1、金属学全册配套最金属学全册配套最 完整精品课件完整精品课件 思考思考: 1.什么是金属什么是金属? 2.金属原子是如何结合到一起的金属原子是如何结合到一起的? 3.为什么不同原子的金属性能不同为什么不同原子的金属性能不同? 4.为什么同种原子的金属有时性能也不同为什么同种原子的金属有时性能也不同? 5.金属的内部组织结构是什么样子金属的内部组织结构是什么样子? 第一章第一章 金属的晶体结构金属的晶体结构 1.1 金属金属 金属金属: 具有正的电阻温度系数的物质具有正的电阻温度系数的物质. 非金属非金属: 具有负的电阻温度系数的物质具有负的电阻温度系数的物质. 1金属原子的结构特点金属原子的结构
2、特点: 孤立的自由原子孤立的自由原子=带正电的原子核带正电的原子核+带负电的核外电子带负电的核外电子 核外电子核外电子=内层电子内层电子+外层电子外层电子 价电子价电子= 最外层的电子最外层的电子 金属原子的结构特点金属原子的结构特点: 外层外层 4个价电子个价电子; 正电性元素正电性元素. 非金属原子的结构特点非金属原子的结构特点: 外层外层4-7个价电子个价电子;负电性元素负电性元素. 过渡族金属原子的结构特点过渡族金属原子的结构特点: 化合价可变化合价可变. 二二.金属键金属键 离子键离子键: 氯化钠氯化钠 共价键共价键: 金刚石金刚石 金属键金属键: 电子云电子云 三三.结合力与结合能
3、结合力与结合能 原子间结合力原子间结合力= 原子间吸引力原子间吸引力+ 排斥力排斥力 do:平衡点平衡点, 吸引力吸引力 = 排斥力排斥力. 结合力结合力=0. dc: 最大结合力最大结合力 = 理论抗拉强度理论抗拉强度. 原子间结合能原子间结合能 = 原子间吸引能原子间吸引能+ 排斥能排斥能 do: 结合能最低结合能最低, 原子的势能最低、最稳定。原子的势能最低、最稳定。 EAB:原子间结合能原子间结合能 当大量原子结合成固体时，为使固态金当大量原子结合成固体时，为使固态金 属具有最低的能量，以保持其稳定状态，大属具有最低的能量，以保持其稳定状态，大 量原子间必须保持一定的平衡距离，是固态量
4、原子间必须保持一定的平衡距离，是固态 金属的原子趋于规则排列的重要原因金属的原子趋于规则排列的重要原因。 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶体晶体: 在三维空间作有规律的周期性排列的物质在三维空间作有规律的周期性排列的物质. 非晶体：内部原子是散乱分布的。非晶体：内部原子是散乱分布的。 在一定条件下，晶体和非晶体可以互相转换。在一定条件下，晶体和非晶体可以互相转换。 一一.晶体的特性晶体的特性 有一定熔点有一定熔点. 各向异性各向异性. 二.晶格与晶胞晶格与晶胞 阵点阵点(结点结点)： 原子（离子、分子、原子群、分子群）抽象的几何点。原子（离子、分子、原子群、分子群）抽象的几何点。 空间
5、点阵空间点阵(晶格晶格)： 用直线将阵点连接起来，构成一个描述晶体中原子排列用直线将阵点连接起来，构成一个描述晶体中原子排列 规律的三规律的三 维空间格架。维空间格架。 晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元。晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元。 晶格常数（点阵常数）：晶胞的棱边长度，晶格常数（点阵常数）：晶胞的棱边长度，X、Y、Z轴为轴为a, b, c. 轴夹角：晶胞的棱边夹角，轴夹角：晶胞的棱边夹角，Y-Z、Z-X、X-Y为为 、 、 。 三三. 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构 (一一) 体心立方晶格体心立方晶格-BCC(body centered c
6、ubic) 结构特点结构特点 原子半径原子半径 原子数原子数:1+1/8 x8=2 配位数配位数: 8 (与任一原子等距离、最近邻的原子总数）与任一原子等距离、最近邻的原子总数） 致密度：致密度：0.68 (K=nV1/V) (二二) 面心立方晶格面心立方晶格-FCC(face centered cubic) 结构特点结构特点: 原子半径原子半径 原子数原子数:1/8 x8 +1/2 x6 =4 配位数配位数:3x4=12 致密度致密度:0.74 (三三) 密排六方晶格密排六方晶格-HCP(hexagonal close-packed) 结构特点结构特点 原子半径原子半径: a/2 原子数原子
7、数:1/6 x 12+ x2 +3=6 配位数配位数:6+2x3=12 致密度致密度:0.74 c/a=1.633 (四四). 晶体中的原子堆垛方式和间隙晶体中的原子堆垛方式和间隙 密排面密排面:晶体中晶体中, 原子间最紧密排列的平面原子间最紧密排列的平面. 密排六方晶格密排六方晶格:底面底面; 面心立方晶格面心立方晶格: (111) 体心立方晶格体心立方晶格:(110) (次密排面次密排面) 1.晶体中的原子堆垛方式晶体中的原子堆垛方式 体心立方晶格体心立方晶格:ABABAB 面心立方晶格面心立方晶格:ABCABCABC 密排六方晶格密排六方晶格:ABABAB 2.晶体中的间隙晶体中的间隙
8、体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格 四四.晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数 晶向晶向u v w :晶体中晶体中,任意两个原子之间的连线所指的方向任意两个原子之间的连线所指的方向. 晶面晶面(h k l ):晶体中晶体中,由一系列原子所组成的平面由一系列原子所组成的平面. 1.晶向指数晶向指数 确定方法确定方法: 晶向族晶向族:原子排列相同但是空间位向不同的所有晶向原子排列相同但是空间位向不同的所有晶向. 某一晶体中某一晶体中,一个晶向表示一组平行的原子分布相同的直线一个晶向表示一组平行的原子分布相同的直线. 若两个晶向数字和顺序相同若两个晶向数字和
9、顺序相同, 但是符号但是符号(正负号正负号)相反表示直线方向相反相反表示直线方向相反. 2.晶面指数晶面指数 确定方法确定方法 晶面族晶面族h k l :在同一晶体结构中在同一晶体结构中, 虽然空间位向不同虽然空间位向不同, 但是其原子排列但是其原子排列 的情的情 况完全相同的所有晶面况完全相同的所有晶面. 某一晶体中某一晶体中,一个晶面表示一组平行的原子分布相同的一个晶面表示一组平行的原子分布相同的 平面平面. 若两个晶面数字和顺序相同若两个晶面数字和顺序相同, 但是符号但是符号(正负号正负号)相反表相反表 示两组晶面平行示两组晶面平行. 3. 六方晶系的晶向指数和晶面指数六方晶系的晶向指数
10、和晶面指数 晶向晶向u v t w , t= -(u+v) 晶面晶面(h k i l ), i= -(h+k) 4.晶向指数和晶面指数的关系晶向指数和晶面指数的关系 五五. 晶体的各向异性晶体的各向异性 (原因原因:原子在不同晶向上的紧密程度不同原子在不同晶向上的紧密程度不同) 多晶体多晶体 伪等向性伪等向性 六六. 多晶型性多晶型性 多晶型转变多晶型转变 (同素异构转变同素异构转变) 立方结构的晶体中立方结构的晶体中, 当当晶向晶向u v w 平行平行(位于位于)晶面晶面(h k l )时时,满足满足: hu+kv+lw = 0 当当晶向晶向u v w 垂直晶面垂直晶面(h k l )时时,
11、满足满足: h=u; k=v; l=w 1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 晶体缺陷晶体缺陷:一些原子偏离规则排列的不一些原子偏离规则排列的不 完整区域完整区域. 晶体缺陷类型晶体缺陷类型: 点缺陷点缺陷,面缺陷面缺陷,线缺陷线缺陷. 一一.点缺陷点缺陷 (一一) 空位空位 形成形成; 运动运动;消失消失; 作用作用: 扩散扩散 晶体畸变晶体畸变: (二二)间隙原子间隙原子 (三三)置换原子置换原子 二二.线缺陷线缺陷-位错位错 刃型位错刃型位错, 螺型位错螺型位错. (一一) 刃型位错刃型位错 位错线位错线 分类分类: 正正(负负)刃型位错刃型位错 形成形成:切应力切应力 滑移面滑
12、移面 应力场应力场: 刃型位错与间隙刃型位错与间隙(置换置换)原子的相互作用原子的相互作用 刃型位错的特征刃型位错的特征 1.刃型位错有一个额外的半原子面刃型位错有一个额外的半原子面. 2.位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变的管道位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变的管道, 有正应变有正应变, 也有切应变也有切应变. 对于正刃型位错对于正刃型位错,滑移面上的晶格受压应力滑移面上的晶格受压应力, 滑移面滑移面 下的晶格受拉应力下的晶格受拉应力. 3.位错线与晶体滑移的方向相垂直位错线与晶体滑移的方向相垂直, 既位错运动方向垂直于位错既位错运动方向垂直于位错 线线. (二二) 螺型位错螺型位
13、错 形成形成:切应力切应力 分类分类:左左(右右)螺型位错螺型位错 右右(左左)手法则手法则:拇指代拇指代 表螺旋的前进方向表螺旋的前进方向, 其其 余四指代表螺旋的旋余四指代表螺旋的旋 转方向转方向. 螺型位错的位错线平螺型位错的位错线平 行于晶体滑移方向行于晶体滑移方向. 螺型位错特征螺型位错特征 1.螺型位错螺型位错 没有额外半原子面没有额外半原子面. . 2.2.螺型位错螺型位错 线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道, , 只有切应只有切应 变变, ,无正应变无正应变. . 3.3.位错线与滑移方向平行位错线与滑移方向平行, , 位错线运动的
14、方向与位错线垂直位错线运动的方向与位错线垂直. . (三三) 柏氏失量柏氏失量 概念概念:一个表示位错性一个表示位错性 质质, 晶格畸变的大小和方晶格畸变的大小和方 向的矢量向的矢量. 确定方法确定方法:三个步骤三个步骤. 柏氏失量确定位错类型柏氏失量确定位错类型 位错线方向位错线方向(习惯正向习惯正向): 由里向外由里向外, 由左向右由左向右, 由下向上由下向上. 刃位错确定方法刃位错确定方法:如图如图 螺位错确定方法螺位错确定方法:柏氏失量与位错方向相同的为右螺型位错柏氏失量与位错方向相同的为右螺型位错, 相反者为左螺型相反者为左螺型. 柏氏失量重要特性柏氏失量重要特性 1.判断位错类型。
15、位错线与柏氏失量垂直是刃位错，位错线与柏氏失量平判断位错类型。位错线与柏氏失量垂直是刃位错，位错线与柏氏失量平 行是螺位错。行是螺位错。 2.表示位错区晶格畸变总量的大小。表示位错区晶格畸变总量的大小。 3.表示晶体滑移的方向和大小。表示晶体滑移的方向和大小。 4.一个位错的柏氏失量是恒定的，与柏氏回路的大小和回路在位错线上的一个位错的柏氏失量是恒定的，与柏氏回路的大小和回路在位错线上的 位置无关。位置无关。 5.刃型位错线与柏氏失量垂直，它们构成的滑移面只有一个；螺型位错线刃型位错线与柏氏失量垂直，它们构成的滑移面只有一个；螺型位错线 与柏氏失量平行，它们构成的滑移面无限个。与柏氏失量平行，
16、它们构成的滑移面无限个。 混合型位错混合型位错： 当柏氏矢量和位错线交成任意角度时，当柏氏矢量和位错线交成任意角度时， 则位错是刃则位错是刃 型和螺型位错的混合型。型和螺型位错的混合型。 (四四) 位错密度位错密度 =L/V V:晶体体积晶体体积; L:晶体中位错线的总长度，晶体中位错线的总长度， 单位：单位：m-2; 三三.面缺陷面缺陷 (一一)晶体表面：指金属同外部介质相接触的界面。晶体表面：指金属同外部介质相接触的界面。 表面能：表面层产生晶格畸变，使其能量升高，单位面积上升高的能量叫表面能：表面层产生晶格畸变，使其能量升高，单位面积上升高的能量叫 比表面能，简称表面能。比表面能，简称表
17、面能。 影响表面能的因素：外部介质，裸露面原子密度，晶体表面的曲率等。影响表面能的因素：外部介质，裸露面原子密度，晶体表面的曲率等。 (二二) 晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒间的界面。晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒间的界面。 大角度晶界：位向差大于大角度晶界：位向差大于10度。度。 小角度晶界：位向差小于小角度晶界：位向差小于10度。度。 (三三)亚晶界：每个晶粒内，存在位向很小的亚结构，亚结构间的界面叫。亚晶界：每个晶粒内，存在位向很小的亚结构，亚结构间的界面叫。 (四四) 堆垛层错堆垛层错： 实际晶体中，晶面堆跺顺序发生局部差错而产实际晶体中，晶面堆跺顺序发生局部差错而产 生的晶体
18、缺陷。生的晶体缺陷。 层错能层错能： 堆垛层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能堆垛层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能 量升高，产生单位量升高，产生单位 面积面积 层错所需要的能量叫。层错所需要的能量叫。 (五五) 相界相界： 具有不同晶体结构的两相间的分界面。具有不同晶体结构的两相间的分界面。 共格相界；共格相界； 半共格相界；半共格相界； 非共格相界。非共格相界。 (六六)晶界的特性晶界的特性 第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶 结晶结晶: 金属由液态转变为固态的过程叫凝固金属由液态转变为固态的过程叫凝固, 由于凝固后的固态金由于凝固后的固态金 属一般是晶体属一般是晶体, 所以这一转变
19、过程也叫结晶所以这一转变过程也叫结晶. 2.1 金属结晶的现象金属结晶的现象 1结晶过程的宏观现象结晶过程的宏观现象 (一一) 过冷现象过冷现象 过冷度过冷度:金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度 Tn(熔点熔点)与理论结晶温度与理论结晶温度Tm 之差之差( T). T= Tm- Tn 过冷度影响因素过冷度影响因素: 金属的本金属的本 性和纯度性和纯度, 冷却速度冷却速度. (二二) 结晶潜热结晶潜热 相变潜热相变潜热: 一摩尔物质从一一摩尔物质从一 个相转变为另一个相时个相转变为另一个相时, 伴伴 随着放出或吸收的热量随着放出或吸收的热量. 熔化潜热熔化潜热: 金属熔化时金属熔化时,从固从固
20、 相转化为液相放出的热量相转化为液相放出的热量. 结晶潜热结晶潜热: 金属结晶时金属结晶时, 从液从液 相转化为固相放出的热量相转化为固相放出的热量. 二二. 结晶过程的微观过程结晶过程的微观过程 结晶过程结晶过程: 孕育期孕育期-晶核形成晶核形成-晶核长大晶核长大. 问题问题: 1.液态金属能否在理论结晶温度下结晶液态金属能否在理论结晶温度下结晶? 2.过冷度在金属结晶过程中起什么作用过冷度在金属结晶过程中起什么作用? 2.2 金属结晶的热力学条件金属结晶的热力学条件 液固相的自由能差液固相的自由能差, 就是转变的驱动力就是转变的驱动力: 热力学第二定律热力学第二定律: 在等温等压条件下在等
21、温等压条件下, 物质系统总是自物质系统总是自 发第从自由能较高的状态向自由能发第从自由能较高的状态向自由能 较低的状态转变较低的状态转变. 当当T Tm 时时, Gv=Lm T/ Tm Tm 理论结晶温度理论结晶温度; Lm 熔化潜热熔化潜热. 过冷度过冷度 T 越大越大, 相变驱动力越大相变驱动力越大. Gv 单位体积自由能变化单位体积自由能变化; Gs 固态金属自由能固态金属自由能; GL 液态金属自由能液态金属自由能. 2.3 金属结晶的结构条件金属结晶的结构条件: 结构起伏结构起伏(相起伏相起伏) 结晶结晶: 大的过冷度大的过冷度-尺寸较大的相起伏尺寸较大的相起伏 (晶胚晶胚) -晶核
22、形成晶核形成-晶核长大晶核长大. 近程有序近程有序: 液体中的小范围内液体中的小范围内,存在着紧密接触规则排列的原子集团存在着紧密接触规则排列的原子集团, 但是在大范围内原子却但是在大范围内原子却 是无序排列的是无序排列的. 远程有序远程有序: 在晶体中在晶体中,大范围内的原子呈有序排列大范围内的原子呈有序排列. 结构起伏结构起伏(相起伏相起伏): 在液态金属中在液态金属中,近程有序的原子集团处于瞬间出现近程有序的原子集团处于瞬间出现, 瞬间消失瞬间消失,此起彼伏此起彼伏, 变换不定的状态中变换不定的状态中, 仿佛在液态金属中不断涌现一些极其微小的固态结构一样仿佛在液态金属中不断涌现一些极其微
23、小的固态结构一样, 这种不断变这种不断变 化的近程有序原子集团化的近程有序原子集团,叫叫 2.4 晶核的形成晶核的形成 一一.均匀形核均匀形核 (均质形核均质形核 或或 自发形核自发形核) 自由能变化自由能变化: 既既: 临界晶核半径临界晶核半径 既既: : 形核方式形核方式: 均匀形核均匀形核:液相中各个区域出现新相晶核的几率相同液相中各个区域出现新相晶核的几率相同. 非均匀形核非均匀形核: 新相优先出现于液相中的某些区域新相优先出现于液相中的某些区域. (一一)形核时的能量变化形核时的能量变化 G和临界晶核半径和临界晶核半径rK V:晶胚的体积晶胚的体积; S: 表面积表面积; GV; 液
24、固两相单位体积液固两相单位体积 自由能差自由能差; S: 单位面积的表面能单位面积的表面能. T:过冷度过冷度; Tm 理论结晶温度理论结晶温度; Lm 熔化潜热熔化潜热. 当当r rK时时, 随晶胚尺寸增大随晶胚尺寸增大, 自由能降低自由能降低, 晶胚晶胚 比较容易形成晶核比较容易形成晶核. 当当r= rK时时,晶胚可能消失晶胚可能消失,也可能长大形成晶核也可能长大形成晶核. 过冷度过冷度 T越大越大, 临界形核半径临界形核半径rK越小越小. 最大相起伏最大相起伏(晶胚晶胚)尺寸尺寸rmax越大越大. 当当 T TK时时, rmax rK, 尺寸较大的晶胚能够形成晶核尺寸较大的晶胚能够形成晶
25、核. (二二) 形核功形核功 能量起伏能量起伏:在一定温度下在一定温度下, 系统有一定的自由能系统有一定的自由能, 这是指宏观平均能量这是指宏观平均能量. 但是但是 在微区在微区 各处的能量此起彼伏各处的能量此起彼伏,变化不定变化不定.微区能量偏离平衡能量的现象微区能量偏离平衡能量的现象,叫叫 形核功形核功: 形成临界晶核时形成临界晶核时, 体积自由能的下降只补偿了表面能的体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3, 还有还有1/3 的表面能需要另外供给的表面能需要另外供给, 既需要对形核作功既需要对形核作功, 这部分功叫这部分功叫. 形核功与过冷度的关系形核功与过冷度的关系: 过冷度增大过冷度增
26、大, 临界形核功显著降低临界形核功显著降低, 结晶过程容易进行结晶过程容易进行. 晶核形成晶核形成 = 过冷液体中的相起伏过冷液体中的相起伏 + 能量起伏能量起伏 (三三) 形核率形核率 形核率的影响因素形核率的影响因素: 形核功形核功 ; 扩散扩散. 二二.非均匀形核非均匀形核(异质形核异质形核 或或 非自发形核非自发形核) (一一)临界晶核半径和形核功临界晶核半径和形核功 体系自由能变化体系自由能变化: 临界晶核半径临界晶核半径: 形核功形核功: =0, GK=0. 不需要形核功不需要形核功, 液体中的固体相质点就是现成的晶核液体中的固体相质点就是现成的晶核, 可以在可以在 上面直接结晶长
27、大上面直接结晶长大. =180o, GK= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. 0 180o, GK GK. 越小越小, 非均匀形核越容易非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越小需要的过冷度也越小. (二二)形核率形核率 1. 过冷度的影响过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响过热度的影响 5. 其他因素的影响其他因素的影响 小节小节: 金属形核的要点金属形核的要点 1.液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行液态金属的结晶必须在过冷的液体中进行, 液态金属的过冷
28、度必须大于临界液态金属的过冷度必须大于临界 过冷度过冷度, 晶胚尺寸必须大于临界晶核半径晶胚尺寸必须大于临界晶核半径rK. 前者提供形核的驱动力前者提供形核的驱动力, 后者是后者是 形核的热力学要求形核的热力学要求. 2. rK值大小与晶核的表面能成正比值大小与晶核的表面能成正比, 与过冷度成反比。过冷度越大，与过冷度成反比。过冷度越大， 则则rK值越值越 小，形核率越大，小，形核率越大， 但是形核屡有一个极大值。如果表面能越大，但是形核屡有一个极大值。如果表面能越大， 形核所需形核所需 要的过冷度也应越大，因此，能够降低表面能的办法都能够促进形核。要的过冷度也应越大，因此，能够降低表面能的办
29、法都能够促进形核。 3均匀形核需要结构起伏，也需要能量起伏，均匀形核需要结构起伏，也需要能量起伏， 二者都是液体本身存在的自然现二者都是液体本身存在的自然现 象。象。 4晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。 5在工业生产中，在工业生产中， 液体金属的凝固总是以非均匀形核的方式进行的。液体金属的凝固总是以非均匀形核的方式进行的。 2.5 晶核长大晶核长大 一一.固液界面的微观结构固液界面的微观结构 (一一)光滑界面：显微尺寸看粗糙，原子尺光滑界面：显微尺寸看粗糙，原子尺 寸看光滑平整。寸看光滑平整
30、。 (二二)粗糙界面：显微尺寸看平整，原子尺粗糙界面：显微尺寸看平整，原子尺 寸看界面高低不平。寸看界面高低不平。 二二. 晶体长大机制晶体长大机制 (一一)二维晶核长大机制二维晶核长大机制 (二二)螺型位错长大机制螺型位错长大机制 (三三)垂直长大机制垂直长大机制 三三.固液界面前沿液体中的温度梯度固液界面前沿液体中的温度梯度 (一一)正温度梯度正温度梯度:结晶潜热通过已结晶潜热通过已结晶的固相和型壁结晶的固相和型壁散失散失 (二二)负温度梯度负温度梯度:结晶潜热通过结晶潜热通过结晶的固相和型壁结晶的固相和型壁, 还有液体还有液体散失散失 四四.晶体生长的界面形状晶体生长的界面形状-晶体形态
31、晶体形态 (一)正温度梯度下正温度梯度下 结晶潜热通过已结晶潜热通过已结晶的结晶的 固相和型壁固相和型壁散失散失, 相界面相界面 向液相中的推移速度受向液相中的推移速度受 散热速率的控制散热速率的控制. 液固界面基本呈平直状液固界面基本呈平直状. 1.光滑界面光滑界面: 小晶面互成小晶面互成 一定角度一定角度, 呈锯齿状呈锯齿状. 2.粗糙界面粗糙界面: 平行于等温平行于等温 面的平直界面面的平直界面. (二)负温度梯度下负温度梯度下 晶界的移动不受已结晶的固相晶界的移动不受已结晶的固相 和型壁的散热控制和型壁的散热控制. 树枝晶树枝晶: 液态金属在结晶中各液态金属在结晶中各 个方向上发展不同
32、个方向上发展不同,而形成的树而形成的树 枝状晶体枝状晶体. 等轴晶等轴晶:如果枝晶在三维空间得如果枝晶在三维空间得 到均衡发展到均衡发展, 各个方向上的一次各个方向上的一次 轴近似相等轴近似相等,这样形成的晶粒这样形成的晶粒,叫叫. 柱状晶柱状晶: 如果枝晶在一个方向如果枝晶在一个方向 上的一次轴长得很长上的一次轴长得很长,而在其他而在其他 方向上受到阻碍方向上受到阻碍, 而形成的细长而形成的细长 晶粒晶粒. 五五.长大速度长大速度 长大速度与过冷度关系长大速度与过冷度关系 非金属非金属 当过冷度小时，液固两相自由能差小，当过冷度小时，液固两相自由能差小， 结晶的驱动力小，结晶的驱动力小， 晶
33、体的长大速度小。晶体的长大速度小。 当过冷度大时，温度过低，原子的扩散当过冷度大时，温度过低，原子的扩散 困难，晶体的长大速度小。困难，晶体的长大速度小。 金属金属 结晶温度高，结晶温度高， 形核与长大都快，形核与长大都快， 它的它的 过冷能力小，过冷能力小， 所以未到过冷到较低温所以未到过冷到较低温 度时，结晶已经结束了。度时，结晶已经结束了。 六六.晶粒大小的控制晶粒大小的控制 晶粒度晶粒度：晶粒的大小，：晶粒的大小， 通常用晶通常用晶 粒粒 的平均面积或直径表示。的平均面积或直径表示。 晶粒大小的影响因素晶粒大小的影响因素：形核率和长：形核率和长 大速度。晶粒的大小取决于形核率大速度。晶
34、粒的大小取决于形核率 N与长大速度与长大速度G的比值，的比值，N/G。 工业中细化晶粒的方法工业中细化晶粒的方法 1.控制过冷度：在一定范围内，过冷控制过冷度：在一定范围内，过冷 度越大，度越大， N/G越大，晶粒越细。越大，晶粒越细。 2.变质处理：在浇铸前往液态金属中变质处理：在浇铸前往液态金属中 加入形核剂，促进形成大量的非均加入形核剂，促进形成大量的非均 匀晶核来细化晶粒。匀晶核来细化晶粒。 3.振动和搅拌：振动和搅拌： 2.6 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷 一。铸锭三晶区的形成一。铸锭三晶区的形成 二。铸锭组织的控制二。铸锭组织的控制 三。铸锭缺陷三。铸锭缺陷 第三章第三
35、章 二元合金的相结构与结晶二元合金的相结构与结晶 概念概念 合金合金: 两种或者两种以上的金属、或金属与非金属，两种或者两种以上的金属、或金属与非金属， 经过熔炼或烧经过熔炼或烧 结、或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。结、或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。 组元组元： 组成合金最基本的、独立的物质。一般说，组元就是组成合金最基本的、独立的物质。一般说，组元就是 组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。 二元合金二元合金：由两个组元组成的合金。：由两个组元组成的合金。 合金系合金系：由给定的组元以不同的比例配置成一系列成分不同：由给定的组元以不
36、同的比例配置成一系列成分不同 的合金，这一系列合金就构成一个合金系。的合金，这一系列合金就构成一个合金系。 相相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开 的组成部分。的组成部分。 分类分类: 固溶体固溶体：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后：合金的组元间以不同的比例相互混合，混合后 形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种相就形成的晶体结构与某一组元的晶体结构相同，这种相就 是固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。是固溶体，这种组元叫溶剂，其他的组元叫溶质。 金属化合物金属化合物：在合金系中，组元间发生相互作用，形成：在合金
37、系中，组元间发生相互作用，形成 一种具有金属性质的新相。它具有独立的晶体结构和性一种具有金属性质的新相。它具有独立的晶体结构和性 质，与各个组元的晶体结构和性质都不同。质，与各个组元的晶体结构和性质都不同。 影响相结构的因素影响相结构的因素: 负电性负电性,原子尺寸原子尺寸,电子浓度电子浓度. 3.1 合金中的相合金中的相 3.2 合金的相结构合金的相结构 一。固溶体一。固溶体 分类：分类： 1.位置：置换，间隙。位置：置换，间隙。 2.固溶度：有限固溶，固溶度：有限固溶， 无限固溶。无限固溶。 3.相对分布：无序，有序。相对分布：无序，有序。 结构结构 ：晶格畸变、偏聚与有序：晶格畸变、偏聚
38、与有序 性能性能 : 强度、硬度高，塑性、韧性差。强度、硬度高，塑性、韧性差。 二。金属化合物（中间相）二。金属化合物（中间相） 分类：分类： 1.正价化合物、正价化合物、 2.电子化合物、电子化合物、 3.间隙相（间隙相（rx/rm0.59 ）。 三。间隙相与间隙固溶体区别三。间隙相与间隙固溶体区别 间隙相是一种化合物，它具有与其他组元完全不同的晶体结构；而间隙间隙相是一种化合物，它具有与其他组元完全不同的晶体结构；而间隙 固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型。固溶体仍保持着溶剂组元的晶格类型。 3.3 3.3 二元合金相图的建立二元合金相图的建立 一一. . 二元相图的表示方法二元相图的表示方
39、法 二二. . 二元相图的测定方法二元相图的测定方法 三三. . 相律和杠杆定律相律和杠杆定律 ( (一一) )杠杆定律杠杆定律:W:WL L/W/Wa a=rb/ar=rb/ar ( (二二) )相律相律: : f=c-p+2 f=c-p+2 C:C:系统的组元数系统的组元数; P:; P:平衡条件下系统的相数平衡条件下系统的相数; f: ; f: 自由度数自由度数; ; 常数常数2 2代表代表: : 温度和压力温度和压力. . 当压力为常数时当压力为常数时: : f=c-p+1 f=c-p+1 C:C:系统的组元数系统的组元数; P:; P:平衡条件下系统的相数平衡条件下系统的相数; f:
40、 ; f: 自由度数自由度数. . （三）相律的应用（三）相律的应用： 确定系统中可能存在的最多平衡相数确定系统中可能存在的最多平衡相数. 单元系: C=1, 当f f =0时, P=1-0+1=2, 说明同时共存的相最多两个. 二元系: C=2, 当f f =0时, P=2-0+1=3, 说明同时共存的相最多三个. 解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别解释纯金属与二元合金结晶时的一些差别 单元系: C=1, p=2 时, f =0, 说明纯金属结晶时只能在恒温下. 二元系: C=2, P =2 时, f =1, 说明二元合金在一个温度范围内进行; 当三相共存(P P =3)时, f f =0
41、, 说明结晶只能在各个因素完全不变的条件下进行. 3.4 匀晶相图及固溶体的结晶匀晶相图及固溶体的结晶 一一.相图分析相图分析 匀晶相图匀晶相图: 两组元在液相和固相都无限互溶的二元合金所形成的相图两组元在液相和固相都无限互溶的二元合金所形成的相图. 在在t1-t3间间: f=c-p+1=2-2+1=1 二二. 固溶体合金的平衡结晶过程固溶体合金的平衡结晶过程 1.概念概念: 平衡结晶平衡结晶: 合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程. 成分起伏成分起伏:虽然液态合金在宏观上成分平均虽然液态合金在宏观上成分平均, 但是在微观上但是在微观上, 由于原子由
42、于原子 运动的结果运动的结果, 在任一瞬间在任一瞬间, 液相中总有些微小体积可能偏离液相的平液相中总有些微小体积可能偏离液相的平 均成分均成分, 这些微小的体积的成分、大小、位置都是在不断地变化的。这些微小的体积的成分、大小、位置都是在不断地变化的。 异分结晶异分结晶（选择结晶）：结晶的晶体同液态母相化学成分不同的结（选择结晶）：结晶的晶体同液态母相化学成分不同的结 晶。晶。 同分结晶同分结晶：结晶的晶体同液态母相化学成分完全相同的结晶。：结晶的晶体同液态母相化学成分完全相同的结晶。 2.固溶体形核的条件：固溶体形核的条件： 结构起伏，结构起伏， 能量起伏，能量起伏， 成分起伏。成分起伏。 3
43、.固溶体结晶特点固溶体结晶特点 异分结晶异分结晶 平衡分配系数：平衡分配系数：k0=C /CL C 、 CL为固相和液相的平衡浓度。为固相和液相的平衡浓度。 K0 的大小反映了溶质组元重新分配的大小反映了溶质组元重新分配 的强弱程度。的强弱程度。 需要一定温度范围需要一定温度范围 （下页）（下页） 固溶体的结晶过程固溶体的结晶过程 固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相固溶体晶核的形成（或原晶体的长大）造成相内（液相 或固相）的浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏或固相）的浓度梯度，从而引起相内的扩散过程，这就破坏 了相界面处的平衡，因此晶体必须长大，才能使相界面处重了相界面处
44、的平衡，因此晶体必须长大，才能使相界面处重 新达到平衡。新达到平衡。 固溶体晶体的长大过程：平衡固溶体晶体的长大过程：平衡-不平衡不平衡-平衡平衡-不平衡。不平衡。 三三. 固溶体合金的不平衡结晶过程固溶体合金的不平衡结晶过程 不平衡结晶不平衡结晶：偏离平衡结晶条件的结晶。：偏离平衡结晶条件的结晶。 晶内偏析晶内偏析(枝晶偏析枝晶偏析)：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。由于：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象，叫晶内偏析。由于 固体晶体通常呈树枝状，使树干和树枝间的化学成分不同，所以又叫枝晶偏析。固体晶体通常呈树枝状，使树干和树枝间的化学成分不同，所以又叫枝晶偏析。 假设：液体内充
45、分混合，假设：液体内充分混合， 而固相内没有扩散而固相内没有扩散。 偏析的大小与偏析的大小与k0有关。有关。 偏析的最大值偏析的最大值(液固相线间的水平液固相线间的水平 距离距离)： C0-C 0= C0 - C0 K0= C0 （1- K0 ） 影响偏析的因素：溶质扩散能力，影响偏析的因素：溶质扩散能力， 冷却速度。冷却速度。 消除偏析的方法消除偏析的方法 : 均匀化退火均匀化退火(低低 于固相线于固相线100-200C,长时间保温长时间保温). 四四.区域偏析和区域提纯区域偏析和区域提纯 (一一)区域偏析：固溶体合金不平衡结晶中造成的大范围内化学成分不均匀现象。区域偏析：固溶体合金不平衡结
46、晶中造成的大范围内化学成分不均匀现象。 区域偏析的形成区域偏析的形成 情况情况1。假定：液体内化学成分充分混合（靠扩散、对流和搅拌），。假定：液体内化学成分充分混合（靠扩散、对流和搅拌）， 而固相内无扩散。而固相内无扩散。 情况情况2。假定：液体内溶质原子仅靠扩散混合（无对流和搅拌）。假定：液体内溶质原子仅靠扩散混合（无对流和搅拌） 固相内无扩固相内无扩 散。散。 情况情况3。实际不平衡结晶如曲线。实际不平衡结晶如曲线d. (二二)区域提纯区域提纯 五五.成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响成分过冷及其对晶体成长形状和铸锭组织的影响 思考问题：固溶体的晶体生长形态是什么样？（固液界面前液
47、体分别在正、思考问题：固溶体的晶体生长形态是什么样？（固液界面前液体分别在正、 负温度梯度下）负温度梯度下） (一一) 形成成分过冷的条件及其影响因素形成成分过冷的条件及其影响因素 成分过冷成分过冷：固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形：固溶体合金在结晶时，溶质组元重新分布，在固液界面处形 成溶质的浓度梯度，产生一个过冷区，由于这个过冷度是由液相中成分成溶质的浓度梯度，产生一个过冷区，由于这个过冷度是由液相中成分 的变化引起的，所以叫。的变化引起的，所以叫。 1。纯金属固液界面的温度梯度对结晶形状的影响。纯金属固液界面的温度梯度对结晶形状的影响 平面生长平面生长 树枝状生长树枝
48、状生长 (二二)固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响 2。固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响。固溶体合金的成分过冷对晶体生长形状的影响 G1:平面生长 G2: 生长方式 G3:树枝生长 3.5 共晶相图及合金的结晶 概念: 共晶相图： 共晶转变：由一个液相同时结晶出两个固相的过程。 一. 相图分析 MF、NG固溶度曲线；固溶度曲线；AE、BE液相线；液相线；AMNB固相线；固相线； 三个单相区；三个两相区；一个三相共存区三个单相区；三个两相区；一个三相共存区MEN。 共晶转变（反应）：共晶转变（反应）：LE M+ N 共晶线共晶线MEN；共晶点
49、；共晶点E；共晶温度；共晶合金；过共晶合金；亚共晶合金。；共晶温度；共晶合金；过共晶合金；亚共晶合金。 二.典型合金的平衡结晶极其组织 合金合金I L L+ + II w = 100%xF4/FG W = 100%x4G/FG 脱溶过程脱溶过程(二次结晶二次结晶); 二次相二次相. 共晶合金(合金II) 共晶转变（反应）：共晶转变（反应）：LE M+ N w M = 100%xME/MN W N= 100%xEN/MN L- + - ( + ) + ( II + II) 通常下：通常下：( II + II)省略。所以组织：省略。所以组织： + 共晶组织的生长方式共晶组织的生长方式:片层状生长片
50、层状生长 亚共晶合金(合金III) L-L+ - +( + ) - +( + ) + II 先共晶相和剩余液体质量比先共晶相和剩余液体质量比: W = 100%xE2/ME WL = 100%xM2/ME 过共晶合金(合金IV) L-L+ - +( + ) - +( + ) + II 不同合金的组织组成物 2点点: 先共晶相和共晶组织含量先共晶相和共晶组织含量: w = 100%x2E/ME W + = 100%x2M/ME 相组成物的含量相组成物的含量: W = 100%x2N/MN w = 100%xM2/MN 三. 非平衡结晶极其组织 (一)伪共晶伪共晶 在不平衡结晶条件下,成分在共晶点
