第二章金屬的晶體結構與結晶金屬材料的應用金屬材料的性能金屬材料的結構晶體結構金屬的結晶第二章金屬的晶體結構與結晶金屬的晶體結構金屬的結晶純金屬的晶體結構實際金屬的晶體結構純金屬的結晶同素異構轉變晶粒大小及其控制第二章金屬的晶體結構與結晶

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識

晶體

指原子（更確切地說是離子）按一定幾何形狀作有規律重復排列的物體。

非晶體

內部原子無規則排列的固態物體。第二章金屬的晶體結構與結晶純鐵純銅純鋁晶體玻璃瀝青松香非晶體

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶

晶體與非晶體的差異及相互轉化性能上區分：熔點、各向同異性；轉變產物：非晶體金屬、玻璃纖維等

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶

晶格

在研究晶體結構時，為了便于分析各種晶體中原子排列規律和幾何形狀，通常把組成晶體的每一個原子視為一個幾何結點，并用假想的幾何直線把各結點中心連接起來，便形成一個三維空間格架。這種抽象的用于描述原子在晶體中排列方式的三維空間格架，稱為結晶格子，簡稱晶格。

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶

晶格

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識晶體模型和晶格示意圖第二章金屬的晶體結構與結晶

晶胞

在晶格中選取一個能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來表示原子排列規律，這個最小的幾何單元稱為晶胞。

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶

晶格常數

在晶體學中，通常取晶胞角上某一結點，其3條棱邊作為3個坐標軸X，Y，Z，稱為晶軸，而且規定在坐標原點的前、后、上方為軸的正方向，反之為負，并以棱邊長度a、b、c和棱面間的夾角α、β、γ來表示晶胞的形狀和大小，其中棱邊長度稱為晶格常數，其大小常以?（埃）為計量單位（1?=1×10-8cm）。

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶

晶格常數

各種晶體物質構成的原子不同，構成的晶格形式、晶格常數會有所不同，于是便表現出不同的物理、化學和力學特性。

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶

晶系

按晶胞棱邊長度和夾角的不同將晶體的基本類型歸納成的晶體系列，稱為晶系。晶系構成示意圖

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶

第一節金屬的晶體結構

常用金屬材料晶系

立方正方六方斜方金屬中，原子總是具有趨于最緊密排列的傾向，使晶格的排列組合形式大為減少，常常形成具有高度對稱性的比較簡單的幾何形式純金屬的晶體結構晶體的基本知識第二章金屬的晶體結構與結晶除鉍、銻、鍺、鎵等類金屬為共價鍵結合外，其他金屬主要是金屬鍵結合

金屬的特性和金屬鍵

帶負電的自由電子與帶正電的的金屬正離子之間產生靜電吸引力，使金屬原子結合在一起，這就是金屬鍵結合的本質良好的導電性、導熱性和塑性具有金屬光澤正的電阻溫度系數金屬特性金屬原子間的結合鍵稱為金屬鍵。金屬鍵金屬鍵示意圖

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶體心立方晶格

常見金屬晶體結構

晶胞模型晶格類型剛性模型晶格常數：a=b=c棱面間夾角：

α=β=γ=90°屬于該類晶格的常見金屬有:α-Fe(<912℃)、δ-Fe(>1394℃)、Cr、W、Mo、V等

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶面心立方晶格

常見金屬晶體結構

晶胞模型晶格類型剛性模型晶格常數：a=b=c棱面間夾角：

α=β=γ=90°屬于該類晶格的常見金屬有:γ

-Fe(912-1394℃)、Cu、Al、Ni、Pb、Au、Ag等

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶密排六方晶格

常見金屬晶體結構

晶胞模型晶格類型剛性模型晶格常數：底面邊長

a和高

c，

c/a=1.633～1.899棱面間夾角：

α=β=γ

=60°

δ=90°屬于該類晶格的常見金屬有:Mg、Zn、

Be、Cd等

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

晶體的各向異性

在晶體中，由于各個晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子間的相互作用力也不相同。因此在同一單晶體內不同晶面和晶向上的性能也是不同。這種現象稱為晶體的各向異性。

立方晶系不同晶面和晶向原子排列示意圖晶面

晶體學中，通過晶體中原子中心的平面晶向

通過原子中心的直線所代表的方向

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

晶體的各向異性

產生原因

不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同影響

不論在物理、化學還是力學性能方面，即不論在彈性模量、破斷抗力、屈服強度、或電阻率、磁導率、線脹系數，還是在酸中的溶解速度等許多方面都會表現出不同指導意義

指導生產，獲得性能優異的產品

第一節金屬的晶體結構純金屬的晶體結構金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶實際金屬的晶體結構

單晶體

晶體材料內部位向完全一致的晶體多晶體

由許多晶格位向不同的小晶體構成的晶體結構，稱為多晶體單晶體晶面示意圖多晶體晶面示意圖多晶體

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

晶粒

多晶體中每個外形不規則的顆粒狀的小晶體晶界

晶粒與晶粒間的交界多晶體的晶粒和晶界示意圖晶粒晶界實際金屬的晶體結構多晶體

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

晶界示意圖亞晶界示意圖

亞晶粒

晶粒內部晶格位向差小于2°、3°的更小的晶塊亞晶界

亞晶粒間的過渡區實際金屬的晶體結構多晶體

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

顯微組織

在顯微鏡下所觀察到的金屬中各種晶粒的大小、形態和分布圖像，稱為顯微組織（也叫金相組織）純鐵的顯微組織照片實際金屬的晶體結構多晶體

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

點缺陷線缺陷面缺陷

晶體內部存在的原子不規則排列區域實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

點缺陷

指晶體空間中，在長、寬、高三維尺度上都很小的、不超過幾個原子直徑的缺陷點缺陷示意圖實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

點缺陷的形成

實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶空位間隙原子小置換原子大置換原子

點缺陷的影響

實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構點缺陷破壞了原子的平衡狀態，引起周圍晶格產生畸變，阻礙原子的移動，必需施加更大的外力才能使其結構改變，從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降第二章金屬的晶體結構與結晶

線缺陷

指晶體的某一平面上，沿著某一方向伸展開來呈線狀分布的缺陷特征

在一個方向上的尺寸很長，而另兩個方向的尺寸則很短主要形式

位錯（在晶體中的某處有一列或若干列原子，發生了某種規律的錯排現象）實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶刃型位錯示意圖

線缺陷——位錯

刃型位錯當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶刃型位錯形成示意圖

線缺陷——位錯

刃型位錯的形成刃型位錯滑移_立體圖實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構刃型位錯的結構示意圖第二章金屬的晶體結構與結晶刃型位錯示意圖和金相圖片

刃型位錯的金相照片實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構

線缺陷——位錯

第二章金屬的晶體結構與結晶螺型位錯示意圖螺型位錯

晶體右前邊的點相對于左邊的點向下錯動一個原子間距，即右邊前部相對于左部晶面發生錯動。若將錯動區的原子用線連接起來，則具有螺旋型特征，這種線缺陷稱螺型位錯實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構

線缺陷——位錯

第二章金屬的晶體結構與結晶孿晶

晶體中兩晶塊以特定的取向關系相交接，構成晶體結構所不具備的（但常常是接近原有的）對稱關系時，這樣的一對連生晶塊稱為孿晶孿晶與位錯交互作用金相照片孿晶示意圖

線缺陷——位錯

實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃型位錯（白點為原子）實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構

線缺陷——位錯

第二章金屬的晶體結構與結晶位錯的影響

不論刃型位錯還是螺型位錯，以位錯線為中心的管道區周圍晶格都發生了畸變。在相應的外部條件下，刃型位錯和螺型位錯均可在晶體中進行不同形式的運動。位錯在晶體中的存在及其密度變化，對金屬的性能如強度、塑性、疲勞、蠕變以及原子擴散、相變等許多結構轉化都將起著重要的影響。由于線缺陷的影響面比點缺陷大的多，因此對材料性能的影響也大的多。實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構

線缺陷——位錯

第二章金屬的晶體結構與結晶位錯密度

單位體積晶體中位錯的總長度或者是通過1cm2面積的位錯數目金屬的抗拉強度與其中位錯密度的關系實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構

線缺陷——位錯

第二章金屬的晶體結構與結晶

面缺陷

指晶體空間中，在兩個方向的尺寸很大，而第三個方向的尺寸很小而呈面狀分布的缺陷晶界

亞晶界

孿晶界

面缺陷（主要類型）實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

面缺陷

晶界

晶界模型（位相差＜15°）晶界特性當金屬暴露在腐蝕環境里，晶界容易被腐蝕晶界處的熔點較晶粒內低當金屬內部發生相變時，晶界處是優先成核原子在晶界上擴散比在晶粒內快晶界阻礙位錯運動，這里不易產生塑性變形，硬度、強度均比晶粒內高實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

面缺陷

亞晶界實際上小角度晶界具有晶界的特性對金屬的力學性能有很大影響

亞晶界模型（位相差1~3°)Fe-4Si合金中的亞晶界，×1250

面缺陷

實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

缺陷對金屬材料的影響

晶格缺陷處及其附近，均有明顯的晶格畸變，因而會引起晶格能量的提高并使金屬的物理、化學和力學性能發生顯著的變化，如晶界和亞晶界愈多，位錯密度愈大，金屬的強度便愈高實際金屬的晶體結構晶體缺陷

第一節金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶金屬的多晶結構和晶格缺陷是怎樣形成的

第一節金屬的晶體結構實際金屬的晶體結構第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶冷卻曲線與過冷度

結晶

物質從液體狀態轉變為固態晶體的過程原子不規則排列（近程有序排列）原子規則排列(遠程有序排列）物質從液態冷卻轉變為固態的過程叫凝固。若凝固后的固體為晶體稱為結晶凝固后是否形成晶體與液體的粘度和冷卻速度有關。粘度大，液體粘稠，相對運動困難，凝固時極易形成無規則結構冷卻速度直接關系到原子或分子的擴散能力。當冷卻速度大于10oC/S時，可阻止金屬及合金的結晶，獲得非晶態金屬材料第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶冷卻曲線與過冷度

純金屬的結晶特點

在恒溫下進行在過冷條件下進行結晶前后為單相可用冷卻曲線描述第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶冷卻曲線與過冷度

冷卻曲線液體態金屬在結晶時的溫度-時間的關系曲線稱為冷卻曲線

過冷度理論結晶溫度T0與開始結晶溫度Tn之差叫做過冷度用ΔT表示，即ΔT=T0—Tn

純金屬的冷卻曲線T0TnΔTt（時間）T（溫度）第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶結晶過程

結晶的一般規律形核核長大

金屬結晶過程示意圖形核與核長大動畫第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶結晶過程

晶核的形成

在一個微小的體積中原子有不規則排列轉變為規則排列的過程自發形核非自發形核（異核形核）

第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶結晶過程

晶核的長大樹枝狀長大

樹枝狀長大模型實際金屬結晶主要以樹枝狀長大(這是由于棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產生二次軸…，樹枝間最后被填充)

第二節金屬的結晶純金屬的結晶結晶過程

晶核的長大樹枝狀長大

金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第二章金屬的晶體結構與結晶核均勻長大核樹枝狀長大第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶結晶條件

自由能降低

自由能：

物質能自動向外界釋放出多余的或能夠對外作功的能量叫自由能

根據熱力學定律，自然界中一切自發轉變過程，總是向能量最低狀態轉變液態金屬過冷后自由才能降低

第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶純金屬的結晶結晶條件過冷度的影響因素與金屬本性有關比如銅、鐵在相同冷卻速度下過冷度不同與金屬的純度有關雜質越多，過冷度越小與冷卻速度有關快冷，實際結晶溫度低，過冷度大

第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶金屬的同素異構轉變

同素異構轉變

金屬在固態下隨溫度變化，由一種晶格變成另一種晶格的現象

同素異構體

由同素異構轉變所得到的不同晶格的晶體770純鐵的冷卻曲線第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶金屬的同素異構轉變

同素異構轉變實質

是重結晶過程

（遵循結晶規律）生產中可利用純鐵的同素異構轉變，對其進行各種熱處理，以改變其組織和性能，更好地在工程上滿足應用要求第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶晶粒大小及其控制

晶粒度的概念

晶粒的大小即晶粒度用單位面積上的晶粒數目或晶粒的平均線長度（或直徑）表示晶粒度大小對金屬性能的影響常溫下，晶粒越細，晶界面積越大，因而金屬的強度、硬度越高，同時塑性、韌性也越好,即細晶強化高溫下，晶界呈粘滯狀態，在外力作用下易產生滑動，因而細晶粒無益。但晶粒太粗易產生應力集中。因而高溫下晶粒過大、過小都不好第二章金屬的晶體結構與結晶

第二節金屬的結晶晶粒大小及其控制

晶粒度的影響因素

生核速率N（晶核形成數目/s·mm3)核長大速度G（mm/s)N/G比值越大，晶粒越細小因此，凡是促進形核、抑制長大的因素，都能細化晶粒第二章金屬的晶體結構與結晶過冷度對N、G的影響

第二節金屬的結晶晶粒大小及其控制

晶粒度的控制（細