第二单元金属的晶体结构和结晶

1、金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶ROAD ENERGY概述概述u 金属材料固态下通常都是金属材料固态下通常都是晶体（金属晶体）晶体（金属晶体），原子，原子呈规则排列，这是由金属键的特征所决定的学习呈规则排列，这是由金属键的特征所决定的学习掌握金属及其合金的内部结构，即了解金属中原子掌握金属及其合金的内部结构，即了解金属中原子的相互作用和结合方式，原子的聚集状态和分布规的相互作用和结合方式，原子的聚集状态和分布规律，各种晶体的特点和彼此的差异，实际金属中的律，各种晶体的特点和彼此的差异，实际金属中的各种晶体缺陷，是金属材料学习研究的必要手段各种晶体缺陷，是金属材料学习研究的必要手段ROA

2、D ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构1 1 晶体与非晶体晶体与非晶体u固态物质按其内部原子（或分子）固态物质按其内部原子（或分子）的聚集状态分为晶体和非晶体两类。的聚集状态分为晶体和非晶体两类。u晶体晶体的质点（原子、离子或分子）的质点（原子、离子或分子）在空间作有规则的排列，即相同质点在空间作有规则的排列，即相同质点在空间有周期性地重复出现在空间有周期性地重复出现u非晶体非晶体内部的质点排列不规则内部的质点排列不规则非晶体非晶体晶体晶体ROAD ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构1 1 晶体与非晶体晶体与非晶体u冷却或熔化时晶体有一定的凝固点或冷却或熔化时晶体有

3、一定的凝固点或熔点（固体与液体之间转变的临界温度熔点（固体与液体之间转变的临界温度）。在临界温度以上为非晶体状态的液）。在临界温度以上为非晶体状态的液体，临界温度以下液体转变为晶体，即体，临界温度以下液体转变为晶体，即晶体的固、液态转变具有突变性质。晶体的固、液态转变具有突变性质。u沿晶体不同方向测得的性能（导电性沿晶体不同方向测得的性能（导电性、导热性等）并不相同，即晶体各向异、导热性等）并不相同，即晶体各向异性；非晶体的性能不因方向而异，称为性；非晶体的性能不因方向而异，称为各向同性。各向同性。非晶体非晶体晶体晶体ROAD ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构1 1 晶体与非晶

4、体晶体与非晶体u晶体与非晶体的本质区别在于内部结构。一定条件下，晶体与非晶体的本质区别在于内部结构。一定条件下，晶体与非晶体可以互相转化。晶体与非晶体可以互相转化。u玻璃经高温长时间加热能开成所谓的晶态玻璃，而液态玻璃经高温长时间加热能开成所谓的晶态玻璃，而液态金属快速凝固可获得非晶态固体金属（金属玻璃）。金属快速凝固可获得非晶态固体金属（金属玻璃）。u晶体：晶体：有熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，金有熔点；具有各向异性。如：食盐，冰，金刚石，金属等。刚石，金属等。u非晶体：非晶体：无熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥无熔点；各向同性。如：玻璃，松香，沥青等。青等。ROAD ENERGY一、

5、金属的晶体结构一、金属的晶体结构2 2 金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构u金属的性能不仅取决于其组成原子的本性和原子金属的性能不仅取决于其组成原子的本性和原子间结合键的类型，也与原子的排列方式有关。间结合键的类型，也与原子的排列方式有关。u不同的金属因其原子排列方式不同而性能有所差不同的金属因其原子排列方式不同而性能有所差异；即使同一种金属，在不同温度或压力条件下，异；即使同一种金属，在不同温度或压力条件下，由于其内部原子排列不同，性能也会发生很大的变由于其内部原子排列不同，性能也会发生很大的变化。化。ROAD ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构2 2 金属的典型晶体结构金属

6、的典型晶体结构u规则排列的方式为晶体的结构规则排列的方式为晶体的结构晶体晶体晶格：晶格：表示晶体中原子排列形成的空间格子。表示晶体中原子排列形成的空间格子。晶胞：晶胞：组成晶格最基本的几何单元。组成晶格最基本的几何单元。abc晶胞示意图晶胞示意图原子原子晶格常数晶格常数a ,b , ca=b=c且互垂直且互垂直表示晶胞几何形状大小晶胞几何形状大小晶体中的原子排列晶体中的原子排列形成的原因形成的原因：各原子：各原子之间相互吸引力与排之间相互吸引力与排斥力相平衡结果。斥力相平衡结果。ROAD ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构2 2 金属的典型晶体结构金属的典型晶体结构u晶胞在三维空

7、间的重复排列构成晶格并形成晶体。由晶晶胞在三维空间的重复排列构成晶格并形成晶体。由晶胞可以描述晶格和晶体结构，研究晶体结构就在于考查晶胞可以描述晶格和晶体结构，研究晶体结构就在于考查晶胞的基本特性。胞的基本特性。u取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴标轴X X、Y Y、Z Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度a,b,ca,b,c和三条棱边之间的夹角来表示晶胞的形状和大小。和三条棱边之间的夹角来表

8、示晶胞的形状和大小。ROAD ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构常用晶格类型常用晶格类型体心立方晶格体心立方晶格bodycentered cubic latticeu金属原子分布在立方晶胞的金属原子分布在立方晶胞的8 8个个角顶上和立方体的中心。角顶上和立方体的中心。u特点：特点：b b较好。如：较好。如：912 912 Fe, CrFe, Cr铬铬, Mo, Mo钼钼, V, V钒，钒，W W钨等。钨等。ROAD ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构常用晶格类型常用晶格类型面心立方晶格面心立方晶格facecentered cubic latticeu金属原子分布在立

9、方晶胞的金属原子分布在立方晶胞的8 8个个角顶上和角顶上和6 6个面的中心。个面的中心。u特点：特点： 较好。如：较好。如：912 912 Fe ,Cu, Al Fe ,Cu, Al 等金属。等金属。ROAD ENERGY一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构常用晶格类型常用晶格类型密排六方晶格密排六方晶格hexagonal closepacked latticeu金属原子分布在六方晶胞的金属原子分布在六方晶胞的1212个角顶上、下底面的中心和两底个角顶上、下底面的中心和两底面间的面间的3 3个均匀分布的间隙里。个均匀分布的间隙里。u特点：硬度高、脆性大。如：特点：硬度高、脆性大。如：锌锌(Zn

10、) , (Zn) , 镁镁(Mg), (Mg), 镉镉( (CdCd) )等。等。ua=bc；c/a=1.633时最密。时最密。abCROAD ENERGY3 3、金属金属的的实际晶体实际晶体结构结构（1 1） 单晶体与多晶体单晶体与多晶体u单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体单晶体：一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为为单晶体单晶体。u在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内部在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这

11、种小晶体的外形呈颗粒状，称为不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒晶粒”。u晶粒与晶粒之间的界面称为晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界晶界”。在晶界处，原子排列为。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。适应两晶粒间不同晶格位向的过度，总是不规则的。u多晶体多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为“多晶体多晶体”。ROAD ENERGY（1 1） 单晶体与多晶体单晶体与多晶体u对于单晶体，由于各个方向上原子排列对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致各个方向上的性能不同，即不同，导致各个方向上的性能不同，即“各向异性各向异性

12、”的特点；的特点；u多晶体对每个小晶粒具有多晶体对每个小晶粒具有“各向异性各向异性”的特点，而就的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备性能，不具备“各向异性各向异性”的特点的特点。单晶体 多晶体 ROAD ENERGY（2 2） 晶体的缺陷晶体的缺陷u在实际晶体中，原子的排列不可能非常规则和完整，而在实际晶体中，原子的排列不可能非常规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性，通过把这种偏离完整性的区域称为性，通过把这

13、种偏离完整性的区域称为晶体缺陷晶体缺陷。u通常情况下金属都是多晶体，在晶粒的交界（晶界）处通常情况下金属都是多晶体，在晶粒的交界（晶界）处，原子的规则排列也必然受到破坏。这些都导致晶体的不，原子的规则排列也必然受到破坏。这些都导致晶体的不完整性，产生了晶体缺陷。完整性，产生了晶体缺陷。u金属中存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特金属中存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特点，分为如下三类：点，分为如下三类：ROAD ENERGY1 1） 晶体的缺陷晶体的缺陷点缺陷点缺陷u原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。u晶体中的晶体中的空位

14、空位、间隙原子间隙原子、杂质原子杂质原子都是点缺陷。都是点缺陷。 点缺陷示意图u在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止，而是在晶体中，位于点阵结点上的原子并非静止，而是以其平衡位置为中心做热振动。在一定温度时，原子以其平衡位置为中心做热振动。在一定温度时，原子热振动的平均能量是一定的；但是各个原子的能量并热振动的平均能量是一定的；但是各个原子的能量并不完全相等，而且经常发生变化，在任何瞬间，总有不完全相等，而且经常发生变化，在任何瞬间，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用，而可能脱离其原来的平衡位置而迁移到别处，结用，而可能脱离其原

15、来的平衡位置而迁移到别处，结果，原来的位置上出现了空结点，称为果，原来的位置上出现了空结点，称为空位空位。ROAD ENERGY1) 1) 晶体的缺陷晶体的缺陷点缺陷点缺陷u当晶格中某些原子由于某种原因，（如当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻屈服强度提高和电阻增加增加等。等。 点缺陷示意图u由于形成一个间隙原子要求很高的能量，由

16、于形成一个间隙原子要求很高的能量，所以在纯金属中，主要的点缺陷是空位而不所以在纯金属中，主要的点缺陷是空位而不是间隙原子。但空位所造成的晶格畸变比间是间隙原子。但空位所造成的晶格畸变比间隙原子造成的畸变要小的多。隙原子造成的畸变要小的多。ROAD ENERGY2 )2 )晶体的缺陷晶体的缺陷线缺陷线缺陷u原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：余两个方向上的尺寸很小。如：位错位错。u位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移而

17、造成。u滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。u由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，最简单的位错最简单的位错“刃型位错刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称的刃口，故称“刃型位错刃型位错”。ROAD ENERGY2 )2 )晶体的缺陷晶体的缺陷线缺陷线缺陷ROAD ENERGY2 )2 )晶体的缺陷晶体的缺陷线缺陷线缺陷u实际晶体中存在大

18、量的位错实际晶体中存在大量的位错,一般用位错密度来表示位错一般用位错密度来表示位错的多少。的多少。u位错密度位错密度 ：单位体积中位错线的总长度，或单位面积上：单位体积中位错线的总长度，或单位面积上位错线的根数位错线的根数,单位单位cm2u位错线附近的原子偏离了平衡位置位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变使晶格发生了畸变，对晶体的性能有显著的影响。对晶体的性能有显著的影响。ROAD ENERGY2) 2) 晶体的缺陷晶体的缺陷线缺陷线缺陷u实验和理论研究表明实验和理论研究表明:晶体的强度和位晶体的强度和位错密度有左图的对应关系：当晶体中位错密度有左图的对应关系：当晶体中位错密度很低

19、时错密度很低时，晶体强度很高；在晶体晶体强度很高；在晶体中位错密度很高时中位错密度很高时，其强度很高。其强度很高。u但目前的技术但目前的技术,仅能制造出直径为几微仅能制造出直径为几微米的晶须米的晶须，不能满足使用上的要求。而不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现位错密度很高易实现，如如剧烈的冷加工剧烈的冷加工可使密度大大提高可使密度大大提高，这为材料强度的提这为材料强度的提高提供途径。高提供途径。金属强度与位错密度的关系ROAD ENERGY3) 3) 晶体的缺陷晶体的缺陷面缺陷面缺陷u原子排列不规则的区域在空间两个方向上的原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸

20、很小。如前面尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如前面讲的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷。讲的晶界和亚晶界是晶体中典型的面缺陷。u显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。错墙。u这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。位错密度愈大，晶体的强度愈高。面缺陷ROAD ENERGY3)3)晶体的缺陷晶体的缺陷面缺陷面缺陷u实际金属材料是

21、多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如下图），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒域（如下图），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等被腐蚀等。ROAD ENERGY二、纯金属的结晶二、纯金属的结晶u金属及其合金生产均需经过冶炼和铸造，然后经压力加工成金属及其合金生产均需经过冶炼和铸造，然后经压力加工成型后，也

22、有一些是铸造后就直接使用的。金属通常都要经历由型后，也有一些是铸造后就直接使用的。金属通常都要经历由液态到固态的凝固过程。液态到固态的凝固过程。u金属凝固时由于熔化、浇注、冷却等条件的差异，所获得的金属凝固时由于熔化、浇注、冷却等条件的差异，所获得的铸件内部组织会有所不同，铸件的物理、化学和机械性能也会铸件内部组织会有所不同，铸件的物理、化学和机械性能也会因之而异，这对铸件的应用或随后的加工工艺有很大影响。因之而异，这对铸件的应用或随后的加工工艺有很大影响。u了解金属的凝固过程，掌握有关规律，对于控制铸件质量，了解金属的凝固过程，掌握有关规律，对于控制铸件质量，提高金属制品的性能等，都很重要。

23、提高金属制品的性能等，都很重要。u凝固亦是一个相变过程。凝固亦是一个相变过程。ROAD ENERGY二二.纯金属的结晶纯金属的结晶1.金属结晶的冷却曲线和过冷现象金属结晶的冷却曲线和过冷现象1）、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝）、结晶：物质从液态冷却转变为固态的过程叫凝固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。固。若凝固后的固体为晶体称为结晶。凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。凝固后是否形成晶体与液体的粘度和冷却速度有关。粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形粘度大，液体粘稠，相对运动困难，凝固时极易形成无规则结构。成无规则结构。冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷

24、冷却速度直接关系到原子或分子的扩散能力。当冷却速度大于却速度大于10 C/S时，可阻止金属及合金的结晶，时，可阻止金属及合金的结晶，获得非晶态金属材料。获得非晶态金属材料。7ROAD ENERGY2 2）、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的）、过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差。差。3 3）、自由能：物质能自动向外界释放出多余的）、自由能：物质能自动向外界释放出多余的或能够对外作功的能量叫自由能。或能够对外作功的能量叫自由能。据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，据热力学定律，自然界中一切自发转变过程，总是向能量最低状态转变。总是向能量最低状态转变。ROAD ENERGY理论结晶温度理

25、论结晶温度T T0 0与开与开始结晶温度始结晶温度T Tn n之差叫之差叫做做过冷度过冷度（undercoolingundercooling) )，用用TT表示。表示。 T= T0Tn 液体金属在结晶时的温度液体金属在结晶时的温度- -时间曲线称为冷却曲线。时间曲线称为冷却曲线。ROAD ENERGY结晶的条件结晶的条件1. 1. 必需要有过冷度。必需要有过冷度。过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过过冷度的大小与金属本性有关，如铜的过冷度为冷度为236 C236 C。2. 2. 与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度与金属的纯度有关，杂质越多，过冷度越小。越小。3. 3. 与冷却速度有关，快冷，实

26、际结晶温度与冷却速度有关，快冷，实际结晶温度低，低， 过冷度大。过冷度大。ROAD ENERGY体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能。释放的能量叫自由能。自然界的自发过程进行的热力学自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能条件都是自由能0 结论：结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于过冷度越大，结晶的驱动力也就越大；过冷度等于0，Gv也等于也等于0，没有驱动力结晶不能进行。过冷度用来，没有驱动力结晶不能进行。过冷度用来克

27、服界面能。克服界面能。ROAD ENERGY冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度也就越大。ROAD ENERGY2.2.晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响 液态金属结晶是在结晶温度平台由液态金属结晶是在结晶温度平台由形核形核和和晶核晶核长大长大两两个密切联系的基本过程来实现的。个密切联系的基本过程来实现的。 ROAD ENERGY结晶过程结晶过程晶核的形成与长大。晶核的形成与长大。晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。晶核的形成有自发形核和非自发形核两种。ROAD ENERGY晶核的形成晶核的形成 1 1）自发形核）自发形核 从液态内部由金属本身原子自从液态内部由金属

28、本身原子自发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的发长出结晶核心的过程叫做自发形核，形成的结晶核心叫做自发晶核。结晶核心叫做自发晶核。 2 2）非自发形核）非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过依附于杂质而生成晶核的过程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自程叫做非自发形核，形成的结晶核心叫做非自发晶核。发晶核。ROAD ENERGY均匀长大均匀长大树枝状长大树枝状长大晶核的长大方式晶核的长大方式ROAD ENERGY晶体的长大晶体的长大1 1）平面长大平面长大。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主。在冷却速度较小的情况下，纯金属晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大。要以其表面向前平行推移的方

29、式长大。当界面上偶当界面上偶有突出长大部分伸入到有突出长大部分伸入到T T较高的较高的L L中时，它的长大速度中时，它的长大速度会会，甚至会停止。而周围晶体会很快赶上来，突出，甚至会停止。而周围晶体会很快赶上来，突出部分消失，恢复到平面状态。部分消失，恢复到平面状态。( (正温度梯度正温度梯度） 2 2）树枝状长大树枝状长大。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时。当冷却速度较大，特别是存在有杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形状长大。大。 在长大中

30、如有突出部分，必然伸到在长大中如有突出部分，必然伸到T T较低的较低的L L中而继中而继续长大，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形续长大，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成成一次轴一次轴，一次轴又会生长出新的枝晶，一次轴又会生长出新的枝晶, ,产生产生二次轴二次轴，导致枝晶方式长大，直到树枝间最后被填充。，导致枝晶方式长大，直到树枝间最后被填充。 （负负温度梯度温度梯度）ROAD ENERGYn实际金属结晶主要以实际金属结晶主要以树枝状长大树枝状长大. .n这是由于棱角处的散热条件好这是由于棱角处的散热条件好，生长快，先形成，生长快，先形成一一次轴次轴，一次轴又会产生，一次轴又会产生

31、二次轴二次轴，树枝间最后被填，树枝间最后被填充充。晶核的长大方式晶核的长大方式ROAD ENERGYROAD ENERGY金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶ROAD ENERGY(3)(3)、金属结晶后晶粒的大小、金属结晶后晶粒的大小表示晶粒大小的尺度叫表示晶粒大小的尺度叫晶粒度晶粒度。晶粒度可用单位体积内或单位。晶粒度可用单位体积内或单位面积上晶粒数目来表示。工业生产上采用晶粒度级别来确定晶面积上晶粒数目来表示。工业生产上采用晶粒度级别来确定晶粒度。粒度。标准晶粒度级别共分标准晶粒度级别共分八八级，一级最粗，八级最细。通过级，一级最粗

32、，八级最细。通过100100倍倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。常温下，金属晶粒越细小，常温下，金属晶粒越细小，晶界面积越大，它的强度、晶界面积越大，它的强度、硬度越高；对外应力的分散使硬度越高；对外应力的分散使塑性和韧性提高，即塑性和韧性提高，即细晶强化细晶强化。ROAD ENERGY晶粒的大小取决于晶粒的大小取决于晶核的形核率晶核的形核率和和长大速度长大速度。（。（P13P13）l单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率形核率( (N N) )。l单位时间内晶核生长的长度叫单位时间内晶核生长的长度叫长大速度长

33、大速度( (GG) )。l N/GN/G比值越大，晶粒越细小比值越大，晶粒越细小。l因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，l都能细化晶粒都能细化晶粒 提高过冷度提高过冷度 过冷度过冷度 TT，NN（形核速率），形核速率），GG（长大速率），长大速率），N/GN/G增大，增大，晶粒越细小。晶粒越细小。过冷度对过冷度对N、G的影响的影响3、细化晶粒的方法、细化晶粒的方法ROAD ENERGY晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响n常温下常温下，晶粒越细，晶界面晶粒越细，晶界面积越大，因而金属的强度、积越大，因而金属的强度、硬度越高，同时塑性、韧性硬度越高

34、，同时塑性、韧性也越好也越好, ,即即细晶强化细晶强化。n高温下高温下，晶界呈粘滞状态，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动，在外力作用下易产生滑动，因而细晶粒无益。但晶粒太因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而高粗易产生应力集中。因而高温下晶粒过大、过小都不好温下晶粒过大、过小都不好。 晶粒大小与金属强度的关系晶粒大小与金属强度的关系s= i+Kd-1/2ROAD ENERGYAl-Al-SiSi合金组织合金组织缓冷缓冷快冷快冷ROAD ENERGY 变质处理变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织

35、。核的核心，以细化晶粒和改善组织。变质处理前变质处理前变质处理后变质处理后铸铁变质处理前后的铸铁变质处理前后的组织组织( (变质剂为硅铁或硅钙合金) )ROAD ENERGY电磁搅拌细化晶粒示意图电磁搅拌细化晶粒示意图振动，搅拌等振动，搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。晶破碎，使晶核数目显著增加。ROAD ENERGYROAD ENERGY4、铸锭及焊缝的结晶、铸锭及焊缝的结晶n1)1)、表层细晶区、表层细晶区n当金属液浇入锭模后，表层金属受到模壁的急冷作用，形成当金属液浇入锭模后，表层金属受到模壁的急冷作用，形成大量晶核，再加上模壁及杂质的异质形核，形成了表层的细大量晶核，再加上模壁及杂质的异质形核，形成了表层的细晶区。晶区。n2)2)、柱状晶区、柱状晶区n当表层细晶区形成后，模壁温度升高，金属液冷却变慢。由当表层细晶区形成后，模壁温度升高，金属液冷却变慢。由于细晶区结晶潜热的释放，使细晶区前沿液体过冷度变小，于细晶区结晶潜热的释放，使细晶区前沿液体过冷度变小，形核率降低，细晶区与液体接触的晶粒中，只有那些一次晶形核率降低，细晶区与液