金屬學第三章 金屬結晶過程

1、1.純金屬的結晶條件2.純金屬的結晶過程3.同素異構轉變4.細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施第第3 3章章 金屬的結晶金屬的結晶1.1.純金屬的結晶條件純金屬的結晶條件晶體液體液體結晶結晶結晶： 液體液體 - - 晶體晶體凝固： 液體液體 - - 固體（晶體固體（晶體 或或 非晶體）非晶體）冷卻曲線冷卻曲線tTT0Tn理論結晶溫度開始結晶溫度 TT= T0 - Tn純金屬結晶的條件就是應當有一定的過冷度（克服界面能）冷卻速度越大，則過冷度越大。冷卻速度越大，則過冷度越大。2.2.純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程液態(tài)金屬液態(tài)金屬形核形核晶核長大晶核長大完全結晶完全結晶形核形核和和晶核長大晶核長大的過程的過

2、程（1 1）形核過程）形核過程兩種形核方式兩種形核方式 自發(fā)形核自發(fā)形核 與與 非自發(fā)形核非自發(fā)形核自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。的結晶核心。非自發(fā)形核非自發(fā)形核 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。（1 1）形核過程）形核過程兩種形核方式兩種形核方式 自發(fā)形核自發(fā)形核 與與 非自發(fā)形核非自發(fā)形核自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結晶核心。的結晶核心。非自發(fā)形核非自發(fā)形核 是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶

3、核。是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。（2 2）晶核長大過程）晶核長大過程兩種長大方式 平面生長平面生長 與 樹枝狀生長樹枝狀生長。平面生長樹枝狀生長4.細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度晶粒度 表示晶粒大小，分表示晶粒大小，分8 8級級（p111)p111)。晶粒度晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)單位面積晶粒數(shù)（個（個/ /mmmm2 2）1632641282565121024 2048晶粒平均直徑晶粒平均直徑（mm）2501771258862443122細晶強化細晶強化 晶粒細化使金屬機械性能提高的現(xiàn)象晶粒細化使金屬機械性能提高的現(xiàn)象比較：比較： 細晶強化細晶強化-強度、硬度、塑性、韌性強度、硬

4、度、塑性、韌性 固溶強化固溶強化-強度、硬度強度、硬度，塑性、韌性，塑性、韌性細化晶粒的措施細化晶粒的措施1.1.提高過冷度提高過冷度2.2.變質(zhì)處理變質(zhì)處理3.3.振動結晶振動結晶（1 1）提高過冷度）提高過冷度形核率形核率N 、長大速度長大速度G 與與 過冷度過冷度T 的關系的關系TG，NGN（2 2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理在液體金屬中加入在液體金屬中加入變質(zhì)劑變質(zhì)劑( (孕育劑孕育劑) )，以細化晶粒和改善組織，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。的工藝措施。在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁，鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合入鈦、釩、鋁，鑄鐵中加入硅

5、鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金，都可使晶粒細化。金，都可使晶粒細化。 變質(zhì)劑的作用變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3 3）振動結晶）振動結晶振動的作用振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細化。：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細化。機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。（4 4）電磁攪拌電磁攪拌 將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感將正在結晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的應現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結晶的樹枝狀晶體的晶，增加結晶

6、核心，從而可細化晶粒。晶，增加結晶核心，從而可細化晶粒。3 3同素異構轉變同素異構轉變金屬在固態(tài)下晶體結構隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。金屬在固態(tài)下晶體結構隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。純鐵的同素異構轉變純鐵的同素異構轉變-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcc -Fe，bcc912 C純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770鐵磁性五金屬鑄錠的組織特點 細等軸晶區(qū) 液體金屬注入錠模時，由于錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核。同時模壁也

7、能起非自發(fā)晶核的作用。結果，在金屬的表層形成一層厚度不大、晶粒很細的細晶區(qū)。(1)細等軸晶區(qū)； (2)柱狀晶區(qū)； (3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結構五金屬鑄錠的組織特點 柱狀晶區(qū) 細晶區(qū)形成的同時，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過冷度減小， 生核速率降低，但此時長大速度受到的影響較小。結晶時，優(yōu)先長大方向（即一次晶軸方向）與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長大，結果形成柱狀晶區(qū)。(1)細等軸晶區(qū)； (2)柱狀晶區(qū)； (3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結構五金屬鑄錠的組織特點 粗等軸晶區(qū) 隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過冷度大大減小，溫度差不斷降低，趨于

8、均勻化；散熱逐漸失去方向性，所以在某個時候，剩余液體中被推來和漂浮來的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶核，向各個方向均勻長大，最后形成一個粗大的等軸晶區(qū)。(1)細等軸晶區(qū)； (2)柱狀晶區(qū)； (3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結構缺陷缺陷點缺陷點缺陷線缺陷線缺陷 (位錯位錯)面缺陷面缺陷分類：空位、間隙原子分類：空位、間隙原子熱缺陷：弗侖克爾缺陷、肖特基缺陷熱缺陷：弗侖克爾缺陷、肖特基缺陷點缺陷濃度點缺陷濃度 位錯類型位錯類型刃型位錯刃型位錯螺型位錯螺型位錯混合位錯混合位錯柏氏矢量柏氏矢量表面表面晶界晶界相界相界實際金屬的缺陷實際金屬的缺陷點缺陷：三維方向上尺寸都很?。ㄟh小于晶體或晶點缺陷

9、：三維方向上尺寸都很?。ㄟh小于晶體或晶粒的線度），又稱零維缺陷。典型代表有空位、間粒的線度），又稱零維缺陷。典型代表有空位、間隙原子等。隙原子等。 線缺陷：兩個方向尺寸很小，一個方向尺寸較大（線缺陷：兩個方向尺寸很小，一個方向尺寸較大（可以和晶體或晶粒線度相比擬），又稱為一維缺陷可以和晶體或晶粒線度相比擬），又稱為一維缺陷。位錯是典型的線缺陷。位錯是典型的線缺陷。面缺陷：一個方向尺寸很小，另兩個方向尺寸較大面缺陷：一個方向尺寸很小，另兩個方向尺寸較大，又稱二維缺陷。如晶粒間界、晶體表面、層錯等，又稱二維缺陷。如晶粒間界、晶體表面、層錯等。體缺陷：如果在三維方向上尺度都較大，那么這種體缺陷：如果

10、在三維方向上尺度都較大，那么這種缺陷就叫體缺陷，又稱三維缺陷。如沉淀相、空洞缺陷就叫體缺陷，又稱三維缺陷。如沉淀相、空洞等。等。缺陷的分類缺陷的分類點缺陷的分類點缺陷的分類點缺陷對材料性能的影響點缺陷對材料性能的影響u點缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。點缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。u點缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點缺陷時，點缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點缺陷時，對傳導電子產(chǎn)生了附加的電子散射，使電阻增大。對傳導電子產(chǎn)生了附加的電子散射，使電阻增大。u空位對金屬的許多過程有著影響，特別是對高溫下進行的空位對金屬的許多過程有著影響，特別是對高溫下進行的過程起著重要的

11、作用。過程起著重要的作用。u金屬的擴散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化金屬的擴散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學熱處理、表面氧化、燒結等過程都與空位的存在和運動有學熱處理、表面氧化、燒結等過程都與空位的存在和運動有著密切的聯(lián)系。著密切的聯(lián)系。 u過飽和點缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的過飽和點缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強度。屈服強度。晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線垂直于滑移方向，則晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線垂直于滑移方向，則會存在一多余半排原子面，使此處上下兩部分晶體產(chǎn)生原會存在一多余半排原子面，使此處上下兩部分晶體產(chǎn)生原子錯排，這種晶體

12、缺陷稱為刃型位錯。子錯排，這種晶體缺陷稱為刃型位錯。多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，記為多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，記為“”；相反，半排原子面在滑移面下方的稱負刃型位錯；相反，半排原子面在滑移面下方的稱負刃型位錯，記為，記為“”。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。個原子面。線缺陷線缺陷刃型位錯的結構特征刃型位錯的結構特征 有一額外的半原子面，分正和負刃型位錯；有一額外的半原子面，分正和負刃型位錯； 可理解為是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可是可理解為是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可是直線也可是折線和曲線，但它們必與滑移方向

13、和直線也可是折線和曲線，但它們必與滑移方向和滑移矢量垂直；滑移矢量垂直； 只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移平面只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移平面上滑移；上滑移； 位錯周圍點陣發(fā)生彈性畸變，有切應變，也有正位錯周圍點陣發(fā)生彈性畸變，有切應變，也有正應變；應變； 位錯畸變區(qū)只有幾個原子間距，是狹長的管道，位錯畸變區(qū)只有幾個原子間距，是狹長的管道，故是線缺陷故是線缺陷。晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）若平行于滑移方向，則在該處附近原子平面已扭曲若平行于滑移方向，則在該處附近原子平面已扭曲為螺旋面，這種晶體缺陷稱為螺型位錯。為螺旋面

14、，這種晶體缺陷稱為螺型位錯。符合右手法則的稱右螺旋位錯；符合左手法則的稱符合右手法則的稱右螺旋位錯；符合左手法則的稱為左螺旋位錯。為左螺旋位錯。CBADABC 螺型位錯的結構特征螺型位錯的結構特征 無額外的半原子面，原子錯排程軸對稱，無額外的半原子面，原子錯排程軸對稱，分右旋和左旋螺型位錯；分右旋和左旋螺型位錯； 一定是直線，與滑移矢量平行，位錯線移一定是直線，與滑移矢量平行，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直；動方向與晶體滑移方向垂直； 滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面；面都可以作為它的滑移面； 位錯周圍點陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平位錯周圍點陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應變而無正應變，即不引行于位錯線的切應變而無正應變，即不引起體積的膨脹和收縮；起體積的膨脹和收縮； 位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣是線位錯