纯金属结晶精选PPT.ppt

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1、关于纯金属结晶关于纯金属结晶4/4/20231第1页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/20232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2页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202331-3 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

2、向向上上尺尺寸寸较较大大的的缺缺陷陷。如如晶晶界界、相相界界、表表面等。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陷。如沉淀相、空洞等。缺陷。如沉淀相、空洞等。返返 回回第3页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/20234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4页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202353.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

3、物理意义 柏氏矢量的特性柏氏矢量的特性 混合位错混合位错返返 回回第5页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/20236 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状也会变化，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点的切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量时，这种位错叫氏矢量时，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，所以实际晶由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际晶由于位错是已滑移区和未滑移区的边界

4、，所以实际晶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（露体中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露体中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露体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。头），在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。头），在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。头），在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。第6页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/20237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

5、，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：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

6、-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7页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/20238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）n n X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

7、位错内位错内位错内位错第8页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202394.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。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的：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积的：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积的：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积的位错数目。位错数目。位错数目。位错数目。位错密度，位错密度，mm-2；V V 晶体的体积；晶体的体积；晶体的体积；晶体的体积；L 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，一般充分退火的多晶体金属

8、中，一般充分退火的多晶体金属中，1010101212mm-2-2 经剧烈冷塑性变形金属中，经剧烈冷塑性变形金属中，10101515101616m-2-2，即在，即在，即在，即在1 13 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9页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202310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1-58所所所所示。示。示。示。

9、若金属晶体不含位错，将接近理论强度若金属晶体不含位错，将接近理论强度若金属晶体不含位错，将接近理论强度若金属晶体不含位错，将接近理论强度T=G/2T=G/2。如直径为如直径为1.61.6mm的铁晶须的铁晶须（位错密度极低），其（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，退火纯铁的的 1010101010101111mm-2-2，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

10、理强化后1015101016mm-2-2，b b=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、热合金化、冷变形、热合金化、冷变形、热合金化、冷变形、热处理的合金强度处理的合金强度处理的合金强度处理的合金强度返返 回回第10页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202311三、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

11、外表表表表面面面面（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学和物理化学性能具有重要影响。力学和物理化学性能具有重要影响。力学和物理化学性能具有重要影响。力学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.晶界晶界晶界晶界 3.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.相界相界 6.晶界特性晶界特性返返 回

12、回第11页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023121.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。在内。在内部，每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、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面的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位置，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，出现额外的自由能，引起晶格畸变，使表面能量升高，出现额外的自由能，即即表面能表面能表面能表面能。与表面张力同量纲

13、、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。单位为。单位为。单位为。单位为J J 或或或或N/mN/m。第12页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202313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。此，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，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，

14、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子外部介质的分子或原子对晶体界面原子外部介质的分子或原子对晶体界面原子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越大，的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，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。则表面能越大。则表面能越大。则表面能越大。晶体的性质晶体的性质晶体的性质晶体的性质 晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能晶体本身的结合能高，熔点高

15、，则表面能晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能大。大。大。大。返返 回回第13页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023142.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。向不同，位向差小到几十分大到几十度。两个空间位向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是由一系列位错排列而成

16、。如刃型对称倾是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾侧晶界（图侧晶界（图1-591-59），螺型扭转晶界（图），螺型扭转晶界（图1-60）。）。第14页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202315 大角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10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，可以认规则性较差，晶格畸变很大，可以认规则性较差，晶格畸变很大，可以认规则性较差，晶格畸变很大，可以

17、认为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向过渡的折中位置（图过渡的折中位置（图过渡的折中位置（图过渡的折中位置（图1-61）。）。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：晶界上的原子正好处于两晶粒的晶界上的原子正好处于两晶粒的共同结点上（图共同结点上（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15页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202316图图图图1-59 1-59 对称

18、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16页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202317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17页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023183.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小的差别，由许多位向差小的差别，由许多位向差很小的小区域（亚晶粒）很小的小区

19、域（亚晶粒）组成，位向差仅几分，最组成，位向差仅几分，最多多1-21-2，如图，如图，如图，如图1-631-63所示。所示。所示。所示。亚晶粒之间的边界叫亚晶粒之间的边界叫亚晶亚晶亚晶亚晶界。界。界。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18页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023194.堆垛层错堆垛层错 概念：概念：实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成实际晶体中，晶

20、面堆垛次序发生局部差错而形成的晶体缺陷，称为的晶体缺陷，称为的晶体缺陷，称为的晶体缺陷，称为堆垛层错堆垛层错，简称为，简称为层错层错。形式：形式：fccfcc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 层错：层错：ABC AB ABCABC 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：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

21、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19页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023205.相界相界合金的组织往往由多个相组成合金的组织往往由多个相组成合金的组织往往由多个相组成合金的组织往往由多个相组成。不同的相具有不同的晶体不同的相具有不同的晶体结构和化学成分。结构和化学成分。具有不同晶体结构的两相具有不同晶体结构的两相之间的分界叫之间的分界叫相界相界。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、半共格界面半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非共格界面非共格界面 。

22、如图如图如图如图1-641-64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20页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023216.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，晶格晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶格晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶格晶界、亚晶界或其它界面上的原子

23、排列很不规则，晶格畸变很大，位错密度高，具有一定的畸变很大，位错密度高，具有一定的畸变很大，位错密度高，具有一定的畸变很大，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能晶界能。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许多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。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

24、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21页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202322 由由由由于于于于界界界界面面面面能能能能的的的的存存存存在在在在，当当当当晶晶晶晶体体体体中中中中存存存存在在在在能能能能降降降降低低低低界界界界面面面面能能能能的的的的异异异异类类类类原原原原子子子子时时时时，这这这这些些些些原原原原子子子子将将将将向向向向晶晶晶晶界界界界偏偏偏偏聚聚聚聚，这这这这种种种种现现现现象象象象叫叫叫叫内内吸吸附附。晶晶界界上上原原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

25、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，晶晶晶晶界界界界对对对对位位位位错错错错运运运运动动动动起起起起阻阻阻阻碍碍碍碍作作作作用用用用，故故金金属属材材料料的的晶晶粒粒越越细细，则则单单位位体体积积晶晶界界面面积积越越多多，其其强强度度，硬硬度越高度越高晶界强化晶界强化。第22页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202323 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、氧化晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化晶界熔点

26、比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化。晶晶界界能能量量高高，不不稳稳定定，有有自自发发向向低低能能状状态态转转变变的的趋趋势势，导导致致晶晶界界的的移移动动晶晶粒粒长长大大。晶晶界界平平直直化化，以以减减小小晶晶界界的的总总面面积积和和总总界界面面能能。能能量量越越高高的的大大角角度度晶晶界界迁迁移移越越快快。由由于于晶晶界界迁迁移移靠靠原原子子扩扩散散，故故只只有有在在较较高高温温度下才能进行。度下才能进行。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23页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202324本章作业本章作

27、业课本课本P31-32第一次作业：第一次作业：1-1、1-2、1-3第二第二 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24页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202325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凝固凝固。若凝固后的。若凝固后的。若凝固后的。若凝固后的物质为晶体，则称之为物质为晶体，则称之为物质为晶体，则称之为物质为晶体，则称之为结晶结晶。金属及其合金都是晶体，所。金属及其合金都是晶体，所。金属及其合金都是晶体，所。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就

28、是以它们的凝固过程就是以它们的凝固过程就是以它们的凝固过程就是结晶结晶结晶结晶。凝固过程影响后续工艺性能、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，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25页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202326金属冶炼金属冶炼第26页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202327第27页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023282-1 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

29、-3 晶核的形成晶核的形成2-4 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28页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023292-1 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却曲线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：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29页，讲稿共44张，创作于星期二4

30、/4/2023301.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时时并不结晶，而是降到低于并不结晶，而是降到低于T Tmm 的温的温的温的温度度度度T Tn才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。金属的实际结晶金属的实际结晶金属的实际结晶金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现温度总是低于其理论结晶温度的现温度总是低于其理论结晶温度的现温度总是低于其理论结晶温度的现象称为象称为象称为象称为过冷过冷。金属材料理论结晶温度与实际结金属材料理论结晶温度与实际结晶温度之差称为晶温度之差称为过冷度过冷度过

31、冷度过冷度，用，用T T表表示，则示，则T=TmmTn，如图，如图2-1所所所所示。示。示。示。图图图图2-1 2-1 纯金属结晶冷却纯金属结晶冷却纯金属结晶冷却纯金属结晶冷却曲线曲线曲线曲线TmTn第30页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202331结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔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，只有当液体的过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立界面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行。所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。

32、第31页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202332过冷度的大小与金属的本性、纯过冷度的大小与金属的本性、纯度及冷却速度有关。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；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，冷却速度越冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度快，实际结晶温度越低，过冷度越大；冷却越慢，过冷度越小，越大；冷却越慢，过冷度越小，但但但但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2-2所示。所示

33、。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时的冷却曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线 第32页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202333液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于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。理论结晶温度时结晶。这时的过冷度接近于零。金这时的过冷度接近于零。金这时的过冷度接近于零。金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，所以实属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实际金

34、属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不超过常不超过常不超过常不超过10103030。注意：注意：注意：注意：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在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。一定的过冷度下进行。返返 回回第33页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023342.结晶潜热结晶潜热 相变潜热相变潜热：1 1摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴摩尔物质从一个相转变为

35、另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为随着放出或吸收的热量称为随着放出或吸收的热量称为随着放出或吸收的热量称为相变潜热相变潜热。熔化潜热：熔化潜热：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热量称为热量称为熔熔化潜热化潜热。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称为热量称为热量称为热量称为结晶潜热结晶潜热。第34页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202335冷却曲线（图冷却曲线

36、（图2-32-3）上出）上出现水平台阶，说明现水平台阶，说明纯金属纯金属纯金属纯金属结晶是在恒温下进行结晶是在恒温下进行结晶是在恒温下进行结晶是在恒温下进行。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，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失在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散失在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散失在结晶过程中，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

37、生已结晶的局部区域的重的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现象。熔现象。熔现象。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35页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202336二、金属结晶的微观过程二、金属结晶的微观过程1.结晶的基本过程：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.描述结晶进程的两个参数描述结晶进程的两个参数描述结晶进

38、程的两个参数描述结晶进程的两个参数形核率：形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用用N 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晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用向上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36页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202337 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

39、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37页，讲稿共44张，创作于星期二4/

40、4/202338一、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

41、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38页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202339关于关于关于关于G G-T曲线：曲线：是下降上凸曲线，随着温度的降是下降上凸曲线，随着温度的降是下降上凸曲线，随着温度的降是下降上凸曲线，随着温度的降低，

42、自由能降低。低，自由能降低。低，自由能降低。低，自由能降低。液相曲线斜率大于固相，表明液相曲线斜率大于固相，表明随着温度的降低，液相自由能随着温度的降低，液相自由能降低的更快些。降低的更快些。液、固相冷却曲线交点对应的温液、固相冷却曲线交点对应的温液、固相冷却曲线交点对应的温液、固相冷却曲线交点对应的温度为两相共存温度，即度为两相共存温度，即度为两相共存温度，即度为两相共存温度，即理论结晶理论结晶温度温度Tm。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Tmm，两相自由能差，两相自由能差，两相自由能差，两相自由能差Gv为金属结晶为金属

43、结晶为金属结晶为金属结晶的的的的驱动力驱动力驱动力驱动力。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）第39页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202340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

44、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）。G Gv v的绝对值为凝固过程的驱动的绝对值为凝固过程的驱动的绝对值为凝固过程的驱动的绝对值为凝固过程的驱动力。力。力。力。T 越大越大越大越大,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40页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023

45、41二、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，而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，晶胚又是什么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？这些问题都涉呢？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，了解液态及到液态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对于深入理解结晶时的形核和金属的结构，对于深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。长大过程十分重要。第41页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202342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

46、与固态相似，而与气态金属相差太远。气态金属相差太远。液态金属结构的液态金属结构的X射线研究结果表明：液态金属的近射线研究结果表明：液态金属的近邻原子之间具有某种与晶体结构类似的规律性，即在邻原子之间具有某种与晶体结构类似的规律性，即在液态中微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子液态中微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子集团，称为集团，称为近程有序近程有序。但在大范围内原子是无序分布。但在大范围内原子是无序分布的，而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排列的，的，而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排列的，称之为称之为远程有序远程有序远程有序远程有序。液态金属中液态金属中液态金属中液态金属中近程

47、有序近程有序近程有序近程有序排列的原子集团时起时伏大小不等排列的原子集团时起时伏大小不等的的，这种现象称，这种现象称结构起伏结构起伏或或相起伏相起伏。相起伏处于不断地。相起伏处于不断地。相起伏处于不断地。相起伏处于不断地变化中。变化中。变化中。变化中。第42页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/202343相起伏的尺寸大小不等，最大相起伏的尺寸大小不等，最大相起伏的尺寸大小不等，最大相起伏的尺寸大小不等，最大或最小的尺寸数目都较少，而或最小的尺寸数目都较少，而或最小的尺寸数目都较少，而或最小的尺寸数目都较少，而中间尺寸的数目多，呈正态分中间尺寸的数目多，呈正态分中间尺寸的数目多，呈正态分中间尺寸的数目多，呈正态分布（图布（图布（图布（图2-5）。）。最大相起伏尺寸（最大相起伏尺寸（最大相起伏尺寸（最大相起伏尺寸（rmax）与温度）与温度）与温度）与温度有关，温度越低，有关，温度越低，有关，温度越低，有关，温度越低，r rmaxmax越大，越大，越大，越大，越稳定。在过冷液相中，越稳定。在过冷液相中，越稳定。在过冷液相中，越稳定。在过冷液相中，rmax尺寸可达几百个原子范围（图尺寸可达几百个原子范围（图尺寸可达几百个原子范围（图尺寸可达几百个原子范围（图2-6）。）。2-62-5第43页，讲稿共44张，创作于星期二4/4/2023感谢大家观看第44页，讲稿共44张，创作于星期二