第5讲 纯金属结晶Ⅰ

第五讲

金属的晶体结构Ⅴ

纯金属的结晶Ⅰ2/28/20241上讲内容回顾点缺陷

空位间隙原子置换原子位错

刃型位错

螺型位错柏氏矢量2/28/20242第一章金属的晶体结构§1-1金属§1-2金属的晶体结构§1-3实际金属的晶体结构本章作业2/28/20243§1-3实际金属的晶体结构一、点缺陷二、线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。三、面缺陷：在一个方向上尺寸很小，而另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。四、体缺陷：在三维方向上尺度都较大的缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。返回2/28/20244主要内容

1.刃型位错

2.螺型位错3.柏氏矢量4.位错密度二、线缺陷（位错）返回2/28/202453.柏氏矢量⑴柏氏矢量的概念⑵柏氏矢量的确定方法⑶柏氏矢量的物理意义⑷柏氏矢量的特性

⑸混合位错返回2/28/20246⑸混合位错实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状也会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量时，这种位错叫混合位错。由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际晶体中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露头），在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。2/28/20247形成位错环时，位错性质类型的确定：AB、CD段⊥b

刃型位错AB段：正刃；CD段：负刃BC、DA段∥b

螺型位错BC段：右螺；DA段：左螺A点：左螺，B点：正刃C点：右螺，D点：负刃其它为混ABCDb图1-56确定位错环的位错性质类型bABCD2/28/20248可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出来。通常的方法有：侵蚀法电镜观察（图1-57）

X射线衍射间接检查位错返回图1-57电镜下焊缝金属中AF内位错2/28/202494.位错密度晶体中位错量的多少用位错密度来表示。位错密度：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积的位错数目。

ρ—位错密度，m-2；V—晶体的体积；

L—晶体中位错的总长度一般充分退火的多晶体金属中，ρ≈1010~1012m-2

经剧烈冷塑性变形金属中，ρ≈1015~1016m-2，即在1㎝3的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。2/28/202410位错的存在和密度的大小对机械性能、扩散及相变有重要的影响，如图1-58所示。若金属晶体不含位错，将接近理论强度T=G/2π。如直径为1.6μm的铁晶须（位错密度极低），其σb=13400MPa；有位错存在强度大大下降，退火纯铁的ρ≈1010~1011m-2，σb=300MPa；经合金化、冷变形、热处理强化后ρ≈1015~1016m-2，σb=3000MPa。ρm

1234σρ图1-58晶体的塑变抗力与ρ的关系1—理论强度2—晶须强度3—未强化纯金属强度4—合金化、冷变形、热处理的合金强度返回2/28/202411三、面缺陷面缺陷包括外表面（表面和自由界面）和内表面（晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等）。面缺陷对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。

1.晶体表面

2.晶界

3.亚晶界

4.堆垛层错

5.相界

6.晶界特性返回2/28/2024121.晶体表面晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同。在内部，每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、液等原子或分子包围，内部原子的作用力比外表面的原子大，内外受力不平衡，使表面原子偏离平衡位置，引起晶格畸变，使表面能量升高，出现额外的自由能，即表面能。与表面张力同量纲、同数值。单位为J·㎡或N/m。2/28/202413影响表面能的因素：⑴表面原子密度表面原子密度越大，表面能越小。因此，晶体易使密排面裸露在表面。⑵表面曲率半径表面曲率半径越大，曲率越小，表面能越小，反之，亦然。⑶外部介质性质外部介质的分子或原子对晶体界面原子的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，则表面能越大。⑷晶体的性质晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能大。返回2/28/2024142.晶界实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向不同，位向差小到几十分大到几十度。两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面叫晶界。⑴小角度晶界晶粒的位相差小于10°的晶界称为小角度晶界。小角度晶界是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾侧晶界（图1-59），螺型扭转晶界（图1-60）。2/28/202415⑵大角度晶界晶粒的位相差大于10°的晶界称为大角度晶界。大约有3～5个原子间距原子排列，规则性较差，晶格畸变很大，可以认为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向过渡的折中位置（图1-61）。大角度晶界还可能有共格晶界：晶界上的原子正好处于两晶粒的共同结点上（图1-62）

图1-61大角度晶界图1-62共格晶界返回2/28/202416图1-59对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界位错墙倾侧前倾侧后返回2/28/202417返回图1-60螺型扭转晶界2/28/2024183.亚晶界每个晶粒内部位向也有微小的差别，由许多位向差很小的小区域（亚晶粒）组成，位向差仅几分，最多1-2°，如图1-63所示。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。实验证实，亚晶界属于小角度晶界。图1-63亚晶界结构示意图返回2/28/2024194.堆垛层错⑴概念：实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成的晶体缺陷，称为堆垛层错，简称为层错。⑵形式：

fcc晶格，原子的堆垛次序为ABCABC

ABC…

层错：ABCABABC…⑶影响：层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。⑷层错能：产生单位面积层错所需的能量，称之。返回2/28/2024205.相界合金的组织往往由多个相组成。不同的相具有不同的晶体结构和化学成分。具有不同晶体结构的两相之间的分界叫相界。相界结构有三种：共格界面、半共格界面和非共格界面。如图1-64所示。返回具有完善共格关系的界面界面能量最低具有弹性畸变的共格界面半共格界面半共格界面界面能量最高图1-64各种相界面结构示意图2/28/2024216.晶界特性晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶格畸变很大，位错密度高，具有一定的界面能或晶界能。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许多过程都有重要作用。由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存在，使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。2/28/202422⑴由于界面能的存在，当晶体中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚，这种现象叫内吸附。⑵晶界上原子具有较高的能量，且存在较多的晶体缺陷，使原子的扩散速度比晶粒内部快得多。⑶常温下，晶界对位错运动起阻碍作用，故金属材料的晶粒越细，则单位体积晶界面积越多，其强度，硬度越高——晶界强化。2/28/202423⑷

晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化。⑸晶界能量高，不稳定，有自发向低能状态转变的趋势，导致晶界的移动——晶粒长大。晶界平直化，以减小晶界的总面积和总界面能。能量越高的大角度晶界迁移越快。由于晶界迁移靠原子扩散，故只有在较高温度下才能进行。⑹由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核。返回2/28/202424本章作业课本P31-32第一次作业：1-1、1-2、1-3第二次作业：1-5、1-7、1-8第三次作业：1-10、1-13、1-15第二章2/28/202425第二章纯金属的结晶物质从液态到固态的转变过程称为凝固。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。2/28/202426金属冶炼2/28/2024272/28/202428§2-1金属结晶的现象§2-2金属结晶的基本条件§2-3晶核的形成§2-4晶核长大§2-5

金属铸锭的组织与缺陷第二章纯金属的结晶2/28/202429§2-1金属结晶的现象一、结晶过程的宏观现象相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：1.过冷现象2.结晶潜热二、金属结晶的微观过程返回2/28/2024301.过冷现象液态金属冷却到理论结晶温度Tm时并不结晶，而是降到低于Tm

的温度Tn才开始结晶。金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象称为过冷。金属材料理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，用△T表示，则△T=Tm－Tn，如图2-1所示。图2-1纯金属结晶冷却曲线TmTn2/28/202431结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔开的晶体界面而消耗能量。所以，只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。2/28/202432过冷度的大小与金属的本性、纯度及冷却速度有关。金属不同，过冷度不同；金属纯度越高，过冷度越大；以上两个因素确定后，过冷度主要与冷却速度有关，冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度越大；冷却越慢，过冷度越小，但不可能在理论温度结晶。如图2-2所示。图2-2液态金属不同冷速时的冷却曲线

2/28/202433液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于理论结晶温度时结晶。这时的过冷度接近于零。金属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不超过10～30℃。注意：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。返回2/28/2024342.结晶潜热⑴相变潜热：1摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。⑵熔化潜热：金属熔化时，从固相到液相吸收热量称为熔化潜热。⑶结晶潜热：液态金属凝固时，从液态到固相放出热量称为结晶潜热。2/28/202435冷却曲线（图2-3）上出现水平台阶，说明纯金属结晶是在恒温下进行。因为结晶时放出结晶潜热，弥补了热量的散失。曲线上1点对应结晶开始点，2点对应结晶终了点。在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散失的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现象。图2-3纯金属的冷却曲线返回TmTn122/28/202436二、金属结晶的微观过程1.结晶的基本过程：形核－长大。如图2-4所示。2.描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。图2-4纯金属结晶过程示意图返回2/28/202437

§2-2

结晶的基本条件为什么必须降到理论结晶温度以下一定温度才能结晶呢？因为结晶必须具备两个条件：能量条件（热力学条件）和结构条件（相起伏）

。一、金属结晶的热力学条件二、金属结晶的结构条件返回2/28/202438一、金属结晶的热力学条件根据热力学第二定律，等温等压条件下，系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。在相变过程中只有新相的自由能低于旧相的自由能时相变才能自发进行。新旧相自由能差就是相变的驱动力（图2-5）。图2-4液、固相自由能—温度示意图（G-T曲线）点击2/28/202439关于G-T曲线：是下降上凸曲线，随着温度的降低，自由能降低。液相曲线斜率大于固相，表明随着温度的降低，液相自由能降低的更快些。液、固相冷却曲线交点对应的温度为两相共存温度，即理论结晶温度Tm。液相金属结晶的实际温度低于Tm

，两相自由能差△Gv为金属结晶的驱动力。图2-4液、固相自由能—温度示意图（G-T曲线）2/28/202440热力学条件：

式中△Gv-液、固相自由能差

△T-过冷度Lm-结晶潜热

Tm-理论结晶温度△T>0,△Gv

<0，过冷是结晶的必要条件（之一）。△Gv的绝对值为凝固过程的驱动力。

△T越大,△Gv越小，驱动力越大，越有利于结晶。图2-4液、固相自由能—温度示意图（G-T曲线）返回返回2/28/202441二、金属结晶的结