工程材料学 第1章.ppt

1、南京航空航天大学Nanjing University of Aeronautics and Astronautics晶体：晶体：材料的原子（离子、材料的原子（离子、 分子）在三维空间呈规则，分子）在三维空间呈规则， 周期性排列。周期性排列。非晶体：非晶体：材料的原子（离子、材料的原子（离子、 分子）无规则堆积，和液分子）无规则堆积，和液 体相似，亦称为体相似，亦称为“过冷液体过冷液体” 或或“无定形体无定形体”(amorphous)。区别区别(a) 是否具有周期性、是否具有周期性、 对称性对称性(b) 是否长程有序是否长程有序(c) 是否有确定的熔点是否有确定的熔点(d) 是否各向异性是否各向

2、异性(1) 晶体与非晶体晶体与非晶体(1)基本概念基本概念结点结点(2)晶胞的几何特征描述晶胞的几何特征描述纯铁的冷却曲线及晶体结构变化纯铁的冷却曲线及晶体结构变化( (体心立方体心立方) )( (体心立方体心立方) )( (面心立方面心立方) )(1)基本概念基本概念晶胞的体积积晶胞中原子所占有的体致密度(2)体心立方晶格体心立方晶格%6868. 0433423423333aaar致密度晶胞原子数：晶胞原子数：28811ar43原子半径：原子半径：配位数：配位数：8(a)模型模型 (b)晶胞晶胞(d)配位数配位数(c)晶胞原子数晶胞原子数 (3)面心立方晶格面心立方晶格(a)模型模型 (b)

3、晶胞晶胞配位数配位数:12 (d)配位数配位数晶胞原子数：晶胞原子数：(c)晶胞原子数晶胞原子数 4621881原子半径：原子半径：ar42%7474. 0423443443333aaar致密度(4)密排六方晶格密排六方晶格晶胞原子数：晶胞原子数：(a)模型模型 (b)晶胞晶胞(c)晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数:12(d)配位数配位数632211261原子半径：原子半径：ar21%7474. 0633. 143621346436346333aacaar致密度(1)基本概念基本概念(2)立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法010O1(010)截距截距111 ?取倒数取倒数111 加

4、圆括号加圆括号(111) 截距截距 取倒数取倒数化整数化整数102 加圆括号加圆括号(102) 32?31111,111.111,111,111,111,111,111,111,111(3)立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法ZYXA010O010AZYXZYXB111C011 ?过原点引直线过原点引直线,平行于所求晶向平行于所求晶向对应结点对应结点3个个坐标值坐标值加方括号加方括号011*指数看特征指数看特征 *正负看走向正负看走向OO011 110(4) 晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度(1)点缺陷点缺陷(2)线缺陷线缺陷因局部区域切变而产生的螺型位错因局部区域切变而产生的

5、螺型位错 螺型位错的结构螺型位错的结构(3)面缺陷面缺陷晶界示意图晶界示意图激光烧结铜合金晶粒激光烧结铜合金晶粒/ /亚晶粒亚晶粒图片出自：图片出自：D. D. Gu, et al. Powder Metallurgy, 2006, 49(3): 258-264. (1) 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程晶核晶核枝晶枝晶晶核的形成晶核的形成 1）自发形核自发形核 从液态内部由金属本身原子自从液态内部由金属本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。结晶核心叫做自发晶核。 2）非自发形核非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过依附于

6、杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。发晶核。晶体的长大晶体的长大枝晶长大方式示意图枝晶长大方式示意图散热散热散热散热(2) 结晶温度结晶温度纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线 恒温、恒压条件下，单位体积的恒温、恒压条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为：液体与固体的自由能之差为： 式中，负号表示由液态转变为固式中，负号表示由液态转变为固态自由能降低；态自由能降低；Lm为熔化潜热。为熔化潜热。 体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能。功或向外释放的能

7、量叫自由能。自然界的自发过程自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能进行的热力学条件都是自由能0。【结论结论】结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度【可见可见】过冷度越大，结晶驱动力就越大；过冷度为过冷度越大，结晶驱动力就越大；过冷度为0，Gv也也为为0，没有驱动力，结晶不能进行。过冷度用来克服界面能。，没有驱动力，结晶不能进行。过冷度用来克服界面能。mmVTTLG激光烧结铜合金的枝晶组织激光烧结铜合金的枝晶组织图片出自：图片出自：D. D. Gu, et al. Journal of Alloys and Compounds, 2007, 438: 1

8、84189.激光烧结不锈钢的激光烧结不锈钢的枝晶组织多样性枝晶组织多样性图片出自：潘琰峰图片出自：潘琰峰. 南京航空航天南京航空航天大学硕士学位论文大学硕士学位论文, 2005. 晶粒细化晶粒细化: : 粒的大小取决于粒的大小取决于晶核的形成速度晶核的形成速度和和长大速度长大速度。l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率形核率(N)。l单位时间内晶核生长的长度叫单位时间内晶核生长的长度叫长大速度长大速度(G)。l N/G比值越大，晶粒越细小。比值越大，晶粒越细小。 提高过冷度提高过冷度过冷度过冷度 T，N（形核速率），（形核速率），G（长大速率），（长大

9、速率），N/G增大，增大，晶粒越细小。晶粒越细小。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响Fe基形状记忆合金显微组织基形状记忆合金显微组织图片出自：王河廷图片出自：王河廷. 南京航空航天南京航空航天大学硕士学位论文大学硕士学位论文, 2007. 变质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。核的核心，以细化晶粒和改善组织。 振动，搅拌等振动，搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成

10、长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。 4 m不同不同La2O3含量下激光烧结试样含量下激光烧结试样腐蚀后的显微组织腐蚀后的显微组织 图片出自：图片出自：D. D. Gu, et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 095308(1)铸锭三区铸锭三区表层细晶区表层细晶区（强过冷（强过冷, ,非均匀形核）非均匀形核）柱状晶区柱状晶区（纯金属纯金属: :过冷度减小过冷度减小, ,形核困难形核困难, ,沿散热方向生长沿散热方向生长; ; 合金合金: :成分过冷成分过冷, ,一次轴发达一次轴发达, ,沿散热方向生长。沿散热方向生

11、长。）中心等轴晶区中心等轴晶区（均匀散热、液相区均匀散热、液相区 成分过冷、熔体对流成分过冷、熔体对流 导致细晶漂移或枝晶导致细晶漂移或枝晶 破碎。破碎。） 123(2) 组织控制组织控制 受浇铸温度、冷却速度、受浇铸温度、冷却速度、 化学成分、变质处理、化学成分、变质处理、 机械振动与搅拌等因素影响。机械振动与搅拌等因素影响。 (3) 铸锭缺陷铸锭缺陷宏观偏析宏观偏析: :整个铸锭范围内的成分不均匀现象。整个铸锭范围内的成分不均匀现象。 微观偏析微观偏析 夹杂与气孔夹杂与气孔 夹杂：外来夹杂和内生夹杂。夹杂：外来夹杂和内生夹杂。 气孔：析出型和反应型。气孔：析出型和反应型。缩孔和疏松缩孔和疏松 形成：形成：凝固时体积缩小补缩不足形成缩孔。凝固时体积缩小补缩不足形成缩孔。 分类：分类：集中缩孔集中缩孔（缩孔、缩管）和（缩孔、缩管）和分散缩孔分散缩孔（疏松，枝晶骨架相遇，封闭液体，造成补缩困难（疏松，枝晶骨架相遇，封闭液体，造成补缩困难形成。）形成。）