第一章金属的结构与结晶

1、1第一章第一章 金属的结构与结晶金属的结构与结晶教学目的：教学目的：1、掌握三种典型金属晶格的特性和晶胞中晶面、掌握三种典型金属晶格的特性和晶胞中晶面、晶向的表示方法晶向的表示方法;2、了解金属的实际结构与晶格缺陷的种类、主要、了解金属的实际结构与晶格缺陷的种类、主要形式及其对材料性能的影响；形式及其对材料性能的影响；3 、了解金属的结晶规律；、了解金属的结晶规律；本章重点：本章重点：1、三种典型金属晶格及其特性、三种典型金属晶格及其特性2、金属的实际结构与晶格缺陷及其对材料性能的、金属的实际结构与晶格缺陷及其对材料性能的影响影响2本章主要内容本章主要内容金属的晶体结构金属的晶体结构金属的实际

2、结构和晶体缺陷金属的实际结构和晶体缺陷金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭3晶体的概念晶体的概念三种典型的金属晶格三种典型的金属晶格三种典型晶格的晶面和晶向三种典型晶格的晶面和晶向分析分析晶体的各向异性晶体的各向异性第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构4l 物质物质由原子组成。原子由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决定了物质的性能。决定了物质的性能。l 原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为的结合力称为结合键结合键。它们的具体组合状态称它们的具体组合状态称为为结构结构。C60第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构为什么要研究结构？什么是物质的结构？为什

3、么要研究结构？什么是物质的结构？5第一节 金属的晶体结构固态物质固态物质存在形式：存在形式：晶晶 体体非晶体非晶体液体液体原子在三维空间呈规则排列的固体原子在三维空间呈规则排列的固体原子在空间呈无序排列的固体。原子在空间呈无序排列的固体。金刚石、金刚石、NaCl、冰、冰 固态固态金属等。金属等。石蜡、玻璃石蜡、玻璃按照原子在空间的排列方式按照原子在空间的排列方式6（1）结构有序；）结构有序； (1 (1）结构无序；）结构无序；晶体与非晶体的区别：晶体与非晶体的区别：液体液体金刚石、金刚石、NaCl、冰、冰 ，固态固态金属等。金属等。石蜡、玻璃石蜡、玻璃l在一定条件下在一定条件下 晶体晶体 非晶

4、体非晶体（2 2）有固定的熔点）有固定的熔点; ; （3 3）性能表现为各向异性；。）性能表现为各向异性；。（2 2）没有固定熔点；）没有固定熔点；(3(3）性能表现为各向同性；）性能表现为各向同性；晶体晶体非晶体非晶体7晶格晶格一、晶体的概念一、晶体的概念 原子（或离子、分子）原子（或离子、分子）刚性的球体刚性的球体 点点点阵点阵晶格晶格晶胞晶胞原子堆积模型原子堆积模型如何探究晶体结构？如何探究晶体结构？晶胞晶胞晶体结构晶体结构表示原子表示原子( (离子或分子离子或分子) )在空间规则排列的方式在空间规则排列的方式原子堆积模型原子堆积模型8一、晶体的概念 1 1、晶格、晶格 用假想的直线将原

5、子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维的三维 空间格架。空间格架。 直线的交点（原子中心）称直线的交点（原子中心）称结点结点。 由结点形成的空间点的阵列称由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。空间点阵。原子堆积模型原子堆积模型晶格晶格原子堆积模型原子堆积模型9晶胞晶胞点阵（晶格）模型2 2 晶胞晶胞能代表晶格原子排列规律的最小几何单元能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶胞晶胞在三维空间中在三维空间中重复排列重复排列便可构成便可构成晶格和晶体晶格和晶体。 10XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 3 晶格常数晶格常数晶胞棱边的尺寸晶胞棱边的尺寸 用用 a、b、c表示表

6、示各棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、 表示表示l晶体中由一系列原子所组晶体中由一系列原子所组成的平面称成的平面称晶面。晶面。l原子在空间排列的方向称原子在空间排列的方向称晶向。晶向。原子堆积模型原子堆积模型114 4 晶系晶系晶晶 系系棱边长度与夹角关系棱边长度与夹角关系立立 方方a = b = c, = = = 90 六六 方方a1 = a2 = a3 c, = = 90 , = 120 四四 方方a = b c, = = = 90 菱菱 方方a = b = c, = = 90 正正 交交a b c, = = = 90 单单 斜斜a b c, = = 90 三三 斜斜a b c, 90 根

7、据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜125 5 原子半径：原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。原子间距的一半。6 6 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目一个晶胞内所包含的原子数目7 7 配位数配位数及及致密度：致密度： 配位数：配位数：是指晶格中与任一是指晶格中与任一 原子距离最近且相原子距离最近且相 等的原子数目。等的原子数目。致密度：致密度：晶胞中原子本身所占的晶胞中原子本身所占的 体积百分数。体积百分数。K=nV原子原子 / V晶胞晶

8、胞4r13（1）体心）体心立方立方晶格晶格BCC (Body-Centered Cube )（2）面心）面心立方立方晶格晶格FCC (Face-Centered Cube )（3）密排）密排六方六方晶格晶格HCP (Hexagonal Close-Packed )二、二、 三种常见的金属晶格三种常见的金属晶格14演示1. 体心立方晶格体心立方晶格(B.C.C.晶格晶格)晶胞原子数晶胞原子数l体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：晶格常数晶格常数 a=b=c, =9021818原子模型原子模型 晶胞晶胞 晶胞原子数晶胞原子数 常见金属有常见金属有 -Fe(1400)、Cr、W、Mo、V15XYZa

9、bc2r2raal体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：原子半径：原子半径： 晶胞中原子密度最大方向上相邻晶胞中原子密度最大方向上相邻 原子间距的一半尺寸称为原子半径原子间距的一半尺寸称为原子半径 a a4 43 3r r 43ra4r16体心立方晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近体心立方晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数的原子数. .配位数配位数 4+4=84+4=8配位数配位数致密度致密度68. 0/)43(342/343333aaarnKK=nV原子/V晶胞17l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度致密度：0.68晶格常数：晶格常数：a(

10、a=b=c)原子半径：原子半径：a a4 43 318演示2. 面心立方晶格面心立方晶格(F.C.C.晶格晶格)晶胞原子数晶胞原子数l面心立方晶胞特征：面心立方晶胞特征：晶格常数晶格常数 a = b = c, = 90模型模型 晶胞晶胞 晶胞原子数晶胞原子数 11864824r常见金属：常见金属： -Fe(912 1394 ) 、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等19原子半径：原子半径： 晶胞中原子密度最大方向上晶胞中原子密度最大方向上 相邻原子间距的一半尺寸称为原子半径相邻原子间距的一半尺寸称为原子半径 2 2r ra a4 4l面心立方晶胞特征：面心立方晶胞特征：42ra面心立方晶胞中原子相

11、距最近的方向是面对角线面心立方晶胞中原子相距最近的方向是面对角线4r20 面心立方晶格中每一个原子（面心立方晶格中每一个原子（以面的中心原子为以面的中心原子为例例）在三维方向上各与四个原子接触且距离相等，）在三维方向上各与四个原子接触且距离相等，配位数为：配位数为：4 43=12 配位数配位数致密度致密度K=nV原子/V晶胞74. 0/)42(34433aaK21 ：原子半径原子半径晶胞原子数晶胞原子数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格2 2rara4 422a21r ：原子半径原子半径配位数：配位数： 6+3+3=12致密度：致

12、密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.633两相邻侧面之间的夹角为两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为侧面与底面之间的夹角为90。l 密排六方晶格密排六方晶格晶胞原子数：晶胞原子数：演示23三、立方晶格的晶面和晶向分析三、立方晶格的晶面和晶向分析（一）（一） 晶面及晶向指数晶面及晶向指数l晶体中由一系列原子所组成的平面晶体中由一系列原子所组成的平面称称晶面。晶面。l原子在空间排列的方向称原子在空间排列的方向称晶向。晶向。1. 1. 晶面指数晶面指数表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面

13、指数晶面指数。其确定步骤为：其确定步骤为：(1) (1) 选坐标选坐标，以晶格中某一原子为，以晶格中某一原子为原点原点（注意不要把注意不要把原点放在所求的晶面上原点放在所求的晶面上），以晶胞的），以晶胞的三个棱边三个棱边作为三作为三维坐标的坐标轴。维坐标的坐标轴。24(2)坐标轴的度量单位：坐标轴的度量单位： 晶格常数晶格常数a、b、c (3）求截距求截距 求出所需确定的晶面在三坐标轴上的求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距截距。 (5) 将所得数值化为最小整数，将所得数值化为最小整数， 加圆括弧，加圆括弧， 形式为形式为: (hkl)。u如果是负指数，则应将如果是负指数，则应将负号负号“-”

14、放在相应指数的上方。放在相应指数的上方。 (4) 求三个截距的倒数。求三个截距的倒数。25d)c)b)a)练习：练习：求出下面晶面的晶面指数求出下面晶面的晶面指数(111)(120)(110)(112)26立方晶格中三种立方晶格中三种最重要晶面最重要晶面（100）、（）、（110）、（）、（111）272. 晶向指数晶向指数l 表示晶向的符号称表示晶向的符号称晶向指数晶向指数。l 其确定步骤为：其确定步骤为：(1)确定原点，建立坐标系，确定原点，建立坐标系， 过原点作所求晶向的平行线。过原点作所求晶向的平行线。(2) 求直线上任一点的坐标值。求直线上任一点的坐标值。（或或: 终点坐标终点坐标

15、起点坐标）起点坐标） (3) 按比例化为最小整数，按比例化为最小整数， 加方括弧。加方括弧。 形式为形式为: uvw。2829303 3、 晶面族与晶向族晶面族与晶向族应该注意的：应该注意的：（1）某一晶面指数）某一晶面指数(hkl)并不只代表某一并不只代表某一具体晶面具体晶面，而是代表而是代表一组相互平行的晶面一组相互平行的晶面，即所有相互平行的即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。晶面都具有相同的晶面指数。（2）在同一种晶格中，有些晶面虽然在空间的位向）在同一种晶格中，有些晶面虽然在空间的位向不同，不同，但其原子的排列情况完全相同但其原子的排列情况完全相同，这些，这些晶面称晶面称为晶面

16、族为晶面族，用，用大括号大括号hkl表示。表示。131110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY32立方晶系常见的晶面立方晶系常见的晶面为：为：)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、10101133应该指出：应该指出：（1）晶向指数）晶向指数uvw所表示的不仅仅是一条直线的所表示的不仅仅是一条直线的 位向，而是一族平行线的位向。位向，而是一族平行线的位向。即所有相互平行即所有相互平行 的晶向，都具有相同的晶向指数的晶向，都具有相同的晶向指数。（2

17、）原子排列相同原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为但空间位向不同的所有晶向称为 晶向族晶向族，以，以uvw表示。表示。在立方晶系中，在立方晶系中，指数指数相同的相同的晶面晶面和和晶向晶向是互是互相相垂直垂直的。的。34111111111111XZY35立方晶系常见的晶向立方晶系常见的晶向为：为：111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、10136（二）（二） 晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度晶面的原子密度晶面的原子密度是指该晶面单位面积中的原子数；是指该晶面单位面积中的原子数；晶向的原子密度晶向的原子密度是指该晶向单位

18、长度上的原子数。是指该晶向单位长度上的原子数。 373839 三种常见晶格的密三种常见晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格40l原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格 六方底面六方底面1底面对角线底面对角线320104142四、晶体的各向异性四、晶体的各向异性晶体的各向异性：晶体的各向异性：由于晶体中由于晶

19、体中不同晶面不同晶面、晶向上晶向上的的原原子密度不同子密度不同，故晶体在不同方向上的性能也不同，故晶体在不同方向上的性能也不同，呈现呈现各向异性各向异性。晶体的这种晶体的这种“各向异性各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要标志之一。的特点是它区别于非晶体的重要标志之一。例如：例如：体心立方的铁体心立方的铁晶体由于它在不同晶向上的原于密度不同，晶体由于它在不同晶向上的原于密度不同，原子结合力不同，因而其弹性模量原子结合力不同，因而其弹性模量E便不同，便不同，在在111方向方向E290000MN/m2，在，在l00方向方向E135000 MN/m2。许多晶体物质如金刚石、云母、方解石等常沿一定的晶

20、面易于许多晶体物质如金刚石、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。43第二节 金属的实际结构和晶体缺陷单晶体：单晶体：当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致时，此晶体称为晶格位向完全一致时，此晶体称为的的单晶体单晶体。 如单晶如单晶Si半导体。半导体。一、多晶体结构一、多晶体结构（a）44l 多晶体结构多晶体结构纯纯Fe 金相组织示意图金相组织示意图小晶体之间方位彼此不同小晶体之间方位彼此不同金属中有许多小晶体金属中有许多小晶体晶粒晶粒晶界晶界第二节 金属

21、的实际结构和晶体缺陷201045多晶体材料：多晶体材料：是指一块金属材料中包含着许多是指一块金属材料中包含着许多小晶小晶体体，每个小晶体内的，每个小晶体内的晶格位向是一致的晶格位向是一致的，而各小晶，而各小晶体之间体之间彼此方位不同彼此方位不同。 光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图46晶界晶界l 晶粒：晶粒：彼此方位不同、外形不规彼此方位不同、外形不规则的小晶体。则的小晶体。l 晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。 晶粒越细小，数量越多，晶界面晶粒越细小，数量越多，晶界面积越大。积越大。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶

22、体结构。由多晶粒组成的晶体结构。多晶体的性能在各个方向基本上是一致的多晶体的性能在各个方向基本上是一致的47 实际金属中存在着大量的实际金属中存在着大量的晶体缺陷晶体缺陷 按几何形态可分三类：按几何形态可分三类： 点、线、面缺陷点、线、面缺陷。二、晶体缺陷 在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域。着一些原子偏离规则排列的不完整性区域。晶体缺陷：晶体缺陷：实际晶体中原子排列不规则的区域。实际晶体中原子排列不规则的区域。201048点缺陷点缺陷 ：空间三维尺寸空间三维尺寸 都很小的缺陷。都很小的缺陷。（一）点缺陷（一

23、）点缺陷l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子49a. 空位：空位：晶格中某些缺晶格中某些缺排原子的空结点。排原子的空结点。b. 间隙原子：间隙原子：挤进晶格挤进晶格间隙中的原子。间隙中的原子。可以可以是基体金属原子，也是基体金属原子，也可以是外来原子。可以是外来原子。50c. 置换原子：置换原子： 取代原来原子位置的外来原子称置换原子。取代原来原子位置的外来原子称置换原子。51点缺陷对性能的影响：点缺陷对性能的影响：点缺陷的存在，破坏了原子的平衡状态，使晶格发生点缺陷的存在，破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲（称为扭曲（称为晶格畸变晶格畸变），从而引起），从而引起性能变化性能变化，

24、使金属，使金属的的电阻率增加，强度、硬度电阻率增加，强度、硬度提高提高，塑性、韧性塑性、韧性下降下降。空位空位间隙原子间隙原子小小置换原子置换原子大大置换原子置换原子52（二）线缺陷（二）线缺陷( (位错位错) )线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错: 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作交界线称作位位错。错。线缺陷：线缺陷：指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。指二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。演示53线缺陷有两种基本类型：线缺陷有两种基本类型： 刃型位错刃型位错 螺

25、型位错螺型位错刃型位错的形成刃型位错的形成演示54刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错55刃型位错：刃型位错：假设在一个完整晶体的上半部插入一多余假设在一个完整晶体的上半部插入一多余的半原子面，它终止于晶体内部，好像切入的刀刃的半原子面，它终止于晶体内部，好像切入的刀刃一样，这个多余半原子面的刃边就是刃型位错一样，这个多余半原子面的刃边就是刃型位错, , 。半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“ ”表示。表示。半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“ ”表示。表示。正刃型位错正刃型位错负刃型位错负刃型位错56l 位错密度：位错密度：

26、单位体积内所包含的位错单位体积内所包含的位错线总长度。线总长度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2l位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。错运动是强化金属的主要途径。l减少减少或或增加增加位错密度都可以提高金属的强度。位错密度都可以提高金属的强度。57电子显微镜下的位错电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)58（三）面缺陷（三）面缺陷面缺陷：面缺陷：晶体中一维尺寸很小，另两维尺寸

27、很大的缺陷晶体中一维尺寸很小，另两维尺寸很大的缺陷主要包括：主要包括：晶界晶界和和亚晶界亚晶界。宽度为宽度为510个原子间距，位向差一般为个原子间距，位向差一般为2040。1.1.晶界晶界: : 晶粒与晶粒之间的交界面晶粒与晶粒之间的交界面59p晶界的特点：晶界的特点： 原子排列不规则原子排列不规则。 熔点低熔点低。 耐蚀性差耐蚀性差。晶界的缺陷比晶内多，因而晶界的缺陷比晶内多，因而外来原子易在晶界上偏聚，杂质多。外来原子易在晶界上偏聚，杂质多。对运动位错有阻碍作用，是金属中的强化部位。对运动位错有阻碍作用，是金属中的强化部位。金属的晶粒金属的晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度也越高，越细

28、，晶界总面积就越大，金属的强度也越高，因而因而实际使实际使用的金属材料力求获得细晶粒用的金属材料力求获得细晶粒。 是是固态固态相变的优先形核部位相变的优先形核部位 60亚晶粒：亚晶粒：是组成晶粒的是组成晶粒的尺寸很小尺寸很小，位向差也很小，位向差也很小(10 2 )的的小晶块小晶块。2.亚晶界：亚晶界：亚晶粒亚晶粒之间的之间的交界面交界面。亚晶界亚晶界也可看作也可看作位错壁位错壁。亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁6162晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性，使晶体缺陷的存在破坏了晶体的完整性，使晶格产生畸变晶格产生畸变，晶格能量增加晶格能量增加。 晶体缺陷尽管它微观尺寸

29、很小，但它晶体缺陷尽管它微观尺寸很小，但它对金对金属性能的影响是相当大的属性能的影响是相当大的。晶体缺陷的存在还常常晶体缺陷的存在还常常降低降低金属的金属的抗腐蚀抗腐蚀性能性能。在绝大多数情况下，还会。在绝大多数情况下，还会增加增加金属金属的的电阻电阻。63小小 结结本节重点本节重点 晶体结构的基本概念：晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞；晶体，晶格，晶胞； 三种常见的金属晶格：三种常见的金属晶格：BCC，FCC，HPC 晶体缺陷晶体缺陷（点、线、面缺陷类型）（点、线、面缺陷类型）641、 分别说明以下概念：晶格；晶胞；晶格常数；致分别说明以下概念：晶格；晶胞；晶格常数；致密度；晶面；晶向；

30、单晶体；多晶体；晶粒；晶界；密度；晶面；晶向；单晶体；多晶体；晶粒；晶界；各向异性。各向异性。2、简述金属常见的三种晶体结构的基本特点。、简述金属常见的三种晶体结构的基本特点。3、在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数值、在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数值相同，该晶面与晶向间存在着什么关系？相同，该晶面与晶向间存在着什么关系？4、单晶体与多晶体有何差别？为什么单晶体具有各、单晶体与多晶体有何差别？为什么单晶体具有各向异性，而多晶体材料通常不表现出各向异性？向异性，而多晶体材料通常不表现出各向异性？5、晶体缺陷有哪些？对金属材料有哪些影响？、晶体缺陷有哪些？对金属材料有哪些影响？复习思

31、考题复习思考题65第三节第三节 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭结晶概念：结晶概念：凝固与结晶凝固与结晶纯金属的结晶纯金属的结晶条件条件纯金属结晶纯金属结晶过程过程 形核规律：形核规律：均质形核和非均质形核均质形核和非均质形核 晶核长大规律晶核长大规律晶粒大小及控制晶粒大小及控制铸件组织铸件组织66一、结晶概念一、结晶概念自然界中的物质通常具有三种状态；自然界中的物质通常具有三种状态；气态、液态和固态气态、液态和固态，它们在一定条件下可以相互转换。它们在一定条件下可以相互转换。液体液体 - - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）液体液体 - - 晶体晶体晶体晶体液体液体结晶结晶 凝固

32、凝固 结晶结晶67结晶结晶是由一种是由一种相相（液相）转（液相）转变为另一种变为另一种相相（固相）的过（固相）的过程，因而是程，因而是相变过程相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶一次结晶：一次结晶：一是从一是从液态液态到到固态固态晶体的过程；晶体的过程；二次结晶：二次结晶：从固态从固态晶体晶体到另一种固态到另一种固态晶体晶体的的过程。过程。 l结晶结晶68二、纯金属结晶的条件二、纯金属结晶的条件l理论结晶温度理论结晶温度l冷却曲线冷却曲线l实际结晶温度实际结晶温度l过冷度过冷度l纯金属结晶的必要条件纯金属结晶的必要条件69液体的液体的结晶结晶和固体的和固体的熔化熔化是一对是一对可逆可逆过程过程

33、T T 熔化熔化，T T 结晶结晶液体液体结晶的速度结晶的速度与与晶体晶体熔化的速度熔化的速度相等时相等时的的温度温度称为称为理论结晶温理论结晶温度度（平衡结晶温度平衡结晶温度）常）常用用T0表示。表示。二、纯金属结晶的条件二、纯金属结晶的条件70液体和晶体的自由能液体和晶体的自由能- -温度曲线温度曲线液态、固态液态、固态自由能曲线自由能曲线相交点相交点对对应的温度为应的温度为T T0 0，此时液态和固态的，此时液态和固态的能量状态相等，处于能量状态相等，处于动态平衡动态平衡，可长期共存，可长期共存，T T0 0称为理论结晶温度称为理论结晶温度或熔点或熔点。 热力学定律：热力学定律：自然界一

34、切自发转变自然界一切自发转变过程总是从过程总是从能量较高能量较高的状态趋向的状态趋向能能量较低量较低的状态。的状态。1. 1. 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件F = FL FS 071液体和晶体的自由能液体和晶体的自由能- -温度曲线温度曲线l结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际结晶温度结晶温度Tn下才能进行。下才能进行。液态金属在液态金属在理论结晶温度理论结晶温度以以下开始下开始结晶结晶的现象称的现象称过冷过冷。理论结晶温度理论结晶温度与与实际结晶温实际结晶温度度的差的差 T称称过冷度过冷度 T= T0 Tn纯金属结晶的必要条件：纯金属结晶的必要条件： 结晶驱动力结晶驱动力

35、过冷度过冷度 F要有一定的过冷度。要有一定的过冷度。72热 分 析 法2. 冷却曲线与过冷冷却曲线与过冷金属的冷却曲线金属的冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲线。金属结晶时温度与时间的关系曲线。732. 冷却曲线与过冷冷却曲线与过冷 温度降低到温度降低到T0时，由于结晶速时，由于结晶速度与熔化速度相等，故度与熔化速度相等，故不会结不会结晶晶，只有当温度继续下降到，只有当温度继续下降到Tn时，才开始结晶。时，才开始结晶。 曲线上曲线上水平阶段水平阶段是由于结晶时是由于结晶时放出放出结晶潜热结晶潜热引起的引起的. 曲线上曲线上水平阶段水平阶段所对应的所对应的温度温度称称实际结晶温度实际结晶温度

36、Tn。 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线Tn74Tn不是固定的，不是固定的，与材料的与材料的性质性质、纯度纯度以及以及冷却速冷却速度度有关。有关。时间时间温度温度T0v1 v2 v3Tn1Tn2Tn3冷却速度冷却速度越快越快，过冷度过冷度越大越大，实际结晶温度，实际结晶温度越低越低对于给定的材料，对于给定的材料，Tn是否是固定不变的？是否是固定不变的？75三、纯金属的结晶过程从宏观角度看结晶规律：从宏观角度看结晶规律：（1 1）金属的结晶是在一定的）金属的结晶是在一定的过冷度过冷度下完成的，下完成的， 即存在过冷现象。即存在过冷现象。（2 2）结晶过程是在）结晶过程是在恒温恒温下完成的。下完成

37、的。 从微观的角度看结晶：从微观的角度看结晶：包括包括晶核的晶核的形成形成和和长大长大两两个基本过程个基本过程。 l晶核的形成方式晶核的形成方式l晶核的长大方式晶核的长大方式 结晶过程761、结晶的基本过程、结晶的基本过程纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图在液态金属中存在许多在液态金属中存在许多有序排列有序排列的的小原子团小原子团，这些，这些小原子团或大或小，时聚时散，称为小原子团或大或小，时聚时散，称为晶胚晶胚 而当液态金属冷却到而当液态金属冷却到T0温度以下后，便处于热温度以下后，便处于热力学不稳定状态，经过一段时间（称为孕育期），力学不稳定状态，经过一段时间（称为孕育期），一些大尺

38、寸的一些大尺寸的晶胚将会长大晶胚将会长大，这些能够继续长大的，这些能够继续长大的晶胚称为晶胚称为晶核晶核。 结晶过程77 晶核形成后便向各方向生长，晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生，同时又有新的晶核产生，晶晶核不断形成，不断长大，直核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界两晶粒接触后形成晶界结晶结晶纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图782、晶核的形成方式、晶核的形成方式 l 形核有两种方式，即形核有两种方式，即均匀形核均匀形核和和非均匀形核非均匀形核。l 均匀形核均匀形核: 晶核完全是由

39、液体中晶核完全是由液体中排列规则的原子团排列规则的原子团形成形成均匀形核均匀形核特点：特点：形核均匀，但形核速度慢。形核均匀，但形核速度慢。79l非均匀形核更为普遍。非均匀形核更为普遍。l非均匀形核非均匀形核：晶核完全是依靠晶核完全是依靠容器壁容器壁、金属液体中的、金属液体中的未熔颗粒未熔颗粒和和杂质杂质形核。形核。特点：特点：形核率高，速度快。形核率高，速度快。非均匀形核非均匀形核803、晶核的长大方式、晶核的长大方式晶核的长大方式晶核的长大方式: : 平面长大平面长大和和树枝状长大树枝状长大。 （1 1）平面长大）平面长大 当当过冷度很小时过冷度很小时，结晶以，结晶以均匀长大方式均匀长大方

40、式进行，晶粒进行，晶粒在结晶过程中保持着在结晶过程中保持着规则规则的外形的外形，只是在晶粒互相，只是在晶粒互相接触时，规则的外形才被接触时，规则的外形才被破坏。破坏。 平面平面81(2)树枝状长大树枝状长大当当冷却速度较快冷却速度较快时，晶体的时，晶体的棱角棱角和和棱边棱边的的散热散热条件比面上的条件比面上的优越优越，因而长大较快，成为伸入到液，因而长大较快，成为伸入到液体中的体中的晶枝晶枝。优先形成的晶枝称。优先形成的晶枝称一次晶轴一次晶轴，在一次，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝侧面生出新的晶枝，即二次晶轴即二次晶轴三次晶轴、四次晶轴。三次晶轴、四

41、次晶轴。结晶后得到具有结晶后得到具有树枝状的晶体树枝状的晶体。树枝树枝82树枝状长大的实际观察树枝状长大的实际观察83四、晶粒大小及其影响因素四、晶粒大小及其影响因素金属的金属的晶粒越细晶粒越细，常温下的，常温下的机械性能越好机械性能越好, , 既金属的既金属的强强度度, , 塑性塑性和和韧性韧性越好。越好。l细化金属晶粒细化金属晶粒是提高其常温性能的最佳手段之一是提高其常温性能的最佳手段之一。 84形核率形核率愈大，愈大，成成长速率长速率愈小，愈小，则晶粒愈细。则晶粒愈细。 形成率形成率是单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。是单位时间内单位体积液体中形成晶核的数量。成长速率成长速率是单位

42、时间内晶核生长的线长度。是单位时间内晶核生长的线长度。影响晶粒细化的因素？影响晶粒细化的因素？影响形成率和成长速率最重要的因素是什么？影响形成率和成长速率最重要的因素是什么？形核率和成长速率形核率和成长速率过冷度过冷度85影响形核率和成长速率最重要的因素是过冷度影响形核率和成长速率最重要的因素是过冷度 原因：原因： 过冷度增大，过冷度增大，液相与液相与固相的自由能差固相的自由能差FF越大越大，结晶的结晶的推动力增大推动力增大。 过冷度过大，过冷度过大，液体中液体中原子的原子的迁移能力迁移能力或或扩散能扩散能力减小力减小，晶核的形成和成，晶核的形成和成长难。长难。随着过冷度的增大，二者都增大，并

43、在一定的过冷度时达到最随着过冷度的增大，二者都增大，并在一定的过冷度时达到最大值；当过冷度进一步增大，二者又逐渐减小大值；当过冷度进一步增大，二者又逐渐减小 86（一）（一） 影响晶粒大小的因素影响晶粒大小的因素1 过冷度的影响过冷度的影响2 未熔杂质的影响未熔杂质的影响金属中的金属中的高熔点杂质高熔点杂质，呈固，呈固态质点态质点悬浮悬浮在金属液体中，在金属液体中，这些未熔杂质在金属结晶过这些未熔杂质在金属结晶过程中能够起到程中能够起到天然晶核天然晶核的作的作用，可显著提高用，可显著提高晶核的形成晶核的形成率率，使金属晶粒细化。，使金属晶粒细化。87（二）（二） 控制晶粒大小的方法控制晶粒大小

44、的方法 1 1 控制过冷度控制过冷度 V V冷冷T TN N晶粒细小晶粒细小采用冷却能力较强的模子采用冷却能力较强的模子。例如采用例如采用金属型铸模金属型铸模, , 比采用比采用砂型铸模砂型铸模获得的铸件晶粒要获得的铸件晶粒要细小。细小。882. 变质处理变质处理在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂( (孕育剂孕育剂) )，以细化晶粒和，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。改善组织的工艺措施。变质剂的作用：变质剂的作用：变质剂的作用在于变质剂的作用在于增加晶核的数量增加晶核的数量或者或者阻碍晶核的长大阻碍晶核的长大。 在在钢水钢水中加入钛、钒、铝；中加入钛、钒、铝；在在铝合金液体铝合金液体中加入钛、锆；中加入钛、锆；都可使晶粒细化。都可使晶粒细化。893 .3 .振动、搅拌等方法振动、搅拌等方法 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：