCu）、铅（）、铅（PbPb）、镍（）、镍（NiNi）及）及铁铁（Fe Fe）等。）等。下一页上一页返回图图2-6 2-6 面心立方晶胞面心立方晶胞返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构3.3.密排六方晶格密排六方晶格它的晶胞是一个正六棱柱体，它的晶胞是一个正六棱柱体，原子排列在柱体的每个顶原子排列在柱体的每个顶角上和上、角上和上、下底面的中心，下底面的中心，另外另外3 3个原子排列在柱体内，个原子排列在柱体内，如如图图2-72-7所示。所示。属于这种晶格类型的金属有镁属于这种晶格类型的

9、金属有镁 （MgMg）、）、铍铍 （BeBe）、镉（）、镉（CdCd）及锌（）及锌（ZnZn）等。）等。下一页上一页返回图图2-7 2-7 密排六方晶胞密排六方晶胞返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构金属晶体结构的缺陷金属晶体结构的缺陷点缺陷点缺陷:最常见的点缺陷有空位、最常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子等，间隙原子和置换原子等，如如图图2-82-8所示所示 。由于点缺陷的出现，。由于点缺陷的出现，使周围原子发生使周围原子发生“撑撑开开”或或“靠拢靠拢”的现象，的现象，这种现象称为晶格畸变。这种现象称为晶格畸变。晶格晶格畸变的存在畸变的存在 ，使金属产生内应力，使金属产生内应

10、力，晶体性能发生变化，晶体性能发生变化，如如强度、强度、硬度和电阻增加硬度和电阻增加 ，体积发生变化，体积发生变化 。晶格畸变也是强。晶格畸变也是强化金属的手段之一。化金属的手段之一。下一页上一页返回图图2-8 2-8 点缺陷示意图点缺陷示意图返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构线缺陷：线缺陷：线缺陷主要指的是位错。线缺陷主要指的是位错。最常见的位错形态是最常见的位错形态是刃形位错，刃形位错，如如图图2-92-9所示。这种位错的表现形式是晶体的某所示。这种位错的表现形式是晶体的某一晶面上，一晶面上，多出一个半原子面，多出一个半原子面，它如同刀刃一样插入晶体它如同刀刃一样插入晶体故称

11、刃形位错，故称刃形位错，在位错线附近一定范围内，在位错线附近一定范围内，晶格发生了畸晶格发生了畸变。变。下一页上一页返回图图2-9 2-9 刃形位错晶体结构示意图刃形位错晶体结构示意图返回2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构面缺陷：面缺陷：通常指的是晶界和亚晶界。通常指的是晶界和亚晶界。如如图图2-102-10和和图图2-112-11所示。所示。实际金属材料都是多晶体结构，实际金属材料都是多晶体结构，多晶体中两个相邻多晶体中两个相邻晶粒之间晶格位向是不同的，晶粒之间晶格位向是不同的，所以晶界处是不同位向晶粒原所以晶界处是不同位向晶粒原子排列无规则的过渡层。子排列无规则的过渡层。晶界原子

12、处于不稳定状态，晶界原子处于不稳定状态，能量能量较高，较高，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特性，因此晶界与晶粒内部有着一系列不同特性，例如，例如，常温下晶界有较高的强度和硬度；常温下晶界有较高的强度和硬度；晶界处原子扩散速度较快；晶界处原子扩散速度较快；晶界处容易被腐蚀、晶界处容易被腐蚀、熔点低等。熔点低等。亚晶界处原子排列也是不亚晶界处原子排列也是不规则的，其作用与晶界相似。规则的，其作用与晶界相似。上一页返回图图2-10 2-10 晶界的过渡结构示意图晶界的过渡结构示意图返回图图2-11 2-11 亚晶界示意图亚晶界示意图返回2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的冷却曲线及过冷

13、度纯金属的冷却曲线及过冷度金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究金属的结晶过程可以通过热分析法进行研究,如如图图2-122-12所示所示为热分析装置示意图。为热分析装置示意图。将纯金属加热熔化成液体，将纯金属加热熔化成液体，然后缓然后缓慢地冷却下来，慢地冷却下来，在冷却过程中，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次每隔一定的时间测量一次温度，温度，将记录下来的数据描绘在温度，将记录下来的数据描绘在温度，时间坐标图中，时间坐标图中，便便获得纯金属的冷却曲线，获得纯金属的冷却曲线，如如图图2-132-13所示。所示。下一页 返回图图2-12 2-12 热分析法装置示意图热分析法装置示意图返回图图2-

14、13 2-13 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线返回2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶实际上液态金属总是冷却到理论结晶温度以下才开始结晶，实际上液态金属总是冷却到理论结晶温度以下才开始结晶，如如图图2-142-14所示。所示。实际结晶温度（实际结晶温度（T T1 1）低于理论结晶温度）低于理论结晶温度 （T T0 0）这一现象称为）这一现象称为“过冷现象过冷现象”。理论结晶温度和实际结理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度晶温度之差称为过冷度 T=T=（T T0 0-T-T1 1 ）。）。金属结晶时过金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关。冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，冷却速度

15、越快，金属的实际金属的实际结晶温度越低，结晶温度越低，过冷度也就越大。过冷度也就越大。下一页上一页返回图图2-14 2-14 纯金属结晶时的冷却曲线纯金属结晶时的冷却曲线返回2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程如如图图2-152-15所示为纯金属的结晶过程示意图。所示为纯金属的结晶过程示意图。结晶开始时，结晶开始时，液体中某些部位的原子先后按一定的晶格类型排列成微小的液体中某些部位的原子先后按一定的晶格类型排列成微小的晶核，晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长方式长大，以后晶核向着不同位向按树枝生长方式长大，当成当成长的枝晶与相邻晶体的枝晶互相接触时，长的枝

16、晶与相邻晶体的枝晶互相接触时，晶体就向着尚未凝晶体就向着尚未凝固的部位生长，固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止。直到枝晶间的金属液全部凝固为止。最后最后形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。形成了许多互相接触而外形不规则的晶体。这些外形不规则这些外形不规则而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。而内部原子排列规则的小晶体称为晶粒。由于每个晶粒的位由于每个晶粒的位向不同，向不同，使它们相遇时不能合为一体，使它们相遇时不能合为一体，这些晶粒与晶粒之这些晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。间的分界面称为晶界。如如图图2-162-16所示为在金相显微镜下观察所示为在金相显微镜下观察到的纯铁的晶粒和晶

17、界的图像。到的纯铁的晶粒和晶界的图像。下一页上一页返回图图2-15 2-15 纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图返回图图2-16 2-16 纯铁的显微组织纯铁的显微组织返回2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体，结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体，如如图图2-172-17（a a）所所示，示，单晶体中的原子排列位向是完全一致的。单晶体中的原子排列位向是完全一致的。其性能是各其性能是各向异性的，向异性的，如果结晶后的晶体是由许多位向不同的晶粒组成如果结晶后的晶体是由许多位向不同的晶粒组成的，的，则称为多晶体，则称为多晶体，如图如图2-172-17（b b

18、）所示。）所示。由于多晶体内由于多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致，各晶粒的晶格位向互不一致，它们自身的各向异性彼此抵消，它们自身的各向异性彼此抵消，故显示出各向同性故显示出各向同性 ，亦称为，亦称为“伪各向同性伪各向同性”。下一页上一页返回图图2-17 2-17 单晶体和多晶体结构示意图单晶体和多晶体结构示意图返回2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。一般地说，一般地说，在室温下，在室温下，细晶粒金属具有较高的强度和韧性。晶粒大小对细晶粒金属具有较高

19、的强度和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见纯铁力学性能的影响见表表2-12-1。下一页上一页返回表表2-1 2-1 晶粒大小对纯铁力学性能的晶粒大小对纯铁力学性能的影响影响返回2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶1.1.增加过冷度增加过冷度如如图图2-182-18所示所示,金属的形核率金属的形核率N N和长大速度和长大速度G G 均随过冷度而发均随过冷度而发生变化生变化,但两者变化速率并不相同但两者变化速率并不相同,在很大范围内形核率比在很大范围内形核率比晶核长大速度增长更快晶核长大速度增长更快,因此因此,增加过冷度能使晶粒细化。增加过冷度能使晶粒细化。这种方法只适用于中、这种方法只适用

20、于中、小型铸件，小型铸件，对于大型铸件则需要用对于大型铸件则需要用其他方法使晶粒细化。其他方法使晶粒细化。下一页上一页返回图图2-18 2-18 形核率和长大速度与过冷度形核率和长大速度与过冷度的关系示意图的关系示意图返回2.2 2.2 纯金属的结晶纯金属的结晶2.2.变质处理变质处理在液态金属结晶前加入一些细小的形核剂在液态金属结晶前加入一些细小的形核剂(又称变质剂或孕又称变质剂或孕育剂育剂)使它分散在金属液中作为人工晶核使它分散在金属液中作为人工晶核,可使晶粒显著增可使晶粒显著增加加,或者降低晶核的长大速度或者降低晶核的长大速度,这种细化晶粒的方法称为变这种细化晶粒的方法称为变质处理质处理

21、 。钢中加入钛、。钢中加入钛、硼硼 、铝等，、铝等，铸铁中加入硅铁铸铁中加入硅铁 、硅、硅钙等均能起到细化晶粒的作用。钙等均能起到细化晶粒的作用。3.3.振动处理振动处理在结晶时在结晶时,对金属液加以机械振动、对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动超声波振动和电磁振动等等 ，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心，达达到细化晶粒的目的。到细化晶粒的目的。上一页返回2.3 2.3 金属的同素异构转变金属的同素异构转变自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，自然界中大多数金属结晶后晶格类型都不再变化，但少数金但少数金属，属，如铁、如铁、钴、钴、钛、钛、锡、锡、锰等，锰等，随着温度或压力的变随着温度或压力的变化晶格类型会改变。化晶格类型会改变。在固态下，在固态下，随温度或压力的改变由一随温度或压力的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同具有同素异构转变的以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称素异构转变的以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异构体。为该金属的同素异构体。如如图图2-192-19所示为纯铁的冷却曲线所示为纯铁的冷却曲线 。返回图图2-19 2-19 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线返回