金属材料第三章结晶
金属的结晶
另外，当不同方位上的柱状晶区相遇时，会产 生一个往状晶区的交界。此处的杂质、气泡、 缩松等较多，成为铸锭的脆弱结合面。当铸锭 接受塑性变形时此处也易开裂。因此，除塑性 极好的一些有色金属的铸锭外，并不希望获得 柱状晶区。在铸造工艺上，常采用振动方法来 破坏柱状晶区的形成和长大，也常采用变质处 理来阻碍柱状晶长大，并促进中心等轴晶区的 扩大来减少柱状晶区。另外，避免金属液过热 浇注也会防止柱状晶区过大。
三、金属铸锭的铸态组织及缺陷
在工业生产中，金属结晶主要涉及五个方面的应 用。铸锭、铸件、金属粉、焊接、热浸镀层。金 属凝固结晶后的组织统称铸态组织。下面以铸锭 为例介绍铸态组织。 铸锭是各种金属材料成材的毛坯。通过对铸锭的 热轧等塑性变形可制成各种规格的型材、板材、 棒材等供人们使用。铸锭的铸态组织是指其晶粒 的形态、大小、取向及缺陷(如：疏松、夹杂、 气孔等)和界面的形貌等。
第三章 金属的结晶与二元金相图
金属材料的获得一般都是要经过对矿产原料 的熔炼、除渣、浇铸等作业后，再凝固成铸锭或 细粉。并通过各种热加工和冷加工获取成材或制 件。由液态冷凝成固态是一个重要环节。金属材 料通常都是多晶体材料，所以金属由液态冷凝成 固态的过程也是一种结晶过程。所谓结晶就是指 晶体材料的凝固。结晶之后得到的金属材料显微 组织称为铸态组织。铸态的显微组织决定着铸态 材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律 可以帮助我们有效地控制金属的凝固条件，从而 获得性能优良的金属材料。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
1. 滑移
晶体的一部分沿着一定晶面相对 于另一部分进行滑动，称之为滑移。
(1) 滑移线和滑移带
滑移带和滑移线示意图
铜拉伸试样表面滑移带
(2) 滑移系 晶体滑移只能沿着一定晶面和该晶面上一定的晶体学方
向进行，称之为滑移面和滑移方向。 密排面的面间距最大，原子间结合力最小，容易发生滑
具有不同位向的晶粒越多，使金属塑性变形的抗力越高。
金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。 晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒
数目也越多，变形越均匀，使在断裂前发生较大的塑性变形。 强度和塑性同时增加，金属在断裂前消耗的功也大，因而其 韧性也比较好。
细晶强化：通过细化晶粒来同时提高金属的强度、硬度、塑 性和韧性的方法。
（1） 形核
形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。
均匀形核即晶核在液态金属中均匀的形成；非均匀形核 即晶核在液态金属中非均匀的形成。
实际生产中，金属中存在杂质并且凝固过程在容器或铸 型中进行，这样，形核将优先在某些固态杂质表面及容器 或铸型内壁进行，这就是非均匀形核。
非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属的 凝固形核基本上都属于非均匀形核。
生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝 间最后被填充。
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰
工程材料03(金属与合金的结晶)
金属材料的结晶
金属材料的冶炼、铸造和热处理等加工工艺都伴随有结晶过程，结晶过程会影响材料的使用性能和加工性能。研究金属材料的结晶过程可以帮助我们有效地掌握金属凝固和结晶的规律，从而获得性能优良的金属材料。
凝固——材料内部原子从不规则排列
状态（液态）过渡到规则排列
（固态）的过程。
结晶——材料内部原子从一种排列状
态到另一种排列状态转变过程。
如工业纯铁从高温到低温冷却时，
发生同素异构转变：
L 1538℃δ-Fe 1394℃
γ-Fe 912℃α-Fe
注：纯铁在770 ℃时发生磁性转变，
该温度称为居里点。
第一节纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线和过冷度
1. 纯金属的冷却曲线
纯金属的冷却曲线可使用热分析装置进行测定（《教材》P36）。
由纯金属的冷却曲线可以看出，当液态
金属冷却到某一温度时，在曲线上出现一个
平台，该平台对应的温度即为纯金属的熔点
（结晶温度）。此现象说明金属在结晶过程
中，释放出了大量的结晶潜热。
2. 过冷度
过冷度⊿T = 理论结晶温度T0—实际结晶温度T n （过冷度⊿T﹥0——结晶的必要条件）
（自由能⊿F﹤0 ——结晶的充分条件）
实践表明，金属总是在一定的过冷条件
下结晶的，过冷是结晶的必要条件。对同一
金属，结晶时的过冷度越大，则冷却速度越
快，金属的实际结晶温度越低。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶包括两个基本过程：形成晶核和晶粒长大。
（1）晶核的形成
自发形核：过冷条件下，液态金属内自行产生晶核
非自发形核：在液态金属中，外加细小的高熔点物质（2）晶核的长大
晶粒呈平面状长大（纯金属，且过冷度很小）
第三章 纯金属的结晶
△T↑， △Gv↑，相变驱动力 ，结晶速度 ， ，相变驱动力↑，结晶速度↑
• 当T＜Tm时，即，△T＞ ＜ ＞ 0，△G=G新-G旧=GS-GL ， ＜0，结晶可自发进行。 ，结晶可自发进行。
• 2.结构条件 结构条件
晶核
要求
结构起伏
突变
解决
形成晶胚的问题
液体（无序） 液体（无序）
晶态固体（有序） 晶态固体（有序）
不同润湿角晶核的形状
结晶时形核要点： 结晶时形核要点：
（1）必须要有过冷度 ，晶胚尺寸 K。 ）必须要有过冷度∆T，晶胚尺寸r>r 成反比。 （2）rK与∆T成反比。∆T↑ rK↓。 ） 成反比 。 （3）均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏 ）均匀形核既需结构起伏， ——液体中的自然现象。 液体中的自然现象。 液体中的自然现象 扩散条件) （4）结晶必须在一定温度下进行 扩散条件 ）结晶必须在一定温度下进行(扩散条件 （5）在工业生产中，液态金属凝固总是以非均匀 ）在工业生产中， 形核进行。 形核进行。 均匀形核 ∆T=0.2Tm 非均匀形核∆T=0.02Tm 非均匀形核
• 事实上， 即为稳定晶核。 事实上，只要 r > rk, 即为稳定晶核。 • 原因： 原因： 除结构起伏外 还存在能量起伏 • 液体中除结构起伏 液体中除结构起伏外，还存在能量起伏 • 故形核功可以依靠能量起伏来补偿 故形核功可以依靠能量起伏来补偿 • 结论： 结论： • 除结构起伏外，形核还借助能量起伏条件。 除结构起伏外，形核还借助能量起伏条件。
第三章 纯金属的结晶
a 光滑界面 b 粗糙界面 图3-5 固-液界面的微观结构示意图
a 光滑界面
b 粗糙界面
图3-6 固-液界面的宏观结构示意图
• 晶核的长大机制
• 具有粗糙界面的物质的长大机制 粗糙界面上，约有50%的结晶位置空着，液相原子可以直接进入这 些位置，从而使整个固-液界面垂直地向液相中推进，即晶体沿界面的 法线方向向液相中生长。这种长大方式叫做垂直长大，这样的晶体长 速率很快 • 光滑界面的物质的长大机制 光滑界面晶体可能有两种长大机制：二维晶核长大机制和依靠晶体 缺陷长大机制。 (1)二维晶核长大机制可描述为：光滑界面每向液相中长大一层都是由 一个二维晶核（一个原子厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这 个二维晶核侧向生长，如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维 晶核需要形核功，这种机制的晶体长大速率很慢。 (2)依靠晶体缺陷长大机制是说，液相原子可以直接添加到界面上由于 晶体缺陷而形成的台阶上，从而使晶体不断长大。如螺型位错在界面 露头就可以提供台阶。由于界面上台阶数量有限，这种机制下晶体生 长速率也很小。
• 固—液界面结构
固-液界面(按微观结构可以分为光滑界面和粗糙界面两 种。 所谓光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面， 固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的（图3-5a）。 但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线（图3-6a） 粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的 过渡层（图3-5b）。但是宏观上看，界面反而是平直的 （图3-6b）。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶
软颗粒将被位错切开，对位错有一定的阻滞作用。
位错切割第二相粒子示意图
电 镜 观 察
§5.1 金属材料的塑性变形特征
第二相颗粒越细，分布越均匀，合金的强度、硬 度越高，塑性、韧性略有下降。 这种强化方法称弥散强化或沉淀强化。
弥散强化
陶瓷颗粒弥散强化铜材
§5.2 塑性应变对组织与性能的影响
5.2.1 塑性变形对组织结构的影响 1. 晶粒变形： 金属塑性变形时，随着外形的改变，内部晶 粒的形状也相应变化。通常晶粒沿变形方向被拉 长(拉伸)或压扁(压缩)。
也与多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体
的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
§5.1 金属材料的塑性变形特征
产生固溶强化的原因，是由于溶质原子与位错相互作
用的结果，溶质原子不仅使晶栺发生畸变，而且易被
吸附在位错附近，使位错被钉扎住，位错要脱钉，则
必须增加外力，从而使变形抗力提高。
§5.1 金属材料的塑性变形特征
金属的晶粒越细，其塑性和韧性也越高。
因为晶粒越细，单位体积内晶粒数目越多，参与变形的晶粒
数目也越多，变形越均 匀，使在断裂前发生较 大的塑性变形。强度和 塑性同时增加，金属在 断裂前消耗的功也大， 因而其韧性也比较好。
应变
脆性 材料
塑性材料
§5.1 金属材料的塑性Fra Baidu bibliotek形特征
金属学第三章 金属结晶过程
• 线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（ 可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷 。位错是典型的线缺陷。
• 面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大 ，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等 。
• 体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种 缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞 等。
晶粒度
1 2345 678
单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 1024 2048
（细个/晶m强m化2） —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象
晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 22 比（较μm：）细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
2. 纯金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
（1）形核过程
两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核
自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成 的结晶核心。
非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
细化晶粒的措施
第03章 结晶相图
第二节 纯金属的结晶
二、结晶的结构条件
在一定的过冷度下，液体中若出 现一固态的晶体，该区域的能量将发 生变化，一方面一定体积的液体转变 为固体，体积自由能会下降，另一方 面增加了液－固相界面，增加了表面 自由能，因此总的吉布斯自由能变化 量为： 原子的热运动可造成局部能量在不断变化，其瞬间能量 在平均值的上下波动，对应的结构(原子排列)在变化，小范围 可瞬间为接近晶体的排列。小于临界尺寸的(也称为晶胚)下一 步将减小到消失；大于临界尺寸的进一步长大时吉布斯自由能 下降，可以不断长大，这种可以长大的小晶体称为晶核。
第二节 纯金属的结晶
四、结晶的一般过程
温度变化规律：
材料的熔体在熔点以上不断 散热，温度不断下降，到理论结 晶温度并不是马上变成固态的晶 体，继续降温而出现过冷。过冷 到某一程度开始结晶，放出结晶 潜热，可能会使其温度回升。到 略低于熔点的温度时，放出的热 量和散热可达到平衡，这时处于 固定温度，在冷却曲线上出现平 台。结晶过程完成，没有潜热的 补充，温度将重新不断下降，直 到室温。
第三章 材料的凝固与相图
概述 纯金属的结晶 材料的相结构 二元合金相图
第一节 概述
一、凝固与结晶
引子：自然界的物质通常都能够以气态、液态或固态存在。并且 在一定的条件下，它们可以发生互相转变。
凝固：一切物质从液态到固态的转变过程的统称。 结晶：晶体的形成形成过程。
第三章 金属的结晶与二元合金相图
结晶——是指晶体材料的凝固,或者说是 结晶 原子由不规则排列状态(液态)过渡到规 则排列状态(固态)的过程. 相图——是表示在平衡状态下合金的化学 相图 成分,相,组织与温度的关系图.
铸态组织(P26) 铸态组织
铸态组织: 铸态组织:是指结晶之后得到的金属材料的显 微组织.是指其晶粒的形态,大小,取向及缺 陷(疏松,夹杂,气孔等)和界面的形貌等. 铸态的显微组织决定着铸态材料的使用性能和 加工工艺性能.掌握结晶规律可以帮助我们有 效地控制金属的凝固条件,从而获得性能优良 的金属材料.
金属铸锭典型的铸态组织 (P30)
如图3—5c所示是典型的铸锭晶粒形态 示意图: 表层细晶区 细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区 等轴晶区
第二节
合金结晶与二元合金相图 (P31)
相图——是表示在平衡状态下 平衡状态下合金的化 相图 平衡状态下 学成分,相,组织与温度的关系图.(平 衡状态图)
☆平衡状态下——极缓慢的冷却速度下
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.
☆纯金属通常在恒温下结晶; ☆多数合金通常在一个温度区间内结晶.
第3章金属与合金的结晶.
ΔT
F固
F液
温度 T
只有当液体的过冷度△T达到一定的大小，使结晶的动力ΔF 大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。
纯金属的结晶过程
• 形核： 液态金属中，总是存在着许多类似于晶体中原子有规则 排列的小集团。在理论结晶温度以上，这些小集团是不稳 定的，时聚时散，此起彼伏。当低于理论结晶温度时，这 些小集团中的一部分就成为稳定的结晶核心，称为晶核。 • 晶体长大： 液态金属中，原子不断迁移到晶核表面，使液-固界面不 断向液体中推移的过程，就是晶体长大。 • 原晶核长大、新晶核产生并长大： 随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，同时，液态 金属中又不断地产生新的晶核并不断长大，直至液态金属 全部消失，晶体彼此相互接触为止。
T0理论结晶温度 Tn开始结晶温度
金属总是在一定的过冷度下结晶的， 过冷是结晶的必要条件。
同一金属，结晶时冷却速度越大，过冷度越大， 金属的实际结晶温度越低。
不断形成晶核
二、纯金属的结晶过程
晶核不断长大
纯金属结晶的条件 结晶驱动力 ΔF= F固－ F液≤0
自由能 F
ΔF
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
自然界的自发结晶过程进行的 热力学条件都是ΔF≤0
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。
第三章金属的晶体结构与结晶
图3-9 纯金属冷却曲线
3.金属结晶过程：结晶过程是晶核形成和晶核长大的过程。 如图3-10结晶过程中晶核数目越多，晶粒越细小；反之，晶粒 越粗大 晶核：当液态金属过冷到一定温度时，一些尺寸较大的原 子集团开始变得稳定，而成为结晶核心。
图3-10 金属结晶过程示意
金属晶粒的粗细对金属力学性能影响很大 结论：同一成分的金属晶粒越细，其强度越高，硬 度也越高，塑性、韧性也越好。 晶核越多，晶粒越细。 4.细化铸态金属晶粒的主要途径： 1)加快冷却速度--以增加晶核； 2)变质处理--以增加外来晶核 3)还可用热处理，振动或压力加工的方法细化固态 金属的晶粒。
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。
单晶体：晶体内的晶格位向完全一致的晶体。自然界存在的 单晶体有水晶、金刚石等。采用特殊方法也可获得单晶体，如 单晶硅、单晶锗等。 多晶体：实际的金属晶体是由许多不同位向的晶粒组成,这 种由许多晶粒组成的晶体。 晶粒：多晶体内部以晶界分开而位向相同的晶体。 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。 单晶体体现各项同性，多晶体体现各项异性
第三章 金属的结晶
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第一节 纯金属的结晶
形成明显的脆弱界面，在锻造、 形成明显的脆弱界面，在锻造、轧制时易沿这些脆弱面形成裂纹 或开裂。生产上，对于不希望得到柱状晶的金属， 或开裂。生产上，对于不希望得到柱状晶的金属，通常采用振动 浇注或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。 浇注或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。但柱状晶区的性能 有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高， 有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高，对于那些主要受单 向载荷的机械零件，例如汽轮机叶片，柱状晶是比较理想的， 向载荷的机械零件，例如汽轮机叶片，柱状晶是比较理想的，一 般采用提高浇注温度、加快冷却速度等措施， 般采用提高浇注温度、加快冷却速度等措施，都有利于柱状晶的 发展。 发展。 中心等轴晶区。随着柱状晶区的发展， （３）中心等轴晶区。随着柱状晶区的发展，剩余液体金属的冷却速 度很快降低，温差也越来越小，散热方向变得不明显， 度很快降低，温差也越来越小，散热方向变得不明显，处于均匀 冷却状态。此外，由于液体金属的流动， 冷却状态。此外，由于液体金属的流动，将一些未熔杂质质点推 向铸锭中心，或者柱晶上的小分枝被冲断而漂移到铸锭中心， 向铸锭中心，或者柱晶上的小分枝被冲断而漂移到铸锭中心，它 们都能成为剩余液体金属结晶晶核， 们都能成为剩余液体金属结晶晶核，这些晶核由于在不同方向上 的生长速度大致相同而最终长成等轴晶粒。 的生长速度大致相同而最终长成等轴晶粒。
第三章金属及合金的结晶
第三节 晶核的形成
1 均匀形核 （5）形核率与过冷度的关系 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。
第三节 晶核的形成
2 非均匀形核 （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。
第四节 晶核的长大
第五节 凝固理论的应用
一、细化铸态金属晶粒 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个
晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显 微镜下呈颗粒状。 在一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强度, 塑性和韧性 越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要 途径之一。这种方法称为细晶强化。 细化铸态金属晶粒有以下措施。
第三节 晶核的形成
2 非均匀形核 （4）影响非均匀形核的因素 a 过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。（图3－16） b 外来物质表面结构：θ越小越有利。点阵匹配原理：结构相似， 点阵常数相近。 c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图3－17）
第四节 晶核的长大
1 晶核长大的条件 （1）动态过冷 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） （2）足够的温度 （3）合适的晶核表面结构。
第四节 晶核的长大
第四节 晶核的长大
(1)平面长大 当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行
金属材料与热处理 第三章
第三单元金属材料的晶体结构与结晶
一、名词解释
1．晶体
晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)呈规则排列的物质。
2．晶格
抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子，称为晶格。
3.晶胞
组成晶格的最小几何单元称为晶胞。
4.单晶体
如果一块晶体内部的晶格位向(即原子排列的方向)完全一致，称这块晶体为单晶体。
5.多晶体
由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。
6.晶界
将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的那个内界面称为晶界。
7.晶粒
多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。
8.结晶
通过凝固形成晶体的过程称为结晶。
9.变质处理
变质处理就是在浇注前，将少量固体材料加入熔融金属液中，促进金属液形核，以改善其组织和性能的方法。
10.合金
合金是指两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。
11.组元
组成合金最基本的、独立的物质称为组元。
12.相
相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开。
13.组织
组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。
14.定向结晶
定向结晶是通过控制冷却方式，使铸件沿轴向形成一定的温度梯度，从而可使铸件从一端开始凝固，并按一定方向逐步向另一端结晶的过程。
15.滑移
单晶体塑性变形时，在切应力作用下，晶体内部上下两部分原子会沿着某一特定的晶面产生相对移动，这种现象称为滑移。
二、填空题
1.晶体与非晶体的根本区别在于原子排列是否规则。
2.金属晶格的基本类型有体心立方晶格、面心立方晶格与密排六方晶格三种。
第三章 金属与合金的结晶
如，往铝液中加钛、硼；
1234、对导中方、、、于致、法增变附降大铸小来加铸件型细质加低过锭产铸化处振浇、生件晶冷理动注大裂，粒度铸纹对。速件而于度，报大过废型高。铸金 超 中 起 化的因件慢 晶 粒 核冷此则属 声 的 晶 晶都却，需速 发 可，结 波 枝 核 粒能速只要浇 生 能从往往使晶 振 晶 作 的度适用钢铸晶而注 在 被时 动 破 用 目往用其水铁粒增时 流 后， 、 碎 ， 的往于它中水细， 动 到加对 电 ， 增 。加中化液 液 达了金 磁 而 加入加，态 体 的形属 振 破 了钛入从金 的 液核液 动 碎 形、硅而率属 前 体附 等 的 核锆铁提。不沿冲加措枝率、、高是，碎铝硅机施晶N金静先在等钙，属械，尖；合的止形为达振使端金力的成新到动生又，学，的的细、长可性结晶晶能。机 械 制 造
⑤
20
（3）在温度-成分坐标系中过各合 金成分点做成分垂线，将临界
⑥
0
点标在成分垂线上；
40
60
80
100
机
械
（4） 将成分垂线上相同意义的点
制
连接起来，并标上相应的数字 和字母，便得到Cu-Ni合金相图
造
基
础
第三章 金属与合金的结晶
§3.2 合金的结晶
二、二元合金的结晶过程
二元合金相图的基本类型：
械 制
2、以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。
第三章 金属与合金的结晶
动态过冷度
e － 结晶终了点
cde－结晶过程 ef － 结晶后的冷却过程
2015-1-4 材料科学与工程学院多媒体课件 4
第3章 金属与合金的结晶
§3.1 结晶的基本规律
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的过冷度 （克服界面能）
晶核形成时，体系总的自由能变化为ΔG′： ΔG′= -VΔGv+ΔGs (3-12) 式中V：晶核体积；ΔGV：单位体积的固液两相自由能之差； ΔGS：晶核形成时体系增加的总表面能。 ΔGs=σLα· S1+σαβ· S2 -σLβ· S2 (3-13)
式中S1、S2分别为晶核α与液相 L 及 B 之间的界面积 ；
第3章 金属与合金的结晶
第1篇
第3章
金属学基本原理
金属与合金的结晶
掌握结晶的基本规律，形核与晶核长大的过程； 理解在合金的结晶过程中，结构起伏（涨落）、能量
起伏（涨落）、浓度起伏（涨落）的重要作用；
熟悉平衡结晶与非平衡结晶的异同点，并能利用结晶基
本规律分析结晶后的组织的形成原因； 熟悉铸锭中常见的缺陷。
2015-1-4 材料科学与工程学院多媒体课件 20
第3章 金属与合金的结晶
1) 临界晶核半径和形核功
均匀形核时的主要阻力是晶核的表面能；而对非均匀形
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第三章金属的结晶
金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。
§3.1 结晶的过程和条件
一、液态金属的结构特点
金属键：导电性，正电阻温度系数
近程有序：近程规则排列的原子集团
结构起伏：近程规则排列的原子集团是不
稳定的，处于时聚时散，时起时
伏，此起彼伏，不断变化和运动之
中，称为结构起伏。
结晶的结构条件：当近程规则排列的原子
集团达到一定的尺寸时，可能成为
结晶核心称为晶核, 即由液态金属的
结构起伏提供了结晶核心。结构起
伏是金属结晶的结构条件。
二、结晶过程
形核：液相中出现结晶核心即晶核；
晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新
晶核不断形成并长大；
不断形核、不断长大；
晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各
异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。
单晶体与多晶体
三、结晶的过冷现象
用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。
由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度
Tm的现象称为过冷。液态金属过冷是结晶的必要条件。
过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。
四、结晶的热力学条件
热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。
热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。
利用最小自由焓原理分析结晶过程。两相自由焓差是相变的驱动力。
金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。
热力学条件与过冷条件的一致性。
§3.2 形核的规律
形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。
一、均匀形核
均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。
（一）均匀形核的能量分析
液相中出现一个晶核，体系自由焓的变化：液态→固态，体积自由能降低，即△G V=G S-G L<0;晶核形成会增加一个新的液固相界面，增加了界面能即σS。体系自由焓的变化为：△G=V△G V+σS
设晶核为半径r的球体，则上式为：△G=4/3πr3△G V+4πr2σ
（二）形核条件分析
1．晶核尺寸
对△G-r关系曲线的分析。
r*称为临界晶核半径，其值可对上式求导并令其等于零求得。
r*=-2σ/△G V。
当r< r*时，其长大会使体系自由焓升高，故这样的原子集团不能充当晶核，将熔化而消失，称为晶坯；
当r> r*时，其长大会使体系自由焓下降，故这样的原子集团可充当晶核；
当r= r*时，其可能长大也可能熔化消失，这是因为：长大会使体系自由焓降低，但此时体系自由焓达到最大，且为正值，体积自由焓的降低不能补偿界面能的增加，还须从外界取得额外的能量供应，
即取得形核功才能成核。临界晶核与临界晶核半径。
2．能量条件
形成临界晶核时外界须提供形核功，形核功大小为：将r*=-2σ/△G V代入△G 公式，可得△G*=1/3（4πr*2σ），即形核功为界面能的1/3。即形成临界晶核时，体积自由能的降低只能补偿2/3的界面能，尚有1/3的界面能需由能量起伏提供。
能量起伏：液相中各微区的自由焓是不等的，均围绕平均值在不断变化。
总之，均匀形核必须满足两个条件：依靠结构起伏提供r≥ r*的原子集团充当晶核；依靠能量起伏提供相当于界面能1/3的形核功。
3．过冷度大小
临界晶核半径r*和形核功△G*均与过冷度有关：
r*=-2σ/△G V=2σ·Tm/Lm·△T
△G*=16πr*3Tm3/3(Lm·△T) 2
过冷度愈大，临界晶核半径r*愈
小，形核功△G *也愈小，形核
更容易。
（三）形核率
某一过冷度下形核的快慢用形核率表示。形核率：单位时间内单位体积中所形成的晶核数，单位为1/cm3·s
影响形核率有两个因素：从热力学上，随过冷度增大，r*减小，△G *也减小，形核更容易，形核率愈高；从动力学上，转变温度愈低，原子扩散能力愈弱，不利于晶核形成，使形核率降低。
对形核率的分析：
形核率 N=K·N1·N2
N1-受形核功影响的形核率因子
N2-受原子扩散激活能影响的形核率因子N1∝e-△G*/KT,K-波尔兹曼常数，过冷度愈大，r*减小，△G *也减小，所需能量起伏减小，形核愈容易，N1增大。
N2∝e-Q/KT ,Q-原子越过液固相界面的扩散激活能，即原子由液相转变为固相所需的能量，随温度变化很小。T升高，有利于扩散，N2增大；而过冷度愈大，原子活性降低，不利于原子扩散，N2减小。
二．非均匀形核（非自发形核）
非均匀形核：金属液中存在固体夹杂物，晶胚依靠这些固体夹杂物的现成界面而成核，称为非均匀形核。
（一）能量分析及临界晶核半径
同样存在体积自由能降低和界面能的增加，总的自由能变化为：
ΔG非＝VΔG V+ΔG S
分析在现成基底上形核的情况，见图3－8。
两个界面S1和S2：S1－晶核与液相界面
S2－晶核与基底界面
三种界面张力：
σLa为晶核－液体界面张力
σaw为晶核－基底界面张力
σLw为液体－基底界面张力当晶核稳定存在时，三种界面张力在交会处达到平衡：
σLw＝σaw＋σLa cosθ
θ角为晶核与基体的接触角（润湿角）设在基底上形成一个球冠状晶核，所引起自由能变化：
体积自由能变化：ΔG体＝VΔG V
V＝1/3πr3（2－3cosθ＋cos3θ）界面能变化：ΔG S由三部分组成：
（1）晶核球冠界面能增加
σLa·S1，S1＝2πr2（1－cosθ）