工程材料第二章 (二)

§2-3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、單晶體與多晶體（一）單晶體：其內(nèi)部的晶格位向完全一致的一塊晶體晶粒：（這些）金屬中晶格位向一致的顆粒狀小晶體稱為晶粒。(尺寸為10-1～10-3mm)晶界：晶粒之間的邊界。（如圖）（二）多晶體：其內(nèi)部由多個(gè)晶粒組成的晶體晶粒示意圖多晶體內(nèi)相鄰的兩個(gè)晶粒之間的原子排列取向一般存在著大于15°的位向差。實(shí)際上在每個(gè)晶粒的內(nèi)部的不同區(qū)域晶格位向也可能存在著小差別（10～20′——1~2°）（三）亞晶粒：（這些）在晶格位向上彼此有微小差別的晶內(nèi)小區(qū)域稱為亞晶粒；與之對(duì)應(yīng)的亞晶粒間的界面稱為亞晶界。二、實(shí)際金屬晶體的缺陷晶體缺陷：實(shí)際晶體中原子排列不規(guī)律的地方。在這里晶格失去了完整性。晶體缺陷按幾何形狀分為三類：（點(diǎn)、線、面）（一）點(diǎn)缺陷：其幾何特征是在x、y、z三方向上尺寸都很小（原子尺寸）。常見的：空位：在晶格結(jié)點(diǎn)的正常位置上沒有原子（因熱振動(dòng)等離去）。間隙原子：在晶格間隙處有多余的原子?？瘴缓烷g隙原子示意圖點(diǎn)缺陷的存在使周圍晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生局部?jī)?nèi)應(yīng)力，對(duì)晶體的性能產(chǎn)生影響。其中：間隙原子僅產(chǎn)生正畸變（原子受壓應(yīng)力）；而空位只產(chǎn)生負(fù)畸變（原子受拉應(yīng)力）。

空位間隙原子（二）線缺陷——位錯(cuò)（線）：其幾何特征是在兩個(gè)方向上尺寸很小，另一方向上尺寸很大（像一條線）也稱一維缺陷。位錯(cuò)（位錯(cuò)線）：在晶格中，有規(guī)律錯(cuò)排的原子列。最基本位錯(cuò)之一是刃型位錯(cuò)（如圖1-10），以符號(hào)“⊥”形象地表示。位錯(cuò)還有其它類型的。圖1-10刃型位錯(cuò)位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積晶體中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。（三）面缺陷——晶界和亞晶界：其幾何特征是在一個(gè)方向上尺寸很小，在另兩個(gè)方向上尺寸很大。位錯(cuò)在金屬中的密度通常為:

104～1012cm/cm3.由于位錯(cuò)存在，將產(chǎn)生畸變（管狀畸變），位錯(cuò)的存在

對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響.這種晶體缺陷的存在，是晶體中不同晶格位向相鄰晶粒之間的過渡所形成的面缺陷（如圖1-12a）。而亞晶界這種晶體缺陷，是亞晶粒間所存在的微小晶格位向差形成的面缺陷（如圖1-12b）?？梢园阉醋魇且环N位錯(cuò)的堆積或稱“位錯(cuò)墻”。（a）（b）晶界圖1－12晶界（a）及亞晶界（b）示意圖圖1－12晶界（a）及亞晶界（b）示意圖三、晶體缺陷對(duì)金屬性能的影響（一）產(chǎn)生偽各向同性：由于金屬是由很多晶粒組成，每個(gè)晶粒雖然有各向異性，但不同位向的各晶粒的綜合作用結(jié)果，使實(shí)際金屬的各方向上性能一樣，好象是各向同性的，所以稱為偽各向同性。原因：晶粒平均直徑=10-1～10-3mm，1cm3有晶粒數(shù)＞106（個(gè)）。所以：各晶粒間采長(zhǎng)補(bǔ)短、使性能各向同性，掩蓋了各向異性。由于在金屬晶體中存在著上述的晶體缺陷，破壞了晶格原子排列的規(guī)律性和完整性，并導(dǎo)致晶格的局部畸變，從而對(duì)金屬的性能、特別是機(jī)械性能產(chǎn)生很大的影響。（二）對(duì)機(jī)械性能的影響：缺陷晶格發(fā)生畸變畸變能↑提高強(qiáng)度（點(diǎn)線缺陷降低韌性）。晶界細(xì)化晶?！Ы缑娣e↑面缺陷↑強(qiáng)度并↑韌性（綜合機(jī)械性能↑）當(dāng)然缺陷也影響理、化性能等等耐蝕性↓電阻↑通常情況下，位錯(cuò)密度越高，金屬的強(qiáng)度越大。通過后面的學(xué)習(xí)我們會(huì)知道，通過劇烈的冷變形可使晶體的位錯(cuò)密度達(dá)到很高（1012cm/cm3）。

提高位錯(cuò)密度是目前提高金屬?gòu)?qiáng)度的常用手段之一。通過細(xì)化晶粒提高金屬材料強(qiáng)度和韌性的的方法稱為“細(xì)晶強(qiáng)化”§2-4金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的基本概念（一）凝固與結(jié)晶：凝固L→S

的過程（由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程）結(jié)晶L→S晶的過程（由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體的過程）（二）理論結(jié)晶溫度：凡是純?cè)兀ń饘俜墙饘伲┒加幸粋€(gè)嚴(yán)格不變的溫度點(diǎn)，在這溫度，液體與晶體永遠(yuǎn)共存，這個(gè)溫度就稱為

。符號(hào)

。理論結(jié)晶溫度T0理論上，上述溫度

就是液態(tài)和晶態(tài)的分界線：當(dāng)T＞T0時(shí)S→L（由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)）當(dāng)T＜T0時(shí)L→S（由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)）當(dāng)T＝T0時(shí)LS

（液態(tài)、固態(tài)平衡共存）（三）自由能：物質(zhì)中能夠自動(dòng)向外界釋放出其多余的或能夠?qū)ν庾鞴Φ倪@部分能量（F）稱為自由能。任何物體都具有釋放能量，降低能量使其趨于穩(wěn)定平衡的趨勢(shì)，如高處的物質(zhì)，不同溫度的兩物體接觸，而結(jié)晶或凝固的過程就是一個(gè)降低能量的過程，其驅(qū)動(dòng)力，就是?！白杂赡懿睢保é）T0FSΔTTnT0FLΔF＝FL－FS溫度T自由能F如右圖，液體、晶體的原子結(jié)構(gòu)不同，所以，其自由能F隨溫度T的變化也不同。T↑F↓；但FL↓＞FS↓，交點(diǎn)T0當(dāng)Tn＜T0時(shí)ΔF=FL-FSL→S晶當(dāng)Tn＞T0時(shí)ΔF=FS-FLS晶→L當(dāng)Tn＝T0時(shí)ΔF=0S晶L可見，自由能差ΔF是靠ΔT=T0－Tn來(lái)獲得的，所以，ΔT是結(jié)晶過程中的一個(gè)重要參數(shù)。無(wú)驅(qū)動(dòng)力，如平面上的球、等溫的兩物體說明：金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度Tn總是要低于理論結(jié)晶溫度T0。（四）過冷度：實(shí)際結(jié)晶溫度（Tn）與理論結(jié)晶溫度（T0）之差：

ΔT=T0-Tn過冷度ΔT越大則ΔF越大、則結(jié)晶驅(qū)動(dòng)越大，結(jié)晶傾向也越大。一般情況下，結(jié)晶潛熱：在液體向晶體結(jié)晶過程中，自由能差所產(chǎn)生的剩余能量將以熱的形式向外界釋放，我們稱之為“結(jié)晶潛熱”。過冷度越大，則自由能差越大，結(jié)晶潛熱也越大；另外，結(jié)晶時(shí)的潛熱析出將補(bǔ)償晶體物質(zhì)向環(huán)境散熱引起的溫度下降，使過冷度減小。其結(jié)果將形成一種動(dòng)態(tài)平衡，可使過冷度ΔT保持不變，換句話說，在一定的環(huán)境條件下，晶體的結(jié)晶溫度是不變的，結(jié)晶過程是在恒溫下進(jìn)行的，直至結(jié)晶結(jié)束。利用上述現(xiàn)象，我們可以進(jìn)行晶體實(shí)際結(jié)晶溫度的測(cè)量，這種測(cè)量方法稱為“

”。此法是將被測(cè)定的晶體先加熱融化，然后以緩慢的速度進(jìn)行冷卻，冷速越慢，過冷度ΔT就越小，測(cè)得的實(shí)際結(jié)晶溫度就越接近理論結(jié)晶溫度。在冷卻過程中，將溫度隨時(shí)間的變化記錄下來(lái)，對(duì)純?cè)鼐w，就可得到如下圖所示的“冷卻曲線”。熱分析法ΔTTT0Tn純金屬結(jié)晶冷卻曲線示意圖（五）冷卻曲線：物體在液態(tài)冷卻結(jié)晶過程中所作出的τ-T曲線。（如右圖）冷卻曲線中出現(xiàn)的水平臺(tái)階的溫度就是實(shí)際結(jié)晶溫度。二、金屬結(jié)晶的基本過程基本過程：晶核的形成與晶核

的長(zhǎng)大。(如右圖所示)（一）晶核的形成金屬結(jié)晶時(shí)1.均勻形核或自發(fā)形核：形核時(shí)由該金屬本身在液體中直接產(chǎn)生晶核。形核方式有兩種：液體金屬中原子熱運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，因此原子排列是混亂的。但在接近結(jié)晶溫度時(shí)，液體金屬中也會(huì)出現(xiàn)一些小范圍規(guī)則排列的原子集團(tuán)。當(dāng)這種原子集團(tuán)的半徑大于某一個(gè)臨界值rc時(shí)，它們繼續(xù)長(zhǎng)大會(huì)造成系統(tǒng)自由能的降低，因而能自發(fā)的長(zhǎng)大，這些原子集團(tuán)就會(huì)成為結(jié)晶核心。rc稱為晶核的臨界半徑，它隨過冷度的增大而減小。在過冷度較大時(shí)，原來(lái)不能成為結(jié)晶核心的小原子團(tuán)也可能成為結(jié)晶核心。2.非均勻形核或非自發(fā)形核：形核時(shí)以已有的模壁或液體中未熔的高熔點(diǎn)雜質(zhì)顆粒等外來(lái)質(zhì)點(diǎn)作為結(jié)晶的核心。晶核：就是能真正成長(zhǎng)為晶體的原子集團(tuán)。（二）晶核的長(zhǎng)大晶核的長(zhǎng)大方式：金屬的長(zhǎng)大形式通常是枝晶長(zhǎng)大（如圖）三、金屬鑄錠及金屬鑄件在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬通常是在鑄?；蜩T型中凝固成固態(tài)的，可分別得到金屬鑄錠（具有一定形狀的金屬塊，通常需經(jīng)一定的塑性加工變形后再使用）或鑄件（具有特定產(chǎn)品形狀的金屬部件，通?？山?jīng)過一定的切削加工或不加工而直接使用）。這個(gè)過程可稱為鑄造。對(duì)于金屬鑄錠，一般由表層細(xì)晶粒區(qū)、柱狀晶粒區(qū)和中心等軸晶粒區(qū)。（一）表面細(xì)晶粒區(qū)模壁T↓→冷卻速度↑→ΔΤ↑+人工晶核（模壁）→晶粒等軸、細(xì)小、均勻。三個(gè)部分組成（二）柱狀晶區(qū)隨時(shí)間推移→

模型T↑→冷卻速度↓

ΔT↓形核率下降向模壁定向散熱

晶粒定向長(zhǎng)大柱狀晶（三）中心等軸晶區(qū)隨時(shí)間進(jìn)一步推移散熱能力↓

→散熱方向性↓→均勻冷卻且冷卻速度↓又：雜質(zhì)聚集，枝晶折斷晶核各向均長(zhǎng)大粗等軸晶金屬鑄錠示意圖實(shí)際金屬鑄錠（四）鑄造缺陷

——如前述的三層晶區(qū)凝固條件不同，三區(qū)可相對(duì)增減

——體積收縮造成，在最后凝固處，因得不到鋼液的補(bǔ)充而形成；——在縮孔、疏松周圍還常有積聚各種低熔點(diǎn)雜質(zhì)的區(qū)域（最后凝固所至）⑤氣泡、裂紋、非金屬夾雜，晶內(nèi)偏析（化學(xué)成分不均）等等。①組織不均勻②縮孔——在縮孔周圍形成的微小分散孔隙③疏松④區(qū)域偏析四、結(jié)晶過程中晶粒的大小及其影響因素在結(jié)晶過程中，晶核的形成和成長(zhǎng)快慢由兩個(gè)參數(shù)來(lái)控制的：形核率N——形核數(shù)／s·mm3生長(zhǎng)率G——mm/s最后得到的晶粒大小，與N、G有關(guān)在體積一定時(shí)N↑→晶粒尺寸↓；G↑→晶粒尺寸↑可見，晶粒的大小取決于比值N/G，N/G↑→d晶↓（一）過冷度ΔT的影響在結(jié)晶過程中G、N與過冷度ΔT和自由能差ΔF有關(guān)：ΔT

↑

→

ΔF↑→G、N↑。但是隨過冷度（ΔT）的增大

G、N增大速度不同。其結(jié)果如右圖所示在工業(yè)上通常過冷度

ΔT＜ΔTK所以，一般地，冷卻速度↑→ΔΤ↑，則N/G↑→d晶↓→機(jī)械性能↑形核率N和生長(zhǎng)速度G與過冷度ΔT的關(guān)系圖（二）未熔雜質(zhì)的影響金屬熔液