纯金属结晶讲稿.ppt

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1、关于纯金属结晶关于纯金属结晶10/9/20221第一页，讲稿共四十四页哦10/9/20222第一章第一章 金属的晶体结构金属的晶体结构1-1 金属金属1-2 金属的晶体结构金属的晶体结构1-3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构本章作业本章作业第二页，讲稿共四十四页哦10/9/202231-3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构一、点缺陷一、点缺陷二二、线线缺缺陷陷：在在两两个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小，而而另另一一个个方方向向上上尺尺寸较大的缺陷。主要是位错。寸较大的缺陷。主要是位错。三三、面面缺缺陷陷：在在一一个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小，而而另另外外两两个个方方向向上上尺尺寸

2、较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。四四、体体缺缺陷陷：在在三三维维方方向向上上尺尺度度都都较较大大的的缺缺陷陷，又又称称三三维维缺缺陷陷。如沉淀相、空洞等。如沉淀相、空洞等。返返 回回第三页，讲稿共四十四页哦10/9/20224主要内容主要内容 1.刃型位错刃型位错 2.螺型位错螺型位错3.柏氏矢量柏氏矢量 4.位错密度位错密度二、二、线缺陷（位错）线缺陷（位错）返返 回回第四页，讲稿共四十四页哦10/9/202253.柏氏矢量柏氏矢量 柏氏矢量的概念柏氏矢量的概念 柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法 柏氏矢量的物理意义柏氏矢量的物理意义 柏氏矢量的特性柏

3、氏矢量的特性 混合位错混合位错返返 回回第五页，讲稿共四十四页哦10/9/20226 混合位错混合位错实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状也会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的也会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的也会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的也会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行

4、柏氏矢量切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量时，这种位错叫时，这种位错叫时，这种位错叫时，这种位错叫混合位错混合位错混合位错混合位错。由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际晶体由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际晶体由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际晶体由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际晶体中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露头），中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露头），中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露头），中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露头），在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。在晶内只能自身封闭成环

5、或结成三维位错网络。在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。第六页，讲稿共四十四页哦10/9/20227形成位错环时，位错性质类型的确定：形成位错环时，位错性质类型的确定：形成位错环时，位错性质类型的确定：形成位错环时，位错性质类型的确定：ABAB、CDCD段段段段 b b b b 刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错ABAB段：正刃；段：正刃；段：正刃；段：正刃；CDCD段：负刃段：负刃段：负刃段：负刃BCBC、DADA段段段段 b b b b 螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错BCBC段：右螺；段：右螺；段：右螺；段：右螺；DADA段：左螺段：左螺段：

6、左螺段：左螺A A点：左螺，点：左螺，点：左螺，点：左螺，B B点：正刃点：正刃点：正刃点：正刃C C点：右螺，点：右螺，点：右螺，点：右螺，D D点：负刃点：负刃点：负刃点：负刃其它为混其它为混其它为混其它为混 A AB BC CD Db b b b图图图图1-56 1-56 确定位错环的位错性质类型确定位错环的位错性质类型确定位错环的位错性质类型确定位错环的位错性质类型b b b bA AB BC CD D第七页，讲稿共四十四页哦10/9/20228可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位

7、错显示出可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出来。通常的方法有：来。通常的方法有：来。通常的方法有：来。通常的方法有：n n 侵蚀法侵蚀法侵蚀法侵蚀法n n 电镜观察（图电镜观察（图电镜观察（图电镜观察（图1-57 1-57）n n X X射线衍射间接检查位错射线衍射间接检查位错射线衍射间接检查位错射线衍射间接检查位错返返 回回图图图图1-57 1-57 电镜下焊缝金属中电镜下焊缝金属中电镜下焊缝金属中电镜下焊缝金属中AFAF内位错内位错内位错内位错第八页，讲稿共四十四页哦10/9/202294.位错密度位错密度晶体中位错量的多少用位错密度来表示。晶体中位错量的多少用位错密度来表示

8、。晶体中位错量的多少用位错密度来表示。晶体中位错量的多少用位错密度来表示。位错密度位错密度位错密度位错密度：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积的位错数目。的位错数目。的位错数目。的位错数目。位错密度，位错密度，位错密度，位错密度，mm-2-2；V V 晶体的体积；晶体的体积；L 晶体中位错的总长度晶体中位错的总长度一般充分退火的多晶体金属中，一般充分退火的多晶体金属中，1010101212mm-2 经剧烈冷塑性变形金属中，经剧烈冷塑性变形金属中，1015151010161

9、6mm-2-2，即在，即在，即在，即在1 13 3 的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。第九页，讲稿共四十四页哦10/9/202210位错的存在和密度的大小对机械性能、位错的存在和密度的大小对机械性能、位错的存在和密度的大小对机械性能、位错的存在和密度的大小对机械性能、扩散及相变有重要的影响，如图扩散及相变有重要的影响，如图扩散及相变有重要的影响，如图扩散及相变有重要的影响，如图1-581-58所示。所示。所示。所示。若金属晶体不含位错，将接近理论若金属晶体不含位错，将接

10、近理论强度强度T=G/2T=G/2。如直径为如直径为如直径为如直径为1.61.6mm的铁晶的铁晶的铁晶的铁晶须（位错密度极低），其须（位错密度极低），其须（位错密度极低），其须（位错密度极低），其 b b=13400=13400 MPaMPa；有位错存在强度大大下降有位错存在强度大大下降有位错存在强度大大下降有位错存在强度大大下降，退火纯铁，退火纯铁，退火纯铁，退火纯铁的的的的 10101010101111mm-2-2，b b=300 MPa=300 MPa；经合金化、冷变形、热处理强化后经合金化、冷变形、热处理强化后经合金化、冷变形、热处理强化后经合金化、冷变形、热处理强化后 1010151

11、510101616mm-2，b b=3000MPa=3000MPa。m 1234图图图图1-58 1-58 晶体的塑变抗晶体的塑变抗晶体的塑变抗晶体的塑变抗力与力与力与力与 的关系的关系的关系的关系11理论强度理论强度理论强度理论强度22晶须强度晶须强度晶须强度晶须强度33未强化纯金属强度未强化纯金属强度未强化纯金属强度未强化纯金属强度44合金化、冷变形、热处理合金化、冷变形、热处理合金化、冷变形、热处理合金化、冷变形、热处理的合金强度的合金强度的合金强度的合金强度返返 回回第十页，讲稿共四十四页哦10/9/202211三、面缺陷三、面缺陷面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷包包包包括括括括外外外外表表表

12、表面面面面（表表表表面面面面和和和和自自自自由由由由界界界界面面面面）和和和和内内内内表表表表面面面面（晶晶晶晶界界界界、亚亚亚亚晶晶晶晶界界界界、孪孪孪孪晶晶晶晶界界界界、堆堆堆堆垛垛垛垛层层层层错错错错和和和和相相相相界界界界等等等等）。面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷对对对对材材材材料料料料的的的的力力力力学学学学和物理化学性能具有重要影响。和物理化学性能具有重要影响。和物理化学性能具有重要影响。和物理化学性能具有重要影响。1.1.晶体表面晶体表面晶体表面晶体表面 2.2.晶界晶界晶界晶界 3.亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界 4.4.堆垛层错堆垛层错堆垛层错堆垛层错 5.5.相界相界相界相界 6.6.

13、晶界特性晶界特性晶界特性晶界特性返返 回回第十一页，讲稿共四十四页哦10/9/2022121.晶体表面晶体表面晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同。在。在内部，每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被内部，每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、液等原子或分子包围，内部原子的作用力比外表气、液等原子或分子包围，内部原子的作用力比外表面的原子大，内外受力不平衡，使表面原子偏离平衡面的原子大，内外受力不平衡，使表面原子偏离平衡位置，引起晶格畸变，使表面能量升高，出现额外的位置，引起晶格畸变，使表面能量升高，出现额外的自由能，即自由能，即表面能表面

14、能表面能表面能。与表面张力同量纲、同数值与表面张力同量纲、同数值与表面张力同量纲、同数值与表面张力同量纲、同数值。单位。单位。单位。单位为为为为J J 或或或或N/mN/m。第十二页，讲稿共四十四页哦10/9/202213影响表面能的因素：影响表面能的因素：表面原子密度表面原子密度 表面原子密度越大，表面能越小。因此，表面原子密度越大，表面能越小。因此，表面原子密度越大，表面能越小。因此，表面原子密度越大，表面能越小。因此，晶体易使密排面裸露在表面。晶体易使密排面裸露在表面。晶体易使密排面裸露在表面。晶体易使密排面裸露在表面。表面曲率半径表面曲率半径表面曲率半径表面曲率半径 表面曲率半径越大，

15、曲率越小，表面能表面曲率半径越大，曲率越小，表面能表面曲率半径越大，曲率越小，表面能表面曲率半径越大，曲率越小，表面能越小，反之，亦然。越小，反之，亦然。越小，反之，亦然。越小，反之，亦然。外部介质性质外部介质性质 外部介质的分子或原子对晶体界面原外部介质的分子或原子对晶体界面原外部介质的分子或原子对晶体界面原外部介质的分子或原子对晶体界面原子的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差子的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差子的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差子的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，则表面能越大。越大，则表面能越大。越大，则表面能越大。越大，则表面

16、能越大。晶体的性质晶体的性质 晶体本身的结合能高，熔点高，则表晶体本身的结合能高，熔点高，则表晶体本身的结合能高，熔点高，则表晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能大。面能大。面能大。面能大。返返 回回第十三页，讲稿共四十四页哦10/9/2022142.晶界晶界实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向不同，位向差小到几十分大到几十度。不同，位向差小到几十分大到几十度。不同，位向差小到几十分大到几十度。不同，位向差小到几十分大到几十度。两个空间位向

17、不同的相邻晶粒之间的界面叫两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面叫晶界。晶界。晶界。晶界。小角度晶界小角度晶界小角度晶界小角度晶界晶粒的位相差小于晶粒的位相差小于晶粒的位相差小于晶粒的位相差小于1010的晶界称为的晶界称为小角度晶界小角度晶界。小角度晶界小角度晶界小角度晶界小角度晶界是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾侧晶是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾侧晶是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾侧晶是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾侧晶界（图界（图界（图界（图1-59），螺型扭转晶界（图），螺型扭转晶界（图1-601-60）。）。）。）。第十四页，讲稿共四十四页哦10/9/202215 大角

18、度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界晶粒的位相差大于晶粒的位相差大于晶粒的位相差大于晶粒的位相差大于1010的晶界称为的晶界称为的晶界称为的晶界称为大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界。大约有大约有大约有大约有3 35 5个原子间距原子排列，个原子间距原子排列，个原子间距原子排列，个原子间距原子排列，规则性较差，晶格畸变很大，可以规则性较差，晶格畸变很大，可以规则性较差，晶格畸变很大，可以规则性较差，晶格畸变很大，可以认为处于由一个晶粒向另一个晶粒认为处于由一个晶粒向另一个晶粒认为处于由一个晶粒向另一个晶粒认为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向过渡的折中位置（图位向过渡的折中位置（图位向过渡的

19、折中位置（图位向过渡的折中位置（图1-611-61）。）。）。）。大角度晶界还可能有大角度晶界还可能有大角度晶界还可能有大角度晶界还可能有共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界：晶：晶：晶：晶界上的原子正好处于两晶粒的共界上的原子正好处于两晶粒的共界上的原子正好处于两晶粒的共界上的原子正好处于两晶粒的共同结点上（图同结点上（图同结点上（图同结点上（图1-621-62）图图图图1-61 1-61 大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界图图图图1-62 1-62 共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界返返 回回第十五页，讲稿共四十四页哦10/9/202216图图图图1-59 1-59 对称倾侧晶界及其形成示

20、意图对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界位错墙位错墙倾侧前倾侧前倾侧后倾侧后返返 回回第十六页，讲稿共四十四页哦10/9/202217返返 回回图图图图1-60 1-60 螺型扭转晶界螺型扭转晶界螺型扭转晶界螺型扭转晶界第十七页，讲稿共四十四页哦10/9/2022183.亚晶界亚晶界每个晶粒内部位向也有微每个晶粒内部位向也有微每个晶粒内部位向也有微每个晶粒内部位向也有微小的差别，由许多位向差小的差别，由许多位向差小的差别，由许多位向差

21、小的差别，由许多位向差很小的小区域（亚晶粒）很小的小区域（亚晶粒）很小的小区域（亚晶粒）很小的小区域（亚晶粒）组成，位向差仅几分，最组成，位向差仅几分，最组成，位向差仅几分，最组成，位向差仅几分，最多多多多1-21-2，如图，如图，如图，如图1-631-63所示。所示。亚晶粒之间的边界叫亚晶粒之间的边界叫亚晶粒之间的边界叫亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界。亚晶界。亚晶界。实验证实，亚晶界属于小实验证实，亚晶界属于小角度晶界。角度晶界。图图图图1-63 1-63 亚晶界结构示意图亚晶界结构示意图亚晶界结构示意图亚晶界结构示意图返返 回回第十八页，讲稿共四十四页哦10/9/2022194.堆垛层错

22、堆垛层错 概念：概念：实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成的实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成的实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成的实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成的晶体缺陷，称为晶体缺陷，称为晶体缺陷，称为晶体缺陷，称为堆垛层错堆垛层错堆垛层错堆垛层错，简称为，简称为层错层错。形式：形式：fcc晶格，原子的堆垛次序为晶格，原子的堆垛次序为晶格，原子的堆垛次序为晶格，原子的堆垛次序为ABC ABC C ABC ABC 层错：层错：ABC AB ABC 影响：影响：层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错破坏

23、了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错能：层错能：产生单位面积层错所需的能量，称之。产生单位面积层错所需的能量，称之。产生单位面积层错所需的能量，称之。产生单位面积层错所需的能量，称之。返返 回回第十九页，讲稿共四十四页哦10/9/2022205.相界相界合金的组织往往由多个相合金的组织往往由多个相组成组成。不同的相具有不同的。不同的相具有不同的。不同的相具有不同的。不同的相具有不同的晶体结构和化学成分。晶体结构和化学成分。晶体结构和化学成分。晶体结构和化学成分。具有不同晶体结构的两相之间具有不同晶体结构的两相之间具有不同晶体结构的两相之间具有

24、不同晶体结构的两相之间的分界叫的分界叫的分界叫的分界叫相界相界相界相界。相界结构有三种：相界结构有三种：相界结构有三种：相界结构有三种：共格界面共格界面共格界面共格界面、半共格界面半共格界面和和非共格界面非共格界面。如图。如图1-64所示。所示。所示。所示。返返 回回具有完善共格关系的具有完善共格关系的界面界面能量最低界面界面能量最低具有弹性畸变具有弹性畸变的共格界面的共格界面半共格界面半共格界面半共格界面半共格界面界面能量最高界面能量最高图图图图1-64 1-64 各种相界面结构示意图各种相界面结构示意图各种相界面结构示意图各种相界面结构示意图第二十页，讲稿共四十四页哦10/9/202221

25、6.晶界特性晶界特性晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶格畸变很大，位错密度高，具有一定的格畸变很大，位错密度高，具有一定的格畸变很大，位错密度高，具有一定的格畸变很大，位错密度高，具有一定的界面能界面能界面能界面能或或晶界晶界能能。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许多过程都有重要作用。多过程都有重要作用。多过

26、程都有重要作用。多过程都有重要作用。由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存在在在在，使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。，使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。，使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。，使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。第二十一页，讲稿共四十四页哦10/9/202222 由由于于界界面面能能的的存存在在，当当晶晶体体中中存存在在能能降降低低界界面面能能的的异异类类原原子子时时，这这些些原原子子将将向向晶晶界界偏偏聚聚，这这种种现

27、现象象叫叫内吸附内吸附内吸附内吸附。晶晶晶晶界界界界上上上上原原原原子子子子具具具具有有有有较较较较高高高高的的的的能能能能量量量量，且且且且存存存存在在在在较较较较多多多多的的的的晶晶晶晶体体体体缺缺缺缺陷陷陷陷，使原子的使原子的使原子的使原子的扩散速度比晶粒内部快得多扩散速度比晶粒内部快得多扩散速度比晶粒内部快得多扩散速度比晶粒内部快得多。常常温温下下，晶晶界界对对位位错错运运动动起起阻阻碍碍作作用用，故故故故金金金金属属属属材材材材料料料料的的的的晶晶晶晶粒粒粒粒越越越越细细细细，则则则则单单单单位位位位体体体体积积积积晶晶晶晶界界界界面面面面积积积积越越越越多多多多，其其其其强强强强度

28、度度度，硬硬硬硬度度度度越越越越高高高高晶界强化晶界强化晶界强化晶界强化。第二十二页，讲稿共四十四页哦10/9/202223 晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化。晶晶晶晶界界界界能能能能量量量量高高高高，不不不不稳稳稳稳定定定定，有有有有自自自自发发发发向向向向低低低低能能能能状状状状态态态态转转转转变变变变的的的的趋趋趋趋势势势势，导导导导致致致致晶晶晶晶界界界界的的的的移移移移动动动动晶晶晶晶粒粒粒粒长长长长大大大大。晶晶晶晶界界界界平平平平直直直直化化化化，以以以以减减减减小小小小晶晶晶晶界界界界的的的的总总总总面面面面积积积积和和和和总

29、总总总界界界界面面面面能能能能。能能能能量量量量越越越越高高高高的的的的大大大大角角角角度度度度晶晶晶晶界界界界迁迁迁迁移移移移越越越越快快快快。由由由由于于于于晶晶晶晶界界界界迁迁迁迁移移移移靠靠靠靠原原原原子子子子扩扩扩扩散散散散，故故故故只只只只有有有有在在在在较较较较高高高高温温温温度度度度下下下下才才才才能进行。能进行。能进行。能进行。由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核。上形核。返返 回回第二十三页，讲稿共四十四页哦10/9/202224本章作业本章作业课本课本P31-32第一次作业：第一次作业：1-1、1-2、1-3第

30、二第二 次作业：次作业：1-5、1-7、1-8第三次作业：第三次作业：1-10、1-13、1-15第二章第二章第二十四页，讲稿共四十四页哦10/9/202225第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶物质从液态到固态的转变过程称为物质从液态到固态的转变过程称为物质从液态到固态的转变过程称为物质从液态到固态的转变过程称为凝固凝固凝固凝固。若凝固后的物。若凝固后的物。若凝固后的物。若凝固后的物质为晶体，则称之为质为晶体，则称之为质为晶体，则称之为质为晶体，则称之为结晶结晶结晶结晶。金属及其合金都是晶体，。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是所以它们的凝固过程就是结晶结晶。凝固过程影响后续工艺

31、性能、使用性能和寿命。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程凝固是相变过程凝固是相变过程凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。，可为其它相变的研究提供基础。，可为其它相变的研究提供基础。，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。第二十五页，讲稿共四十四页哦10/9/202226金属冶炼金属冶炼第二十六页，讲稿共四十四页哦10/9/202227第二十七页，讲稿共四十四页哦10/9/2022282-1 金属结晶的现象金属结晶的现象2-2 金属结晶的基本条件金属结晶的基本条件2-3 晶核的形成晶核的形成2-

32、4 晶核长大晶核长大2-5 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶第二十八页，讲稿共四十四页哦10/9/2022292-1 金属结晶的现象金属结晶的现象一、结晶过程的宏观现象一、结晶过程的宏观现象相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲线）相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲线）相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲线）相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：研究表明：结晶过

33、程有两个十分重要的宏观特征：1.过冷现象过冷现象2.结晶潜热结晶潜热二、金属结晶的微观过程二、金属结晶的微观过程返返 回回第二十九页，讲稿共四十四页哦10/9/2022301.过冷现象过冷现象液态金属冷却到理论结晶温度液态金属冷却到理论结晶温度液态金属冷却到理论结晶温度液态金属冷却到理论结晶温度T Tmm时并不结晶，而是降到低于时并不结晶，而是降到低于时并不结晶，而是降到低于时并不结晶，而是降到低于T Tmm 的的温度温度Tn n才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。金属的实际金属的实际金属的实际金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度结晶温度总是低于其理论结晶温度结晶温度总是低于其

34、理论结晶温度结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象称为的现象称为的现象称为的现象称为过冷过冷。金属材料理论结晶温度与实际结晶金属材料理论结晶温度与实际结晶金属材料理论结晶温度与实际结晶金属材料理论结晶温度与实际结晶温度之差称为温度之差称为温度之差称为温度之差称为过冷度过冷度过冷度过冷度，用，用，用，用T表示，表示，表示，表示，则则则则T T=T TmT Tn n，如图，如图，如图，如图2-1所示。所示。所示。所示。图图图图2-1 2-1 纯金属结晶冷却曲纯金属结晶冷却曲纯金属结晶冷却曲纯金属结晶冷却曲线线线线TmTn第三十页，讲稿共四十四页哦10/9/202231结晶时要从液体中生出晶体，必须建

35、立同液体相结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔开的晶体界面而消耗能量。所以，只有当液体隔开的晶体界面而消耗能量。所以，只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力大于建的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。行。第三十一页，讲稿共四十四页哦10/9/202232过冷度的大小与金属的本性、过冷度的大小与金属的本性、纯度及冷却速度有关。纯度及冷却速度有关。金属不同，过冷度不同；金属不同，过冷度不同；金属不同，过冷度不同；金属不同，过冷度不同；金属纯度越高，过冷度越大；金属纯度越高，过冷度越大；金属纯

36、度越高，过冷度越大；金属纯度越高，过冷度越大；以上两个因素确定后，过冷度主以上两个因素确定后，过冷度主以上两个因素确定后，过冷度主以上两个因素确定后，过冷度主要与冷却速度有关，要与冷却速度有关，要与冷却速度有关，要与冷却速度有关，冷却速度冷却速度越快，实际结晶温度越低，过越快，实际结晶温度越低，过冷度越大；冷却越慢，过冷度冷度越大；冷却越慢，过冷度越小，越小，但但不可能在理论温度结晶不可能在理论温度结晶不可能在理论温度结晶不可能在理论温度结晶。如图如图如图如图2-22-2所示。所示。所示。所示。图图图图2-2 2-2 液态金属不同冷速时的液态金属不同冷速时的液态金属不同冷速时的液态金属不同冷速

37、时的冷却曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线 第三十二页，讲稿共四十四页哦10/9/202233液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于理液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于理液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于理液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于理论结晶温度时结晶。论结晶温度时结晶。论结晶温度时结晶。论结晶温度时结晶。这时的过冷度接近于零。金属的这时的过冷度接近于零。金属的这时的过冷度接近于零。金属的这时的过冷度接近于零。金属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实际金晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实际金晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实际金晶体结构比较

38、简单，并且总含有杂质，所以实际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不超过超过超过超过103030。注意：注意：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。定的过冷度下进行。定的过冷度下进行。定的过冷度下进行。返返 回回第三十三页，讲稿共四十四页哦10/9/2022342.结晶潜热结晶潜热 相变潜热相变潜热相变潜热相变潜热：1摩尔物质

39、从一个相转变为另一个相时，摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热相变潜热相变潜热相变潜热。熔化潜热：熔化潜热：金属熔化时，从固相到液相金属熔化时，从固相到液相金属熔化时，从固相到液相金属熔化时，从固相到液相吸收吸收吸收吸收热量称为热量称为熔化潜热熔化潜热熔化潜热熔化潜热。结晶潜热：结晶潜热：结晶潜热：结晶潜热：液态金属凝固时，从液态到固相液态金属凝固时，从液态到固相液态金属凝固时，从液态到固相液态金属凝固时，从液态到固相放出放出放出放出热量热量热量热量称为称为称为称为结晶潜热结晶潜热结晶潜热结晶潜热。第三十四页，讲稿共四十四页哦10/9/

40、202235冷却曲线（图冷却曲线（图冷却曲线（图冷却曲线（图2-32-3）上出现）上出现）上出现）上出现水平台阶，说明水平台阶，说明水平台阶，说明水平台阶，说明纯金属结纯金属结纯金属结纯金属结晶是在恒温下进行晶是在恒温下进行晶是在恒温下进行晶是在恒温下进行。因。因为结晶时放出结晶潜热，为结晶时放出结晶潜热，弥补了热量的散失。曲弥补了热量的散失。曲线上线上1 1点对应结晶开始点，点对应结晶开始点，点对应结晶开始点，点对应结晶开始点，2 2点对应结晶终了点。点对应结晶终了点。点对应结晶终了点。点对应结晶终了点。在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周

41、围环境散在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散失的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域失的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域失的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域失的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现象。的重熔现象。的重熔现象。的重熔现象。图图图图2-3 2-3 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线返返 回回TmTn12第三十五页，讲稿共四十四页哦10/9/202236二、金属结晶的微观过程二、金属结晶的微观过程1.1.结晶的基本过程：结晶的基本过程：结晶的基本过

42、程：结晶的基本过程：形核长大。如图形核长大。如图形核长大。如图形核长大。如图2-42-4所示。所示。所示。所示。2.2.描述结晶进程的两个参数描述结晶进程的两个参数形核率：形核率：形核率：形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。表示。表示。表示。长大速度：长大速度：长大速度：长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内

43、迁移的距离。用单位时间内迁移的距离。用单位时间内迁移的距离。用单位时间内迁移的距离。用GG表示。表示。图图图图2-4 2-4 纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图返返 回回第三十六页，讲稿共四十四页哦10/9/202237 2-2 结晶的基本条件结晶的基本条件 为为为为什什什什么么么么必必必必须须须须降降降降到到到到理理理理论论论论结结结结晶晶晶晶温温温温度度度度以以以以下下下下一一一一定定定定温温温温度度度度才才才才能能能能结结结结晶晶晶晶呢呢呢呢？因因因因为为为为结结结结晶晶晶晶必必必必须须须须具具具具备备备备两两两两个个个个条条条条件件件件：能

44、能能能量量量量条条条条件件件件（热热热热力力力力学学学学条件）和结构条件（相起伏）条件）和结构条件（相起伏）条件）和结构条件（相起伏）条件）和结构条件（相起伏）。一、金属结晶的热力学条件一、金属结晶的热力学条件二、金属结晶的结构条件二、金属结晶的结构条件二、金属结晶的结构条件二、金属结晶的结构条件返返 回回第三十七页，讲稿共四十四页哦10/9/202238一、金属结晶的热力学条件一、金属结晶的热力学条件根根根根据据据据热热热热力力力力学学学学第第第第二二二二定定定定律律律律，等等等等温温温温等等等等压压压压条条条条件件件件下下下下，系系系系统统统统总总总总是是是是自自自自发发发发地地地地从从从

45、从自自自自由由由由能能能能较较较较高高高高的的的的状状状状态态态态向向向向自自自自由由由由能能能能较较较较低低低低的的的的状状状状态态态态转转转转变变变变。在在在在相相相相变变变变过过过过程程程程中中中中只只只只有有有有新新新新相相相相的的的的自自自自由由由由能能能能低低低低于于于于旧旧旧旧相相相相的的的的自自自自由由由由能能能能时时时时相相相相变变变变才才才才能能能能自自自自发发发发进进进进行行行行。新新新新旧旧旧旧相相相相自自自自由由由由能能能能差差差差就就就就是是是是相相相相变变变变的的的的驱驱驱驱动力（图动力（图动力（图动力（图2-52-5）。）。）。）。图图图图2-4 2-4 液、固

46、相自由能液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能 温度示意图温度示意图温度示意图温度示意图（G G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）点点击击第三十八页，讲稿共四十四页哦10/9/202239关于关于关于关于G G-T T曲线：曲线：是下降上凸曲线，随着温度的是下降上凸曲线，随着温度的是下降上凸曲线，随着温度的是下降上凸曲线，随着温度的降低，自由能降低。降低，自由能降低。降低，自由能降低。降低，自由能降低。液相曲线斜率大于固相，表明随着液相曲线斜率大于固相，表明随着液相曲线斜率大于固相，表明随着液相曲线斜率大于固相，表明随着温度的降低，液相自由能降低的更温度的降低，液相自由能降低的更温度的降低，

47、液相自由能降低的更温度的降低，液相自由能降低的更快些。快些。快些。快些。液、固相冷却曲线交点对应的液、固相冷却曲线交点对应的液、固相冷却曲线交点对应的液、固相冷却曲线交点对应的温度为两相共存温度，即温度为两相共存温度，即温度为两相共存温度，即温度为两相共存温度，即理论理论理论理论结晶温度结晶温度结晶温度结晶温度Tmm。液相金属结晶的实际温度低于液相金属结晶的实际温度低于液相金属结晶的实际温度低于液相金属结晶的实际温度低于T Tm ，两相自由能差，两相自由能差，两相自由能差，两相自由能差G Gv v为金属结为金属结为金属结为金属结晶的晶的晶的晶的驱动力驱动力驱动力驱动力。图图图图2-4 2-4

48、液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能 温度示意图温度示意图温度示意图温度示意图（G G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）第三十九页，讲稿共四十四页哦10/9/202240热力学条件：热力学条件：式中式中式中式中 G Gv v-液、固相自由能差液、固相自由能差液、固相自由能差液、固相自由能差 T T-过冷度过冷度过冷度过冷度 L Lmm-结晶潜热结晶潜热结晶潜热结晶潜热 T Tmm-理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度T T 0,0,G Gv v 0 0，过冷是结晶的过冷是结晶的过冷是结晶的过冷是结晶的必要条件（之一）必要条件（之一）必要条件（之一）必要条件（之一）

49、。G Gv的绝对值为凝固过程的驱的绝对值为凝固过程的驱动力。动力。T T 越大越大越大越大,G Gv越小，驱动力越越小，驱动力越越小，驱动力越越小，驱动力越大，越有利于结晶。大，越有利于结晶。大，越有利于结晶。大，越有利于结晶。图图图图2-4 2-4 液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能 温度示意图温度示意图温度示意图温度示意图（G G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）返返回回返返 回回第四十页，讲稿共四十四页哦10/9/202241二、金属结晶的结构条件二、金属结晶的结构条件金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶核是由晶胚生成的，那么，

50、晶胚又是而晶核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？它是怎样转变成晶核的？这些问什么呢？它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液态金属的结构条件，因此，题都涉及到液态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对于深入理解结晶了解液态金属的结构，对于深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。时的形核和长大过程十分重要。第四十一页，讲稿共四十四页哦10/9/202242大量实验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与大量实验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与大量实验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与大量实验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与气态金属相差太远。气态金属相差太远。气态金