機械工程材料雙語教學(xué)第四章CrystallineImperfectionsandSolidification課件

Crystalline

Imperfectionsand

Solidification晶體缺陷和凝固1洛陽理工學(xué)院12.3金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)

1）單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體稱為~。2）多晶體：由許多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為~。3）晶粒：實際金屬材料是由許多小晶體組成，這種外形不規(guī)則的小晶體稱為~。晶體的分類晶粒多晶體的各個晶粒的位向不同2洛陽理工學(xué)院22.3金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)

1）PointDefects點缺陷2）LinearDefects線缺陷3）PlanarDefects面缺陷金屬的缺陷1.PointDefects點缺陷

Acertainpositions,therearemissingatoms(anormallyoccupiedpositionisvacant)whileinotherplacesatomsarein“wrong”positions(atomsarelocatedinnormallyunoccupiedpositions).Theformerarecalledvacanciesandthelatteraretermedinterstitials.Bothareexmplesofpointdefects.缺失的圖2-14晶體中的原子空位和間隙原子3洛陽理工學(xué)院42.3金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)2.LinearDefects線缺陷1）位錯是晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律錯排的現(xiàn)象2）Typesofdislocation

edgedislocationandscrewdislocation

刃型位錯和螺型位錯Fig.3A3-DrepresentationofAnedgedislocationIn1934SirGeoffreyTaylor,aBritishphysicistandmeteorologist,hypothesizedthatcrystalcouldcontaindefectsfromtheinsertionofpartofanatomsplane,asshowninFig.3.EdgeDislocationLine刃型位錯線5洛陽理工學(xué)院5

1)刃型位錯（EdgeDislocation）晶體在剪力作用下，由于右上部分相對于右下部分發(fā)生局部滑移，在上半部分擠出了一層多余的原子面，猶如刀刃插入到晶體之中。該多余原子面的邊緣就是位錯線。在位錯線附近，由于晶格畸變產(chǎn)生應(yīng)力集中。距位錯線愈遠，晶格畸變愈小，應(yīng)力也愈小，原子排列逐漸趨于正常。洛陽理工學(xué)院EdgeDislocationLine注意：位錯線垂直于滑移方向6洛陽理工學(xué)院6

2)螺型位錯（ScrewDislocation）晶體在剪力作用下，上下兩部分原子沿滑移面ABCD發(fā)生錯動，使aa'右方晶體的上下層原子相對錯動一個原子間距，但在bb'和aa之間出現(xiàn)了一個過渡區(qū)。已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線，即位錯線bb'，不是垂直而是平行于滑移方向注意：位錯線平行于滑移方向7洛陽理工學(xué)院8

GrainBoundariesofcrystals晶界

Theatomsinthedisorderedgrainboundariesaresignificantdisplacedfromtheirequilibriumpositions.Becauseofthisdisplacementandrelatedproblemsassociatedwithimpropercoordinationnumbers,atomsinthegrainboundaryhaveahigherenergythanthoseinthegraininterior.3.

亞晶界

PlanarDefects面缺陷Grain移位一般地，晶粒間的位向差大都在30~40°內(nèi)，晶界大都屬于大角度晶界。亞晶間的位向差則小得多，亞晶界實際上是由一系列刃型位錯組成的小角度晶界。4.

其它的面缺陷還有：堆垛層錯、相界、孿晶界等。配位9洛陽理工學(xué)院9

Thesolidificationofmetalsandalloysisanimportantindustrialprocesssincemostmetalsaremeltedandthencastintoa

semifinishedorfinishedshape.Ingeneralthesolidificationofmetaloralloycanbedividedintothefollowingsteps:Theformationofstablenucleiinthemelt(nucleation)形核Thegrowthofnucleiintocrystals晶核生長Theformationofagrainstructure形成晶體結(jié)構(gòu)2.4SolidificationofMetals金屬的結(jié)晶凝固，結(jié)晶10洛陽理工學(xué)院10

2.4SolidificationofMetals金屬的結(jié)晶11洛陽理工學(xué)院12

2.4SolidificationofMetals金屬的結(jié)晶13洛陽理工學(xué)院13

1)Coolingcurve冷卻曲線Thetwobreaksinthecurvecorrespondtothebeginningandendofsolidification.Theliberatedheat(calledtheheatoftransformation)balancesthedropintemperatureassociatedwithcooling.Thus,solidificationofapuresubstanceisindicatedbyahorizontalthermalarrest.Thisresultisconsistentwithexpectation,sincefreezingofapurecomponenttakesplaceataconstanttemperature.（參見后圖）轉(zhuǎn)化熱（結(jié)晶潛熱），補償了熱量的損失，從而冷卻曲線出現(xiàn)水平線段2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬的結(jié)晶轉(zhuǎn)化熱補償了溫度的降低[,h?ri‘z?ntl]水平的與...一致

14洛陽理工學(xué)院14圖2-13純金屬的冷卻曲線2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬的結(jié)晶15洛陽理工學(xué)院16

3)晶粒大小與控制

（1）晶粒度單位面積或單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)目或晶粒平均直徑定量表示。晶粒越細，金屬的強度、塑性和韌性越高。（細晶強化）（2）細晶強化的原因晶粒細化后，晶界增多，阻礙位錯的通過，即阻礙塑性變形，實現(xiàn)了高強度；晶粒越細，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目多，變形分散在更多的晶粒內(nèi)，變形均勻，每個晶粒中塞積的位錯少，因應(yīng)力集中引起的開裂機會較少，在斷裂前承受較大的變形量，既表現(xiàn)出較高的塑性；細晶粒中，裂紋不易萌生（應(yīng)力集中少），也不宜傳播，因而在斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高的韌性。2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬的結(jié)晶17洛陽理工學(xué)院17

3)晶粒大小與控制

（3）形核速度N（形核率）單位時間內(nèi)在單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)（4）長大速度G（長大率）單位時間內(nèi)晶核長大的線速度（5）細化晶粒的方法

<1>增加過冷度

過冷度大，形核率>長大率

<2>變質(zhì)處理

增加非自發(fā)晶核

<3>附加振動

使枝晶破碎，增加晶核數(shù)

2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬的結(jié)晶184)鑄錠組織18垂直的19洛陽理工學(xué)院20

4)鑄錠組織

（1）表層細晶區(qū)與模壁接觸，冷速快，形成細小的等軸晶（2）柱狀晶粒區(qū)由于垂直于模壁的方向散熱最快，其他方向長大受限，形成柱狀晶（3）中心粗大等軸晶區(qū)

中心冷速慢，形核率低2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬的結(jié)晶圖2-17鑄錠組織示意圖21洛陽理工學(xué)院21

(4)鑄錠性能：

表層細晶區(qū)，力學(xué)性能高，但太薄，