金屬的結構與結晶[目標]1.了解金屬的晶體結構;

2.掌握純金屬結晶過程;

[重點]1.金屬結構相關概念:晶體、晶格、單晶體、多晶體、晶面、晶向，金屬晶格的三種常見類型；

2.實際金屬的晶體缺陷及其對金屬性能的影響

3.金屬結晶條件；

4.細化晶粒措施；

[難點]

1.實際金屬的晶體缺陷及其對金屬性能的影響；2.鑄錠組織及缺陷。金屬的結構與結晶金屬的結構與結晶2.1金屬的結構與結晶固態物質按其原子(或分子)聚集狀態可分為晶體和非晶體兩大類。2.1.1金屬晶體1.晶體和非晶體晶體:原子(離子或分子等)按一定的幾何規律呈周期性地重復排列。非晶體：原子(離子或分子等)則是無規則的堆積在一起。空間點陣：把原子(離子或分子等)抽象為在空間規則排列的幾何質點，稱為陣點或結點。

用假象線條將陣點連接起來即形成空間點陣（晶格）晶胞：晶格中最小的幾何單元。2.空間點陣和晶胞晶胞晶體結構：晶體中原子（離子或分子等）在空間排列的方式。常見的有：體心立方結構、面心立方結構和密排六方結構。7大晶系2.1.2三種常見的金屬晶體結構七個晶系晶格常數；軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°

單斜晶系a≠b≠c，α=γ=90°≠β正交晶系a≠b≠c，α=β=γ=90°

六方晶系a=b≠c，α=β=90°，γ=120°

菱方晶系a=b=c，α=β=γ≠90°

四方晶系a=b≠c，α=β=γ=90°

立方晶系a=b=c，α=β=γ=90°

14種晶格類型a=b=c，a=b=g=90

立方晶系簡單立方晶格

體心立方晶格面心立方晶格

aaaaaaaaa最常見的金屬晶體結構面心立方結構Face-centeredcubic體心立方結構Body-centeredcubic密排六方結構Hexagonal

close-packed體心立方點陣bcc面心立方點陣fcc密排六方點陣hcp由8個原子組成的立方體，且在立方體的體中心還有1個原子。如：鉻Cr、釩V、鎢W、鉬Mo、α-鐵α-Fe1.體心立方晶格剛球模型質點模型晶胞原子數模型立方體的8個角和6個面中心各有一個原子。如:AI、Cu、Ni、Pb(γ-Fe)等。2.面心立方晶格剛球模型質點模型晶胞原子數模型由位于晶胞角上的12個原子組成六方柱體，且上、下底面中心各有1個原子，六方柱體中心有3個原子。如：鈹(Be)、Mg、Zn、鎘(Cd)等。

3.密排六方晶格剛球模型質點模型晶胞原子數模型致密度：晶胞中原子排列的緊密程度。2.1.3三種典型晶格的致密度

致密度=晶胞中原子總體積/晶胞體積

面心立方致密度＝密排六方致密度＞體心立方致密度致密度大→致密度小：體積↑（膨脹）晶胞的描述：原子數、配位數、致密度晶格常數、晶向、晶面、密排面xyz

晶格常數:三個棱邊的長度a、b、c軸間夾角:α、β、γacb2.1.4三種典型晶格的晶面和晶向分析1.晶面和晶向：晶向：晶體中任意兩原子之間的連線所指的方向晶面：晶體中由一系列原子所構成的平面晶面晶向2.晶面指數求法：

求截距—化最小整數—加（）—取倒數例：X軸坐標

——1Y軸坐標

——1Z軸坐標

——1111()xyzo(111)(110)(100)立方晶格中的三種重要晶面一系列原子排列情況相同的晶面。加｛｝表示例：晶面族(111)={111}例：oxyzX軸坐標——1Y軸坐標——1Z軸坐標——1111[

][111]3.晶向指數求法：

建坐標系—化最小整數—加[]—求點坐標[100][110][111]立方晶格中三種重要晶向例：[111]=<111>[100]=<100>晶向族一系列原子排列情況相同的晶向。加<>表示指數數字相同的晶向與晶面相互垂直例：[110]與(110)[100]與(100)[111]與(111)晶向[uvw]位于或平行于{hkl}時，則：

hu+kv+lw=04.晶面指數和晶向指數的關系fcc{111}<110>bcc{110}<111>hcp{0001}密排面密排方向晶體結構<1120>5.三種典型晶格的密排面和密排方向三種典型晶格的密排面和密排方向數量2.2.1單晶體和多晶體單晶體:晶體內部所有晶格位向完全一致的晶體。多晶體：由多個小晶體組成的晶體結構。晶界：多晶體內各晶粒之間原子排列的過渡區域。2.2金屬的實際晶體結構和晶體缺陷晶粒晶界各向異性和各向同性

單晶體具有各向異性，多晶體內各晶粒的位向取向是隨機的，晶體的各向異性被相互抵消，使金屬材料表現為各向同性。單晶多晶2.2.2晶體缺陷晶體缺陷：

實際晶體中原子排列與理想晶體的差別，即原子排列不規則區域。晶體缺陷給材料性能帶來顯著影響，可采用改變晶體缺陷以達到改變金屬性能的目的。

分為三類：點缺陷、線缺陷、面缺陷。點缺陷：在空間三維方向上尺寸都很小（原子尺寸大小）的缺陷。如：空位、間隙原子、置換原子（1）是由于原子的熱振動產生的原子跳躍使原子不能保持在其平衡位置上而形成。（2）使晶格發生畸變，從而使金屬材料性能改變。1.點缺陷原因：使其附近原子偏離原結點位置，造成小區域的晶格畸變。效果：（1）電阻↑定向流動的電子在點缺陷處增加了阻力，加速運動提高局部溫度(發熱)；（2）擴散遷移速度↑空位可作為原子運動的周轉站；（3）形成其他晶體缺陷集中的空位可形成內部空洞；呈一定線型排列的點缺陷形成位錯；（4）改變材料的力學性能晶格畸變會增加位錯運動阻力。會使強度提高，塑性下降。點缺陷對材料性能的影響線缺陷：在空間兩維方向上尺寸很小，在另一維方向尺寸相對很大，呈線狀分布。如：刃型位錯、螺型位錯。2.線缺陷刃型位錯示意圖螺型位錯示意圖可分為左螺旋位錯、右螺旋位錯，圖中為右螺旋位錯。金屬晶體中的位錯線往往大量存在，其數量通常采用單位體積內位錯線長度即位錯密度來表示。位錯線的密度通常在104~1012cm/

cm3范圍內，相互連結呈網狀分布，金屬通過位錯運動實現塑性變形，位錯受阻或堆積，將使金屬強度提高。位錯密度及位錯運動面缺陷：空間一維方向上的尺寸很小，另外兩維方向上的尺寸相對很大。如：晶界、亞晶界、相界。大角度晶界示意圖

小角度晶界示意圖晶粒內還存在許多小尺寸、小位向差的晶塊，這些小晶塊稱為亞晶粒。亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。簡單的亞晶界可看成是一系列刃型位錯組成的小角度晶界。3.面缺陷晶粒的尺寸，在鋼鐵材料中，一般在10-1~10-3mm左右，在顯微鏡下才能看見。變形組織位錯胞亞晶界晶界高錳鋼奧氏體組織

原奧氏體晶粒亞晶粒透射形貌晶界特點（1）阻礙位錯運動強度（2）容易聚集其他元素、金屬化合物；裂紋易沿晶界上的硬脆相擴展（3）優先被腐蝕和氧化（4）晶界熔點較低（5）晶界處原子擴散速度較快（6）優先形成新相晶界原子排列紊亂，晶格畸變程度大，故晶界處能量比晶內較高，從而具有不同于晶內的性能。結晶

←

形核＋長大↑↑原子晶體液體多晶組織2.3.1純金屬的結晶過程2.3純金屬的結晶與鑄錠純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線1.結晶溫度結晶推動力↑2.過冷度ΔT=T0–T1↑3.恒溫轉變

冷卻速度↑2.3.2晶核形成與長大方式1．晶核的形成方式晶核的形成有：自發形核和非自發形核。從液體內部自發生成結晶核心的為自發形核，又稱均勻形核。實際液態金屬中常含有一些雜質、難熔微粒，則可依附這些外來質點在其表面或錠模內壁形核，稱為非自發形核，又稱非均勻形核。過冷度越大，結晶的推動力越大，生成的自發晶核越多。但當過冷度過大時，原子活動能力太低擴散受阻，形核的速率反而減小。晶體液體結晶2．晶核的長大方式（1）晶核長大的實質：原子由液體向晶核表面聚積的過程。主要有：平面長大方式、枝晶長大方式。（2）平面長大方式所需的過冷度較小，當過冷度較大，或金屬液體存在非自發形核時，晶核主要以枝晶的方式長大。

樹枝晶生長示意圖晶核長大初期外形規則，隨著晶體棱角形成，棱角處散熱更快，棱角處優先生長，生長出一次晶軸，在一次晶軸增長的同時，其側面又會分枝長出二次晶軸、三次晶軸......直到液體全部凝固。樹枝晶形成晶粒

枝晶長大方式“枝晶成長”行為觀察1350℃高溫共聚焦顯微鏡下原位觀察加熱過程中高溫δ鐵素體相“枝晶成長”行為δ相主要在γ晶界處形核析出；除γ晶界外，γ晶內δ相形核也出現。冷卻速度（或加熱速度）愈大，過冷度（或過熱度）愈大，枝晶成長的特點便愈明顯。某些晶軸發生偏移或折斷，以致造成晶粒中的亞晶界、位錯等各種缺陷。2.3.3晶粒大小的控制1.晶粒度晶粒的大小稱為晶粒度。晶粒度與形核速率N和長大速度G有關。金屬形核率N和長大速度G與過冷度的關系形核速率N

：單位時間、單位體積中晶核的數目。長大速率G：晶體長大的線速率。凡是促進形核，抑制長大的因素，都能細化晶粒。（1）增加過冷度

隨過冷度ΔT增加，形核速率N和長大速率G都增加，并達到最大值，但隨著ΔT的進一步增加，兩者都減小。（2）變質處理

又稱孕育處理，在液態金屬中加入孕育劑或變質劑，以增加非自發形核的數目而細化晶粒。(3)振動和攪拌用機械振動、超聲波振動、電磁振動以及攪拌等方法，打碎正在長大的枝晶，增加晶核細化晶粒。2．細化晶粒的方法1.鑄錠組織的形成

由于表面和中心冷卻條件不同，鑄錠的組織是不均勻的，由外向內分為：表層細晶區、柱狀晶區、中心等軸晶區。鑄錠剖面結晶組織示意圖2.3.4金屬鑄錠的組織與缺陷該區組織較致密，但柱狀晶平行排列呈現各向異性，且在不同方向生長的柱狀晶交界處，低熔點或非金屬雜質較多，形成明顯脆弱界面，在鍛造、軋制時易形成裂紋或開裂。(1)表面細晶粒區（激冷層）型壁處過冷度大，形核快，型壁還有人工晶核作用。該區晶粒很細，但厚度不大。(2)并排柱伏晶粒區隨型壁溫度升高，剩余液體過冷度減小，形核率降低，相對長大率占優勢。此時垂直于型壁方向散熱最快，晶核則沿該方向長大。(3)中心等軸晶粒區鑄型中心區域液體過冷度更小，不易形核；溫度趨于均勻失去方向性，晶核向各方向均勻長大，形成較粗大等軸晶粒區。該區不存在明顯脆弱面，力學性能均勻。

（1）鋼錠一般不希望得到柱狀晶組織，生產上經常采用振動澆注或變質處理等方法來抑制結晶時柱狀晶粒層的擴展。

（2）對于需沿一定方向能承受較大的負荷的零件（如渦輪葉片），則常采用定向凝固法獲得各向異性的柱狀晶。

（3）對具有良好塑性的有色金屬(如銅、鋁等)也希望得到柱狀晶組織。因這種組織較致密，對機械性能有利；又由于這些金屬本身具有良好的塑性，并不致于在壓力加工中發生開裂。2.鑄錠組織的選擇（1）縮孔：最后一部分液體凝固后所產生的收縮孔隙沒有得到及時補充留下的孔洞。可通過合理設計澆注系統