第二章 金属的晶体结构与结晶

第二章 金属的晶体结构与结晶

第一节 金属的晶体结构

一、晶体结构的基本知识

1、晶体与非晶体

固态物质的性能与原子在空间的排列情况有着密切的关系。固态物质按原子排列特点可分为晶体与非晶体两大类.

凡原子按一定规律排列的固态物质，称为晶体。如金刚石、石墨和一切固态金属及其合金等。 晶体的特点是：

①原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。

②具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。

③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。

非晶体的特点是：

①原子在三维空间呈不规则的排列。

②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青 等。

③各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。

2、晶体结构的基本知识

① 晶格

为了清楚的表明原子在空间的排列规律，人为地将原子看作一个点，再用一些假想线条，将晶体中各原子的中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间几何图形称为结晶格子，简称晶格。晶格中的每个的点称为结点。晶格中各种不同方位的原子面，称为晶面。

②晶胞

晶体中原子的排列具有周期性变化的特点，因此只要在晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元进行分析，便能确定原子排列的规律。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。

③晶格常数

为了研究

晶体结构的需

要，在结晶学

中规定用晶格

常数来表示晶

胞的几何形状

和大小。晶胞

的各棱边长为

a、b、c，称为

晶格常数。当晶格常数

a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。

二、常见金属的晶格类型

①体心立方晶格

体心立方晶格的晶胞是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和中心处。晶胞中原子数可参照如下的计算方法：晶胞每个结点上原子为相邻的8个晶胞共有，加上晶胞中心一个原子，故每个晶胞原子数n=8

×1/8+1=2(个)。

属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨等。

②面心立方晶格

面心立方晶格和晶胞也是一个立方体，原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。晶胞中原子数可参照如下计算方法：晶胞每个结点上的原子为相邻的8个晶胞所共有，而每个面中心的原子却为两个晶胞

所共有，所以，每个晶胞中的原子数为n=8×1/8+6×1/2=4(个)。

属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的钝铁）、铝、铜、银等。

③密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是在正六方柱体的十二个结点和上、下两底面的中心处各排列一个原子，另外，中间还有三个原子。该晶胞要用两个晶格常数表示，一个是六边形的边长a，另一个是柱体的高度c。当轴比ｃ／ａ为1.633时，原子排列最紧密。晶胞原子数要参照如下的计算方法：密排六方晶胞每个结点上的原子为相邻的6个晶胞所共有，上下底面中心的原子为两个密排六方晶胞所共有，晶胞中间的三个原子为该晶胞所独有，故密排六方晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2＋3=6(个)。 属于这种晶格类型的金属有镁、

锌、镉、铍等。

第二节 金属的结晶

物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。

1、冷却曲线与过冷现象

由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的增长温度不断下降，但当冷却到某一温度时，冷却时间虽然增长但其温度并不下降，在冷却曲线上出现了一个水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属进行结晶温度。出现水平线段的原因，是由于结晶时放出的结晶潜热补偿了向外界散失的热量。结晶完成后，由于金属继续向周围散热量，故温度又重新下降。

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Ｔ1才开始进行结晶，温度Ｔ1称为实际结晶温度。实际结晶Ｔ1温度低于理论结晶温度Ｔ0的现象称为过冷现象。而Ｔ0与Ｔ1之差ΔＴ称为过冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔ1。过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度Ｔ1就越低，即过冷度ΔＴ就越大。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。

2、金属的结晶过程

纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。实验证明，金属结晶时，首先从液体金属中自发地形成一批结晶核心，形成自发晶核，与此同时，某些外来的难熔质点了可充当晶核，形成非自发晶核；随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程。

实验表明，在晶核开始长大的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也是比较规则的，随着晶核长大的和晶体棱角的形成，由于棱角处散热条件优于其它部位，晶粒在棱边和顶角处就优先长大，如下图所示，由此可见，其生长方式，象树枝状一样，先生长出干枝称为一次晶轴；然后再生长出分枝称为二次晶轴。依次类推……。因此，得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶。

三、金属的实际晶体结构

① 单晶体与多晶体

单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。 多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。 晶粒即在多晶体材料内，晶体位向基本相同的小晶体。 晶界即多晶体材料中相邻晶粒间的界面。

② 金属的晶体缺陷

Ⅰ、点缺陷

点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子。在实际晶体结构中，晶格的某些结点往往未被原子所占有，这种空着的位置称为空位；与此同时，又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子，这种不占有正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子，称为间隙原子。在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被被坏，使其周围原子发生靠拢或撑开，因此晶格发生歪曲（亦称晶格畸变），使金属的强度提高，塑性下降。

Ⅱ、线缺陷

线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的一种缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型，其中比较简单的一种形式就是刃型位错。图中ABCD晶面上沿EF处多插入了一层原子面EFGH，它好象一把刀刃那样切入晶体中，使上下层原子不能对准，产生错排，因而称为刃型位错。EF线称为位错线。在位错线附近晶格发生畸变，形成一个应力集中区。在ABCD晶面以上位错线附近一定范围内的原子受到压应力；相反，在ABCD晶面以下一定范围内的原子受到拉应力。离开EF线越远，晶格畸变越小。实验证明，在实际晶体中存在着大量刃型位错。

Ⅲ、面缺陷

这类缺陷主要指晶界和亚晶界。

晶界 工业上使用的金属材料一般都是多晶体。多晶体中两个相邻晶粒之间的位向不同，所以晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层，该过渡层的原子排列是不规则的，如图所示。由于过渡层原子排列不规则，使晶格处于歪扭畸变状态，因而在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用，从宏观上来看，晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小，晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大，金属的强度、硬度也就越高。

亚晶界 实验证明，晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的。实际上每个晶粒皆是由许多位向差很小（2°～3°）的小晶块互相嵌镶而成的，这些小晶块称为亚组织（亦称嵌镶块或亚结构）。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界，如图所示。由于亚晶界处原子排列也是不规则的，使晶格产生了畸变，因此，亚晶界作用与晶界相似，对金属强度也有着重要影响，亚晶界越多，强度也越高。

3、晶粒大小对金属力学性能的影响

金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了测量方便，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。

4、细化晶粒的方法

金属结晶后单位体积中晶粒的数目Ｚ取决于结晶时的形核率Ｎ（单位时间，单位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核长大线速度Ｇ（单位时间内晶核长大的线长度），它们的关系如下：

由上式可知，结晶时形核率Ｎ越大，晶核长大线速度Ｇ越小，结晶后单位体积内的晶粒数目Ｚ就越大，晶粒就越细小。因此，要控制金属结晶后晶粒大小，必须控制形核率Ｎ和长大线速度Ｇ这两个因素，主要途径如下：

① 增加过冷度

液态金属结晶的形核率Ｎ、长大线速度Ｇ与过冷度之间的关系如图所示。金属结晶时，图中实线部分所示，形核率Ｎ和长大线速度Ｇ都随过冷度的增加面增加，但Ｎ和增长率大于Ｇ的增长率，因此，增加过冷度会使Ｚ增大，晶粒变细。当过冷度较小时，形核率Ｎ低于长大线速度Ｇ，结果得到比较粗大的晶粒。增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数大的金属铸型来提高冷却速度。当过冷度大到图中虚线部分时，金属液的温度已经很低，原子扩散能力极大的降低，反而使形核率Ｎ和生长线速度Ｇ下降。

② 进行变质处理

变质处理是在浇注前向液态金属中加入被称为变质剂的某种物质，发增加形核率Ｎ或降低长大线速度Ｇ，

从而细化晶粒的方法。 有的变质剂加入液态金属 时，它们或它们的氧化物会形成起非自发晶核作用的杂质微粒，使形核率大大增加，细化晶粒，如往钢液中加入钛、铝等。还有一种变质剂，能附着在晶体前面强烈阻碍晶粒长大，降低长大线速度Ｇ，如往铝硅铸造合金中加入钠盐，钠附着在硅的表面，降低硅的长大线速度Ｇ，阻碍粗大片状硅晶体形成，使合金组织细化。

③ 附加振动

金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，发既可使正在生长的晶体破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，从而细化晶粒。

第三节 合金的晶体结构与结晶

一般来说，纯金属大都具有优良的塑性、导电、导热等性能，但它们取制困难，价格较贵，种类有限，特别是力学性能（强度、硬度较低，耐磨性都比较低），难以满足多种高性能的要求，因此，工程上大量使用的金属材料都是根据性能需要而配制的各种不同成分的合金，如碳钢、合金钢、铸铁、铝合金及铜合金等。

一、合金的基本概念

1、合金

合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。如黄铜是铜和锌的组成合金；碳钢是铁和碳组成的合金；硬铝是铝、铜是镁组成的合金等。合金不仅具有纯金属的基本特性，同时还具备了比纯金属更好的力学性能和特殊的物理、化学性能。另外，由于组成合金的各元素比例可以在很大范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。

2、组元

组成合金的基本的物质称为组元。组元大多数是元素，如铁碳合金中的铁元素和碳元素是组元；铜锌合金中的铜元素和锌元素也是组元。有时稳定的化合物也可作为组元，如Fe3C等。

3、相

相是指在金属组织中化学成分、晶体结构和物理性能相同的组分。其中包括固溶体、金属化合物及纯物质（如石墨）。

4、组织

组织泛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总体。将金属试样的磨面经适当处理后用肉眼或借助放大镜观察的组织，称为宏观组织；将用适当方法（如浸蚀）处理后的金属试样的磨面复型或制成的薄膜置于光学显微镜或电子显微镜下观察到的组织，称为显微组织。只由一种相组成的组织称为单相组织；由几种相组成的组织称为多相组织。金属材料的组织不同，其性能也就不同。

二、合金的相

根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金的相可分为固溶全和金属化合物两大类。

1、固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂晶格类型的合金相，称为固溶体。例如铁碳合金中，α铁中溶入碳原子而形成的铁素体即为固溶体。根据溶质元素在溶剂晶格中所占位置的不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两类。置换固溶体就是溶质原子替换了溶剂晶格某结点上的原子而形成的（如图）。间隙固溶体就是溶质原子溶入溶剂晶格的单间隙之中而形成的（如图）。因晶格中的空隙位置是有限的，所以间隙固溶体是有限固溶体。由于溶质原子的溶入，会引起固溶体晶格发生畸变，如图，晶格畸变使合金变形阻力增大，从而提高了合金的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。它是提高材料力学性能的重要途径之一。例如，我国和低合金强度结构钢，就是利用锰、硅等元素来强化铁素体，从而使材料的力学性能大为提高。

2、金属化合物

金属化合物是合金组元之间相互发生作用而形成具有金属特性的一种新相，其晶格类型和性能完全不同于合金中的任一组元，一般可用分子式来表示。金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高，硬度高，脆性大。当合金中出现金属化合物时，合金的强度、硬度和耐磨性均提高，而塑性和韧性降低。金属化合物是许多高合金的重要组成相，与固溶体适当配合可以提高合金的综合力学性能。

3、机械混合物机械混合物是合金中的一类复相混合物组织，不同的相均可互相组合形成机械混合物。各相在机械混合物中仍保持原有的晶格和性能，机械混合物的性能介于组成的相性能之间，工业上大多数合金均由混合物组成，如钢、铸铁、铝合金等。

三、合金相图

相图是描述系统的状态、温度、压力及成份之间关系的一种图解。利用相图可以知道不同成份的材料在不同温度、压力下存在哪些相、各相的相对量及不同相之间发生变化的条件。因此，相图是人们认识材料的相当有用的工具。我们知道一个系统只有在平衡条件下才处于唯一的一种状态，所以相图反映的是这种在某个温度、压力下平衡时各相间的关系。

下面我们以Cu-Ni合金为例，用热分析法来建立Cu-Ni二元相图。由于合金凝固时要释放出结晶潜热，热分析法就是通过测量冷却曲线，找出相变临界点。首先配制一系列不同成份的Cu-Ni合金。下图是他们从液态到室温的冷却曲线。对于纯Cu和纯Ni来说，有固定的熔点。在熔点温度，液态Cu或 Ni开始凝固，随着凝固过程的进行而伴随的结晶潜热的释放使冷却曲线出现了一个水平阶段 ，待凝固全部完成后，温度才会随时间而继续下降。而对于Cu-Ni二元合金，其冷却曲线上无平台，但有二个折点，其所对应的温度就是相变临界点。有二个温度存在，表明二元合金的结晶是在一个温度范围内进行的，较高的温度是结晶开始的温度，称为上临界点；较低的是结晶终了的温度，称为下临界点。在这个温度区间，液相、固相二相共存。由于结晶开始放出潜热所以冷却速度变慢出现了折点；结晶完毕，不再有潜热放出，冷却速度又发生了变化，也出现了折点。将两类临界点标在温度为纵座标，成份为横座标的平面图中，并分别将其连接起来，就得到了图2-57b中的Cu-Ni相图。其中上临界点的连线为液相线，表示开始凝固或熔化终了的温度；下临界点连线为固相线，表示凝固完成或开始熔化的温度。液相线以上为液相单相区，固相线以下为固相单相区，液相线和固相线之间是两相共存区。

三、几类典型的二元相图 匀晶相图

前面我们所介绍的Cu-Ni相图就是匀晶相图。具有这类相图的二元合金系还有Ag-Au、Fe-Ni、Cr-Mo、Cu-Au等，有些硅酸盐材料如镁橄榄石(Mg2 SiO4)-铁橄榄石(Fe2SiO2)等也具有此类特征。这种相图的特点是两组

元不但在液态无限互溶，而且在固态也无限互溶。结晶时，都是从液相中结晶出单相固溶体。我们把从液相结晶出单相固溶体的结晶过程称为匀晶转变。

共晶相图

两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或完全不互溶，冷却过程中发生共晶反应的相图为共晶相图。图2-60a是NaCl-H2O系共晶相图，NaCl和冰完全不互溶。图2-60b是Pb-Sn共晶相图，Pb和Sn之间有限互溶。