工程材料第1章-金属的晶体结构和结晶课件.ppt

1、第一章第一章 金属的结构与结晶金属的结构与结晶1-1 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体一、晶体1.晶晶 体体：是指其中的原子是指其中的原子(或离子或离子)呈规则的周期呈规则的周期性排列的物质。性排列的物质。反之为非晶体。反之为非晶体。在不同的方向上测量在不同的方向上测量非晶体非晶体性能时，其性能时，其值不因方向而异的现象值不因方向而异的现象在不同的方向上测量在不同的方向上测量晶体晶体性能时，其值性能时，其值因方向而异的现象因方向而异的现象非晶体非晶体：各向异性：各向异性：各向同性：各向同性：晶格晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子叫表示晶体中原子排列形式的空间格子叫晶格晶格。晶胞的取法很

2、多，一般取平行六面体。晶胞的取法很多，一般取平行六面体。晶胞晶胞：就是就是(这种这种)组成晶格的最基本的几何单元。组成晶格的最基本的几何单元。2.晶体与非晶体的区别晶体与非晶体的区别：晶晶 体体原子排列原子排列有规则有规则，呈周期性呈周期性，有一有一定熔点，各向异性定熔点，各向异性 非晶体非晶体原子排列原子排列无规则无规则，不呈周期性不呈周期性，无一无一定熔点定熔点，各向同性各向同性晶体中原子排列的方式称为晶体中原子排列的方式称为 。结构不同，其性能也不同结构不同，其性能也不同。3.晶体结构的描述晶体结构的描述晶体结构晶体结构晶格常数晶格常数(点阵参数点阵参数)：晶胞各边尺寸晶胞各边尺寸a、b

3、、c。（如右图）单位（如右图）单位 (10-10m)0Aabc晶胞各边之间的夹角以晶胞各边之间的夹角以、表示。表示。刚球模型 晶 格 晶 胞(hard sphere model)(lattice)(unite cell)二、金属键与金属的特性二、金属键与金属的特性1 金属键金属键：固态金属所具有的特性，就是由金属键的本固态金属所具有的特性，就是由金属键的本质产生的。如在固态金属中具有的特性如下：质产生的。如在固态金属中具有的特性如下：有良好的导热性；有良好的导热性；有良好的导电性；有良好的导电性；有良好的延展性；有良好的延展性；正电阻温度系数，等等正电阻温度系数，等等金属键示意图金属键示意图在

4、固态金属中，电子云与正离子间的在固态金属中，电子云与正离子间的引力与正离子及电子间的斥力相平衡引力与正离子及电子间的斥力相平衡而形成的结合方式，叫金属键。而形成的结合方式，叫金属键。由于金属键无方向性及饱和性，使得大部分金由于金属键无方向性及饱和性，使得大部分金属都具有紧密排列的趋向，以致其中属都具有紧密排列的趋向，以致其中绝大多数的金绝大多数的金属晶体都属于三种密排的晶格形式属晶体都属于三种密排的晶格形式。三、金属晶体中常见的三种晶格类型三、金属晶体中常见的三种晶格类型度量晶体中原子排列的紧密程度的方法度量晶体中原子排列的紧密程度的方法：常用的有配位数、致密度。常用的有配位数、致密度。A：配

5、位数：配位数：晶格中任一原子周围所紧邻的最近且晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距的原子数。等距的原子数。（定性的）（定性的）B：致密度：致密度：VnvK晶胞体积胞内原子体积（定量的）（定量的）立方体立方体：即正方体即正方体 a=b=ca；=90o。（一）（一）体心立方晶格体心立方晶格【bcc】(body-centered cubic)八个原子占据立方体八个角，在立方体八个原子占据立方体八个角，在立方体的体积中心还有一个原子。（如下图）的体积中心还有一个原子。（如下图）1晶胞内原子数晶胞内原子数：1/88+1=22原子半径原子半径：a43r3配位数配位数：8 4致密度致密度：动态演示动态演示体

6、心立方晶胞体心立方晶胞%6868.0433423423333aaarVnvK（二）面心立方晶格（二）面心立方晶格【fcc】(face-centered cubic)八个原子占据立方体八个角，在立八个原子占据立方体八个角，在立方体各面中心还有一个。（如下图）方体各面中心还有一个。（如下图）1晶胞内原子数晶胞内原子数：1/88+1/26=42原子半径原子半径：a3配位数配位数：12 4致密度致密度：动态演示动态演示42r面心立方晶胞面心立方晶胞%7474.0423443443333aaarVnvK（三）密排六方晶格（三）密排六方晶格【cph】(hexagonal closed-packed)以以1

7、2个原子为顶点构成简单六方柱体个原子为顶点构成简单六方柱体，在柱体在柱体上下两个底面中心还各有一个原子，另在两个底面之上下两个底面中心还各有一个原子，另在两个底面之间还有间还有3个原子（如下图）。个原子（如下图）。理论计算表明：理论计算表明：c/a=1.633 1晶胞内原子数晶胞内原子数：1/612+1/22+3=62原子半径原子半径：a/23配位数配位数：12 4致密度致密度：当：当 c/a=1.633时，时，K0.74=74%动态演示动态演示密排六方晶胞密排六方晶胞三种典型金属晶格所对应的常见金属的例子如下：三种典型金属晶格所对应的常见金属的例子如下：晶晶格格类类型型 常常见见金金属属例例

8、子子 体体心心立立方方-Fe、Cr、W、Mo、V 等等约约 30 多多种种 面面心心立立方方 Cu、Au、Ag、Al、-Fe 约约 20 种种 密密排排六六方方 Mg、Zn、-Ti 由上表可以看出，由上表可以看出，Mg、Zn等最难以变形的具等最难以变形的具有密排六方晶格；有密排六方晶格；-Fe、Cr等也是比较等也是比较“硬硬”的的具有体心立方晶格；具有体心立方晶格；Cu、Au、Ag等很等很“软软”，容，容易变的形而具有面心立方晶格。这也从一个角度说易变的形而具有面心立方晶格。这也从一个角度说明，明，晶体的晶格类型对晶体的性能的影响是非常大晶体的晶格类型对晶体的性能的影响是非常大的。的。四、晶面

9、和晶向四、晶面和晶向晶格中原子中心所构成的平面。晶格中原子中心所构成的平面。晶面、晶向指数晶面、晶向指数：晶向晶向：晶面晶面：晶体中穿过两个以上原子中心的方向（直）线晶体中穿过两个以上原子中心的方向（直）线表示各种晶面和晶向位向的统一标号表示各种晶面和晶向位向的统一标号（一）（一）立方晶体中晶面指数的确定立方晶体中晶面指数的确定及表示方法及表示方法1.确定坐标系：确定坐标系：2.求截距：求截距：3.取倒数：取倒数：确定三要素：原点、坐标轴、单位长度确定三要素：原点、坐标轴、单位长度求出待定晶面在三个轴上的截距求出待定晶面在三个轴上的截距取这些截距的倒数取这些截距的倒数 4.化简：化简：将上述倒

10、数化为最小的整数，并加上园括号将上述倒数化为最小的整数，并加上园括号“()”，即为晶面指数。如（，即为晶面指数。如（110）在立方晶体晶格中在立方晶体晶格中最常用有三个晶面，最常用有三个晶面，如右图所示，分别如右图所示，分别为：为：晶面指数一般可记为晶面指数一般可记为 。如果晶面得到负截距。如果晶面得到负截距则在所得到指数上方冠以负号，如（则在所得到指数上方冠以负号，如（）111(hkl)（110）、）、（111）、）、（100）最常用有三个晶面，最常用有三个晶面，YZXB1/2ACO1/2（二）（二）立方晶体中晶向指数的确定立方晶体中晶向指数的确定及表示方法及表示方法1.确定坐标系：确定坐标

11、系：确定三要素：原点、坐标轴、单位长度确定三要素：原点、坐标轴、单位长度2.引平行线：引平行线：3.求坐标：求坐标：通过坐标原点引一直线平行于所求的晶向通过坐标原点引一直线平行于所求的晶向求出该直线上任一点的坐标求出该直线上任一点的坐标4.化简：化简：按比例化为最小整数，按比例化为最小整数，加一方括号，加一方括号，“”，即为所求晶向指数。即为所求晶向指数。如如112晶向指数一般可记为晶向指数一般可记为 。如果晶向得到负坐标。如果晶向得到负坐标值则在所得到指数上方冠以负号，如值则在所得到指数上方冠以负号，如 111注意注意：一个晶面指数或一个晶面指数或晶向指数是代表晶向指数是代表一组相互平行的一

12、组相互平行的另外另外：在立方晶格中，具有相同指数的晶面与晶向在立方晶格中，具有相同指数的晶面与晶向之间是相互垂直的之间是相互垂直的。在立方晶体晶格中在立方晶体晶格中最常用有三个晶向，最常用有三个晶向，如右图所示，分别为：如右图所示，分别为：、110111、100最常用有三个晶向，最常用有三个晶向，晶面或晶向（在其上原子的排列方式是相同的）晶面或晶向（在其上原子的排列方式是相同的）uvw（三）（三）晶面族晶面族hkl及晶向族及晶向族晶面族晶面族hkl：表示位向不同但其原子排列相同的一组晶面表示位向不同但其原子排列相同的一组晶面晶向族晶向族:表示方向不同但其原子排列相同的一组晶向表示方向不同但其原

13、子排列相同的一组晶向如：表示如：表示(100)、(010)、(001)等一组晶面等一组晶面 表示表示100、010、001等一组晶向等一组晶向在立方晶体的晶格中：在立方晶体的晶格中：最有实用意义晶面为最有实用意义晶面为111、110)、100所包含的晶面所包含的晶面最有实用意义晶向为最有实用意义晶向为、所包含的晶向所包含的晶向（四）晶面及晶向的原子密度四）晶面及晶向的原子密度晶向原子密度该长度上的原子数晶向长度由公式可知：即使在同一晶体晶格中，不同晶面由公式可知：即使在同一晶体晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度也是不同的和晶向上的原子密度也是不同的以体心立方晶格为例：其中三种主要晶面和晶向以体

14、心立方晶格为例：其中三种主要晶面和晶向的原子密度示于表的原子密度示于表1-2中中晶面原子密度该面积上的原子数面积 晶面面积规律规律：原子间彼此相接触的晶面和晶向为最密排的晶面和晶原子间彼此相接触的晶面和晶向为最密排的晶面和晶向。我们也称之为向。我们也称之为“密排面密排面”和和“密排方向密排方向”表格表格1-2 体心立方晶格中三种主要晶面和晶向的原子密度体心立方晶格中三种主要晶面和晶向的原子密度晶晶面面指指数数晶晶面面示示意意图图晶晶面面原原子子密密度度晶晶面面间间距距晶晶向向指指数数晶晶向向原原子子密密度度晶晶向向间间距距100221441aaaa5.02100aa1221aa7.022110

15、224.121441aaaa7.022110aa7.02221aa5.021112258.023361aaaa29.063111aa16.131221aa82.036110类似也可以得出面心立方及密排六方晶格的密排类似也可以得出面心立方及密排六方晶格的密排面和密排方向，归纳结果见下表：面和密排方向，归纳结果见下表：表表格格 1 1-3 3 三三种种典典型型晶晶格格的的密密排排面面和和密密排排方方向向晶晶格格类类型型密密排排面面密密排排方方向向体体心心立立方方1 1面面心心0 0密密排排六六方方底底面面底底面面对对角角线线以后我们将看到，金属晶格的密排面及密排方向以后我们将看到，金属晶格的密排面

16、及密排方向的确定，对我们研究金属的特性是有重要意义的。的确定，对我们研究金属的特性是有重要意义的。五、晶体的各向异性五、晶体的各向异性对于同一个完整的晶体，当我们从不同方向对于同一个完整的晶体，当我们从不同方向上测量某些量时，上测量某些量时，(如弹性模量如弹性模量E、强度极限、强度极限 b、屈服极限屈服极限 s、电阻率、磁导率、线胀系数、耐蚀、电阻率、磁导率、线胀系数、耐蚀性等性等)，将得到不同的数值。如铁，将得到不同的数值。如铁(Fe)111方向方向E=2.80105MNm2100方向方向E=1.30105MNm2这就引出一个新的概念：这就引出一个新的概念：由于晶体中不同晶面和晶向上的由于晶

17、体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，导致了晶体在不原子密度不同，导致了晶体在不同方向上的性能不同的现象。同方向上的性能不同的现象。各向异性是晶体区别于非晶体所特有的一个重要标志各向异性是晶体区别于非晶体所特有的一个重要标志晶体的各向异性晶体的各向异性：1-2 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构一、单晶体与多晶体一、单晶体与多晶体（一）（一）单晶体单晶体：其内部的晶格位向完全一致的一块晶体其内部的晶格位向完全一致的一块晶体晶粒晶粒：（这些）金属中晶格位向一致的颗粒状小晶体（这些）金属中晶格位向一致的颗粒状小晶体称称为晶粒。为晶粒。(尺寸为尺寸为10-110-3mm)晶界晶界：晶粒之间的边界。晶

18、粒之间的边界。（如图）（如图）（二）（二）多晶体多晶体：其内部由多个晶粒组成的晶体结构其内部由多个晶粒组成的晶体结构多晶体多晶体晶粒示晶粒示意图意图多晶体多晶体晶粒显晶粒显微照片微照片多晶体内相邻的两个晶粒之间的原子排列取向一多晶体内相邻的两个晶粒之间的原子排列取向一般存在着大于般存在着大于15的位向差。的位向差。实际上在每个晶粒的内部的不同区域晶格位向也实际上在每个晶粒的内部的不同区域晶格位向也可能存在着小差别（可能存在着小差别（102012）（三）（三）亚晶粒亚晶粒：（这些）在晶格位向上彼此有微小差别（这些）在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为的晶内小区域称为亚晶粒亚晶粒；与之对应的

19、；与之对应的亚晶粒间的界面称为亚晶粒间的界面称为亚晶界亚晶界。二、实际金属晶体的缺陷二、实际金属晶体的缺陷晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中原子排列不规律的地方。在这实际晶体中原子排列不规律的地方。在这里晶格失去了完整性。里晶格失去了完整性。晶体缺陷按几何形状分为晶体缺陷按几何形状分为三类三类：（点、线、面）（点、线、面）（一）（一）点缺陷点缺陷：其几何特征是在其几何特征是在x、y、z三方向上尺寸三方向上尺寸都很小（原子尺寸）。都很小（原子尺寸）。常见的：常见的：空空 位位：在晶格结点的正常位置上没在晶格结点的正常位置上没有原子（因热振动等离去）。有原子（因热振动等离去）。间隙原子间隙原子：在晶格间

20、隙处有多余的原子。在晶格间隙处有多余的原子。空位和间隙原子示意图空位和间隙原子示意图点缺陷的存在使周围晶格点缺陷的存在使周围晶格发生畸变，产生局部内应发生畸变，产生局部内应力，对晶体的性能产生影力，对晶体的性能产生影响。响。其中：间隙原子仅产生正畸变其中：间隙原子仅产生正畸变（原子受压应力）；而空位只（原子受压应力）；而空位只产生负畸变（原子受拉应力）。产生负畸变（原子受拉应力）。空空 位位间隙原子间隙原子（二）（二）线缺陷线缺陷位错（线）位错（线）：其几何特征是在两个方向上尺寸很小，另一方向上其几何特征是在两个方向上尺寸很小，另一方向上尺寸很大（像一条线）也称一维缺陷。尺寸很大（像一条线）也

21、称一维缺陷。位错（位错线）：在晶格中，有规律错排的原子列位错（位错线）：在晶格中，有规律错排的原子列。最基本位错之一是最基本位错之一是刃型位错（如图刃型位错（如图1-10），），以符号以符号“”形象地表示。形象地表示。位错还有其它类型位错还有其它类型的。的。图图1-10 刃型位错刃型位错位错密度位错密度：单位晶体中位单位晶体中位错线的总长度。错线的总长度。位错线可以借助位错线可以借助于电镜观察到，呈一于电镜观察到，呈一黑线（如图黑线（如图1-11）。）。（三）（三）面缺陷面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界：其几何特征是在一个方向上尺寸很小，在另两个方其几何特征是在一个方向上尺寸很小，在另两个方向上

22、尺寸很大。向上尺寸很大。由于位错存在，将产生畸变（管状畸变），位错由于位错存在，将产生畸变（管状畸变），位错在金属中的密度通常为在金属中的密度通常为 的存在的存在 放映录像放映录像 1041012 cm/cm3，位错，位错对金属的机械性能有很大的影响对金属的机械性能有很大的影响。这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图1-12a）。）。而而亚晶界亚晶界这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小晶格位向差形成的面缺陷（如图晶格位向差形成的面缺陷（如图1

23、-12b）。可以把）。可以把它看作是一种位错的堆积或称它看作是一种位错的堆积或称“位错墙位错墙”。（a）（b）晶界晶界图图112 晶界（晶界（a）及亚晶界（及亚晶界（b）示意图示意图图图112 晶界（晶界（a）及）及亚晶界（亚晶界（b）示意图）示意图三、晶体缺陷对金属性能的影响三、晶体缺陷对金属性能的影响（一）产生伪各向同性：（一）产生伪各向同性：由于金属是由很多晶粒组成，每个晶粒虽然有由于金属是由很多晶粒组成，每个晶粒虽然有各向异性，但不同位向的各晶粒的综合作用结果，各向异性，但不同位向的各晶粒的综合作用结果，使实际金属的各方向上性能一样，好象是各向同性使实际金属的各方向上性能一样，好象是各

24、向同性的，所以称为伪各向同性。的，所以称为伪各向同性。原因：原因：晶粒平均直径晶粒平均直径=10-110-3mm，1cm3有晶粒有晶粒数数106（个）。（个）。所以：所以：各晶粒间采长补短、使性能各向同性，掩盖各晶粒间采长补短、使性能各向同性，掩盖了各向异性。了各向异性。由于在金属晶体中存在着上述的晶体缺陷，破坏了晶格由于在金属晶体中存在着上述的晶体缺陷，破坏了晶格原子排列的规律性和完整性，并导致晶格的局部畸变，从而原子排列的规律性和完整性，并导致晶格的局部畸变，从而对金属的性能、特别是机械性能产生很大的影响。对金属的性能、特别是机械性能产生很大的影响。（二）对机械性能的影响：（二）对机械性能

25、的影响：缺陷缺陷晶格发生畸变晶格发生畸变畸变能畸变能 提高提高强度（点线缺陷降低韧性）。强度（点线缺陷降低韧性）。晶界晶界细化晶粒细化晶粒 晶界面积晶界面积 面缺面缺陷陷 强度并强度并韧性（综合机械性能韧性（综合机械性能）当然缺陷也影响理、化性能当然缺陷也影响理、化性能 等等等等耐蚀性耐蚀性电电 阻阻通常情况下，位错密度越高，金属的强度越大。通常情况下，位错密度越高，金属的强度越大。通过后面的学习我们会知道，通过剧烈的冷变形可通过后面的学习我们会知道，通过剧烈的冷变形可使晶体的位错密度达到很高（使晶体的位错密度达到很高（1012cm/cm3）。）。提 高 位提 高 位错密度是目前提高金属强度的

26、常用手段之一。错密度是目前提高金属强度的常用手段之一。通过细化晶粒提高金属材料强度和韧性的的方通过细化晶粒提高金属材料强度和韧性的的方法称为法称为“细晶强化细晶强化”1-3 金属的结晶金属的结晶一、结晶的基本概念一、结晶的基本概念（一）凝固与结晶：（一）凝固与结晶：凝固凝固 LS 的过程的过程 （由液态转变为固态的过程）（由液态转变为固态的过程）结晶结晶 LS晶晶的过程的过程 （由液态转变为固态晶体（由液态转变为固态晶体 的过程）的过程）（二）（二）理论结晶温度理论结晶温度：凡是纯元素（金属凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度下，液体与晶体永

27、远共存，这个温度点，在这温度下，液体与晶体永远共存，这个温度就称为度就称为 。符号。符号 。理论结晶温度理论结晶温度 T0理论上，上述温度理论上，上述温度 就是液态和晶态的分界线：就是液态和晶态的分界线：当当TT0时时SL （由固态转变为液态）（由固态转变为液态）当当TT0时时LS （由液态转变为固态）（由液态转变为固态）当当TT0时时LS （液态、固态平衡共存）（液态、固态平衡共存）（三）自由能：（三）自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（对外作功的这部分能量（F）称为）称为自由能自由能。G=H-TSdG=Vdp-SdT

28、 dp=0(结晶在等压条件下进行）结晶在等压条件下进行）dG=-SdTdG=-SdTT0FSTTTnT0FLFFL FS温度温度T自自由由能能F如右图，液体、晶体的原如右图，液体、晶体的原子结构不同，所以，其自由能子结构不同，所以，其自由能F随温度随温度T的变化也不同。的变化也不同。T F；但但FLFS，交点交点T0当当TnT0时时 F=FL-FS L S晶晶当当TnT0时时 F=FS-FL S晶晶L当当TnT0时时 F=0 S晶晶L可见，可见，自由能差自由能差F是靠是靠T=T0Tn来获得的，来获得的，所以，所以，T是结晶过程中的一个重要参数。是结晶过程中的一个重要参数。无驱动力，如平面上无驱

29、动力，如平面上的球、等温的两物体的球、等温的两物体说明：说明：金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶总是要低于理论结晶温度温度T0。（四）过冷度：（四）过冷度：实际结晶温度（实际结晶温度（Tn）与平衡结晶温度（）与平衡结晶温度（T0）之差：）之差：T=T0-Tn过冷度过冷度T越大则越大则F越大、则结晶驱动越大、则结晶驱动越大，结晶倾向也越大。越大，结晶倾向也越大。一般情况下，一般情况下，结晶潜热：结晶潜热：在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能量将以热的形式向外界释放，生的剩余能量将以热的形式向外界释放，我们称之为我们称之为“结晶

30、潜热结晶潜热”。过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度T保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度利用上述现象，我们可

31、以进行晶体实际结晶温度的测量，这种测量方法称为的测量，这种测量方法称为“”。此法是将。此法是将被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，冷速越慢，过冷度却，冷速越慢，过冷度T就越小，测得的实际结晶就越小，测得的实际结晶温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图所示的下图所示的“冷却曲线冷却曲线”。热分析法热分析法TTT0 Tn纯金属结晶冷却曲线示意图纯金属结晶冷却曲线示意图（五）（五）冷却曲线冷却

32、曲线：物体在液态冷却结晶过程中所物体在液态冷却结晶过程中所作出的作出的-T曲线。（如右图）曲线。（如右图）冷却曲线中出现的水平台阶的冷却曲线中出现的水平台阶的温度就是温度就是实际结晶温度实际结晶温度。二、金属结晶的基本过程二、金属结晶的基本过程基本过程基本过程：晶核的形成与晶核：晶核的形成与晶核的长大。的长大。(如左图所示如左图所示)（一）晶核的形成（一）晶核的形成金属结晶时金属结晶时1.均匀形核或自发形核：均匀形核或自发形核：形核时由该金属本身在液形核时由该金属本身在液体中直接产生晶核。体中直接产生晶核。形核方式有两种：形核方式有两种：液体金属中原子热运动强烈，因此原子排列是混乱的。但在接近

33、液体金属中原子热运动强烈，因此原子排列是混乱的。但在接近结晶温度时，液体金属中也会出现一些小范围规则排列的原子集团。结晶温度时，液体金属中也会出现一些小范围规则排列的原子集团。当这种原子集团的半径大于某一个临界值当这种原子集团的半径大于某一个临界值rc时，它们继续长大会造成系时，它们继续长大会造成系统自由能的降低，因而能自发的长大，这些原子集团就会成为结晶核统自由能的降低，因而能自发的长大，这些原子集团就会成为结晶核心。心。rc称为晶核的称为晶核的临界半径临界半径，它随过冷度的增大而减小。在过冷度较大，它随过冷度的增大而减小。在过冷度较大时，原来不能成为结晶核心的小原子团也可能成为结晶核心。时

34、，原来不能成为结晶核心的小原子团也可能成为结晶核心。2.不均匀形核或非自发形核：不均匀形核或非自发形核：形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。晶核：晶核：就是能真正成长为晶体的原子集团。就是能真正成长为晶体的原子集团。（二）晶核的长大（二）晶核的长大晶核的长大方式晶核的长大方式：金属的长大形式通常是金属的长大形式通常是枝晶长大枝晶长大（如图）（如图）三、金属铸锭及金属铸件三、金属铸锭及金属铸件在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成固

35、态的，可分别得到固态的，可分别得到金属铸锭金属铸锭（具有一定形状的金属块，通（具有一定形状的金属块，通常需经一定的塑性加工变形后再使用）或常需经一定的塑性加工变形后再使用）或铸件铸件（具有特定产（具有特定产品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而直接使用）。这个过程可称为直接使用）。这个过程可称为铸造铸造。对于金属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶对于金属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区粒区和中心等轴晶粒区 。（一）（一）表面细晶粒区表面细晶粒区模壁模壁T冷却速度冷却速度+人工晶核（模壁）人工晶核（模壁）晶粒等轴

36、、细小、均匀。晶粒等轴、细小、均匀。三个部分组成三个部分组成（二）柱状晶区（二）柱状晶区随 时 间 推 移随 时 间 推 移 模型模型T冷却速度冷却速度T形核率下形核率下降降向模壁定向散热向模壁定向散热 晶粒定向长大晶粒定向长大 柱柱状状晶晶（三）中心等轴晶区（三）中心等轴晶区随 时 间 进 一 步 推 移随 时 间 进 一 步 推 移 散 热 能 力散 热 能 力 散热方向性散热方向性均匀冷却且冷却速度均匀冷却且冷却速度又：杂质聚集，枝晶折断又：杂质聚集，枝晶折断 晶核晶核 各向均长大各向均长大粗等轴晶粗等轴晶金属铸锭示意图金属铸锭示意图实际金属铸锭实际金属铸锭（四）铸造缺陷（四）铸造缺陷

37、如前述的三层晶区如前述的三层晶区 凝固条件不同，三区可相对增减凝固条件不同，三区可相对增减 体积收缩造成，在最后凝固体积收缩造成，在最后凝固处，因得不到钢液的补充而形成；处，因得不到钢液的补充而形成；在缩孔、疏松周围还常在缩孔、疏松周围还常有积聚各种低熔点杂质的区域有积聚各种低熔点杂质的区域（最后凝固所至）（最后凝固所至）气泡、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析气泡、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析（化学成分不均）等等。（化学成分不均）等等。组织不均匀组织不均匀缩孔缩孔在缩孔周围形成的微小分散在缩孔周围形成的微小分散孔隙孔隙疏松疏松区域偏析区域偏析四、结晶过程中晶粒的大小及其影响因素四、结晶过程中晶粒的大小

38、及其影响因素在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个参数来控制的：参数来控制的：形核率形核率N 形核数形核数smm3生长率生长率G mm/s最后得到的晶粒大小，与最后得到的晶粒大小，与N、G有关有关在体积一定时在体积一定时N晶粒尺寸晶粒尺寸；G晶粒尺寸晶粒尺寸可见，可见，晶粒的大小取决于比值晶粒的大小取决于比值N/G，N/Gd晶晶（一）过冷度（一）过冷度T的影响的影响在结晶过程中在结晶过程中G、N与过冷度与过冷度T和自由能差和自由能差F有有关：关：T FG、N。但是随过冷度（但是随过冷度（T）的增大的增大 G、N增大速度不同。增大速度不同。其结果其结果

39、如左图所示如左图所示在 工 业 上 通 常 过 冷 度在 工 业 上 通 常 过 冷 度TTK所以，一般所以，一般冷却速度冷却速度，则则N/Gd晶晶机械性能机械性能形核率形核率N和生长速度和生长速度G与与过冷度过冷度T的关系图的关系图（二）未熔杂质的影响（二）未熔杂质的影响金属熔液中或多或少要存在着一些熔融状态或金属熔液中或多或少要存在着一些熔融状态或未融状态的杂质、当存在有在晶体结构上与金属相未融状态的杂质、当存在有在晶体结构上与金属相近的未熔杂质时，晶核可在其表面产生，而使形核近的未熔杂质时，晶核可在其表面产生，而使形核容易容易形核率形核率N，使晶粒细化。，使晶粒细化。变质处理变质处理：人们为了得到优良性能的细晶粒时，通人们为了得到优良性能的细晶粒时，通常故意加入某些难溶杂质（称常故意加入某些难溶杂质（称“人工晶核人工晶核”）来增）来增加形核率，这种细化晶粒的方法，称加形核率，这种细化晶粒的方法，称“变质处理变质处理”。如：如：Al中加入中加入Ti Al-Si合金中加入合金中加入Na铸铁中加入硅钙等等，应用很广。铸铁中加入硅钙等等，应用很广。（三）振动和搅拌等（三）振动和搅拌等如机械振动或搅拌、电磁搅拌和超声波振动等方法。如机械振动或搅拌、电磁搅拌和超声波振动等方法。可可形核率形核率N；细化晶粒。；细化晶粒。