工 程 材 料
第一章 金属的结构与结晶
? § 1金属的晶体结构
? § 2金属的结晶
§ 1 金属的晶体结构
? 一、晶体的基本概念
在自然界中除了一些少数
的物质（如普通玻璃、松香等）
以外，包括金属在内的绝大多
数固体都是晶体
1．晶体
所谓晶体是指其原子（离
子或分子）在空间呈规则排列
的物体。
非晶体
晶体
图 1-1 晶体与非晶体示意图
一、晶体的基本概念
2．晶体结构
晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。
3．阵点（结点）
把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几
何点，称为阵点或结点。
4．点阵
在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵） 。
5,晶面
点阵中的结点所构成的平面。
6．晶向
点阵中的结点所组成的直线。
图 1-2 晶体结构
一、晶体的基本概念
7,晶格
把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间
格子称为晶格。
8,晶胞
构成晶格的最基本单元。
由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特
征。
9．晶格常数
晶胞的棱边长度 a,b,c和棱间夹角 α,β,γ是衡量晶胞大
小和形状的六个参数，其中 a,b,c称为晶格常数或点阵常
数。
其大小用 A来表示（ 1A=10-8cm）
若 a=b=c,α=β=γ=90° 这种晶胞就称为简单立方晶胞。
具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。
图 1-3 晶胞
一、晶体的基本概念
图 1-4 晶体规则排列示意图
晶体 晶格
晶胞 晶面 晶向
二、常见金属的晶体结构类型
? 在金属元素中,常见的金属晶体结构类型有下面三种晶体结构类型。
? （一）体心立方晶格
? 体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一
个原子。
? 晶格常数 a=b=c，通常只用 a表示，（见图 1-3）。
? 这种晶胞在其立方体的对角线 方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长
度 a方向上所分布的原子数目为 2，这样可计算出其原子半径,
? 在这种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有。
实际上每个体心立方晶胞中仅含有,个原子 。
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二、常见金属的晶体结构类型
? 晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与
该晶胞体积之比。用, K”表示。
? 体心立方晶格的致密度,
即晶格中有 68%的体积被原子占有，其余为空隙。
? 属于这种体心立方晶格的金属有 Fe(＜ 912℃,α-Fe),Cr、
Mo,W,V等。
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二、常见金属的晶体结构类型
图 1-5 体心立方晶格 图 1-6 面心立方晶格
二、常见金属的晶体结构类型
（二）面心立方晶格
? 面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还
各有一个原子。
? 晶格常数 a=b=c，通常只用 a表示，（见图 1-3）。
? 在这种晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触,
? 因而其原子半径,
? 又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有的，故面心立方晶格的
晶胞中包含有,个原子。
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二、常见金属的晶体结构类型
（二）面心立方晶格
? 面心立方晶格的致密度,
即有 74%的体积被原子占有，其余的为空隙。
? 属于这种晶格的金属有,Fe(>912℃,γ-Fe),Al,Cu、
Ni,Pb等。
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二、常见金属的晶体结构类型
图 1-7 常见金属的晶体结构
二、常见金属的晶体结构类型
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
图 1-8 常见金属的晶体结构
二、常见金属的晶体结构类型
（三）密排六方晶格
? 密排六方晶格由 12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面
心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有 3个原子。
? 晶格常数 a＝ b≠c,c/a=1.633
? 密排六方晶格晶胞中所含原子数,个原子
? 致密度 K=0.74
? 属于这种晶格的金属有 Be,Mg,
Zn,Cd等。
? 除以上三种晶格以外，少数金属
还具有其它类型的晶格，但一般
很少遇到。
图 1-9 密排六方晶格
632211261 ?????
三、晶面及晶向指数
? 在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种
晶面和晶向中原子分布的特点，这样有必要给各种晶面和晶向定出一定
的符号，以表示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的
这种符号分别叫, 晶面指数, 和, 晶向指数, 。
晶面指数与晶向指数是如何确定？
三、晶面及晶向指数
（一）晶面指数的确定
? ⑴ 如图 1-10 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作 OX、
OY,OZ三坐标轴，以晶格常数 a,b,c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单
位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；
? ⑵ 将所得三截距之值变为倒数；
? ⑶ 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加
? 上一圆括号
即为晶面指数。
一般表示形式：（ hkl) 。
图 1-10 晶面指数的确定
（一）晶面指数的确定
? 1,PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是 1/2,1,∞ ；
截距倒数分别是,2,1,0；化为最小整数后的晶面指数（ 210）
? 2,AGE面,截距 1,1,1； 倒数 1,1,1,晶面指数（ 111）
? 3,DBEG面：截距 1,1,∞ ； 倒数 1,1,0，晶面指数（ 110）
? 4,DCFG面：截距 1,∞, ∞ ；倒数 1,0,0,晶面指数（ 100）
? 值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中
所有那些与其相平行的位向相同的晶面。
在一种晶格中，如果某些晶面，虽然
它们的位向不同，但原子排列相同。
如（ 100）、（ 010）及 （ 001）等，这时
若不必要予以区别时，可把这些晶面统
用 {100}表示。
即：（ hkl)这类符号系指某一确定位向的
晶面指数；
而 {hkl}则可指所有那些位向不同而原子排
图 1-11 晶面指数的确定 列相同的晶面指数。
三、晶面及晶向指数
（二） 晶向指数的确定
? ⑴ 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；
? ⑵ 求出该直线上任意一点的三个坐标值；
? ⑶ 将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其
? 一般形式 [uvw]。
如,AB的晶向指数：过 O作一平行直线 OP,
其上任一点的坐标（ 110）,这样所求
AB的晶向指数即为 [110]；
OB：本身过原点不必作平行线，其上任一
点的坐标（ 111），其晶向指数 [111]；
OC：其上任一点 C的坐标（ 100），其晶
相指数 [100]。
同理,OD晶向指数 [010],OA为 [001]。
同样 [100]代表方向相同的一组晶向,
图 1-12 晶向指数的确定 而 <100>则代表方向不同但原子排列 相同的晶向
四、金属的实际结构和晶体缺陷
（一）单晶体与多晶体
? 单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶
体为单晶体。
? 在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内
部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的
位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为, 晶粒, 。
? 晶粒与晶粒之间的界面称为, 晶界, 。在晶界处，原子排列
为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。
? 多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为, 多晶体, 。
（一）单晶体与多晶体
? 对于单晶体，由于各个方向上原子
排列不同，导致各个方向上的性能
不同，即, 各向异性, 的特点；
? 而多晶体对每个小晶粒具有, 各向
异性, 的特点，而就多晶体的整体，
由于各小晶粒的位向不同，表现的
是各小晶粒的平均性能，不具备
,各向异性, 的特点。
单晶体
多晶体
图 1-13 单晶体与多晶体
四、金属的实际结构和晶体缺陷
（二）晶体缺陷
? 在金属中还存在着各种各样的
晶格缺陷，按其几何形式的特
点，分为如下三类,
1.点缺陷
? 原子排列不规则的区域在空间
三个方向尺寸都很小。
? 晶体中的空位、间隙原子、杂
质原子都是点缺陷 。 图 1-14 点缺陷示意图
（二）晶体缺陷
? 当晶格中某些原子由于某种原因，（如
热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间
隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引
起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能
发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。
（二）晶体缺陷
2.线缺陷
? 原子排列的不规则区在空间一个方向上
的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很
小。如：位错。
? 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于
另一部分晶体的局部滑移而造成。
? 滑移部分与未滑移部分的交界线即为位
错线。
? 由于晶体中局部滑移的方式不同，可形
成不同类型的位错,
? 图 1-15为一种最简单的位错, 刃型位
错, 。因为相对滑移的结果上半部分多出一
半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶
体中的一把刀的刃口，故称, 刃型位错, 。
图 1-15 线缺陷示意图
（二）晶体缺陷
? 实际晶体中存在大量的位错,一般用位错密度来表示
位错的多少。
? 位错密度,单位体积中位错线的总长度,
或单位面积上位错线的根数,单位 cm2
? 位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸
变,对晶体的性能有显著的影响。
? 实验和理论研究表明,晶体的强度和位错
密度有如图 1-16的对应关系,
? 当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶
体中位错密度很高时,其强度很高。
? 但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不
能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧
烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高
提供途径。
图 1-16 金属强度与
位错密度的关系
（二）晶体缺陷
3.面缺陷
? 原子排列不规则的区域在空间两个方
向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很
小。如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典
型的面缺陷。
? 显然在晶界处原子排列很不规则，亚
晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，
但也是不规则的，可以看作是由无数刃型
位错组成的位错墙。
? 这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越
大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。 图 1-17 面缺陷
面缺陷,孪晶
图 1-18 孪晶示意图
§ 2金属的结晶
一、结晶的基本概念
? 一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如
凝固后形成晶体结构，则称为结晶。
? 金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷
却转变为固态的过程，称为金属的结晶。
? 液态金属与固态金属的主要差别在于：液态金属
无一定形状，易流动，原子间的距离大，但在一定温
度条件下，在液态金属中存在与固态金属的, 远程排
列, 不同的, 近程排列, 。
一、结晶的基本概念
1,结晶时的过冷现象
? 各种纯金属如 Fe,Cu等都有一定的结晶温度。 Fe,1539℃, Cu：
1083℃ 等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的
结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。
? 实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量
条件上。
? 在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发
地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律 。
1,结晶时的过冷现象
? 图 1-19中以自由能 F代表体系的能量，只有
当固态金属的自由能低于液态金属的自由能,
即,体系自由能变化 ΔF=F固 － F液 ＜ 0时,结晶过
程才能自发进行。
? 从温度坐标上看，只有实际结晶温度 T1低于
平衡结晶温度 T0，结晶过程才能自发进行。
? 这种实际结晶温度低于平衡结晶温度的现象
称为过冷现象。
? 两者之间的温度差 ΔT称为过冷度。
即,ΔT=T0－ Tn。
? 过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有
关，冷却速度愈大，过冷度 ΔT愈大。
图 1-19 液体和固体的
自由能随温度的变化
2.实际结晶温度的测定（冷却曲线） ?
? 金属的实际结晶温度用热分析方法测定，
具体做法,
? 先将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却
下来，同时每隔一定时间测一次温度，并把记录
的数据绘在温度－时间坐标中，得到温度与时间
的曲线，即：冷却曲线（图 1-20）,
? 可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到
T0温度时出现一个平台,
? 说明这时虽然液体金属向外散热，但其温度
并没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶向
外散热，补偿了液体对外的热量散失，说明这一
水平台阶对应的温度正是实际结晶温度。这一平
台的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的
终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的
散失，所以温度 又开始下降。
图 1-20 纯金属冷却曲线
一、结晶的基本概念
图 1-21 冷却曲线的测定
一、结晶的基本概念
图 1-22 冷却曲线
一、结晶的基本概念
图 1-25 结晶过程
一、结晶的基本概念
图 1-24 铅锡铋合金的结晶组织金相像片
二、结晶过程的基本规律
1,形核和核长大
? 金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体
中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体－晶核，这种已形成的晶核不断长大，
同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消
失，结晶结束。
? 液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基本环节。
? 形核有自发形核和非自发形核两种方式,
? 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；
非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量
较少，它比自发形核容易得多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。
? 晶体的长大以枝晶状形式进行的，并不断地分枝发展。
二、结晶过程的基本规律
? 1,形核和核长大
图 1-25 形核和核长大方式
二、结晶过程的基本规律
图 1-26 铸锭结晶组织
2,影响晶核形成和长大的因素
? 晶粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下
工作的金属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随
晶粒细化而有所提高的。影响晶粒大小的因素有,
? 形核率 N，长大速度 G，形核率 N大，而长大速度
G相对小，则晶粒愈细，即 N与 G的比值大则晶粒
细。
? 1）过冷度,ΔT大,ΔF大，结晶驱动力大，
形核率和长大速度都大，且 N的增加比 G增加得快，
提高了 N与 G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，
对晶粒细化不利，结晶发生困难。见图 1-27
2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入
某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质
点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形
核率，细化晶粒的处理方法。
图 1-27 影响晶粒形核
率和长大速度的因素
2 影响晶核形成和长大的因素
图 1-28 成核速率、长大速度与过冷度的关系
第一章 金属的结构与结晶
? § 1金属的晶体结构
? § 2金属的结晶
§ 1 金属的晶体结构
? 一、晶体的基本概念
在自然界中除了一些少数
的物质（如普通玻璃、松香等）
以外，包括金属在内的绝大多
数固体都是晶体
1．晶体
所谓晶体是指其原子（离
子或分子）在空间呈规则排列
的物体。
非晶体
晶体
图 1-1 晶体与非晶体示意图
一、晶体的基本概念
2．晶体结构
晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。
3．阵点（结点）
把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几
何点，称为阵点或结点。
4．点阵
在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵） 。
5,晶面
点阵中的结点所构成的平面。
6．晶向
点阵中的结点所组成的直线。
图 1-2 晶体结构
一、晶体的基本概念
7,晶格
把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间
格子称为晶格。
8,晶胞
构成晶格的最基本单元。
由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特
征。
9．晶格常数
晶胞的棱边长度 a,b,c和棱间夹角 α,β,γ是衡量晶胞大
小和形状的六个参数，其中 a,b,c称为晶格常数或点阵常
数。
其大小用 A来表示（ 1A=10-8cm）
若 a=b=c,α=β=γ=90° 这种晶胞就称为简单立方晶胞。
具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。
图 1-3 晶胞
一、晶体的基本概念
图 1-4 晶体规则排列示意图
晶体 晶格
晶胞 晶面 晶向
二、常见金属的晶体结构类型
? 在金属元素中,常见的金属晶体结构类型有下面三种晶体结构类型。
? （一）体心立方晶格
? 体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一
个原子。
? 晶格常数 a=b=c，通常只用 a表示，（见图 1-3）。
? 这种晶胞在其立方体的对角线 方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长
度 a方向上所分布的原子数目为 2，这样可计算出其原子半径,
? 在这种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有。
实际上每个体心立方晶胞中仅含有,个原子 。
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二、常见金属的晶体结构类型
? 晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与
该晶胞体积之比。用, K”表示。
? 体心立方晶格的致密度,
即晶格中有 68%的体积被原子占有，其余为空隙。
? 属于这种体心立方晶格的金属有 Fe(＜ 912℃,α-Fe),Cr、
Mo,W,V等。
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二、常见金属的晶体结构类型
图 1-5 体心立方晶格 图 1-6 面心立方晶格
二、常见金属的晶体结构类型
（二）面心立方晶格
? 面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还
各有一个原子。
? 晶格常数 a=b=c，通常只用 a表示，（见图 1-3）。
? 在这种晶胞中，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触,
? 因而其原子半径,
? 又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有的，故面心立方晶格的
晶胞中包含有,个原子。
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二、常见金属的晶体结构类型
（二）面心立方晶格
? 面心立方晶格的致密度,
即有 74%的体积被原子占有，其余的为空隙。
? 属于这种晶格的金属有,Fe(>912℃,γ-Fe),Al,Cu、
Ni,Pb等。
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4
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二、常见金属的晶体结构类型
图 1-7 常见金属的晶体结构
二、常见金属的晶体结构类型
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
图 1-8 常见金属的晶体结构
二、常见金属的晶体结构类型
（三）密排六方晶格
? 密排六方晶格由 12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个六方面
心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有 3个原子。
? 晶格常数 a＝ b≠c,c/a=1.633
? 密排六方晶格晶胞中所含原子数,个原子
? 致密度 K=0.74
? 属于这种晶格的金属有 Be,Mg,
Zn,Cd等。
? 除以上三种晶格以外，少数金属
还具有其它类型的晶格，但一般
很少遇到。
图 1-9 密排六方晶格
632211261 ?????
三、晶面及晶向指数
? 在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种
晶面和晶向中原子分布的特点，这样有必要给各种晶面和晶向定出一定
的符号，以表示出它们在晶体中的方向，从而便于分析，晶面和晶向的
这种符号分别叫, 晶面指数, 和, 晶向指数, 。
晶面指数与晶向指数是如何确定？
三、晶面及晶向指数
（一）晶面指数的确定
? ⑴ 如图 1-10 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作 OX、
OY,OZ三坐标轴，以晶格常数 a,b,c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单
位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距；
? ⑵ 将所得三截距之值变为倒数；
? ⑶ 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加
? 上一圆括号
即为晶面指数。
一般表示形式：（ hkl) 。
图 1-10 晶面指数的确定
（一）晶面指数的确定
? 1,PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是 1/2,1,∞ ；
截距倒数分别是,2,1,0；化为最小整数后的晶面指数（ 210）
? 2,AGE面,截距 1,1,1； 倒数 1,1,1,晶面指数（ 111）
? 3,DBEG面：截距 1,1,∞ ； 倒数 1,1,0，晶面指数（ 110）
? 4,DCFG面：截距 1,∞, ∞ ；倒数 1,0,0,晶面指数（ 100）
? 值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中
所有那些与其相平行的位向相同的晶面。
在一种晶格中，如果某些晶面，虽然
它们的位向不同，但原子排列相同。
如（ 100）、（ 010）及 （ 001）等，这时
若不必要予以区别时，可把这些晶面统
用 {100}表示。
即：（ hkl)这类符号系指某一确定位向的
晶面指数；
而 {hkl}则可指所有那些位向不同而原子排
图 1-11 晶面指数的确定 列相同的晶面指数。
三、晶面及晶向指数
（二） 晶向指数的确定
? ⑴ 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；
? ⑵ 求出该直线上任意一点的三个坐标值；
? ⑶ 将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其
? 一般形式 [uvw]。
如,AB的晶向指数：过 O作一平行直线 OP,
其上任一点的坐标（ 110）,这样所求
AB的晶向指数即为 [110]；
OB：本身过原点不必作平行线，其上任一
点的坐标（ 111），其晶向指数 [111]；
OC：其上任一点 C的坐标（ 100），其晶
相指数 [100]。
同理,OD晶向指数 [010],OA为 [001]。
同样 [100]代表方向相同的一组晶向,
图 1-12 晶向指数的确定 而 <100>则代表方向不同但原子排列 相同的晶向
四、金属的实际结构和晶体缺陷
（一）单晶体与多晶体
? 单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶
体为单晶体。
? 在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内
部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的
位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为, 晶粒, 。
? 晶粒与晶粒之间的界面称为, 晶界, 。在晶界处，原子排列
为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。
? 多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为, 多晶体, 。
（一）单晶体与多晶体
? 对于单晶体，由于各个方向上原子
排列不同，导致各个方向上的性能
不同，即, 各向异性, 的特点；
? 而多晶体对每个小晶粒具有, 各向
异性, 的特点，而就多晶体的整体，
由于各小晶粒的位向不同，表现的
是各小晶粒的平均性能，不具备
,各向异性, 的特点。
单晶体
多晶体
图 1-13 单晶体与多晶体
四、金属的实际结构和晶体缺陷
（二）晶体缺陷
? 在金属中还存在着各种各样的
晶格缺陷，按其几何形式的特
点，分为如下三类,
1.点缺陷
? 原子排列不规则的区域在空间
三个方向尺寸都很小。
? 晶体中的空位、间隙原子、杂
质原子都是点缺陷 。 图 1-14 点缺陷示意图
（二）晶体缺陷
? 当晶格中某些原子由于某种原因，（如
热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间
隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引
起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能
发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。
（二）晶体缺陷
2.线缺陷
? 原子排列的不规则区在空间一个方向上
的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很
小。如：位错。
? 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于
另一部分晶体的局部滑移而造成。
? 滑移部分与未滑移部分的交界线即为位
错线。
? 由于晶体中局部滑移的方式不同，可形
成不同类型的位错,
? 图 1-15为一种最简单的位错, 刃型位
错, 。因为相对滑移的结果上半部分多出一
半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶
体中的一把刀的刃口，故称, 刃型位错, 。
图 1-15 线缺陷示意图
（二）晶体缺陷
? 实际晶体中存在大量的位错,一般用位错密度来表示
位错的多少。
? 位错密度,单位体积中位错线的总长度,
或单位面积上位错线的根数,单位 cm2
? 位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸
变,对晶体的性能有显著的影响。
? 实验和理论研究表明,晶体的强度和位错
密度有如图 1-16的对应关系,
? 当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶
体中位错密度很高时,其强度很高。
? 但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不
能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧
烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高
提供途径。
图 1-16 金属强度与
位错密度的关系
（二）晶体缺陷
3.面缺陷
? 原子排列不规则的区域在空间两个方
向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很
小。如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典
型的面缺陷。
? 显然在晶界处原子排列很不规则，亚
晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，
但也是不规则的，可以看作是由无数刃型
位错组成的位错墙。
? 这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越
大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。 图 1-17 面缺陷
面缺陷,孪晶
图 1-18 孪晶示意图
§ 2金属的结晶
一、结晶的基本概念
? 一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如
凝固后形成晶体结构，则称为结晶。
? 金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷
却转变为固态的过程，称为金属的结晶。
? 液态金属与固态金属的主要差别在于：液态金属
无一定形状，易流动，原子间的距离大，但在一定温
度条件下，在液态金属中存在与固态金属的, 远程排
列, 不同的, 近程排列, 。
一、结晶的基本概念
1,结晶时的过冷现象
? 各种纯金属如 Fe,Cu等都有一定的结晶温度。 Fe,1539℃, Cu：
1083℃ 等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的
结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。
? 实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量
条件上。
? 在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发
地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律 。
1,结晶时的过冷现象
? 图 1-19中以自由能 F代表体系的能量，只有
当固态金属的自由能低于液态金属的自由能,
即,体系自由能变化 ΔF=F固 － F液 ＜ 0时,结晶过
程才能自发进行。
? 从温度坐标上看，只有实际结晶温度 T1低于
平衡结晶温度 T0，结晶过程才能自发进行。
? 这种实际结晶温度低于平衡结晶温度的现象
称为过冷现象。
? 两者之间的温度差 ΔT称为过冷度。
即,ΔT=T0－ Tn。
? 过冷度的大小与金属的本性以及冷却速度有
关，冷却速度愈大，过冷度 ΔT愈大。
图 1-19 液体和固体的
自由能随温度的变化
2.实际结晶温度的测定（冷却曲线） ?
? 金属的实际结晶温度用热分析方法测定，
具体做法,
? 先将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却
下来，同时每隔一定时间测一次温度，并把记录
的数据绘在温度－时间坐标中，得到温度与时间
的曲线，即：冷却曲线（图 1-20）,
? 可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到
T0温度时出现一个平台,
? 说明这时虽然液体金属向外散热，但其温度
并没下降，这是由于在这一温度液体开始结晶向
外散热，补偿了液体对外的热量散失，说明这一
水平台阶对应的温度正是实际结晶温度。这一平
台的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的
终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的
散失，所以温度 又开始下降。
图 1-20 纯金属冷却曲线
一、结晶的基本概念
图 1-21 冷却曲线的测定
一、结晶的基本概念
图 1-22 冷却曲线
一、结晶的基本概念
图 1-25 结晶过程
一、结晶的基本概念
图 1-24 铅锡铋合金的结晶组织金相像片
二、结晶过程的基本规律
1,形核和核长大
? 金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体
中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶体－晶核，这种已形成的晶核不断长大，
同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消
失，结晶结束。
? 液态金属的结晶包括形核和晶核长大的两个基本环节。
? 形核有自发形核和非自发形核两种方式,
? 自发形核是在一定条件下，从液态金属中直接产生，原子呈规则排列的结晶核心；
非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量
较少，它比自发形核容易得多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。
? 晶体的长大以枝晶状形式进行的，并不断地分枝发展。
二、结晶过程的基本规律
? 1,形核和核长大
图 1-25 形核和核长大方式
二、结晶过程的基本规律
图 1-26 铸锭结晶组织
2,影响晶核形成和长大的因素
? 晶粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下
工作的金属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随
晶粒细化而有所提高的。影响晶粒大小的因素有,
? 形核率 N，长大速度 G，形核率 N大，而长大速度
G相对小，则晶粒愈细，即 N与 G的比值大则晶粒
细。
? 1）过冷度,ΔT大,ΔF大，结晶驱动力大，
形核率和长大速度都大，且 N的增加比 G增加得快，
提高了 N与 G的比值，晶粒变细，但过冷度过大，
对晶粒细化不利，结晶发生困难。见图 1-27
2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入
某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质
点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形
核率，细化晶粒的处理方法。
图 1-27 影响晶粒形核
率和长大速度的因素
2 影响晶核形成和长大的因素
图 1-28 成核速率、长大速度与过冷度的关系
