机械工程材料双语教学crystalline-imperfections-and-solidif

Crystalline

Imperfectionsand

Solidification晶体缺点和凝固1第1页洛阳理工学院12.3金属实际晶体结构

1）单晶体：内部晶格位向完全一致晶体称为~。2）多晶体：由许多晶粒组成晶体结构称为~。3）晶粒：实际金属材料是由许多小晶体组成，这种外形不规则小晶体称为~。晶体分类晶粒多晶体各个晶粒位向不一样2第2页洛阳理工学院22.3金属实际晶体结构

1）PointDefects点缺点2）LinearDefects线缺点3）PlanarDefects面缺点金属缺点1.PointDefects点缺点

Acertainpositions,therearemissingatoms(anormallyoccupiedpositionisvacant)whileinotherplacesatomsarein“wrong”positions(atomsarelocatedinnormallyunoccupiedpositions).Theformerarecalledvacanciesandthelatteraretermedinterstitials.Bothareexmplesofpointdefects.缺失图2-14晶体中原子空位和间隙原子3第3页洛阳理工学院32.3金属实际晶体结构

1）每个原子本身热振动2）每个原子存在能量起伏3）原子克服周围原子束缚，形成空位或间隙原子点缺点形成原因点缺点对金属性能影响产生晶格畸变，造成强度和硬度增加常见点缺点有三种：空位、间隙原子、置换原子4第4页洛阳理工学院42.3金属实际晶体结构2.LinearDefects线缺点1）位错是晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律错排现象2）Typesofdislocation

edgedislocationandscrewdislocation

刃型位错和螺型位错Fig.3A3-DrepresentationofAnedgedislocationIn1934SirGeoffreyTaylor,aBritishphysicistandmeteorologist,hypothesizedthatcrystalcouldcontaindefectsfromtheinsertionofpartofanatomsplane,asshowninFig.3.EdgeDislocationLine刃型位错线5第5页洛阳理工学院5

1)刃型位错（EdgeDislocation）晶体在剪力作用下，因为右上部分相对于右下部分发生局部滑移，在上半部分挤出了一层多出原子面，如同刀刃插入到晶体之中。该多出原子面边缘就是位错线。在位错线附近，因为晶格畸变产生应力集中。距位错线愈远，晶格畸变愈小，应力也愈小，原子排列逐步趋于正常。洛阳理工学院EdgeDislocationLine注意：位错线垂直于滑移方向6第6页洛阳理工学院6

2)螺型位错（ScrewDislocation）晶体在剪力作用下，上下两部分原子沿滑移面ABCD发生错动，使aa'右方晶体上下层原子相对错动一个原子间距，但在bb'和aa之间出现了一个过渡区。已滑移区和未滑移区边界限，即位错线bb'，不是垂直而是平行于滑移方向注意：位错线平行于滑移方向7第7页洛阳理工学院7

FreeSurfaceinCrystal晶体表面Whyarefreesurfaceconsideredtobedefects?Surfaceatomshavefewernearestneighbors,andthereforehigherenergy,thanatomsinsidethecrystal.Theextraenergyassociatedwiththefreesurfaceiscalledsurfacetension.处于晶体表面原子，同时受到晶体内部原子和外部介质原子作用力，内部原子作用力大于外部原子或分子作用力，表面原子会偏离正常平衡位置，并牵连临近几层原子，造成表面层晶格畸变。2.

GrainBoundariesofcrystals晶界PlanarDefects面缺点GrainMosttechniquesfortheproductionofcrystallinematerialsresultintheformationoflargenumbersofsmall,randomlyorientedcrystals,calledgrain.Theboundarybetweenadjacentcrystalsiscalledagrainboundary.8第8页洛阳理工学院8

GrainBoundariesofcrystals晶界

Theatomsinthedisorderedgrainboundariesaresignificantdisplacedfromtheirequilibriumpositions.Becauseofthisdisplacementandrelatedproblemsassociatedwithimpropercoordinationnumbers,atomsinthegrainboundaryhaveahigherenergythanthoseinthegraininterior.3.

亚晶界PlanarDefects面缺点Grain移位普通地，晶粒间位向差大都在30~40°内，晶界大都属于大角度晶界。亚晶间位向差则小得多，亚晶界实际上是由一系列刃型位错组成小角度晶界。4.

其它面缺点还有：堆垛层错、相界、孪晶界等。配位9第9页洛阳理工学院9

Thesolidificationofmetalsandalloysisanimportantindustrialprocesssincemostmetalsaremeltedandthencastintoa

semifinishedorfinishedshape.Ingeneralthesolidificationofmetaloralloycanbedividedintothefollowingsteps:Theformationofstablenucleiinthemelt(nucleation)形核Thegrowthofnucleiintocrystals晶核生长Theformationofagrainstructure形成晶体结构2.4SolidificationofMetals金属结晶凝固，结晶10第10页洛阳理工学院10

2.4SolidificationofMetals金属结晶11第11页晶坯晶核搅拌、振动112.4SolidificationofMetals金属结晶12第12页洛阳理工学院12

2.4SolidificationofMetals金属结晶13第13页洛阳理工学院13

1)Coolingcurve冷却曲线Thetwobreaksinthecurvecorrespondtothebeginningandendofsolidification.Theliberatedheat(calledtheheatoftransformation)balancesthedropintemperatureassociatedwithcooling.Thus,solidificationofapuresubstanceisindicatedbyahorizontalthermalarrest.Thisresultisconsistentwithexpectation,sincefreezingofapurecomponenttakesplaceataconstanttemperature.（参见后图）转化热（结晶潜热），赔偿了热量损失，从而冷却曲线出现水平线段2.4.1SolidificationofpureMetals纯金属结晶转化热赔偿了温度降低[,hɔri‘zɔntl]水平与...一致

14第14页洛阳理工学院14图2-13纯金属冷却曲线2.4.1SolidificationofpureMetals纯金属结晶15第15页洛阳理工学院15

2)过冷度

（1）理论结晶温度每一个物质都有一定平衡结晶温度或者称为理论结晶温度。（2）实际结晶温度实际上，液体温度到达理论结晶温度时并不能进行结晶，而必须在它温度以下某一温度（称为实际结晶温度）才开始结晶。（3）过冷度理论结晶温度与实际结晶温度之差△T称为过冷度。△T=T0-T1

2.4.1SolidificationofpureMetals纯金属结晶16第16页洛阳理工学院16

3)晶粒大小与控制

（1）晶粒度单位面积或单位体积内晶粒数目或晶粒平均直径定量表示。晶粒越细，金属强度、塑性和韧性越高。（细晶强化）（2）细晶强化原因晶粒细化后，晶界增多，妨碍位错经过，即妨碍塑性变形，实现了高强度；晶粒越细，在一定体积内晶粒数目多，变形分散在更多晶粒内，变形均匀，每个晶粒中塞积位错少，因应力集中引发开裂机会较少，在断裂前承受较大变形量，既表现出较高塑性；细晶粒中，裂纹不易萌生（应力集中少），也不宜传输，因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高韧性。2.4.1SolidificationofpureMetals纯金属结晶17第17页洛阳理工学院17

3)晶粒大小与控制

（3）形核速度N（形核率）单位时间内在单位体积内形成晶核数（4）长大速度G（长大率）单位时间内晶核长大线速度（5）细化晶粒方法

<1>增加过冷度

过冷度大，形核率>长大率

<2>变质处理

增加非自发晶核

<3>附加振动

使枝晶破碎，增加晶核数

2.4.1SolidificationofpureMetals纯金属结晶18第18页4)铸锭组织18垂直19第19页1920第20页洛阳理工学院20

4)铸锭组织

（1）表层细晶区与模壁接触，冷速快，形成细小等轴晶（2）柱状晶粒区因为垂直于模壁方向散热最快，其它方向长大受限，形成柱状晶（3）中心粗大等轴晶区

中心冷速慢，形核率低2.4.1SolidificationofpureMetals纯金属结晶图2-17铸锭组织示意图21第21页洛阳理工学院