第三章 纯金属的结晶
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第三章 纯金属的结晶
粗 糙 界 NkTm [αx(1 − x ) + x ln x + (1 − x ) ln (1 − x )]
x = ΝΑ Ν → 界面上固态原子占据位 置的比例
• 当a≤2时，在x=0.5处有一个 时 处有一个 极小值。 极小值。实际界面结构应使 最小， △GS最小，在这种情况下的 • 这类界面称为粗糙（Rough） 这类界面称为粗糙（ ） 或非光滑（ 或非光滑（Non-Faceted）界 ） 大多数金属和合金的液/ 面。大多数金属和合金的液 固相界面是粗糙型的。 固相界面是粗糙型的。 • 当a>5时，x在接近 和1处出 在接近0和 处出 时 在接近 现极小值。 现极小值。 • 这类界面称光滑（Faceted） 这类界面称光滑（ ） 界面。 界面。多数无机化合物及某 些类金属如Bi、 、 的界 些类金属如 、Sb、Si的界 面是光滑型的。 面是光滑型的。
2.晶粒长大 晶粒长大
晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 液体中原子迁移到固体表面 使液－固界面向液体中不断推移的过程 。 使液－固界面向液体中不断推移的过程
晶粒生长的形态包括平面状、 树枝状。 晶粒生长的形态包括平面状、胞状 、树枝状。 平面状
• （一）固液界面的微观结构
• 固液界面微观结构有两种类型 光滑界面；粗糙界面 固液界面微观结构有两种类型：光滑界面； 光滑界面 • 光滑界面 界面微观光滑 宏观为小平面界面 光滑界面：界面微观光滑 宏观为小平面界面 界面微观光滑，宏观为小平面界面。 • 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 平直。 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 粗糙
Jackson因子（a）与界面状态 因子
• （二）晶粒长大机制
x = ΝΑ Ν → 界面上固态原子占据位 置的比例
• 当a≤2时，在x=0.5处有一个 时 处有一个 极小值。 极小值。实际界面结构应使 最小， △GS最小，在这种情况下的 • 这类界面称为粗糙（Rough） 这类界面称为粗糙（ ） 或非光滑（ 或非光滑（Non-Faceted）界 ） 大多数金属和合金的液/ 面。大多数金属和合金的液 固相界面是粗糙型的。 固相界面是粗糙型的。 • 当a>5时，x在接近 和1处出 在接近0和 处出 时 在接近 现极小值。 现极小值。 • 这类界面称光滑（Faceted） 这类界面称光滑（ ） 界面。 界面。多数无机化合物及某 些类金属如Bi、 、 的界 些类金属如 、Sb、Si的界 面是光滑型的。 面是光滑型的。
2.晶粒长大 晶粒长大
晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 液体中原子迁移到固体表面 使液－固界面向液体中不断推移的过程 。 使液－固界面向液体中不断推移的过程
晶粒生长的形态包括平面状、 树枝状。 晶粒生长的形态包括平面状、胞状 、树枝状。 平面状
• （一）固液界面的微观结构
• 固液界面微观结构有两种类型 光滑界面；粗糙界面 固液界面微观结构有两种类型：光滑界面； 光滑界面 • 光滑界面 界面微观光滑 宏观为小平面界面 光滑界面：界面微观光滑 宏观为小平面界面 界面微观光滑，宏观为小平面界面。 • 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 平直。 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 粗糙
Jackson因子（a）与界面状态 因子
• （二）晶粒长大机制
工程材料第三章金属与合金的结晶
匀晶转变
α
2
L 2’
(α+β)
α
βⅡ
3
(α+β) (α+β)
α βⅡ
时间
一次α相 一次α的成分沿AC线变化到C点
析出
βⅡ 液相的成分沿AE线变化到E点
183℃
LE
αc + βD
三、二元共晶相图
共晶相图：二元合金系中两组元在液态能完全溶解，而 在固态互相有限溶解，并发生共晶转变的相图
（一）相图分析
其它相线：液相线，固相线，固溶线
合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成 的一系列不同成分的合金的总称
合金的结晶特点：
1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温 度范围内完成，而纯金属在恒温下完成； 2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化 学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。
合金结晶：非恒温结晶 一、二元合金相图的基本知识 合金相图：又称合金平衡图， 表示在平衡状态下，合金的组 成相和温度、成分之间关系的 图解
补充：共析相图 共析转变：在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外
两个与母相成分不相同的固相的转变过程，与共晶转变类似，S点为 共析点
共析相图：发生共析转变的相图
第三章 金属与合金的结晶
思考题
什么是过冷度？ 什么是共晶转变？ 工业生产中常采用哪些方法细化晶粒，
改善铸件的性能？
本章到此结束。
ALB为液相线，开始结晶，液相线以上为液态，L； AαB为固相线，结晶终了，固相线以下为固态区，α； 液相线与固相线之间为两相共存区，L+α
分析
1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两 相的成分变化线
第03章 结晶相图
第二节 纯金属的结晶
八、铸件晶粒大小的控制
决定晶粒尺寸的要素： 从液体凝固后，每个晶核生长成一个晶 粒，晶核多晶粒的尺寸自然就小。凝固理论分析表明晶粒尺寸决 定于N/G，即形核率高晶粒细小，而长大速度快，晶粒尺寸增大。 控制原理与方法：生产过程通常希望材料得到细小的尺寸，为此 控制晶粒尺寸的方法有：第一，降低浇注温度和加快冷却速度， 如金属模、或加快散热，尽管形核率和长大速度都提高，但形核 率的提高快得多，所得到的晶粒将细化，可是快冷却速度会增加 零件的内应力有时甚至可能造成开裂，有时因生产环境和零件尺 寸达不到快速冷却。第二，加变质剂即人为加入帮助形核的其它 高熔点细粉末，如在铜中加少量铁粉或铝中加Al2O3粉等，以非 均匀方式形核并阻碍长大。第三，铸件凝固中用机械或超声波震 动等也可细化晶粒尺寸。若希望晶粒粗大，如用于高温的材料， 对这些因素进行相反的操作。
组织：人们用肉眼或借助某种工具（放大镜、光学显微镜、电子 显微镜等）所观察到的材料形貌。它决定于组成相的类型、 形状、大小、数量、分布等。 组织组成物：组织中形貌相同的组成部分。
第三节
材料的相结构
二、固溶体
1. 固溶体：
当材料由液态结晶为固态时，组成元素间会象溶液那样 互相溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元 素原子的新相，称为固溶体。与固溶体的晶格相同的组成元 素称为溶剂，在固溶体中一般都占有较大的含量；其它的组 成元素称为溶质，其含量与溶剂相比为较少。固溶体即一些 元素进入某一组元的晶格中，不改变其晶体结构，形成的均 匀相。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
意义：材料中使用较广泛的有金属材料，金属材料绝大多数用 冶炼来方法生产出来，即首先得到的是液态，经过冷却后才 得到固态，固态下材料的组织结构与从液态转变为固态的过 程有关，从而也影响材料的性能。
3金属与合金的结晶
铸锭结晶组织
工程材料 第3章 金属与合金的结晶 11
三、金属结晶后的晶粒大小
金属的强度、硬度、塑性和韧性等都随晶 粒细化而提高 1.晶粒度——用来表示晶粒大小
①单位体积内的晶粒的数目；
②单位面积内的晶粒的数目； ③晶粒的平均直径或半径；
第3章 金属与合金的结晶 12
工程材料
晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级 晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8 32 64 128 256 512 1024 2048 单位面积晶粒数 16 细晶强化 （个/mm2） —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象 250 177 125 88 62 44 31 22 晶粒平均直径 （μm）
QL/Q=b1c1/a1b1
T,C L 1500 1 1400 a1 b1 1300 L+ 1200 1100 a 1083 2 1000 Cu 20
工程材料
1455 c
c1
杠杆定律推论：在两 相区内，对应温度T1 时两相在合金b中的相 T1 对质量各为 T2 QL/QH=b1c1/a1c1
单相无限固溶体；
第3章 金属与合金的结晶
工程材料
29
2.杠杆原理
确定两相区内两个组成 相（平衡相）以及相的 成分和相的相对量。
2. 随着温度的降低， 1. 在两相区内，对应 杠杆定律：在两相区内，对 两相的成分分别沿液 每一确定的温度，两 应每一确定的温度T1，两相 质量的比值是确定的。即 相线和固相线变化。 相的成分是确定的。
也叫平衡结晶温度，是在无限缓慢的冷却条件下结晶
的温度，用T0表示。
原因：结晶释放的结晶潜热补偿了向外界散失的热量。
工程材料
第3章金属与合金的结晶.
数目或晶粒的平均直径来表示。 晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能 均有很大的影响。金属的强度、硬度、塑性和韧性等都 随晶粒的细化而提高。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
第三章 金属的结晶与二元合金相图
液相区L 双相区L+α 固相区α 液相线 固相线
固相区
匀 晶 相 图 合 金 的 结 晶 过 程 (P33)
☆在不同温度下刚刚结晶出来的固相的化学成分是 不相同的,其变化规律是沿着固相线变化.与此同 时剩余液相的化学成分也相应地沿着液相线变化.
2,晶内偏析——枝晶偏析 (P33)
晶内偏析: 晶内偏析: 在一个晶粒内,各处 成分的不均匀现象. 因为金属通常以枝晶 方式结晶,先形成的 主干和后形成的支干 就会有化学成分之差, 枝晶偏析. 所以也称枝晶偏析 枝晶偏析
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 3,过冷度(△T):理论结晶温度与实际结 过冷度( 晶温度之差.对于纯金属: △T= T0- Tn 4,金属的结晶都 是在一定的过冷 度下进行的,这 种现象称过冷现 过冷现 象.
第一节 金属结晶的基础知识
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
7)α固溶体溶解度变化曲线——cf 8) β固溶体溶解度变化曲线——eg 9)三个单相区:L,α,β
10)液相线——adb 11)固相线——acdeb 12)共晶线——cde
(二)共晶相图 1,相图分析 (P35)
13)三个两相区:L+α,L+β,α+β 14)一个三相区:L+α+β,在共晶转变过程中三相同时存在.
第一节 金属结晶的基础知识
一,金属结晶的温度与过冷现象(P26) 金属结晶的温度与过冷现象 1,理论结晶温度 0: 又称平衡结晶温度. 理论结晶温度T 理论结晶温度 (冷速极慢)也就是金属的熔点Tm. 2,实际结晶温度 n:在某一实际冷却速度下 实际结晶温度T 实际结晶温度 的结晶温度.
第三章金属的晶体结构与结晶
第三章 金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
工程材料学 第03章 结晶相图
2. 相图用途： 1. 由材料的成分和温度预知平衡相； 2. 材料的成分一定,但温度发生变化时，平 衡相变化的规律； 3. 估算平衡相的数量。 4. 预测材料的组织和性能.
二、二元相图
1. 概念： 所谓二元相图就是指仅含两个组元的合金体系对应的相图。相图 通常是通过测量不同成分的合金液体在冷却过程中的相变来获得的。 组元: 组元大多数情况下是元素。
2、相图特征（构成）
：
（1）7条线 AE、BE为液相线，温度在液相线上， 为单一液态； AC、BD为固相线，温度在此以下为 单一固溶体； CED：共晶反应线， 对应L+； CG、DH为 ， 固溶体的溶解度变 化线， 即：，固溶体的溶解度 随温度变化而发生变化的曲线。 （2） 6个相区 3个单相区：L、 、 3个两相区： L+, L+ 、 + 注：两个单相区由一个双相区分隔 (相律） （3）一个点 E：共晶成分点， 液体温度最低点。 成分在E点以左，为亚共晶（成分在 CE 范围） 成分在E点以右，为过共晶（成分在 ED 范围）
（2）间隙固溶体：一些小原子 （如C，O，N，H，Be）位于金 属晶格的间隙中，而不占据 晶格结点位置。形成的固溶 体（如：钢）。
2、金属间化合物：合金组元之间发 生相互作用，发生化学反应而生成一 种不同于各组元晶格的新的晶格结构 的相——金属间化合物，又称为中间 相（一般位于相图的中间位置） 金属间化合物类别：正常价化合物 电子化合物 间隙化合物
U——内能， S——熵 对于固态: GS＝US－TSS
从图中可以看出，在温度Tm处，两条曲线相交，在此温度处，两相
自由能相同
当T>Tm，GL<GS 液态稳定 当T<Tm，GL>GS 固态稳定 所以，只有当 T 在 Tm 以下， 才能保证液态转变为固态时自由 能是降低的，如在 Tn 温度处，两 者能量差为 Gv ，这能量差为液 →固转变的驱动力。 T ＝Tm－Tn 为过冷度，过 冷度愈大，Δ G愈大，结晶驱动 力愈大。
二、二元相图
1. 概念： 所谓二元相图就是指仅含两个组元的合金体系对应的相图。相图 通常是通过测量不同成分的合金液体在冷却过程中的相变来获得的。 组元: 组元大多数情况下是元素。
2、相图特征（构成）
：
（1）7条线 AE、BE为液相线，温度在液相线上， 为单一液态； AC、BD为固相线，温度在此以下为 单一固溶体； CED：共晶反应线， 对应L+； CG、DH为 ， 固溶体的溶解度变 化线， 即：，固溶体的溶解度 随温度变化而发生变化的曲线。 （2） 6个相区 3个单相区：L、 、 3个两相区： L+, L+ 、 + 注：两个单相区由一个双相区分隔 (相律） （3）一个点 E：共晶成分点， 液体温度最低点。 成分在E点以左，为亚共晶（成分在 CE 范围） 成分在E点以右，为过共晶（成分在 ED 范围）
（2）间隙固溶体：一些小原子 （如C，O，N，H，Be）位于金 属晶格的间隙中，而不占据 晶格结点位置。形成的固溶 体（如：钢）。
2、金属间化合物：合金组元之间发 生相互作用，发生化学反应而生成一 种不同于各组元晶格的新的晶格结构 的相——金属间化合物，又称为中间 相（一般位于相图的中间位置） 金属间化合物类别：正常价化合物 电子化合物 间隙化合物
U——内能， S——熵 对于固态: GS＝US－TSS
从图中可以看出，在温度Tm处，两条曲线相交，在此温度处，两相
自由能相同
当T>Tm，GL<GS 液态稳定 当T<Tm，GL>GS 固态稳定 所以，只有当 T 在 Tm 以下， 才能保证液态转变为固态时自由 能是降低的，如在 Tn 温度处，两 者能量差为 Gv ，这能量差为液 →固转变的驱动力。 T ＝Tm－Tn 为过冷度，过 冷度愈大，Δ G愈大，结晶驱动 力愈大。
第三章金属的结晶、变形与再结晶
两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
⑴晶核的形成
1)自发形核 从液态内部由金属本身原子自 发长出结晶核心的过程叫做自发形核, 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)非自发形核 依附于杂质而生成晶核的过 程叫做非自发形核, 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.
多晶体中每个晶粒位向不一致.一些晶粒的滑移面 和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软 位向), 另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应 力方向相差较大(称晶粒处于硬位向).在发生滑移 时,软位向晶粒先开始.当位错在晶界受阻逐渐堆 积时,其它晶粒发生滑移.因此多晶体变形时晶粒 分批地逐步地变形,变形分散在材料各处.
过冷度对N, 的影响 过冷度对 ,G的影响
②变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发 晶核的核心,以细化晶粒和改善组织. 晶核的核心,以细化晶粒和改善组织. ③振动,电磁搅拌等 振动, 搅拌等 对正在结晶的金属进行振动或搅动, 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 外部输入的能量来促进形核, 长中的枝晶破碎,使晶核数目显著增加. 长中的枝晶破碎,使晶核数目显著增加.
滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面( ⑵滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排 和其上密度最大的晶向(密排方向)进行. 面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行.
滑移系
滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大, 滑移系越多,金属发生滑移的可能性越大, 塑性就 越多 越好. 越好. 滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大 对滑移所起的作用比滑移面大, 滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大,所以面心 立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好. 立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好. 铝等金属的塑性高于铁,铬等金属; 金,银,铜,铝等金属的塑性高于铁,铬等金属; 而铁的塑性又高于锌,镁等金属. 而铁的塑性又高于锌,镁等金属.
第三章 纯金属(晶体)的凝固
形核率可表示为： N= KN1. N2 ，
K为比例常数。
形核率与温度(或过冷度)之间的关系如图3-5所示。
过冷度较小时，形核率 主要受形核功因子控制； 当过冷度继续增大时， 形核率受扩散的几率因 子所控制。
图3-5 形核率与温度的关系
有效形核温度：
有些易流动的液体，形 核率随温度下降至某值T*突 然显著增大，该温度就称为 均匀形核的有效形核温度。
a．连续长大 粗糙界面，由于界面上约有一半的原子位置空着，
故液相的原子可以进入这些位置与晶体结合起来，晶体 便连续地向液相中生长，这种生长方式为垂直生长。垂 直生长的生长速率较高。
图3-10’ 粗糙界面
b. 二维形核 二维晶核是指一定大小的单分子或单原子的平面薄
层。如图3-11所示。这种生长机制主要是在光滑界面上进 行。形成二维晶核需要形核功，这种机制下晶体的生长 速率很慢。a.swf
实验结果表明，有效形
核过冷度△T*≈0.2 Tm（Tm用 绝 对 温 度 表 示 ， △ T* ＝ Tm-
T*），如图3-6表示。
图3-6 金属的形核率N与过 冷度△T的关系。
二、 非均匀形核 除非在特殊的试验条件下，液态金属的凝固大都是非
均匀形核。
非均匀形核体系自由能的变化也由体积自由能和表面 自由能两部分组成。如图3-7所示。
图3-12 螺型位错台阶机制 示意图
图3-13 螺型位错台阶机制示意图
三、纯金属的生长形态
纯金属凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结 构有关，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况，温 度分布可有两种情况：正的温度梯度和负的温度梯度。
a．在正的温度梯度下 dT/dx>0，结晶潜热只能通过固相而散出，相界面的
K为比例常数。
形核率与温度(或过冷度)之间的关系如图3-5所示。
过冷度较小时，形核率 主要受形核功因子控制； 当过冷度继续增大时， 形核率受扩散的几率因 子所控制。
图3-5 形核率与温度的关系
有效形核温度：
有些易流动的液体，形 核率随温度下降至某值T*突 然显著增大，该温度就称为 均匀形核的有效形核温度。
a．连续长大 粗糙界面，由于界面上约有一半的原子位置空着，
故液相的原子可以进入这些位置与晶体结合起来，晶体 便连续地向液相中生长，这种生长方式为垂直生长。垂 直生长的生长速率较高。
图3-10’ 粗糙界面
b. 二维形核 二维晶核是指一定大小的单分子或单原子的平面薄
层。如图3-11所示。这种生长机制主要是在光滑界面上进 行。形成二维晶核需要形核功，这种机制下晶体的生长 速率很慢。a.swf
实验结果表明，有效形
核过冷度△T*≈0.2 Tm（Tm用 绝 对 温 度 表 示 ， △ T* ＝ Tm-
T*），如图3-6表示。
图3-6 金属的形核率N与过 冷度△T的关系。
二、 非均匀形核 除非在特殊的试验条件下，液态金属的凝固大都是非
均匀形核。
非均匀形核体系自由能的变化也由体积自由能和表面 自由能两部分组成。如图3-7所示。
图3-12 螺型位错台阶机制 示意图
图3-13 螺型位错台阶机制示意图
三、纯金属的生长形态
纯金属凝固时的生长形态不仅与液-固界面的微观结 构有关，而且取决于界面前沿液相中的温度分布情况，温 度分布可有两种情况：正的温度梯度和负的温度梯度。
a．在正的温度梯度下 dT/dx>0，结晶潜热只能通过固相而散出，相界面的
第三章金属的结晶
第三章 金属的结晶与二元相图
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变 为另一个相的过程 称为相变。结晶过 程是相变过程。
3.1 纯金属的结晶
一、冷却曲线与过冷度
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲 线称冷却曲线。曲线上水平阶段 所对应的温度称实际结晶温度T1。
单位时间内晶核生长的长度
过冷度对N、G的影响
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 凡是促进形核、抑制长大的 因素，都能细化晶粒。
3、控制晶粒度的方法
1）、控制过冷度：随过冷度增 加，N/G值增加，晶粒变细。 2）、变质处理：(孕育处理) 有意向液态金属内加入非
均匀形核物质从而细化晶粒的方法。
触后形成晶界。
2、晶核的形成方式
形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非均匀形核示意图
3、晶核的长大方式
晶核的长大方式有两种，即 均匀长大和树枝状长大。
在正温度梯度下，晶体生长 以平面状态向前推进。
均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
二、铸造缺陷
常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点 等，它们对性能有害。
1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩
且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条
件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧
前应切除。
2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称
晶粒大小与金属强度的关系
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变 为另一个相的过程 称为相变。结晶过 程是相变过程。
3.1 纯金属的结晶
一、冷却曲线与过冷度
1、冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲 线称冷却曲线。曲线上水平阶段 所对应的温度称实际结晶温度T1。
单位时间内晶核生长的长度
过冷度对N、G的影响
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 凡是促进形核、抑制长大的 因素，都能细化晶粒。
3、控制晶粒度的方法
1）、控制过冷度：随过冷度增 加，N/G值增加，晶粒变细。 2）、变质处理：(孕育处理) 有意向液态金属内加入非
均匀形核物质从而细化晶粒的方法。
触后形成晶界。
2、晶核的形成方式
形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。 由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。 以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。
非均匀形核更为普遍。
非均匀形核示意图
3、晶核的长大方式
晶核的长大方式有两种，即 均匀长大和树枝状长大。
在正温度梯度下，晶体生长 以平面状态向前推进。
均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
二、铸造缺陷
常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点 等，它们对性能有害。
1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩
且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条
件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧
前应切除。
2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称
晶粒大小与金属强度的关系
第三章 纯金属的结晶、匀晶相图(含答案)
第二章纯金属的结晶、二元匀晶相图（含答案）一、填空题（在空白处填上正确的内容）1、纯金属的结晶过程是由________和________这两个基本过程所组成的。
答案：形核、晶粒长大2、金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象叫做________，理论结晶温度与实际结晶温度之差叫做________。
答案：过冷、过冷度3、晶核的生成、存在有两种方式，即________和________。
答案：自发形核、非自发形核4、控制金属结晶后晶粒大小的主要途径有________、________和________三种。
答案：增大过冷度、变质处理、振动与搅拌5、生产中，在金属进行结晶时辅以机械振动，其目的是________。
答案：细化晶粒6、相图是表示平衡条件下物质的状态与________和________之间关系的简明图解。
答案：温度、成份7、一般来说金属的结晶是指金属由________转变为________的过程，也就是原子由不规则排列逐步过渡到规则排列的过程。
答案：液体、晶体（固体）8、金属结晶的过程为________和________。
答案：形核、晶粒长大9、在二元合金相图上，横坐标为________，纵坐标为________，图中的区域为________。
答案：成份、温度、相10、金属结晶的过程为________和________。
答案：形核、长大11、生产中，当金属进行结晶时辅以机械振动，其目的是________。
答案：细化晶粒12、在金属结晶过程中，细化晶粒的主要方法有________、________和________。
答案：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌13、纯金属的结晶过程是由________和________这两个基本过程所组成的。
答案：形核、晶粒长大14、生产中常见的细化晶粒的方法有________、________和________三种。
答案：增大过冷度、变质处理、振动与搅拌15、合金相图是表示在平衡条件下，合金的状态有规律地随________和________的变化而变化的图解。
纯金属的结晶
答：所求合金在1280 时 相的相对质量为1/4。
Cu
18 30
20
40
66 60 80
Ni 100
Ni%
铅-锡合金共晶相图
T,C
L
L+
L+
+
Pb
Sn
Sn%
液相线 固相线 固溶线 固溶线
T,C
共晶反应线 表示从c点到e点范围的合金， 在该温度上都要发生不同程 度上的共晶反应。
2.2.1. 二元合金的结晶 2.2.2 合金的性能与相图的关系
2.2.3 铁碳合金的结晶
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L L+
L
L+
L+
c
d
e
+
共晶点 表示d点成分的合金冷却到
此温度上发生完全的共晶转
变。
Pb
Sn
+ Ld c e
• 共晶转变在恒温下进行。 • 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 • 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
T,C
纯铁的同素异构转变 1394 C
912 C
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
T 1538
1394
}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
第三章 金属的结晶结构与结晶
2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶 向是相互垂直的。 3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶 面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。
晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。
面心立方晶格（fcc晶格）
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
a 4 ⑷晶胞所含原子数 4个原子。
r
。 2
(5)致密度 74%。 (6)具有面心立方晶格的金属：γ -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 Ag等。
密排六方晶格（hcp晶格）
第二章 金属的晶体结构与结晶
内容
金属的晶体结构 纯金属的结晶 金属的同素异构体 合金的晶体结构 合金的结晶
目的
掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力 学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做 好理论知识的准备
第一节 金属的晶体结构
一、晶体的基本知识
1、晶体和非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非 晶体 晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几 何规律作周期性地排列 。
第二节
• • • •
纯金属的结晶
凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 金属结晶后的晶粒大小
一、 凝固与结晶的基本概念
凝固 物质由液态转变成固态的过程。 结晶 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规 则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。
物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列 的过程。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。
晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。
面心立方晶格（fcc晶格）
⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。
⑵晶格常数 a=b=c,α =β =γ =90°。
⑶原子半径
a 4 ⑷晶胞所含原子数 4个原子。
r
。 2
(5)致密度 74%。 (6)具有面心立方晶格的金属：γ -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、 Ag等。
密排六方晶格（hcp晶格）
第二章 金属的晶体结构与结晶
内容
金属的晶体结构 纯金属的结晶 金属的同素异构体 合金的晶体结构 合金的结晶
目的
掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力 学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做 好理论知识的准备
第一节 金属的晶体结构
一、晶体的基本知识
1、晶体和非晶体
固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非 晶体 晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几 何规律作周期性地排列 。
第二节
• • • •
纯金属的结晶
凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 金属结晶后的晶粒大小
一、 凝固与结晶的基本概念
凝固 物质由液态转变成固态的过程。 结晶 如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规 则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。
物质中的原子由近程有序排列向远程有序排列 的过程。
第三章 金属与合金的结晶
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
§3.2 合金的结晶
本章小结
习题
机 械
制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
机
合金相图：表达温度、成分与相之间关系，又称为合金平衡图或 械
合金状态图。 合金相图是制订金属冶炼、铸造、锻压、焊接、热处理工艺的理
论基础。
制 造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
习题
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3-1 解释下列名词
结晶 过冷现象 过冷度 变质处理 晶核 同素异构转变 枝晶偏
析 共晶转变
3-2 晶粒大小对金属的力学性能有何影响? 生产中有哪些细化晶粒的
影响过冷度的因素：冷却速度
械 制
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.1 纯金属的结晶
二、纯金属的结晶过程
形核
当液态金属冷却到接近理论结晶温度时，形成一
批类似于晶体中原子有规则排列的小集团。这些
小集团是不稳定的，时聚时散，此起彼伏。当温
度下降到低于理论结晶温度时，这些小集团中的
一部分就稳定下来，成为结晶核心。
理论结晶温度 实际结晶温度
开
结
始
晶
结
终
晶
了
实践证明，金属总是在一定的过冷度下结晶的，
纯金属的结晶课件
纯金属的结晶课件
目录
• 纯金属的结晶概述 • 纯金属的结晶结构 • 纯金属的结晶形态 • 纯金属的结晶性能 • 纯金属的结晶应用 • 纯金属的结晶研究展望
01
纯金属的结晶概述
Chapter
纯金属的结晶定义
纯金属的结晶是指金属从液态冷却转变为固态晶体的过 程。
在结晶过程中，原子或分子的排列从无序状态转变为有 序的晶体结构。
例如，利用纯金属的定向结晶技术可以制备出高性能的单晶材料，在航空航天、能源等领域 具有重要应用价值。此外，通过控制纯金属的结晶形态和结构，还可以开发出具有特殊光学 、电学和磁学性能的新型功能材料。
06
纯金属的结晶研究展望
Chapter
晶体生长机制研究
总结词
深入理解晶体生长机制有助于优化纯金属的结晶过程，提高产品质量。
磁学性能
顺磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的磁化现象，称为顺磁性。
铁磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出强磁化现象，称为铁磁性。
抗磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的反磁化现象，称为抗磁性 。
力学性能
弹性模量
纯金属在受力作用下的弹性变形能力，主要取决于金属的原Biblioteka 间相 互作用力和晶格结构。硬度
纯金属抵抗外力刻划或压入的能力，与金属内部的晶格结构密切相 关。
03
体心立方结构
一些纯金属具有体心 立方晶体结构，如钠 、钾、铁等。
04
六方密排结构
镁、锌等纯金属具有 六方密排晶体结构。
晶体结构的测定方法
X射线衍射分析
利用X射线在晶体中的衍射现象， 可以测定晶体的晶格常数、晶面 间距等参数，从而确定晶体的结 构。
电子显微镜
目录
• 纯金属的结晶概述 • 纯金属的结晶结构 • 纯金属的结晶形态 • 纯金属的结晶性能 • 纯金属的结晶应用 • 纯金属的结晶研究展望
01
纯金属的结晶概述
Chapter
纯金属的结晶定义
纯金属的结晶是指金属从液态冷却转变为固态晶体的过 程。
在结晶过程中，原子或分子的排列从无序状态转变为有 序的晶体结构。
例如，利用纯金属的定向结晶技术可以制备出高性能的单晶材料，在航空航天、能源等领域 具有重要应用价值。此外，通过控制纯金属的结晶形态和结构，还可以开发出具有特殊光学 、电学和磁学性能的新型功能材料。
06
纯金属的结晶研究展望
Chapter
晶体生长机制研究
总结词
深入理解晶体生长机制有助于优化纯金属的结晶过程，提高产品质量。
磁学性能
顺磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的磁化现象，称为顺磁性。
铁磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出强磁化现象，称为铁磁性。
抗磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的反磁化现象，称为抗磁性 。
力学性能
弹性模量
纯金属在受力作用下的弹性变形能力，主要取决于金属的原Biblioteka 间相 互作用力和晶格结构。硬度
纯金属抵抗外力刻划或压入的能力，与金属内部的晶格结构密切相 关。
03
体心立方结构
一些纯金属具有体心 立方晶体结构，如钠 、钾、铁等。
04
六方密排结构
镁、锌等纯金属具有 六方密排晶体结构。
晶体结构的测定方法
X射线衍射分析
利用X射线在晶体中的衍射现象， 可以测定晶体的晶格常数、晶面 间距等参数，从而确定晶体的结 构。
电子显微镜
第三章金属的结晶变形与再结晶
学习难点：
1.金属滑移的机理； 2.加工硬化的位错理论。
§ 3-1 纯金属的结晶
一、几个概念
1、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。
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 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 却速度大于107ºC/S时，可阻止金属及合金的结晶， 获得非晶态金属材料。
晶粒大小与金属强度的关系
五、金属的同素异晶转变
同素异晶转变：固态下，随温度的改变，金属由一 种晶格类型转变为另一种晶格类型的现象。
与结晶过程相似，同素异晶转变也是一个重结晶过 程。遵循着结晶的一般规律。只是同素异晶转变在 固态下进行，原子的扩散较难，转变时需要较大的 过冷度。若转变时晶格的致密度有改变，将引起晶 体体积的变化，使其产生较大的内应力。
大多数金属没有同素异晶转变，而铁、锰、锡等金 属有同素异晶转变。如铁
在金属晶体中，铁的同素 异晶转变最为典型，也是 最重要的。纯铁的冷却曲 线如右图所示。
-Fe、-Fe、 -Fe是铁 在不同温度下的同素异构 体。 -Fe和-Fe都是体 心立方晶格，分别存在于 熔点至1394℃之间及 912℃以下。-Fe是面心 立方晶格，存在于 1394℃~912℃之间。
纯铁的同素异晶转变
§3-2 金属材料的塑性变形特性
金 属与合金的铸态组织中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不 致密和成分偏析等缺陷，因此金属材料经冶炼浇注后大多要 进行各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型 材和工件再予使用。
金属经压力加工，不仅改变了外形，而且也使材料内部的组 织和性能发生很大变化，讨论金属的塑性变形规律和塑变后 加热转变具有重要的意义，压力加工的实质就是塑性变形。
1.金属滑移的机理； 2.加工硬化的位错理论。
§ 3-1 纯金属的结晶
一、几个概念
1、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。
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 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 却速度大于107ºC/S时，可阻止金属及合金的结晶， 获得非晶态金属材料。
晶粒大小与金属强度的关系
五、金属的同素异晶转变
同素异晶转变：固态下，随温度的改变，金属由一 种晶格类型转变为另一种晶格类型的现象。
与结晶过程相似，同素异晶转变也是一个重结晶过 程。遵循着结晶的一般规律。只是同素异晶转变在 固态下进行，原子的扩散较难，转变时需要较大的 过冷度。若转变时晶格的致密度有改变，将引起晶 体体积的变化，使其产生较大的内应力。
大多数金属没有同素异晶转变，而铁、锰、锡等金 属有同素异晶转变。如铁
在金属晶体中，铁的同素 异晶转变最为典型，也是 最重要的。纯铁的冷却曲 线如右图所示。
-Fe、-Fe、 -Fe是铁 在不同温度下的同素异构 体。 -Fe和-Fe都是体 心立方晶格，分别存在于 熔点至1394℃之间及 912℃以下。-Fe是面心 立方晶格，存在于 1394℃~912℃之间。
纯铁的同素异晶转变
§3-2 金属材料的塑性变形特性
金 属与合金的铸态组织中往往具有晶粒粗大不均匀、组织不 致密和成分偏析等缺陷，因此金属材料经冶炼浇注后大多要 进行各种压力加工，如轧制、锻造、挤压、拉拔等，制成型 材和工件再予使用。
金属经压力加工，不仅改变了外形，而且也使材料内部的组 织和性能发生很大变化，讨论金属的塑性变形规律和塑变后 加热转变具有重要的意义，压力加工的实质就是塑性变形。
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粗糙界面：平面状。 光滑界面：台阶状。
（二）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）
粗糙界面：树枝状。
光滑界面：树枝状－多面体—台阶状。
五、晶体的长大方式——晶体形貌
晶体的形貌多种多样，很复杂。简单介绍如下 （一）正温度梯度 无论何种界面结构，晶体生长均以接近平面状 向液相中推移，即平面状生长。最终晶体可以 得到外形规则的形貌。
（一）自发形核时的自由能变化
形核的实质:晶胚不断从液态金属中得到原子而继续长大。 形核时的能量变化：L—S体积自由能 Gv减少--体积项；同时新表面形 成→表面自由能--表面项 Gs增加。
△G＝-V△Gv+σS
=-(4/3)πr3△Gv+4πr2σ
（二）临界晶核半径 d△G/dr=0 计算得： rc=（2σ*T0）/（ΔH* ΔT） T0:熔点 ΔH：结晶潜热 它们一 般不变 那么rc∝1/ΔT 讨论ΔT对rc的影 响。----图3-10
三、细化铸件晶粒的方法
（一）增加过冷度 随着过冷度的增加, 形核速率和长大速度 均会增大。但前者的 增大更快，因而比值 N/G也增大, 结果使 晶粒细化。
增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度， 采用冷却能力较强的模子；降低浇注温度等。例如 采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得的铸件晶粒 要细小。采用增加过冷度的方法受工件尺寸大小的 影响，往往只适用于小件或薄壁工件。
（三）临界形核功
因为有角函数（2-3cosθ+ cos3θ）/4的影响，临界 形核功一般介于0~1△GC之间，形核更容易，需要 的相起伏和能量起伏都较小===过冷度也小。 所需晶胚尺寸大减小，主要是对结构起伏的体积要 求降低很多。在较低的过冷度时就会有很多的结构 起伏能满足形核的条件而成为晶核。一般当过冷度 达到0.02T0时，就可以使形核率很可观，而此时自 发形核率还很低。要达到0.2T0时，才能明显形核。 非自发形核在实际中有重要作用，可以用来细化晶 粒。实际金属大都以非自发形核为主。
动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。 （是材料凝固的必要条件）
二、液-固界面微观结构
液-固界面可分为：粗糙界面、光滑界面两种，各 自的特点；它们之间还有混合界面。
粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金的界面）： 垂直长大。 光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材 料的界面）：横向长大包括二维晶核长大、依靠缺陷长大。
一、金属结晶的结构条件
（1）液态具有无定形、易流动的宏观特征，处于无序 聚集状态。 （2）液态金属内部存在结构起伏（相起伏）：液态材 料中出现的短（近）程有序原子集团的时隐时现现象。 是结晶的必要条件（之二）。
这些相起伏的结构在微观上类似于晶体，也可以看为有 序聚集状态（近程）
相起伏的特点：时聚时散，此起彼伏。
（三）临界形核功
当晶胚在临界半径形核时，系统的总自由能 最高，随r增大，自由能降低，可以自发进行， 但毕竟仍大于零（正值），要形核时必须有 一定的能量补偿------我们称形核功。
临界形核功的大小：
△Gc=1/3Sc*σ
（3-6）
是临界晶核表面能的1/3。这部分能量靠能量起伏来提供 --------晶核可以形成
第一节 金属结晶的现象
一 、纯金属的冷却曲线和过冷现象 1、冷却曲线:表明金属冷却时温度随时间变化的 关系曲线。 介绍热分析法。图3-1热分析装置
冷却曲线
结晶潜热
结晶温度
冷却曲线 过冷
结晶潜热释放
2、结晶潜热
金属由液态结晶成固态时，由于液固之间的能 量状态不同，结晶时所释放出来的热量就叫结晶 潜热。一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。金属熔 化时从固相转变为液相是吸收热量，而结晶时从 液相转变为固相则放出热量，前者称为熔化潜热， 后者称为结晶潜热。
一般有如下情况： 当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推 移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向 上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大 速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较 快。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规 则形状。
（二）负的温度梯度
对于粗糙界面的金属，当冷却速度较快时，晶体的棱角 和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为 伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在 一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝， 即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后 得到具有树枝状的晶体形貌。 实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。
3、过冷现象
（1）过冷：金属的实际 结晶温度总是低于其理论结 晶温度的现象。
（2）过冷度：金属材料 的理论结晶温度(T0) 与其实 际结晶温度Tn之差 △T=T0-Tn 注：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。过冷度不是一
个恒定值！！！
4、影响过冷度的因素：
冷却速度、金属种类、杂质含量等。实 金属都是在过冷条件下结晶的。
（二）侧面长大机理
对于光滑界面，单原子和晶面的结合力较弱， 且原子与界面结合时引起的能量变化不利于 原子向固相表面的迁移，其长大方式明显不 同于粗糙界面的情况。通常是侧面长大。如 下图所示：
1、二维晶核长大机理
2、螺型位错长大机理
3-17
四、液-固界面前沿液体中的温度梯度
（一）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）
三、晶体长大机理
固-液界面的微观结构不同，则其接纳从液相中迁移 过来的原子的方式和能力也不同，其长大的机理也 不同。
（一）垂直长大机理
对于粗糙界面，因有一半左右的空位，故其整个界 面接纳液相原子的能力几乎相同，液相原子可以连 续、均匀地向界面添加，从而使界面垂直均匀地向 液相推移。属于垂直长大机理，长大速度很快。
3-9
c
c
临界晶核：半径为rc的晶胚。
临界过冷度：形成临界晶核时 的过冷度。△Tc.
并非金属中所有的晶胚都能成长为晶核，什 么样的晶胚可以成核呢？？？ r>rc时 晶胚才有可能成长为晶核 r〈rc 一般很少成长为晶核---重新熔化 r=rc 可能成长为晶核也可能重新熔化--临 界晶核,rc称为临界晶核半径。
第四节 晶核的长大
长大的实质：液相中的原子不断向晶核表面扩散（迁移）、堆砌而结 合的过程。是自发进行的。长大的驱动力是什么？如何长大呢？
一、晶核长大的条件
金属晶核的液-固界面上同时进行着两种原子迁移：熔化反 应；结晶反应，它们是同时进行的动态过程。必须有一定 的动态过冷度，才能维持晶体的长大，动态过冷度一般非 常小。
二、纯金属的结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
（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。
两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
第二节 金属结晶的结构条件和热力学条件
三、铸锭缺陷
（一）缩孔 （二）气孔 （三）夹杂物
本章小结：
1、金属的形核和长大理论 2、利用结晶理论指导生产
临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。 能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而 高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。
经过近一步的计算有△Gc∝1/ΔT2 随ΔT增加，△Gc 剧烈减少。
•过冷度与形核率的关系----图3-11
形核率 N=N1.N2 由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的 关系。
金属熔点
平衡结晶温度或理论结晶温度
通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。 而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程 称为二次结晶或重结晶。
存在结晶的实例
金属的结晶
物质从液态到固态的转变过程。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、焊接等都存在结晶。
（二） 变质处理
变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质 剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以 细化晶粒和改善组织。 例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加 入钛、钒、铝等。
（三） 振动 和搅拌
在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动 等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形 成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于 电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在 结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而 可细化晶粒。
a ） θ=0时， △G'= 0，杂质本身即为晶核； b） 180>θ>0时, △G'<△Gc, 杂质促进形核； c） θ=180时， △G‘=△Gc ， 杂质不起作用。
(二)临界晶核半径
由3-11可知，在同一过冷度下，非自发形 核和自发形核的临界半径相同。但当半径 相同时，自发形核和非自发形核对应的晶 胚尺寸差别很大：一个是球，另一个对应 的是球冠，而球冠的体积和表面积都小于 球的。故非自发形核要容易得多！
二、非自发形核（异质形核）
实际金属结晶时常常依附在液体中的外来固体表面上（包括容器壁）形 核，这种形核方式称为非自发形核。
（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。 （2）自由能变化：表达式与均匀形核相同。
（一）非自发形核时的能量变化
△G'=△GC（2-3cosθ+ cos3θ）/4, 简单讨论角的变化： (3-10)
（二）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）
粗糙界面：树枝状。
光滑界面：树枝状－多面体—台阶状。
五、晶体的长大方式——晶体形貌
晶体的形貌多种多样，很复杂。简单介绍如下 （一）正温度梯度 无论何种界面结构，晶体生长均以接近平面状 向液相中推移，即平面状生长。最终晶体可以 得到外形规则的形貌。
（一）自发形核时的自由能变化
形核的实质:晶胚不断从液态金属中得到原子而继续长大。 形核时的能量变化：L—S体积自由能 Gv减少--体积项；同时新表面形 成→表面自由能--表面项 Gs增加。
△G＝-V△Gv+σS
=-(4/3)πr3△Gv+4πr2σ
（二）临界晶核半径 d△G/dr=0 计算得： rc=（2σ*T0）/（ΔH* ΔT） T0:熔点 ΔH：结晶潜热 它们一 般不变 那么rc∝1/ΔT 讨论ΔT对rc的影 响。----图3-10
三、细化铸件晶粒的方法
（一）增加过冷度 随着过冷度的增加, 形核速率和长大速度 均会增大。但前者的 增大更快，因而比值 N/G也增大, 结果使 晶粒细化。
增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度， 采用冷却能力较强的模子；降低浇注温度等。例如 采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得的铸件晶粒 要细小。采用增加过冷度的方法受工件尺寸大小的 影响，往往只适用于小件或薄壁工件。
（三）临界形核功
因为有角函数（2-3cosθ+ cos3θ）/4的影响，临界 形核功一般介于0~1△GC之间，形核更容易，需要 的相起伏和能量起伏都较小===过冷度也小。 所需晶胚尺寸大减小，主要是对结构起伏的体积要 求降低很多。在较低的过冷度时就会有很多的结构 起伏能满足形核的条件而成为晶核。一般当过冷度 达到0.02T0时，就可以使形核率很可观，而此时自 发形核率还很低。要达到0.2T0时，才能明显形核。 非自发形核在实际中有重要作用，可以用来细化晶 粒。实际金属大都以非自发形核为主。
动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。 （是材料凝固的必要条件）
二、液-固界面微观结构
液-固界面可分为：粗糙界面、光滑界面两种，各 自的特点；它们之间还有混合界面。
粗糙界面（微观粗糙、宏观平整－金属或合金的界面）： 垂直长大。 光滑界面（微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材 料的界面）：横向长大包括二维晶核长大、依靠缺陷长大。
一、金属结晶的结构条件
（1）液态具有无定形、易流动的宏观特征，处于无序 聚集状态。 （2）液态金属内部存在结构起伏（相起伏）：液态材 料中出现的短（近）程有序原子集团的时隐时现现象。 是结晶的必要条件（之二）。
这些相起伏的结构在微观上类似于晶体，也可以看为有 序聚集状态（近程）
相起伏的特点：时聚时散，此起彼伏。
（三）临界形核功
当晶胚在临界半径形核时，系统的总自由能 最高，随r增大，自由能降低，可以自发进行， 但毕竟仍大于零（正值），要形核时必须有 一定的能量补偿------我们称形核功。
临界形核功的大小：
△Gc=1/3Sc*σ
（3-6）
是临界晶核表面能的1/3。这部分能量靠能量起伏来提供 --------晶核可以形成
第一节 金属结晶的现象
一 、纯金属的冷却曲线和过冷现象 1、冷却曲线:表明金属冷却时温度随时间变化的 关系曲线。 介绍热分析法。图3-1热分析装置
冷却曲线
结晶潜热
结晶温度
冷却曲线 过冷
结晶潜热释放
2、结晶潜热
金属由液态结晶成固态时，由于液固之间的能 量状态不同，结晶时所释放出来的热量就叫结晶 潜热。一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。金属熔 化时从固相转变为液相是吸收热量，而结晶时从 液相转变为固相则放出热量，前者称为熔化潜热， 后者称为结晶潜热。
一般有如下情况： 当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推 移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向 上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大 速度最慢，而非密排面的垂直方向上的长大速度较 快。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规 则形状。
（二）负的温度梯度
对于粗糙界面的金属，当冷却速度较快时，晶体的棱角 和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为 伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在 一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝， 即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后 得到具有树枝状的晶体形貌。 实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。
3、过冷现象
（1）过冷：金属的实际 结晶温度总是低于其理论结 晶温度的现象。
（2）过冷度：金属材料 的理论结晶温度(T0) 与其实 际结晶温度Tn之差 △T=T0-Tn 注：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。过冷度不是一
个恒定值！！！
4、影响过冷度的因素：
冷却速度、金属种类、杂质含量等。实 金属都是在过冷条件下结晶的。
（二）侧面长大机理
对于光滑界面，单原子和晶面的结合力较弱， 且原子与界面结合时引起的能量变化不利于 原子向固相表面的迁移，其长大方式明显不 同于粗糙界面的情况。通常是侧面长大。如 下图所示：
1、二维晶核长大机理
2、螺型位错长大机理
3-17
四、液-固界面前沿液体中的温度梯度
（一）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）
三、晶体长大机理
固-液界面的微观结构不同，则其接纳从液相中迁移 过来的原子的方式和能力也不同，其长大的机理也 不同。
（一）垂直长大机理
对于粗糙界面，因有一半左右的空位，故其整个界 面接纳液相原子的能力几乎相同，液相原子可以连 续、均匀地向界面添加，从而使界面垂直均匀地向 液相推移。属于垂直长大机理，长大速度很快。
3-9
c
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临界晶核：半径为rc的晶胚。
临界过冷度：形成临界晶核时 的过冷度。△Tc.
并非金属中所有的晶胚都能成长为晶核，什 么样的晶胚可以成核呢？？？ r>rc时 晶胚才有可能成长为晶核 r〈rc 一般很少成长为晶核---重新熔化 r=rc 可能成长为晶核也可能重新熔化--临 界晶核,rc称为临界晶核半径。
第四节 晶核的长大
长大的实质：液相中的原子不断向晶核表面扩散（迁移）、堆砌而结 合的过程。是自发进行的。长大的驱动力是什么？如何长大呢？
一、晶核长大的条件
金属晶核的液-固界面上同时进行着两种原子迁移：熔化反 应；结晶反应，它们是同时进行的动态过程。必须有一定 的动态过冷度，才能维持晶体的长大，动态过冷度一般非 常小。
二、纯金属的结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
（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。
两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
第二节 金属结晶的结构条件和热力学条件
三、铸锭缺陷
（一）缩孔 （二）气孔 （三）夹杂物
本章小结：
1、金属的形核和长大理论 2、利用结晶理论指导生产
临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。 能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量水平而 高低不一的现象。（是结晶的必要条件之三）。
经过近一步的计算有△Gc∝1/ΔT2 随ΔT增加，△Gc 剧烈减少。
•过冷度与形核率的关系----图3-11
形核率 N=N1.N2 由于N受N1.N2两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的 关系。
金属熔点
平衡结晶温度或理论结晶温度
通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶。 而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程 称为二次结晶或重结晶。
存在结晶的实例
金属的结晶
物质从液态到固态的转变过程。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、焊接等都存在结晶。
（二） 变质处理
变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质 剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以 细化晶粒和改善组织。 例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加 入钛、钒、铝等。
（三） 振动 和搅拌
在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动 等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形 成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于 电磁感应现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在 结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，从而 可细化晶粒。
a ） θ=0时， △G'= 0，杂质本身即为晶核； b） 180>θ>0时, △G'<△Gc, 杂质促进形核； c） θ=180时， △G‘=△Gc ， 杂质不起作用。
(二)临界晶核半径
由3-11可知，在同一过冷度下，非自发形 核和自发形核的临界半径相同。但当半径 相同时，自发形核和非自发形核对应的晶 胚尺寸差别很大：一个是球，另一个对应 的是球冠，而球冠的体积和表面积都小于 球的。故非自发形核要容易得多！
二、非自发形核（异质形核）
实际金属结晶时常常依附在液体中的外来固体表面上（包括容器壁）形 核，这种形核方式称为非自发形核。
（1）模型：外来物质为一平面，固相晶胚为一球冠。 （2）自由能变化：表达式与均匀形核相同。
（一）非自发形核时的能量变化
△G'=△GC（2-3cosθ+ cos3θ）/4, 简单讨论角的变化： (3-10)