工程材料第二章 (二)

1、2-3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构一、单晶体与多晶体一、单晶体与多晶体（一）（一）单晶体单晶体：其内部的晶格位向完全一致的一块晶体其内部的晶格位向完全一致的一块晶体晶粒晶粒： （这些）金属中晶格位向一致的颗粒状小晶体（这些）金属中晶格位向一致的颗粒状小晶体称称为晶粒。为晶粒。 (尺寸为尺寸为10-110-3mm)晶界晶界： 晶粒之间的边界。晶粒之间的边界。 （如图）（如图） （二）（二）多晶体多晶体： 其内部由多个晶粒组成的晶体其内部由多个晶粒组成的晶体晶粒示意图晶粒示意图多晶体内相邻的两个晶粒之间的原子排列取向一多晶体内相邻的两个晶粒之间的原子排列取向一般存在着大于般存在着大于15

2、的位向差。的位向差。实际上在每个晶粒的内部的不同区域晶格位向也实际上在每个晶粒的内部的不同区域晶格位向也可能存在着小差别（可能存在着小差别（102012）（三）（三）亚晶粒亚晶粒：（这些）在晶格位向上彼此有微小差别（这些）在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为的晶内小区域称为亚晶粒亚晶粒；与之对应的；与之对应的亚晶粒间的界面称为亚晶粒间的界面称为亚晶界亚晶界。二、实际金属晶体的缺陷二、实际金属晶体的缺陷晶体缺陷晶体缺陷： 实际晶体中原子排列不规律的地方。在这实际晶体中原子排列不规律的地方。在这里晶格失去了完整性。里晶格失去了完整性。晶体缺陷按几何形状分为晶体缺陷按几何形状分为三类三类：（点

3、、线、面）（点、线、面）（一）（一）点缺陷点缺陷：其几何特征是在其几何特征是在x、y、z三方向上尺寸三方向上尺寸都很小（原子尺寸）。都很小（原子尺寸）。常见的：常见的：空空 位位：在晶格结点的正常位置上没有在晶格结点的正常位置上没有原子（因热振动等离去）。原子（因热振动等离去）。间隙原子间隙原子：在晶格间隙处有多余的原子。在晶格间隙处有多余的原子。空位和间隙原子示意图空位和间隙原子示意图点缺陷的存在使周围晶格发生点缺陷的存在使周围晶格发生畸变，产生局部内应力，对晶畸变，产生局部内应力，对晶体的性能产生影响。体的性能产生影响。其中：间隙原子仅产生正畸变其中：间隙原子仅产生正畸变（原子受压应力）；

4、而空位只产（原子受压应力）；而空位只产生负畸变（原子受拉应力）。生负畸变（原子受拉应力）。 空空 位位间隙原子间隙原子（二）（二）线缺陷线缺陷位错（线）位错（线）：其几何特征是在两个方向上尺寸很小，另一方向上其几何特征是在两个方向上尺寸很小，另一方向上尺寸很大（像一条线）也称一维缺陷。尺寸很大（像一条线）也称一维缺陷。位错（位错线）：在晶格中，有规律错排的原子列位错（位错线）：在晶格中，有规律错排的原子列。最基本位错之一是刃最基本位错之一是刃型位错（如图型位错（如图1-10），以），以符号符号“”形象地表示。形象地表示。位错还有其它类型的。位错还有其它类型的。图图1-10 刃型位错刃型位错位错

5、密度位错密度： 单位体积晶体中位错线的总长度。单位体积晶体中位错线的总长度。（三）（三）面缺陷面缺陷晶界和亚晶界晶界和亚晶界：其几何特征是在一个方向上尺寸很小，在另两个方向其几何特征是在一个方向上尺寸很小，在另两个方向上尺寸很大。上尺寸很大。位错在金属中的密度通常为位错在金属中的密度通常为: 1041012 cm/cm3. 由于位错存在，将产生畸变（管状畸变），位错的存由于位错存在，将产生畸变（管状畸变），位错的存在在 对金属的机械性能有很大的影响对金属的机械性能有很大的影响.这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相这种晶体缺陷的存在，是晶体中不同晶格位向相邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如

6、图邻晶粒之间的过渡所形成的面缺陷（如图1-12a）。）。而而亚晶界亚晶界这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小这种晶体缺陷，是亚晶粒间所存在的微小晶格位向差形成的面缺陷（如图晶格位向差形成的面缺陷（如图1-12b）。可以把）。可以把它看作是一种位错的堆积或称它看作是一种位错的堆积或称“位错墙位错墙”。（a）（b）晶界晶界图图112 晶界（晶界（a）及亚晶界（及亚晶界（b）示意图示意图图图112 晶界（晶界（a）及）及亚晶界（亚晶界（b）示意图）示意图三、晶体缺陷对金属性能的影响三、晶体缺陷对金属性能的影响（一）产生伪各向同性：（一）产生伪各向同性：由于金属是由很多晶粒组成，每个晶粒虽然有由于金属

7、是由很多晶粒组成，每个晶粒虽然有各向异性，但不同位向的各晶粒的综合作用结果，各向异性，但不同位向的各晶粒的综合作用结果，使实际金属的各方向上性能一样，好象是各向同性使实际金属的各方向上性能一样，好象是各向同性的，所以称为伪各向同性。的，所以称为伪各向同性。原因：原因：晶粒平均直径晶粒平均直径 =10-110-3mm，1cm3有晶粒有晶粒数数106（个）。（个）。所以：所以：各晶粒间采长补短、使性能各向同性，掩盖各晶粒间采长补短、使性能各向同性，掩盖了各向异性。了各向异性。由于在金属晶体中存在着上述的晶体缺陷，破坏了晶格由于在金属晶体中存在着上述的晶体缺陷，破坏了晶格原子排列的规律性和完整性，并

8、导致晶格的局部畸变，从而原子排列的规律性和完整性，并导致晶格的局部畸变，从而对金属的性能、特别是机械性能产生很大的影响。对金属的性能、特别是机械性能产生很大的影响。（二）对机械性能的影响：（二）对机械性能的影响：缺陷缺陷晶格发生畸变晶格发生畸变畸变能畸变能 提高提高强度（点线缺陷降低韧性）。强度（点线缺陷降低韧性）。晶界晶界细化晶粒细化晶粒 晶界面积晶界面积 面缺面缺陷陷 强度并强度并韧性（综合机械性能韧性（综合机械性能）当然缺陷也影响理、化性能当然缺陷也影响理、化性能 等等等等耐蚀性耐蚀性电电 阻阻通常情况下，位错密度越高，金属的强度越大。通常情况下，位错密度越高，金属的强度越大。通过后面的

9、学习我们会知道，通过剧烈的冷变形可通过后面的学习我们会知道，通过剧烈的冷变形可使晶体的位错密度达到很高（使晶体的位错密度达到很高（1012cm/cm3）。）。 提高位错密度是目前提高金属强度的常用手段之一。提高位错密度是目前提高金属强度的常用手段之一。通过细化晶粒提高金属材料强度和韧性的的方通过细化晶粒提高金属材料强度和韧性的的方法称为法称为“细晶强化细晶强化”2-4 金属的结晶金属的结晶一、结晶的基本概念一、结晶的基本概念（一）凝固与结晶：（一）凝固与结晶：凝固凝固 LS 的过程的过程 （由液态转变为固态的过程）（由液态转变为固态的过程）结晶结晶 LS晶晶的过程的过程 （由液态转变为固态晶体

10、（由液态转变为固态晶体 的过程）的过程）（二）（二）理论结晶温度理论结晶温度：凡是纯元素（金属凡是纯元素（金属 非金属）都有一个严格不变的温非金属）都有一个严格不变的温度点，在这温度，液体与晶体永远共存，这个温度度点，在这温度，液体与晶体永远共存，这个温度就称为就称为 。符号。符号 。理论结晶温度理论结晶温度 T0理论上，上述温度理论上，上述温度 就是液态和晶态的分界线：就是液态和晶态的分界线：当当TT0时时SL （由固态转变为液态）（由固态转变为液态）当当TT0时时LS （由液态转变为固态）（由液态转变为固态）当当TT0时时LS （液态、固态平衡共存）（液态、固态平衡共存）（三）自由能：（三

11、）自由能：物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外作功的这部分能量（对外作功的这部分能量（F）称为）称为自由能自由能。任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于任何物体都具有释放能量，降低能量使其趋于稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物稳定平衡的趋势，如高处的物质，不同温度的两物体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的体接触，而结晶或凝固的过程就是一个降低能量的过程，其驱动力，就是过程，其驱动力，就是 。“自由能差自由能差”（F）T0FSTTTnT0FLFFL FS温度温度T自自由由能能F如右图，液体、晶体的原如右图，液体、晶体的原子结构不

12、同，所以，其自由能子结构不同，所以，其自由能F随温度随温度T的变化也不同。的变化也不同。T F；但但FLFS， 交点交点T0当当TnT0时时 F=FL-FS L S晶晶当当TnT0时时 F=FS-FL S晶晶L当当TnT0时时 F=0 S晶晶L可见，可见，自由能差自由能差F是靠是靠T=T0Tn来获得的，来获得的，所以，所以，T是结晶过程中的一个重要参数。是结晶过程中的一个重要参数。无驱动力，如平面上无驱动力，如平面上的球、等温的两物体的球、等温的两物体说明：说明：金属的实际结晶温度金属的实际结晶温度Tn总是要低于理论结晶总是要低于理论结晶温度温度T0。（四）过冷度：（四）过冷度：实际结晶温度（

13、实际结晶温度（Tn）与理论结晶温度（）与理论结晶温度（T0）之差：）之差： T=T0-Tn过冷度过冷度T越大则越大则F越大、则结晶驱动越大、则结晶驱动越大，结晶倾向也越大。越大，结晶倾向也越大。一般情况下，一般情况下，结晶潜热：结晶潜热：在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产在液体向晶体结晶过程中，自由能差所产生的剩余能量将以热的形式向外界释放，生的剩余能量将以热的形式向外界释放，我们称之为我们称之为“结晶潜热结晶潜热”。过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，过冷度越大，则自由能差越大，结晶潜热也越大；另外，结晶时的潜热析出将补偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，结晶时的潜热析出将补

14、偿晶体物质向环境散热引起的温度下降，使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度使过冷度减小。其结果将形成一种动态平衡，可使过冷度T保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度保持不变，换句话说，在一定的环境条件下，晶体的结晶温度是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。是不变的，结晶过程是在恒温下进行的，直至结晶结束。利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度利用上述现象，我们可以进行晶体实际结晶温度的测量，这种测量方法称为的测量，这种测量方法称为“ ”。此法是将。此法是将被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷被测定的晶体先加热融化，然后以缓慢的速度进行冷却，

15、冷速越慢，过冷度却，冷速越慢，过冷度T就越小，测得的实际结晶就越小，测得的实际结晶温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度温度就越接近理论结晶温度。在冷却过程中，将温度随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如随时间的变化记录下来，对纯元素晶体，就可得到如下图所示的下图所示的“冷却曲线冷却曲线”。热分析法热分析法TTT0 Tn纯金属结晶冷却曲线示意图纯金属结晶冷却曲线示意图（五）（五）冷却曲线冷却曲线：物体在液态冷却结晶过程中所物体在液态冷却结晶过程中所作出的作出的-T曲线。（如右图）曲线。（如右图）冷却曲线中出现的水平台阶的冷却曲线中出现的水平台阶的温度就是温度就是实际结晶温度实际

16、结晶温度。二、金属结晶的基本过程二、金属结晶的基本过程基本过程基本过程：晶核的形成与晶核：晶核的形成与晶核的长大。的长大。(如右图所示如右图所示)（一）晶核的形成（一）晶核的形成金属结晶时金属结晶时1. 均匀形核或自发形核：均匀形核或自发形核：形核时由该金属本身在液形核时由该金属本身在液体中直接产生晶核。体中直接产生晶核。形核方式有两种：形核方式有两种：液体金属中原子热运动强烈，因此原子排列是混乱的。但在接近液体金属中原子热运动强烈，因此原子排列是混乱的。但在接近结晶温度时，液体金属中也会出现一些小范围规则排列的原子集团。结晶温度时，液体金属中也会出现一些小范围规则排列的原子集团。当这种原子集

17、团的半径大于某一个临界值当这种原子集团的半径大于某一个临界值rc时，它们继续长大会造成系时，它们继续长大会造成系统自由能的降低，因而能自发的长大，这些原子集团就会成为结晶核统自由能的降低，因而能自发的长大，这些原子集团就会成为结晶核心。心。rc称为晶核的称为晶核的临界半径临界半径，它随过冷度的增大而减小。在过冷度较大，它随过冷度的增大而减小。在过冷度较大时，原来不能成为结晶核心的小原子团也可能成为结晶核心。时，原来不能成为结晶核心的小原子团也可能成为结晶核心。2. 非均匀形核或非自发形核：非均匀形核或非自发形核：形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔形核时以已有的模壁或液体中未熔的高熔点杂质颗粒

18、等外来质点作为结晶的核心。点杂质颗粒等外来质点作为结晶的核心。晶核：晶核：就是能真正成长为晶体的原子集团。就是能真正成长为晶体的原子集团。（二）晶核的长大（二）晶核的长大晶核的长大方式晶核的长大方式： 金属的长大形式通常是金属的长大形式通常是枝晶长大枝晶长大（如图）（如图）三、金属铸锭及金属铸件三、金属铸锭及金属铸件在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成在实际生产中，液态金属通常是在铸模或铸型中凝固成固态的，可分别得到固态的，可分别得到金属铸锭金属铸锭（具有一定形状的金属块，通（具有一定形状的金属块，通常需经一定的塑性加工变形后再使用）或常需经一定的塑性加工变形后再使用）或铸件铸件（

19、具有特定产（具有特定产品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而品形状的金属部件，通常可经过一定的切削加工或不加工而直接使用）。这个过程可称为直接使用）。这个过程可称为铸造铸造。对于金属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶对于金属铸锭，一般由表层细晶粒区、柱状晶粒区和中心等轴晶粒区粒区和中心等轴晶粒区 。（一）（一） 表面细晶粒区表面细晶粒区模壁模壁T冷却速度冷却速度+人工晶核（模壁）人工晶核（模壁）晶粒等轴、细小、均匀。晶粒等轴、细小、均匀。三个部分组成三个部分组成（二）柱状晶区（二）柱状晶区随 时 间 推 移随 时 间 推 移 模型模型T冷却速度冷却速度T形核率下形核率下降降向模壁定

20、向散热向模壁定向散热 晶粒定向长大晶粒定向长大 柱柱状状晶晶（三）中心等轴晶区（三）中心等轴晶区随 时 间 进 一 步 推 移随 时 间 进 一 步 推 移 散 热 能 力散 热 能 力 散热方向性散热方向性均匀冷却且冷却速度均匀冷却且冷却速度又：杂质聚集，枝晶折断又：杂质聚集，枝晶折断 晶核晶核 各向均长大各向均长大粗等轴晶粗等轴晶金属铸锭示意图金属铸锭示意图实际金属铸锭实际金属铸锭（四）铸造缺陷（四）铸造缺陷 如前述的三层晶区如前述的三层晶区 凝固条件不同，三区可相对增减凝固条件不同，三区可相对增减 体积收缩造成，在最后凝固体积收缩造成，在最后凝固处，因得不到钢液的补充而形成；处，因得不到

21、钢液的补充而形成；在缩孔、疏松周围还常在缩孔、疏松周围还常有积聚各种低熔点杂质的区域有积聚各种低熔点杂质的区域（最后凝固所至）（最后凝固所至）气泡、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析气泡、裂纹、非金属夹杂，晶内偏析（化学成分不均）等等。（化学成分不均）等等。 组织不均匀组织不均匀缩孔缩孔在缩孔周围形成的微小分散在缩孔周围形成的微小分散孔隙孔隙疏松疏松区域偏析区域偏析四、结晶过程中晶粒的大小及其影响因素四、结晶过程中晶粒的大小及其影响因素在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个在结晶过程中，晶核的形成和成长快慢由两个参数来控制的：参数来控制的：形核率形核率N 形核数形核数smm3生长率生长率G mm/s最后得到的晶粒大小，与最后得到的晶粒大小，与N、G有关有关在体积一定时在体积一定时N晶粒尺寸晶粒尺寸； G晶粒尺寸晶粒尺寸可见，可见，晶粒的大小取决于比