工程材料第二章 (二)

§2-3实际金属的晶体结构一、单晶体与多晶体（一）单晶体：其内部的晶格位向完全一致的一块晶体晶粒：（这些）金属中晶格位向一致的颗粒状小晶体称为晶粒。(尺寸为10-1～10-3mm)晶界：晶粒之间的边界。（如图）（二）多晶体：其内部由多个晶粒组成的晶体晶粒示意图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15°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可能存在着小差别（10～20′——1~2°）（三）亚晶粒：（这些）在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚晶粒；与之对应的亚晶粒间的界面称为亚晶界。二、实际金属晶体的缺陷晶体缺陷：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。晶体缺陷按几何形状分为三类：（点、线、面）（一）点缺陷：其几何特征是在x、y、z三方向上尺寸都很小（原子尺寸）。常见的：空位：在晶格结点的正常位置上没有原子（因热振动等离去）。间隙原子：在晶格间隙处有多余的原子。空位和间隙原子示意图点缺陷的存在使周围晶格发生畸变，产生局部内应力，对晶体的性能产生影响。其中：间隙原子仅产生正畸变（原子受压应力）；而空位只产生负畸变（原子受拉应力）。

空位间隙原子（二）线缺陷——位错（线）：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。位错（位错线）：在晶格中，有规律错排的原子列。最基本位错之一是刃型位错（如图1-10），以符号“⊥”形象地表示。位错还有其它类型的。图1-10刃型位错位错密度：单位体积晶体中位错线的总长度。（三）面缺陷——晶界和亚晶界：其几何特征是在一个方向上尺寸很小，在另两个方向上尺寸很大。位错在金属中的密度通常为:

104～1012cm/cm3.由于位错存在，将产生畸变（管状畸变），位错的存在

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邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图1-12a）。而亚晶界这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小晶格位向差形成的面缺陷（如图1-12b）。可以把它看作是一种位错的堆积或称“位错墙”。（a）（b）晶界图1－12晶界（a）及亚晶界（b）示意图图1－12晶界（a）及亚晶界（b）示意图三、晶体缺陷对金属性能的影响（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，好象是各向同性的，所以称为伪各向同性。原因：晶粒平均直径=10-1～10-3mm，1cm3有晶粒数＞106（个）。所以：各晶粒间采长补短、使性能各向同性，掩盖了各向异性。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。（二）对机械性能的影响：缺陷晶格发生畸变畸变能↑提高强度（点线缺陷降低韧性）。晶界细化晶粒↑晶界面积↑面缺陷↑强度并↑韧性（综合机械性能↑）当然缺陷也影响理、化性能等等耐蚀性↓电阻↑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使晶体的位错密度达到很高（1012cm/cm3）。

提高位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法称为“细晶强化”§2-4金属的结晶一、结晶的基本概念（一）凝固与结晶：凝固L→S

的过程（由液态转变为固态的过程）结晶L→S晶的过程（由液态转变为固态晶体的过程）（二）理论结晶温度：凡是纯元素（金属非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度，液体与晶体永远共存，这个温度就称为

。符号

。理论结晶温度T0理论上，上述温度

就是液态和晶态的分界线：当T＞T0时S→L（由固态转变为液态）当T＜T0时L→S（由液态转变为固态）当T＝T0时LS

（液态、固态平衡共存）（三）自由能：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（F）称为自由能。任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的过程，其驱动力，就是。“自由能差”（ΔF）T0FSΔTTnT0FLΔF＝FL－FS温度T自由能F如右图，液体、晶体的原子结构不同，所以，其自由能F随温度T的变化也不同。T↑F↓；但FL↓＞FS↓，交点T0当Tn＜T0时ΔF=FL-FSL→S晶当Tn＞T0时ΔF=FS-FLS晶→L当Tn＝T0时ΔF=0S晶L可见，自由能差ΔF是靠ΔT=T0－Tn来获得的，所以，ΔT是结晶过程中的一个重要参数。无驱动力，如平面上的球、等温的两物体说明：金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶温度T0。（四）过冷度：实际结晶温度（Tn）与理论结晶温度（T0）之差：

ΔT=T0-Tn过冷度ΔT越大则ΔF越大、则结晶驱动越大，结晶倾向也越大。一般情况下，结晶潜热：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，我们称之为“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，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ΔT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。利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度的测量，这种测量方法称为“

”。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却，冷速越慢，过冷度ΔT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“冷却曲线”。热分析法ΔTTT0Tn纯金属结晶冷却曲线示意图（五）冷却曲线：物体在液态冷却结晶过程中所作出的τ-T曲线。（如右图）冷却曲线中出现的水平台阶的温度就是实际结晶温度。二、金属结晶的基本过程基本过程：晶核的形成与晶核

的长大。(如右图所示)（一）晶核的形成金属结晶时1.均匀形核或自发形核：形核时由该金属本身在液体中直接产生晶核。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rc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心。rc称为晶核的临界半径，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。2.非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点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。晶核：就是能真正成长为晶体的原子集团。（二）晶核的长大晶核的长大方式：金属的长大形式通常是枝晶长大（如图）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固态的，可分别得到金属铸锭（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）或铸件（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直接使用）。这个过程可称为铸造。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。（一）表面细晶粒区模壁T↓→冷却速度↑→ΔΤ↑+人工晶核（模壁）→晶粒等轴、细小、均匀。三个部分组成（二）柱状晶区随时间推移→

模型T↑→冷却速度↓

ΔT↓形核率下降向模壁定向散热

晶粒定向长大柱状晶（三）中心等轴晶区随时间进一步推移散热能力↓

→散热方向性↓→均匀冷却且冷却速度↓又：杂质聚集，枝晶折断晶核各向均长大粗等轴晶金属铸锭示意图实际金属铸锭（四）铸造缺陷

——如前述的三层晶区凝固条件不同，三区可相对增减

——体积收缩造成，在最后凝固处，因得不到钢液的补充而形成；——在缩孔、疏松周围还常有积聚各种低熔点杂质的区域（最后凝固所至）⑤气泡、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析（化学成分不均）等等。①组织不均匀②缩孔——在缩孔周围形成的微小分散孔隙③疏松④区域偏析四、结晶过程中晶粒的大小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参数来控制的：形核率N——形核数／s·mm3生长率G——mm/s最后得到的晶粒大小，与N、G有关在体积一定时N↑→晶粒尺寸↓；G↑→晶粒尺寸↑可见，晶粒的大小取决于比值N/G，N/G↑→d晶↓（一）过冷度ΔT的影响在结晶过程中G、N与过冷度ΔT和自由能差ΔF有关：ΔT

↑

→

ΔF↑→G、N↑。但是随过冷度（ΔT）的增大

G、N增大速度不同。其结果如右图所示在工业上通常过冷度

ΔT＜ΔTK所以，一般地，冷却速度↑→ΔΤ↑，则N/G↑→d晶↓→机械性能↑形核率N和生长速度G与过冷度ΔT的关系图（二）未熔杂质的影响金属熔液