１,２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固
体金属物质分为 晶体 和 非晶体
两大类。
晶体, 物质内部的原子是按一定
的次序 有规律排列 的。如金刚
石、石墨等，固态金属一般属
于晶体。
非晶体,非晶体内部的原子则是
无规则排列的，如玻璃、松香
和沥青等。
非晶体
晶体
固体
物质
1.2.1 金属的晶体结构
? 晶格, 为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，
可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并
将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，
简称晶格，如图 1-4b)所示。
? 晶胞, 即晶格中最小的几何单元。
图１－ 4 晶体结构示意图
晶体结构 晶格 晶胞
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方
晶格和密排六方晶格等三种类型。
１,体心立方晶格
体心立方的晶格是一个 立方体,其中心和八个角上各有一
个原子，如图 1－ 5所示。 属于这类晶格的金属有 α-Fe,Cr,W、
V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。
图１－ 5 体心立方球体模型及其晶格
2.面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞
也是一个 立方体,其六个
面中心和八个角上各有一
个原子，如图 1－ 5所示。
属于这类晶格的金属有
γ-Fe, Cu,Al,Ni等。
它们都具有较好的塑性。
图1
－6
面
心
立
方
球
体
模
型
及
其
晶
胞
３,密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是
一个 六方柱体,其上下底面
的中心和十二个角上各有一
个原子，且在六方柱体的中
间还有三个原子，如图 1－ 7
所示。属于这类晶格的金属
有 Ｍ g,Ｚ n,Ｃ d,Ｂ e等。
这类金属塑性较差。
图1
－7
密
排
六
方
球
体
模
型
及
其
晶
胞
1.2.2 金属的结晶过程
１,金属的结晶
? 即液态金属凝固时原子 占据 晶格的规定位置形成
晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温
度与时间的关系曲线，即 冷却曲线 来表示，如图 1-8
所示。
图 1-8 纯金属的冷却曲线
? T0 —— 理论结晶温度
? Tn—— 实际结晶温度
? ΔT—— 过冷度
ΔT
温度
T0
Tn
时间
2.过冷
? 过 冷, 即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下
而没有发生凝固的现象。
? 过冷度, 理论结晶温度与实际结晶温度的差值
称为过冷度。 即,
ΔT=T0-Tn
式中 ΔT—— 过冷度（ ℃ ）；
T0 —— 金属的理论结晶温度（ ℃ ）；
Tn —— 金属的实际结晶温度（ ℃ ）。
金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。
冷却速度越快过冷度也越大。
3.金属的结晶过程
动画演示
金属的 结晶过程 包括 形核 和 晶核长大 两个阶段，
并持续到液相全部转变成固相为止。
金属的结晶过程动画
演示了金属从形核、晶体长大直至结晶
完毕整个过程。
(1)形核
? 形核, 又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过
程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非
均质形核两种方式。
1）均质形核, 又称自发形核，是熔融金属内
仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷
度下，金属液中的一些原子自发聚集在一
起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。
2）非均质形核, 又称非自发形核，是以熔融
金属内原有的或加入的异质点作为晶核或
晶核衬底的形核过程。
形
核
(2)晶核长大
? 晶核长大, 即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。
结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液
态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至
液态金属全部消失、长大的 晶体互相接触 为止。
晶粒, 多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的
位向）基本相同的小晶体称为晶粒。
晶界,相邻晶粒之间的界面称为晶界。
4.晶粒度及其控制
? 晶粒度, 指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶
粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定
量表征。
（ 1）晶粒度对金属力学性能的影响
通常，金属的 晶粒越细，力学性能越好 。晶
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从
而加强了金属内部的结合力。
（ 2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度,动
力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态
金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
2）增大过冷度
形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核
率的增长比长大速率的增加要快，过冷度 ΔT越大，单位体积中晶
核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越
大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。
３）动力学法
通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使
生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。
４）其它方法
热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。
1.2.3 金属的同素异构转变
?同素异构转变, 金属在固态下随温度的变化改变其
晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。
如纯铁的同素异构转变 。
二次结晶, 金属的同素异构转变过程与液态金属
的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷
度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程,
故常称为重结晶或二次结晶。
纯铁的同素异构转变
图１－ 9 纯铁的同素异构转变
液态纯铁冷却到1 5 3 8 ℃时
结晶成体心立方晶格的 δ－
F e,继续冷却13 94 ℃时发生
同素异构转变,转变成立方
晶格的γ - F e,再继续冷却到
91 2℃ 时又发生同素异构转
变,转变成体心立方晶格的 -
1.2.4 合金的晶体结构
合金,是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元
素所组成的金属材料。
组元,组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。
按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金。
合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元
相互之间作用方式不同，可以形成 固溶体、金属化合物 和
机械混合物 三种结构。
组元 1
组元 2 组元 3
合
金
1.固溶体
(1)固容体的类型
? 间隙固溶体,当溶质原子很
小时，只能处于溶剂原子的
间隙中，称为间隙固溶体。
如图 1-10a所示。如 C,H、
O等原子易形成间隙固溶体。
? 置换固溶体,当溶质和溶剂
的原子直径较接近时，只能
替代一部分溶剂原子而占据
溶剂晶格中的某些结点位置，
称为置换固溶体。
如图 1-10b 所示。
如 Fe-Ni,Cu-Ni等。
图 1-10a 间隙固溶体
图 1-10b 置换固溶体
(2)固溶强化
? 固溶强化,通过溶入某
种溶质元素形成固溶体
而使金属的强度、硬度
升高的现象。
如图 1-10c,1-10d所示。
1-10c 间隙固溶体晶格畸变
1-10d 置换固溶体晶格畸变
2.金属化合物
? 金属化合物, 即由两组元的原子按一定的数量比相
互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。
金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体
结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。
碳钢中的 Fe３ C、合金钢中的 TiC,WC,VC等均
属于金属化合物。 Fe３ C的晶格如图 1-11b所示。
图 1-11a 石墨的晶格 图 1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
? 机械混合物,即由纯金属、固溶体或化合物按一定
的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶
格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组
成物的晶粒。
机械混合物的 力学性能 通常介于各组成物之间，
并取决于各组成物的 含量, 性能, 分布 和 形态 。
如碳钢中的珠光体就是由化合物 （ 渗碳体） 和
固溶体 （ 铁素体） 组成的机械混合物，其力学性能
介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？
2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？
3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
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按原子排列的特征，可将固
体金属物质分为 晶体 和 非晶体
两大类。
晶体, 物质内部的原子是按一定
的次序 有规律排列 的。如金刚
石、石墨等，固态金属一般属
于晶体。
非晶体,非晶体内部的原子则是
无规则排列的，如玻璃、松香
和沥青等。
非晶体
晶体
固体
物质
1.2.1 金属的晶体结构
? 晶格, 为了便于理解和描述晶体中原子排列的规律，
可以近似地将晶体中每一个原子看成是一个点，并
将各点用假想的线连接起来，就得到一个空间骨架，
简称晶格，如图 1-4b)所示。
? 晶胞, 即晶格中最小的几何单元。
图１－ 4 晶体结构示意图
晶体结构 晶格 晶胞
常见的金属晶体结构有体心立方晶格、面心立方
晶格和密排六方晶格等三种类型。
１,体心立方晶格
体心立方的晶格是一个 立方体,其中心和八个角上各有一
个原子，如图 1－ 5所示。 属于这类晶格的金属有 α-Fe,Cr,W、
V等。它们都具有较好的塑性和较大的强度。
图１－ 5 体心立方球体模型及其晶格
2.面心立方晶格
面心立方晶格的晶胞
也是一个 立方体,其六个
面中心和八个角上各有一
个原子，如图 1－ 5所示。
属于这类晶格的金属有
γ-Fe, Cu,Al,Ni等。
它们都具有较好的塑性。
图1
－6
面
心
立
方
球
体
模
型
及
其
晶
胞
３,密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是
一个 六方柱体,其上下底面
的中心和十二个角上各有一
个原子，且在六方柱体的中
间还有三个原子，如图 1－ 7
所示。属于这类晶格的金属
有 Ｍ g,Ｚ n,Ｃ d,Ｂ e等。
这类金属塑性较差。
图1
－7
密
排
六
方
球
体
模
型
及
其
晶
胞
1.2.2 金属的结晶过程
１,金属的结晶
? 即液态金属凝固时原子 占据 晶格的规定位置形成
晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温
度与时间的关系曲线，即 冷却曲线 来表示，如图 1-8
所示。
图 1-8 纯金属的冷却曲线
? T0 —— 理论结晶温度
? Tn—— 实际结晶温度
? ΔT—— 过冷度
ΔT
温度
T0
Tn
时间
2.过冷
? 过 冷, 即熔融金属冷却到平衡的凝固点以下
而没有发生凝固的现象。
? 过冷度, 理论结晶温度与实际结晶温度的差值
称为过冷度。 即,
ΔT=T0-Tn
式中 ΔT—— 过冷度（ ℃ ）；
T0 —— 金属的理论结晶温度（ ℃ ）；
Tn —— 金属的实际结晶温度（ ℃ ）。
金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。
冷却速度越快过冷度也越大。
3.金属的结晶过程
动画演示
金属的 结晶过程 包括 形核 和 晶核长大 两个阶段，
并持续到液相全部转变成固相为止。
金属的结晶过程动画
演示了金属从形核、晶体长大直至结晶
完毕整个过程。
(1)形核
? 形核, 又称成核，是过冷金属液中生成晶核的过
程，是结晶的初始阶段。形核包括均质形核和非
均质形核两种方式。
1）均质形核, 又称自发形核，是熔融金属内
仅因过冷而产生晶核的过程。在一定过冷
度下，金属液中的一些原子自发聚集在一
起，按晶体的固有规律排列起来形成晶核。
2）非均质形核, 又称非自发形核，是以熔融
金属内原有的或加入的异质点作为晶核或
晶核衬底的形核过程。
形
核
(2)晶核长大
? 晶核长大, 即金属结晶时，晶粒长大成为晶体的过程。
结晶过程中，已经形成的晶核不断长大，同时液
态金属中又会不断地产生新的晶核并不断长大，直至
液态金属全部消失、长大的 晶体互相接触 为止。
晶粒, 多晶体材料内，晶体学位向（即原子排列的
位向）基本相同的小晶体称为晶粒。
晶界,相邻晶粒之间的界面称为晶界。
4.晶粒度及其控制
? 晶粒度, 指多晶体内晶粒的大小，可用晶粒号、晶
粒平均直径、单位面积或单位体积的晶粒数目来定
量表征。
（ 1）晶粒度对金属力学性能的影响
通常，金属的 晶粒越细，力学性能越好 。晶
粒细，晶界就多，晶粒间犬牙交错，相互楔合，从
而加强了金属内部的结合力。
（ 2）细化晶粒的方法
生产中常采用加入形核剂、增大过冷度,动
力学法等来细化晶粒，以改善金属材料性能。
1)加入形核剂
加入金属液中能作为晶核，或虽未能成为晶核但能与液态
金属中某些元 素相互作用产生晶核或有效形核质点的添加剂。
2）增大过冷度
形核率和晶核长大速度都随着过冷度的增大而增大，但形核
率的增长比长大速率的增加要快，过冷度 ΔT越大，单位体积中晶
核的数目越多，故能使晶粒细化。冷却速度越大，过冷度也就越
大，故可通过增加冷却速度的方法来使晶粒细化。
３）动力学法
通过机械振动、电磁搅拌等方式使金属中产生对流，从而使
生长中的晶核折断而增加晶核数目，细化晶粒。
４）其它方法
热处理、塑性变形等方法也能使金属细化。
1.2.3 金属的同素异构转变
?同素异构转变, 金属在固态下随温度的变化改变其
晶格类型的过程称为金属的同素异构转变。
如纯铁的同素异构转变 。
二次结晶, 金属的同素异构转变过程与液态金属
的结晶过程很相似，也有一定的转变温度和过冷
度，同样包括晶核的形成和晶核的长大两个过程,
故常称为重结晶或二次结晶。
纯铁的同素异构转变
图１－ 9 纯铁的同素异构转变
液态纯铁冷却到1 5 3 8 ℃时
结晶成体心立方晶格的 δ－
F e,继续冷却13 94 ℃时发生
同素异构转变,转变成立方
晶格的γ - F e,再继续冷却到
91 2℃ 时又发生同素异构转
变,转变成体心立方晶格的 -
1.2.4 合金的晶体结构
合金,是两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元
素所组成的金属材料。
组元,组成合金的最基本的、独立的单元称为组元。
按照组元的数目，合金可以分为二元合金、三元合金。
合金的晶体结构比纯金属复杂，根据组成合金的组元
相互之间作用方式不同，可以形成 固溶体、金属化合物 和
机械混合物 三种结构。
组元 1
组元 2 组元 3
合
金
1.固溶体
(1)固容体的类型
? 间隙固溶体,当溶质原子很
小时，只能处于溶剂原子的
间隙中，称为间隙固溶体。
如图 1-10a所示。如 C,H、
O等原子易形成间隙固溶体。
? 置换固溶体,当溶质和溶剂
的原子直径较接近时，只能
替代一部分溶剂原子而占据
溶剂晶格中的某些结点位置，
称为置换固溶体。
如图 1-10b 所示。
如 Fe-Ni,Cu-Ni等。
图 1-10a 间隙固溶体
图 1-10b 置换固溶体
(2)固溶强化
? 固溶强化,通过溶入某
种溶质元素形成固溶体
而使金属的强度、硬度
升高的现象。
如图 1-10c,1-10d所示。
1-10c 间隙固溶体晶格畸变
1-10d 置换固溶体晶格畸变
2.金属化合物
? 金属化合物, 即由两组元的原子按一定的数量比相
互化合而形成的一种新的具有金属特性的物质。
金属化合物具有与各组元完全不同的复杂晶体
结构，通常具有较高的熔点和硬度，且脆性较大。
碳钢中的 Fe３ C、合金钢中的 TiC,WC,VC等均
属于金属化合物。 Fe３ C的晶格如图 1-11b所示。
图 1-11a 石墨的晶格 图 1-11b 渗碳体的晶格
3.机械混合物
? 机械混合物,即由纯金属、固溶体或化合物按一定
的重量比组成的物质。
机械混物各组成物的原子仍然按自己原来的晶
格形式结合成晶体，在显微镜下可明显区别出各组
成物的晶粒。
机械混合物的 力学性能 通常介于各组成物之间，
并取决于各组成物的 含量, 性能, 分布 和 形态 。
如碳钢中的珠光体就是由化合物 （ 渗碳体） 和
固溶体 （ 铁素体） 组成的机械混合物，其力学性能
介于二者之间。
思考题
1.何谓金属结晶？纯金属结晶有哪些基本规律？
2.生产中常用那些方法细化晶粒？各类方法使晶粒
细化的机理是什么？
3.试分析纯铁的结晶过程，并指出金属的同素异构
转变与液态结晶的异同点。
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