1、1.纯金属的结晶条件2.纯金属的结晶过程3.同素异构转变4.细化铸态金属晶粒的措施第第3 3章章 金属的结晶金属的结晶1.1.纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件晶体液体液体结晶结晶结晶： 液体液体 - - 晶体晶体凝固： 液体液体 - - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度 TT= T0 - Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。2.2.纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过
2、程（1 1）形核过程）形核过程两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。的结晶核心。非自发形核非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。是依附于外来杂质上生成的晶核。（1 1）形核过程）形核过程两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。的结晶核心。非自发形核非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶
3、核。是依附于外来杂质上生成的晶核。（2 2）晶核长大过程）晶核长大过程两种长大方式 平面生长平面生长 与 树枝状生长树枝状生长。平面生长树枝状生长4.细化铸态金属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级级（p111)p111)。晶粒度晶粒度12345678单位面积晶粒数单位面积晶粒数（个（个/ /mmmm2 2）1632641282565121024 2048晶粒平均直径晶粒平均直径（mm）2501771258862443122细晶强化细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：比较： 细晶强化细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性强度、硬
4、度、塑性、韧性 固溶强化固溶强化-强度、硬度强度、硬度，塑性、韧性，塑性、韧性细化晶粒的措施细化晶粒的措施1.1.提高过冷度提高过冷度2.2.变质处理变质处理3.3.振动结晶振动结晶（1 1）提高过冷度）提高过冷度形核率形核率N 、长大速度长大速度G 与与 过冷度过冷度T 的关系的关系TG，NGN（2 2）变质处理）变质处理在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂( (孕育剂孕育剂) )，以细化晶粒和改善组织，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。的工艺措施。在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合入钛、钒、铝，铸铁中加入硅
5、铁、硅钙、硅钙钡合金，都可使晶粒细化。金，都可使晶粒细化。 变质剂的作用变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3 3）振动结晶）振动结晶振动的作用振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。（4 4）电磁搅拌电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶，增加结晶
6、核心，从而可细化晶粒。晶，增加结晶核心，从而可细化晶粒。3 3同素异构转变同素异构转变金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcc -Fe，bcc912 C纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线Tt15381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770铁磁性五金属铸锭的组织特点 细等轴晶区 液体金属注入锭模时，由于锭模温度不高，传热快，外层金属受到激冷，过冷度大，生成大量的晶核。同时模壁也
7、能起非自发晶核的作用。结果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点 柱状晶区 细晶区形成的同时，锭模温度升高，液体金属的冷却速度降低，过冷度减小， 生核速率降低，但此时长大速度受到的影响较小。结晶时，优先长大方向（即一次晶轴方向）与散热最快方向（一般为往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液体内部平行长大，结果形成柱状晶区。(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区铸锭结构五金属铸锭的组织特点 粗等轴晶区 随着柱状晶区的发展，液体金属的冷却速度很快降低，过冷度大大减小，温度差不断降低，趋于
8、均匀化；散热逐渐失去方向性，所以在某个时候，剩余液体中被推来和漂浮来的、以及从柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块，可能成为晶核，向各个方向均匀长大，最后形成一个粗大的等轴晶区。(1)细等轴晶区； (2)柱状晶区； (3)粗等轴晶区铸锭结构缺陷缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷 (位错位错)面缺陷面缺陷分类：空位、间隙原子分类：空位、间隙原子热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷点缺陷浓度点缺陷浓度 位错类型位错类型刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错混合位错混合位错柏氏矢量柏氏矢量表面表面晶界晶界相界相界实际金属的缺陷实际金属的缺陷点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶点缺陷
9、：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。隙原子等。 线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷。位错是典型的线缺陷。面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种体缺陷：如果
10、在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。等。缺陷的分类缺陷的分类点缺陷的分类点缺陷的分类点缺陷对材料性能的影响点缺陷对材料性能的影响u点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。u点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。u空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的过程起着重要的
11、作用。过程起着重要的作用。u金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。着密切的联系。 u过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的屈服强度。屈服强度。晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体
12、缺陷称为刃型位错。子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为“”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错，记为，记为“”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。个原子面。线缺陷线缺陷刃型位错的结构特征刃型位错的结构特征 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；有一额外的半原子面，分正和负刃型位错； 可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向
13、和直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；滑移矢量垂直； 只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；上滑移； 位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；应变； 位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷故是线缺陷。晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，这种晶体缺陷称为螺型位错。为螺旋面
14、，这种晶体缺陷称为螺型位错。符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。为左螺旋位错。CBADABC 螺型位错的结构特征螺型位错的结构特征 无额外的半原子面，原子错排程轴对称，无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；分右旋和左旋螺型位错； 一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；动方向与晶体滑移方向垂直； 滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；面都可以作为它的滑移面； 位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平
15、位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；起体积的膨胀和收缩； 位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。是线位错。晶界晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界；而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界；组成，相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界；具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。具有不同结构的两相之间的分界面称为相界。相界面可分为相界面可分为共格相界共格相界、半共格相界半共格相界和和非共格相界非共格相界。相界相界
