机械工程料—金属的结构和结晶2

1、l工学院工学院 主讲人：杨拓宇 1.4 1.4 金属结晶的基本概念金属结晶的基本概念 l基本定义 l凝固：物质由液态转变为固态的过程物质由液态转变为固态的过程 l一次结晶：通常条件下凝固后的固态金属是晶体，通常条件下凝固后的固态金属是晶体， 所以金属的凝固有称为一次结晶所以金属的凝固有称为一次结晶 l二次结晶：固态金属发生的晶态转变称为 1.4 1.4 金属晶体的基本概念金属晶体的基本概念 l一、液态金属的结构 l二、结晶过程的宏观现象 l三、金属结晶的热力学条件 l四、金属结晶的微观基本过程 l近程有序：在液态金属中，大范围内的原子排列是在液态金属中，大范围内的原子排列是 无序的，但再局部微

2、小范围内近邻原子之间存在着与无序的，但再局部微小范围内近邻原子之间存在着与 晶体结构类似的规则排列，这种现象叫晶体结构类似的规则排列，这种现象叫 l结构起伏：由于液态金属原子的热运动，进程有序由于液态金属原子的热运动，进程有序 结构瞬时出现又瞬时消失，这种此起彼伏的现象称为结构瞬时出现又瞬时消失，这种此起彼伏的现象称为- - - - 结构起伏结构起伏 结晶结晶 近程有序结构近程有序结构 远程有序结构远程有序结构 1 1、过冷现象、过冷现象 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线 l液态金属在理论结晶温度以下液态金属在理论结晶温度以下 开始结晶的现象称过冷。开始结晶的现象称过冷。 l理论结晶温度与实际

3、结晶温度理论结晶温度与实际结晶温度 的差的差 t称过冷度称过冷度 t= t0 t1 l过冷度大小与金属本性、纯度过冷度大小与金属本性、纯度 和冷却速度有关，和冷却速度有关， l冷速越大，过冷度越大。冷速越大，过冷度越大。 l纯度越低，过冷度越小。纯度越低，过冷度越小。 l2、结晶潜热：液态金属向固态转变而释放的热量称液态金属向固态转变而释放的热量称 为为- 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线 l热力学第二定律：等温等压下，体系总是朝等温等压下，体系总是朝 着自由能减小的方向自发变化。着自由能减小的方向自发变化。 因此：只有在液态金属转变为固态金属的过程能够引因此：只有在液态金属转变为固态金属的过

4、程能够引 起体系自由能下降的情况下，才能发生结晶现象。起体系自由能下降的情况下，才能发生结晶现象。 t0t1 t 液体和晶体自由能随温度变化液体和晶体自由能随温度变化 结晶由晶核的结晶由晶核的形成形成和晶核的和晶核的长大长大两个基本过程组成两个基本过程组成. . l形核形核：晶体从无到有，即在液体中：晶体从无到有，即在液体中“出生出生”，称为，称为 形核。形核。 l长大长大：晶核形成后，从小变大，最终长成为晶粒的：晶核形成后，从小变大，最终长成为晶粒的 过程叫过程叫- 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 形核形核和和长大长大的过程的过程 l晶核形成后便向各方向生长，同时

5、又有新的晶核产生。晶核晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核 不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长 成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 1.5 1.5 形核和长大形核和长大 l一、均质形核和异质形核一、均质形核和异质形核 l二、晶体的长大二、晶体的长大 一、均质形核和异质形核一、均质形核和异质形核 1、均质形核均质形核：由过冷液态金属中自发形成：由过冷液态金属中自发形成晶核晶核的过程称的过程称-。 条件条件：必须是过冷液体；同时过冷度大于临界值。：必须是过冷液体；同时过冷度大于临

6、界值。 2、异质形核异质形核：液态金属依附于未熔质点表面形成晶核，叫：液态金属依附于未熔质点表面形成晶核，叫 特点特点：形核时产生的表面能很低，所以不需很大过冷度！：形核时产生的表面能很低，所以不需很大过冷度！ 均匀形核均匀形核 非均匀形核示意图非均匀形核示意图 1 1、固液界面的、固液界面的微观结构微观结构和晶体和晶体长大机制长大机制 微观结构微观结构：从原子尺度分为从原子尺度分为小平面界面小平面界面和和非小平面界面非小平面界面 非小平面界面非小平面界面：原子尺度上是粗糙不平的。原子尺度上是粗糙不平的。 小平面界面小平面界面：原子尺度上是平整的原子尺度上是平整的 非小平面界面非小平面界面：液

7、态金属原子可以等效的占据界面任何位置液态金属原子可以等效的占据界面任何位置 连续向上堆砌生长。这种生长叫连续长大。连续向上堆砌生长。这种生长叫连续长大。 绝大多数金属是这种生长方式绝大多数金属是这种生长方式 小平面界面小平面界面：晶体生长方式有两种、晶体生长方式有两种、二位形核机制二位形核机制和和晶体缺晶体缺 陷机制陷机制。 很多合金中的非金属物质都是这种生长方式很多合金中的非金属物质都是这种生长方式 l2 2、温度和金属晶体的生长形态、温度和金属晶体的生长形态 l固液界面前方为固液界面前方为正正的温度梯度时的的温度梯度时的平面生长平面生长。 l固液界面前方为固液界面前方为负负的温度梯度时的的

8、温度梯度时的枝晶生长枝晶生长。 l在正温度梯度下：在正温度梯度下： 晶体生长以平面状态向前推进。晶体生长以平面状态向前推进。 此时称为此时称为平面生长平面生长。 正温度梯度正温度梯度 l实际金属结晶主要以树枝状长大实际金属结晶主要以树枝状长大. . l这是由于存在负温度梯度，且晶这是由于存在负温度梯度，且晶 核棱角处的散热条件好，生长快，核棱角处的散热条件好，生长快， 先形成一次轴，一次轴又会产生先形成一次轴，一次轴又会产生 二次轴二次轴，树枝间最后被填充。，树枝间最后被填充。 负温度梯度负温度梯度 1.6 1.6 晶粒大小控制晶粒大小控制 l晶粒的大小对金属性能有很大的影响。常温下晶粒越晶粒的大小对金属性能有很大的影响。常温下晶粒越细小细小， 其强度、硬度越高，并且塑性、韧性也越好。其强度、硬度越高，并且塑性、韧性也越好。 l用细化晶粒来提高