金屬學(xué)第三章-金屬結(jié)晶過程課件

1.純金屬的結(jié)晶條件2.純金屬的結(jié)晶過程3.同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變4.細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施第3章金屬的結(jié)晶1.純金屬的結(jié)晶條件第3章金屬的結(jié)晶11.純金屬的結(jié)晶條件晶體液體結(jié)晶結(jié)晶：

液體-->晶體凝固：

液體-->固體（晶體或非晶體）1.純金屬的結(jié)晶條件晶體液體結(jié)晶結(jié)晶：液體-->晶體2冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}

T過冷度

T=T0-Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）冷卻曲線tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}T過冷度T3冷卻速度越大，則過冷度越大。冷卻速度越大，則過冷度越大。42.純金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶形核和晶核長大的過程2.純金屬的結(jié)晶過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶形核和晶核5（1）形核過程兩種形核方式——

自發(fā)形核與非自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核——是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。（1）形核過程兩種形核方式——自發(fā)形核與非自發(fā)形核自6（1）形核過程兩種形核方式——

自發(fā)形核與非自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核——是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。（1）形核過程兩種形核方式——自發(fā)形核與非自發(fā)形核自7（2）晶核長大過程兩種長大方式——

平面生長與樹枝狀生長。平面生長（2）晶核長大過程兩種長大方式——平面生長與樹枝狀生8樹枝狀生長樹枝狀生長94.細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8級（p111)。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化——晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象比較：細(xì)晶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性↑

固溶強(qiáng)化-->強(qiáng)度、硬度↑，塑性、韌性↓4.細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分810細(xì)化晶粒的措施1.提高過冷度2.變質(zhì)處理3.振動結(jié)晶細(xì)化晶粒的措施1.提高過冷度11（1）提高過冷度形核率N、長大速度G與過冷度

T的關(guān)系

TG，NGN（1）提高過冷度形核率N、長大速度G與過冷度T的關(guān)12（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。在鋁合金液體中加入鈦、鋯；鋼水中加入鈦、釩、鋁，鑄鐵中加入硅鐵、硅鈣、硅鈣鋇合金，都可使晶粒細(xì)化。變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。（3）振動結(jié)晶振動的作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化。——機(jī)械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。（4）電磁攪拌

將正在結(jié)晶的金屬置于一個交變電磁場中，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，液態(tài)金屬會翻滾起來，沖斷正在結(jié)晶的樹枝狀晶體的晶，增加結(jié)晶核心，從而可細(xì)化晶粒。（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和133．同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C3．同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的14純鐵的冷卻曲線T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770鐵磁性純鐵的冷卻曲線T-Fe，bcc}15五金屬鑄錠的組織特點(diǎn)

細(xì)等軸晶區(qū)

液體金屬注入錠模時，由于錠模溫度不高，傳熱快，外層金屬受到激冷，過冷度大，生成大量的晶核。同時模壁也能起非自發(fā)晶核的作用。結(jié)果，在金屬的表層形成一層厚度不大、晶粒很細(xì)的細(xì)晶區(qū)。(1)細(xì)等軸晶區(qū)；

(2)柱狀晶區(qū)；

(3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結(jié)構(gòu)五金屬鑄錠的組織特點(diǎn)

細(xì)等軸晶區(qū)

(1)細(xì)等軸晶區(qū)；

16五金屬鑄錠的組織特點(diǎn)

柱狀晶區(qū)

細(xì)晶區(qū)形成的同時，錠模溫度升高，液體金屬的冷卻速度降低，過冷度減小，生核速率降低，但此時長大速度受到的影響較小。結(jié)晶時，優(yōu)先長大方向（即一次晶軸方向）與散熱最快方向（一般為往外垂直模壁的方向）的反方向一致的晶核向液體內(nèi)部平行長大，結(jié)果形成柱狀晶區(qū)。(1)細(xì)等軸晶區(qū)；

(2)柱狀晶區(qū)；

(3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結(jié)構(gòu)五金屬鑄錠的組織特點(diǎn)

柱狀晶區(qū)

(1)細(xì)等軸晶區(qū)；

(17五金屬鑄錠的組織特點(diǎn)

粗等軸晶區(qū)

隨著柱狀晶區(qū)的發(fā)展，液體金屬的冷卻速度很快降低，過冷度大大減小，溫度差不斷降低，趨于均勻化；散熱逐漸失去方向性，所以在某個時候，剩余液體中被推來和漂浮來的、以及從柱狀晶上被沖下的二次晶枝的碎塊，可能成為晶核，向各個方向均勻長大，最后形成一個粗大的等軸晶區(qū)。(1)細(xì)等軸晶區(qū)；

(2)柱狀晶區(qū)；

(3)粗等軸晶區(qū)鑄錠結(jié)構(gòu)五金屬鑄錠的組織特點(diǎn)

粗等軸晶區(qū)

(1)細(xì)等軸晶區(qū)；

18缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷(位錯)面缺陷分類：空位、間隙原子熱缺陷：弗侖克爾缺陷、肖特基缺陷點(diǎn)缺陷濃度位錯類型刃型位錯螺型位錯混合位錯柏氏矢量表面晶界相界實(shí)際金屬的缺陷缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷分類：空位、間隙原子熱缺陷：弗侖克爾缺19點(diǎn)缺陷：三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度），又稱零維缺陷。典型代表有空位、間隙原子等。

線缺陷：兩個方向尺寸很小，一個方向尺寸較大（可以和晶體或晶粒線度相比擬），又稱為一維缺陷。位錯是典型的線缺陷。面缺陷：一個方向尺寸很小，另兩個方向尺寸較大，又稱二維缺陷。如晶粒間界、晶體表面、層錯等。體缺陷：如果在三維方向上尺度都較大，那么這種缺陷就叫體缺陷，又稱三維缺陷。如沉淀相、空洞等。缺陷的分類點(diǎn)缺陷：三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度），又稱20間隙原子：原子進(jìn)入晶格中正常結(jié)點(diǎn)之間的間隙位置，成為間隙原子或稱填隙原子?？瘴唬赫＝Y(jié)點(diǎn)沒有被原子或離子所占據(jù)，成為空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。點(diǎn)缺陷的分類間隙原子：原子進(jìn)入晶格中正常結(jié)點(diǎn)之間的間隙位置，成為間隙原子21點(diǎn)缺陷對材料性能的影響點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。點(diǎn)缺陷引起電阻的增加，這是由于晶體中存在點(diǎn)缺陷時，對傳導(dǎo)電子產(chǎn)生了附加的電子散射，使電阻增大?？瘴粚饘俚脑S多過程有著影響，特別是對高溫下進(jìn)行的過程起著重要的作用。金屬的擴(kuò)散、高溫塑性變形的斷裂、退火、沉淀、表面化學(xué)熱處理、表面氧化、燒結(jié)等過程都與空位的存在和運(yùn)動有著密切的聯(lián)系。

過飽和點(diǎn)缺陷（如淬火空位、輻照缺陷）還提高了金屬的屈服強(qiáng)度。點(diǎn)缺陷對材料性能的影響點(diǎn)缺陷的存在使晶體體積膨脹，密度減小。22晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線垂直于滑移方向，則會存在一多余半排原子面，使此處上下兩部分晶體產(chǎn)生原子錯排，這種晶體缺陷稱為刃型位錯。多余半排原子面在滑移面上方的稱正刃型位錯，記為“┻”；相反，半排原子面在滑移面下方的稱負(fù)刃型位錯，記為“┳”。符號中水平線代表滑移面，垂直線代表半個原子面。線缺陷晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線垂直于滑移方向，則會存在一多23刃型位錯的結(jié)構(gòu)特征有一額外的半原子面，分正和負(fù)刃型位錯；可理解為是已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線，可是直線也可是折線和曲線，但它們必與滑移方向和滑移矢量垂直；只能在同時包含有位錯線和滑移矢量的滑移平面上滑移；位錯周圍點(diǎn)陣發(fā)生彈性畸變，有切應(yīng)變，也有正應(yīng)變；位錯畸變區(qū)只有幾個原子間距，是狹長的管道，故是線缺陷。刃型位錯的結(jié)構(gòu)特征24晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）若平行于滑移方向，則在該處附近原子平面已扭曲為螺旋面，這種晶體缺陷稱為螺型位錯。符合右手法則的稱右螺旋位錯；符合左手法則的稱為左螺旋位錯。CBADABC晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界線（即位錯線）若平行于滑移方向25螺型位錯的結(jié)構(gòu)特征無額外的半原子面，原子錯排程軸對稱，分右旋和左旋螺型位錯；一定是直線，與滑移矢量平行，位錯線移動方向與晶體滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位錯線的平面都可以作為它的滑移面；位錯周圍點(diǎn)陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應(yīng)變而無正應(yīng)變，即不引起體積的膨脹和收縮；位錯畸變區(qū)也是幾個原子間距寬度，同樣