金属的结晶过程课件讲解

金属及合金的结晶过程机电工程学院机械教研室2020/2/3引入亲爱的同学们看过之前的视频后大家有什么感想吗？我们使用的许多零件都是通过铸造、锻造、焊接、热处理等方法加工成型的，在前面的学习中我们认识到若能提高性能就能节约材料、降低成本，因此为为了强化材料性能必须从其制备过程中进行跟踪，采取各种措施不断强化，下面就让我们学习上述加工方法的基本原理——金属的结晶过程纯金属结晶过程晶体概述合金的结晶过程小结01020304导学晶体概述01导学金属的晶体结构物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原子（或分子、离子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。

C60金属的晶体结构晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。晶体具有各向异性。非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。金刚石晶格SiO2非晶态金属的晶体结构石墨及其晶格金刚石及其晶格组成成分相同，但晶体结构不同的两种晶体，其性能不同！金属的晶体结构

在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子,所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有,所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云，金属正离子沉浸在电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用而使金属原子结合起来形成金属晶体。这种原子结合方式称为金属键。金属的晶体结构把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空间格架称为晶格。组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常数，单位是10-10m(Å)；晶胞各边夹角以a、b及g表示。caX

b

ba

YZ原子排列模型

晶格晶胞简单立方晶体金属的晶体结构在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（Miller）指数。常见金属的晶体结构体心立方BCC(body-centercubic)面心立方

FCC(face-centeredcubic)密排六方HCP(hexagonalclose-packed)模型晶胞原子数密排面常见金属的晶体结构晶格常数为a(a=b=c)，致密度为68%晶胞原子数为2属于这种晶格类型的金属有a-Fe（912℃以下纯铁）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）等。

模型晶胞晶胞原子数（1）体心立方晶格（BCC）金属的晶体结构模型晶胞晶胞原子数晶格常数为a(a=b=c)，致密度为74%晶胞原子数为4属于这类晶格的金属有g-Fe（912~1394℃的纯铁）、铜（Cu）、铝（Al）、镍（Ni）等。（2）面心立方晶格（FCC）金属的晶体结构晶胞是一个六方柱体，柱体的上下底面六个角及中心各有一个原子,柱体中心还有三个原子，致密度为74%晶胞原子数为6属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等。（3）密排六方晶格（HCP）模型晶胞晶胞原子数几种典型晶体结构对比晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属

a＝b＝cα＝β＝γ＝90°

a＝b＝c

α＝β＝γ＝90°0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti

a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90°

,γ＝120°单晶体与多晶体结晶方位完全一致的晶体，称为单晶体。通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。单晶体多晶体晶粒晶界食盐晶体金属晶体纯金属的结晶过程02导学金属是怎么结晶的呢？液相无序原子形成晶格形成单晶体/多晶体纯金属的结晶条件通过热分析法，将液态金属放在坩埚中及其缓慢冷却，可得到金属结晶时温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线。金属冷却曲线的测定金属的结晶条件曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热补偿了冷却时散失的热量引起的，即结晶在恒温下进行。纯金属都有一个理论结晶温度Tm（熔点或平衡结晶温度）。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在Tm以下的实际结晶温度下Tn才能进行。时间ΔTTmTn温度纯金属结晶的条件液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差

T称为过冷度

T=Tm–Tn过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。过冷是金属结晶的必要条件。Tm纯金属的结晶过程金属的结晶包括两个基本过程：形核与长大。结晶过程示意图

由于有序原子集团的尺寸很小，所以把液态金属结构的特点概括为近程有序。温度降低，这些近程有序的原子集团（又称为晶胚）尺寸会增大；当具备结晶条件时，大于一定尺寸的晶胚就会成为晶核。晶核的出现就意味着结晶开始了。

气态结构液态结构固态结构纯金属的结晶过程

微观过程:合金的结晶过程03导学合金是什么？

合金:

两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结，或用其它方法结合而成的具有金属特性的物质。如：钢（Fe-C）合金锡青铜(Cu-Sn(<14%)）合金合金的结构组元——组成合金最基本的、能独立存在的物质。

Fe-C合金：Fe(组元一)-Fe3C(组元二)根据组元数分为：

二元合金、三元合金、多元合金。合金系——由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金系统。例：Fe-C:90%Fe、80%Fe、50%Fe、20%Fe虽然铁元素含量不同但属于同一合金系

合金的性能像谁呢？相(phase)——指合金中结构相同，成分和性能均一，并有界面与其他部分分开的组成部分。金属或合金均由相构成——单相合金、多相合金。

用α、β、γ、δ、η、θ等表示组织：相的聚集形态单相固态合金金相多相固态合金金相并非简单取决于组元含量多少，而是由合金组织的结构来决定相的种类1固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且晶格类型与组元之一相同的固相称之为固溶体(α-Fe)。2金属化合物合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相称之为金属化合物(Fe3C)。机械混合物二元合金相图给定的合金系究竟以什么状态(相)存在，包含哪些相，这是由内因、外因条件所决定的，内因则是化学成分，外因是温度和压力。一般用相图来表示它们之间的关系。相图:

表示在平衡条件下，合金系中合金的状态(相)与温度、成分之间关系的图解，又称状态图或平衡图。

二元合金相图建立方法A-B二元合金系A金属百分含量B金属百分含量合金1100%0%合金290%10%合金380%20%……..……..…….合金920%80%合金1010%90%合金110%100%配置一系列组元相同含量不同的合金系相的种类二元合金相图用纵坐标表示温度变化，横坐标表示成分变化。一般采用热分析法。原理是结晶凝固时释放凝固潜热。二元合金相图时间温度90705030AB温度AB温度12二元合金相图CuNiNi(%)a1(x1,T1)b1(x1,T1,)a2(x2,T2)an(xn,Tn)b2(x2,T2,)bn(xn,Tn,)温度(℃)相图的概念液相线固相线二元合金相图B点相状态:α单相A点相状态: