金属学第三章-金属结晶过程课件

1.纯金属的结晶条件2.纯金属的结晶过程3.同素异构转变4.细化铸态金属晶粒的措施第3章金属的结晶1.纯金属的结晶条件第3章金属的结晶11.纯金属的结晶条件晶体液体结晶结晶：

液体-->晶体凝固：

液体-->固体（晶体或非晶体）1.纯金属的结晶条件晶体液体结晶结晶：液体-->晶体2冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T3冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。42.纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程2.纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核5（1）形核过程两种形核方式——

自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。（1）形核过程两种形核方式——自发形核与非自发形核自6（1）形核过程两种形核方式——

自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。（1）形核过程两种形核方式——自发形核与非自发形核自7（2）晶核长大过程两种长大方式——

平面生长与树枝状生长。平面生长（2）晶核长大过程两种长大方式——平面生长与树枝状生8树枝状生长树枝状生长94.细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8级（p111)。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑

固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓4.细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分810细化晶粒的措施1.提高过冷度2.变质处理3.振动结晶细化晶粒的措施1.提高过冷度11（1）提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度T的关系TG，NGN（1）提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度T的关12（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。（4）电磁搅拌

将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶，增加结晶核心，从而可细化晶粒。（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和133．同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C3．同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的14纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770铁磁性纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}15五金属铸锭的组织特点

细等轴晶区

液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。(1)细等轴晶区；

(2)柱状晶区；

(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点

细等轴晶区

(1)细等轴晶区；

16五金属铸锭的组织特点

柱状晶区

细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。(1)细等轴晶区；

(2)柱状晶区；

(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点

柱状晶区

(1)细等轴晶区；

(17五金属铸锭的组织特点

粗等轴晶区

随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。(1)细等轴晶区；

(2)柱状晶区；

(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点

粗等轴晶区

(1)细等轴晶区；

18缺陷点缺陷线缺陷(位错)面缺陷分类：空位、间隙原子热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷点缺陷浓度位错类型刃型位错螺型位错混合位错柏氏矢量表面晶界相界实际金属的缺陷缺陷点缺陷线缺陷面缺陷分类：空位、间隙原子热缺陷：弗仑克尔缺19点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。

线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷。面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。缺陷的分类点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称20间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子或称填隙原子。空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位。点缺陷的分类间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子21点缺陷对材料性能的影响点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。

过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。点缺陷对材料性能的影响点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。22晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“┻”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为“┳”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。线缺陷晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会存在一多23刃型位错的结构特征有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。刃型位错的结构特征24晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，这种晶体缺陷称为螺型位错。符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。CBADABC晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向25螺型位错的结构特征无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。螺型位错的结构特征26晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界；晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；27具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。相界面可分为共格相界、半共格相界和非共格相界。相界具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。相界281.纯金属的结晶条件2.纯金属的结晶过程3.同素异构转变4.细化铸态金属晶粒的措施第3章金属的结晶1.纯金属的结晶条件第3章金属的结晶291.纯金属的结晶条件晶体液体结晶结晶：

液体-->晶体凝固：

液体-->固体（晶体或非晶体）1.纯金属的结晶条件晶体液体结晶结晶：液体-->晶体30冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T31冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。322.纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核长大的过程2.纯金属的结晶过程液态金属形核晶核长大完全结晶形核和晶核33（1）形核过程两种形核方式——

自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。（1）形核过程两种形核方式——自发形核与非自发形核自34（1）形核过程两种形核方式——

自发形核与非自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核——是依附于外来杂质上生成的晶核。（1）形核过程两种形核方式——自发形核与非自发形核自35（2）晶核长大过程两种长大方式——

平面生长与树枝状生长。平面生长（2）晶核长大过程两种长大方式——平面生长与树枝状生36树枝状生长树枝状生长374.细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8级（p111)。晶粒度12345678单位面积晶粒数（个/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直径（μm）2501771258862443122细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑

固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓4.细化铸态金属晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分838细化晶粒的措施1.提高过冷度2.变质处理3.振动结晶细化晶粒的措施1.提高过冷度39（1）提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度T的关系TG，NGN（1）提高过冷度形核率N、长大速度G与过冷度T的关40（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。（4）电磁搅拌

将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶，增加结晶核心，从而可细化晶粒。（2）变质处理在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和413．同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C3．同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的42纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770铁磁性纯铁的冷却曲线T-Fe，bcc}43五金属铸锭的组织特点

细等轴晶区

液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。(1)细等轴晶区；

(2)柱状晶区；

(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点

细等轴晶区

(1)细等轴晶区；

44五金属铸锭的组织特点

柱状晶区

细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小，生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。(1)细等轴晶区；

(2)柱状晶区；

(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点

柱状晶区

(1)细等轴晶区；

(45五金属铸锭的组织特点

粗等轴晶区

随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。(1)细等轴晶区；

(2)柱状晶区；

(3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点

粗等轴晶区

(1)细等轴晶区；

46缺陷点缺陷线缺陷(位错)面缺陷分类：空位、间隙原子热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷点缺陷浓度位错类型刃型位错螺型位错混合位错柏氏矢量表面晶界相界实际金属的缺陷缺陷点缺陷线缺陷面缺陷分类：空位、间隙原子热缺陷：弗仑克尔缺47点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。

线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷。面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。缺陷的分类点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称48间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子或称填隙原子。空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位。点缺陷的分类间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子49点缺陷对材料性能的影响点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。

过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。点缺陷对材料性能的影响点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。50晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型