材料的凝固与相图优秀课件
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第三章材料的凝固与相图
第三章材料的凝固与相图第一节概论一、凝固与结晶凝固：物质从液态经冷却转变为固态的过程。
结晶：凝固形成晶体物质的过程。
结晶都具有严格的平衡结晶温度。
第二节纯金属的结晶金属从液态转变为固态的过程。
冷却曲线过冷度：实际结晶温度与平衡结晶温度的差值。
潜热三、结晶的过程晶核的生成；晶核的长大，晶核不断的生成；晶核不断的长大，直到耗尽液态合金。
自发形核一次轴晶3、晶粒大小（晶粒度）细化晶粒的方法增加过冷度，变质处理，附加振动第三节合金的结晶一、合金的相结构及性能合金：由一种金属元素与一种或几种其它元素组成的，具有金属特性的物质。
组元：组成合金的最基本的、独立的物质相：金属或合金中，化学成分、晶体结构相同，并与其他部分有界面分开的均匀部分。
组织：在显微镜下所观察到的金相试样的形貌。
（晶粒大小、形态和分布情况1、固溶体：当合金由液态结晶为固态时，组元间仍能互相溶解，并能保持某一组元晶格的均匀固体。
（1）固溶体的分类置换固溶体（有限固溶体、无限固溶体）间隙固溶体（2）固溶体的性能畸变固溶强化2、金属化合物：合金的各组元发生化合作用，生成一种晶体结构不同于任一组元，并具有金属特性的新相。
（1）金属化合物的分类（2）金属化合物性能二、合金相图的建立1、相图的基本知识（1）合金系两个或两个以上的组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金。
（2）相图：表示在平衡条件下给定合金系中合金的成分、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形。
2、二元合金相图的建立三、二元合金相图与结晶分析1、匀晶相图在液态和固态能无限互溶，且只发生匀晶反应（从液相中直接结晶出固溶体的反应）的相图。
（1）图形特点（2）合金平衡结晶过程（3）杠杆定律（只用于两相区）枝晶偏析2、共晶相图在液态无限互溶而在固态只能有限互溶，并发生共晶反应，所构成的相图。
（1）图形特点点与线；相区；共晶反应在恒温下同时结晶出两种成分与结构皆不同的固相的反应。
（2）合金的平衡结晶过程组织组成物；相组成物（三）其它类型相图1、包晶相图在液态无限互溶在固态有限互溶，并发生包晶反应，所构成的相图。
第三章材料的凝固与相图
⑶ 固溶体的性能：
因溶质原子的溶入，溶剂晶格产生畸 变，使固溶体的强度、硬度升高，而塑 性、韧性有所下降。 固溶强化：通过形成固溶体使金属材料 的强度、硬度提高的强化方法。
间隙固溶体
第三章 材料的凝固与相图
2. 金属化合物
⑴ 定义：指合金组元相互作用而形成的晶格类型和特性完全 不同于任一组元的新相。 ⑵ 分类：根据形成条件和结构特点分成三类。 ① 正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固 定且可用化学式表示，如： Mg2Si, ZnS,…… ② 电子化合物：符合电子浓度规律， 其晶体结构由电子浓 度（价电子总数与原子总数之比）决定。
㈠ 包晶相图
T,C 以铂-银合金相图为例 T,C
L
L+ a
a c
f
Pt Ag%
L
L+
L+ a
L+ a
e
d
a+
g
Ag
+ a Ⅱ
t
包晶转变： Ld + ac e
第三章 材料的凝固与相图
㈡共析相图
共析转变： (a + ) 共析体
T,C
L
L+
a
A
+a c
d a+
2.结晶时的过冷现象（图） 过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。
△T = T0 – Tn
第三章 材料的凝固与相图
结晶时的过冷现象
温 度
To Tn 理论结晶温度
△T
△T = T0 – Tn
实际结晶温度
时间
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。
第三章 材料的凝固与相图
冷却速度越大，则过冷度越大。
第3章 材料的凝固与相图
2
第 二 第二节 章 （一）结晶的条件 材 料 的 晶 体 结 过冷现象： 过冷现象：
纯金属的结晶
温 度
tr △t t
纯金属的冷
过冷： （ ）过冷： 材料 结晶 （ ）过冷 ： 体材料的 结晶
的现象Biblioteka △过冷 过冷 的 条件 一 的过冷
3
第 二 章 材 料 的 晶 体 结 构
（二） 结晶的条件
晶核长大的条件： 晶核长大的条件： （1）动态过冷：（是材料凝固的必要条件） 动态过冷： 是材料凝固的必要条件） （2）足够的温度 （3）动态短程有序
7
8
第三章 材料的凝固与相图
1
第 一 章 第 二 节 金 属 的 晶 体 结 构 与 结 晶
第一节 概论
凝固：物质从液态到固态的转变过程。 凝固：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。 若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。
凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 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。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。
（四）影响晶粒大小的因素
2．过冷度：一般随着过冷度的 过冷度： 增加， 增加，形核率和长大率先增加后 下降。 下降。 3．难熔杂质的影响 高熔点杂质的加入对细化晶粒的 作用也非常明显， 作用也非常明显，由于液态金属 结晶时可以附着在未全部熔解的 高熔点杂质的颗粒表面， 高熔点杂质的颗粒表面，所以加 入高熔点杂质能提高形核率。 入高熔点杂质能提高形核率。 4．金属流动与振动 在金属结晶时如果增加液体流速或给以机械振动、 在金属结晶时如果增加液体流速或给以机械振动、超声波振 都将达到增加形核率或抑制长大率的效果。 动，都将达到增加形核率或抑制长大率的效果。
金属的凝固与相图ppt课件
第三章 材料的凝固与相图
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
1
3.1 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。
工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。
将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
14
结晶的热力学条件及结构条件
1.金属结晶的热力学条件: G=H–ST
G– 物体的自由能 H – 物体的焓值 S–熵 T – 温度 K
15
G/ T=-S
F
液相
ΔG
固相
ΔT
Tn To TL
T
16
2.金属结晶的结构条件
近程有序结构
远程有序结构
结晶
结构起伏
17
二.结晶过程
形核 长大
18
结晶的一般规律: 形核、长大。
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一： 增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速 率N和长大速度G都会增大。
ΔT较小时，N的增长率 小于G；
ΔT较大时，N的增长率 大于G。
30
增大过冷度的主要办法： 1、降低浇注温度。 2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。
高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。 超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶 态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异 的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。
液态金属结构
11
当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅 速长大形成规则排列的பைடு நூலகம்胚→晶核→晶粒→固态晶体 金属。规则排列的原子结构，称长程有序。。
凝固与结晶的基本概念 纯金属的结晶 合金的结晶与相图 铸态组织与冶金缺陷
1
3.1 凝固与结晶的概念
1.凝固
物质由液态转变成固态的过程。
晶体？ 非晶体？
2.结晶
*由液态转变成晶体固态物质的过程。
工程上一般把金属由液态转变为固态的加工过程 称为铸造。
将液态金属浇铸到锭模或铸模中冷却为一定形状 的块体称为铸锭。也可以直接浇注成铸件。
14
结晶的热力学条件及结构条件
1.金属结晶的热力学条件: G=H–ST
G– 物体的自由能 H – 物体的焓值 S–熵 T – 温度 K
15
G/ T=-S
F
液相
ΔG
固相
ΔT
Tn To TL
T
16
2.金属结晶的结构条件
近程有序结构
远程有序结构
结晶
结构起伏
17
二.结晶过程
形核 长大
18
结晶的一般规律: 形核、长大。
28
29
细化铸态金属晶粒措施之一： 增大过冷度
过冷度ΔT增大,形核速 率N和长大速度G都会增大。
ΔT较小时，N的增长率 小于G；
ΔT较大时，N的增长率 大于G。
30
增大过冷度的主要办法： 1、降低浇注温度。 2、提高浇注后的冷却速度（如采用金属型铸模）。
高速急冷可获得超细晶或纳米晶粒。 超高速急冷可使液态金属难以结晶而得到非晶 态结构。非晶态金属具有很高的强度和韧性及优异 的电磁性能和高的抗腐蚀性能等。
液态金属结构
11
当温度下降至结晶温度以下时，原子团不再消失并迅 速长大形成规则排列的பைடு நூலகம்胚→晶核→晶粒→固态晶体 金属。规则排列的原子结构，称长程有序。。
第三章凝固与相图
ΔT
2、结构条件
T1 T0
液态 → 固态
无序 → 短程有序原子集团 → 长程有序
概念
*一次结晶：液态 → 固态 *二次结晶：一种固态态 → 另一种固态
三、结晶的一般过程
1、结晶的基本过程
液体和晶体自由能随温度变化
结晶由晶核的形成和晶核 的长大两个基本过程组成. 液态金属中存在着原子排 列规则的小原子团，它们
雾 凇
液态金属在理论结晶温
度以下开始结晶的现象
称过冷。
理论结晶温度与实际结 晶温度的差T称过冷度 T= T0 –T1
过冷度大小与冷却速度 有关，冷速越大，过冷 度越大。
二、结晶的条件
1、能量条件
液体和晶体自由能随温度变化
最小自由能原理
物质总是由高自由能状态向低自由能状态转变。
过冷是金属结晶的必要条件。
一、合金的相结构及性能
合金晶粒中含有多种元素，晶粒的化学 成分和晶格类型可以是均匀一致的，也 可以不一致。
相： 指物质中凡成分均匀、结构相同、原子 聚集状态相同并与其它部分有界面分开 的均匀组成部分。
显微组织：实质上是指在显微 镜下观察到的金属中各相或各 晶粒的形态、数量、大小和分 布的组合。微观形貌。
构转变。同素异构转变属于
相变之一—固态相变。
纯铁的同素异构转变
1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次
晶体结构变化，其变化为： -Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
1394℃ 912℃
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方
结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
材料的凝固与铁碳相图资料课件
在凝固过程中，物质从液态转变为固态时，系统的自由能发生变化。自由能的变化决定了相变是否可以自发进行以及相变的速度。当自由能变化为负值时，相变可以自发进行；当自由能变化为正值时，相变不能自发进行。因此，了解自由能的变化是理解凝固过程的重要基础。
总结词
总结词
凝固过程中溶质再分配和成分过冷现象影响晶体形貌和相组成。
工艺制定
通过铁碳相图可以控制材料的熔炼、浇注、冷却等过程，确保获得高质量的铸件或锻件。
质量控制
铁碳合金的凝固过程
03
铁碳合金的凝固点取决于其成分，随着碳含量的增加，凝固点温度逐渐降低。
凝固点
形核与长大
热力学条件
在液态向固态转变过程中，铁碳合金中的原子首先形成晶核，随后晶核逐渐长大形成固态结构。
液态向固态的转变需要满足一定的热力学条件，如温度和压力等。
成分不均
由于合金在液态和固态下各组分扩散速度的差异，导致合金内部各部分成分分连续或断续的缝隙，通常是由于热应力和组织应力共同作用的结果。
变形
铸件在凝固和冷却过程中，由于各部位收缩不均匀或受到外力作用而产生的形状和尺寸变化。
铁碳合金的凝固工艺
06
合金元素可以改变材料的物理性能、机械性能和加工性能等，通过合理添加合金元素，可以提高材料的综合性能。
详细描述
总结词：结晶动力学是研究晶体生长速度、晶体形态和晶体结构随时间变化的科学。
铁碳相图
02
铁碳相图是表示铁碳合金在平衡状态下，温度、压力和各相之间关系的图形。
定义
铁碳相图由水平线（温度）、垂直线（压力）和曲线组成，其中曲线表示不同成分的铁碳合金在不同温度和压力下的平衡状态。
组成
铁碳相图反映了不同成分的铁碳合金在不同温度下的相变规律，如熔化、结晶、固态转变等。
总结词
总结词
凝固过程中溶质再分配和成分过冷现象影响晶体形貌和相组成。
工艺制定
通过铁碳相图可以控制材料的熔炼、浇注、冷却等过程，确保获得高质量的铸件或锻件。
质量控制
铁碳合金的凝固过程
03
铁碳合金的凝固点取决于其成分，随着碳含量的增加，凝固点温度逐渐降低。
凝固点
形核与长大
热力学条件
在液态向固态转变过程中，铁碳合金中的原子首先形成晶核，随后晶核逐渐长大形成固态结构。
液态向固态的转变需要满足一定的热力学条件，如温度和压力等。
成分不均
由于合金在液态和固态下各组分扩散速度的差异，导致合金内部各部分成分分连续或断续的缝隙，通常是由于热应力和组织应力共同作用的结果。
变形
铸件在凝固和冷却过程中，由于各部位收缩不均匀或受到外力作用而产生的形状和尺寸变化。
铁碳合金的凝固工艺
06
合金元素可以改变材料的物理性能、机械性能和加工性能等，通过合理添加合金元素，可以提高材料的综合性能。
详细描述
总结词：结晶动力学是研究晶体生长速度、晶体形态和晶体结构随时间变化的科学。
铁碳相图
02
铁碳相图是表示铁碳合金在平衡状态下，温度、压力和各相之间关系的图形。
定义
铁碳相图由水平线（温度）、垂直线（压力）和曲线组成，其中曲线表示不同成分的铁碳合金在不同温度和压力下的平衡状态。
组成
铁碳相图反映了不同成分的铁碳合金在不同温度下的相变规律，如熔化、结晶、固态转变等。
第三章 材料的凝固与相图
第三章材料的凝固与相图讲授重点：固溶体、化合物的晶体结构及性能特点；固溶强化及其实际应用；二元合金相图的基本概念。
本章难点：过冷度的概念；相、相图。
§3-1金属的结晶一、结晶的概念物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。
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。
1．结晶与凝固的区别——前者的产物是晶体，后者可以是非晶体。
2．结晶条件——结晶温度 T ＜理论结晶温度 To（克服界面能）。
过冷度：ΔT = To–Tn （Tn：实际结晶温度）金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度Ｔ0称为理论结晶温度。
但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度Ｔ0以下的某一温度Ｔn才开始进行结晶，温度Ｔn 称为实际结晶温度。
实际结晶Ｔn温度低于理论结晶温度Ｔ0的现象称为过冷现象。
而Ｔ0与Ｔn之差ΔＴ称为过冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔn。
过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度Ｔ1就越低，即过冷度ΔＴ就越大。
实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。
3、过冷度与冷却曲线——冷速越快，过冷度越大。
4.过冷度对形核、长大的影响（见下图）二、金属结晶的过程纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。
实验证明，金属结晶时，首先从液体金属中自发地形成一批结晶核心，形成自发晶核，与此同时，某些外来的难熔质点了可充当晶核，形成非自发晶核；随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。
所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程（如下图所示）。
结晶时由每一晶核长成的晶体就是一个晶粒。
晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当互相接触后，便不能再自由生长，最后即形成由许多向位不同的晶粒组成的多晶体。
1. 形核 —— 自发形核、非自发形核。
材科单组元相图及纯晶体的凝固ppt课件
燃料电池研究开发中心
燃料电池研究开发中心
1. 均匀形核
a. 晶核形成时的能量变化和临界晶核
假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液中出
现一个晶胚（Embryo)时，总的自由能变
化△G应为
G
4 3
r
3GV
4 r2
在一定温度下，△Gv和σ是确定值，所以
△G是r的函数。
当晶胚的半径 r r ，晶胚消失； 当晶胚的半径 r r ，晶胚长大为
SiO2平衡相图
燃料电池研究开发中心
上述相图中的曲线所表示的两相平衡时的温度和压力的定量关系， 可由克劳修斯(Clausius)-克拉珀龙 (C1apeyron)方程决定，即
dP H dT T Vm
式中，H 为相变潜热；Vm 为摩尔体积变化；T是两相平衡温度。
当高温相转变为低温相时，H 0，
如果相变后体积收缩，即
A*
4
(r*)2
16 2
GV2
G* 1 A*
3
液相必须处于一定的过冷条件时方能结晶，而液体中客观存在的
结构起伏和能量起伏是促成均匀形核的必要因素。
燃料电池研究开发中心
b. 形核率
形核率受两个因素的控制，即形核功因子（exp(-△G*/kT)）和原子 扩散的几率因子（exp(-Q/kT)） ，因此形核率为
燃料电池研究开发中心
6.2.2 晶体凝固的热力学条件
自由能
G H TS dG Vdp SdT
H是焓； T是热力学温度； S是熵
在等压时，dp＝0，所以可推导得：
dG S dT
由于熵S恒为正值，所以自由能是随温 度而减小
自由能随温度变化示意图
燃料电池研究开发中心
在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化为
燃料电池研究开发中心
1. 均匀形核
a. 晶核形成时的能量变化和临界晶核
假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液中出
现一个晶胚（Embryo)时，总的自由能变
化△G应为
G
4 3
r
3GV
4 r2
在一定温度下，△Gv和σ是确定值，所以
△G是r的函数。
当晶胚的半径 r r ，晶胚消失； 当晶胚的半径 r r ，晶胚长大为
SiO2平衡相图
燃料电池研究开发中心
上述相图中的曲线所表示的两相平衡时的温度和压力的定量关系， 可由克劳修斯(Clausius)-克拉珀龙 (C1apeyron)方程决定，即
dP H dT T Vm
式中，H 为相变潜热；Vm 为摩尔体积变化；T是两相平衡温度。
当高温相转变为低温相时，H 0，
如果相变后体积收缩，即
A*
4
(r*)2
16 2
GV2
G* 1 A*
3
液相必须处于一定的过冷条件时方能结晶，而液体中客观存在的
结构起伏和能量起伏是促成均匀形核的必要因素。
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b. 形核率
形核率受两个因素的控制，即形核功因子（exp(-△G*/kT)）和原子 扩散的几率因子（exp(-Q/kT)） ，因此形核率为
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6.2.2 晶体凝固的热力学条件
自由能
G H TS dG Vdp SdT
H是焓； T是热力学温度； S是熵
在等压时，dp＝0，所以可推导得：
dG S dT
由于熵S恒为正值，所以自由能是随温 度而减小
自由能随温度变化示意图
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在一定温度下，从一相转变为另一相的自由能变化为
3第三章--材料的凝固ppt课件(全)
溶体转变线
温N
度
J A+
L D
相区标注
L+A AE
C L+ Fe3C F
组织组成物标注 G
A+ Fe3C
A+
Le
复相组织组成物：
F
珠光体P(F+ Fe3C)
A+F S Fe3CⅡ A+ Fe3CⅡ+Le Le+ Fe3CⅠ K
P P
F+ Fe3C
P+
Le’
莱氏体Le(A+ Fe3C)
QP+F Fe3CⅡ P+ Fe3CⅡ+Le’ Le’+ Fe3CⅠ
混合物，称作莱氏体，用Le 表示。为蜂窝状。以Fe3C为 基，性能硬而脆。
莱氏体
PSK：共析线
S ⇄FP+ Fe3C 共析转变的产物是与
Fe3C的机械混合物, 称 作珠光体，用P表示。
L+δ
δ+
L+
+
L+ Fe3C + Fe3C
F+ Fe3C
扫描电镜形貌 珠光体(光镜)
珠光体的组织特点是 两相呈片层相间分布, 性能介于两相之间。 PSK线又称A1线 。
Q
不易分辨。室温组织为P.
珠光体
共析钢的结晶过程
㈢ 亚共析钢的结晶过程 0.09~0.53%C亚共析钢
冷却时发生包晶反应。
Ⅲ
A
H
B
J
以0.45%C的钢为例 合金在 4 点以前通过匀
晶→包晶→匀晶反应全
部转变为。到4点，由
G S
P
+Fe3C
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均匀形核与非均匀形核
均匀形核（自发形核）： 由均匀液体母相中任意地统计地形成核
心称为均匀形核。
结晶热力学 Thermodynamics of Crystallization
G T3 4r3 G v4 r2 S L
r*
2 SL
Gv
G* ho
m
16S3L
3Gv2
均匀形核与非均匀形核
非均匀形核： 液体在容器壁、未溶杂质或者其它固体结构
1、能量条件
自由能G是表示物质能量状态的函数，其表 达式为：
G ＝ U － TS
U － 为系统的内能， T － 热力学温度 S － 熵（表示系统中原子排列混乱程度的参数）
（三）结晶的条件
1、能量条件
对于固态 对于固态
GS ＝ US － TSS
Gl ＝ Ul － TSl
G
L
△G
△T
S T
（三）结晶的条件
影响晶核的形核率和晶体长大率的因素
1)过冷度 2）未熔杂质
在一般工业条件下，急冷， △T增大，N、G值增大，晶粒 (crystal grain)越细，性能越好；缓冷，N、G值 减小，晶粒越 粗，性能越差。
(五）.细化晶粒的方法
1 提高冷却速度 2 变质处理 3 机械振动、超声波振动、搅拌。
原子集团 结构起伏 ——— —
原子集团基本固定不变
结晶的过程
液体中形成核心 核心长大
（二）结晶时的过冷现象
Undercooling in Crystallization
温 度
理论冷却曲线
△T
过冷度：
△T = To — Tx
To
Tm
Tx
实际冷却曲线 过冷是结晶 的必要条件
时间
（三） 结晶的条件
平面推进的均匀长大：结晶潜热通过固体散热，快速长大部分散 热困难会放慢速度，缓慢长大部位散热改善会提高速度，最终均 匀生长。
有利环境优先的树枝状长大：生 长部位的前端因温度（合金中可 因成分）有利晶体的长大，快速 生长部位更快，不平衡的发展会 在快速生长部位产生分支，而形 成树枝状的晶体。
(四）.结晶的一般规律: 形核、长大。
生凝固时，称为结晶。
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. 物质的本质 2. 熔融液体的粘度 3. 熔融液体的冷却速度
金属材料需要达到106℃/s才能获得非晶态。
细晶的优点 ： 晶粒度即晶粒大小，一般情况下，晶粒愈小， 则金属的强度、塑性、韧性愈好，因此工程上细化晶粒是提高金 属机械性能的最重要的途径之一
第二节 合金的相结构
❖ 合金与相的概念 ❖ 固溶体 ❖ 金属化合物
一 合金与相的概念
合金 ( alloy ) 是指两种以上的金属或金属与非金属元素，
经熔炼、烧结或其它方法使之结合在一起而形成的具有金属特性 的物质。
S（θ）=（2 + cosθ）（1 - cosθ）2/4
均匀形核与非均匀形核核心临界半径的比较
临界半径与过冷度的关系
r*
2Tm H f T
晶核的形成
晶核形成的形式:
*自发形核 △T = 200℃(纯净液体、均匀形核) *非自发形核 △T = 20℃（依附未熔质点形核）
液态金属中总是存在不稳定的规则排列的微小原子 集团，称为相起伏。过冷液相中的相起伏称为晶胚。 过冷度足够大时，一些晶胚转为稳定的晶核，不再融 化，结晶开始。 过冷度越大，晶核就越多，形核率越大，形核越快。
2、结构条件
固体晶体中原子排列是周期性、有序的，因 此，晶体材料在凝固时，它必须满足一定的原子 排列规则才能够形成晶体结构，即发生结晶。
结晶的过程
2.金属结晶的结构条件
结晶
近程有序，结构起伏
远程有序
第二节 纯金属的结晶
（四）晶核的长大
长大条件：液/固界面附近液体中的原子迁移到固态表面按固体 的排列，实现了晶体的长大（反之为熔化）。长大的自发过程也 要求一定的过冷度，不过比形核小的多。金属材料要求的过冷度 很小，仅0.01—0.05℃。
在一般生产过程的冷却条件下，金属材料凝 固为晶体，这时的凝固过程也是结晶过程。
二、 结晶的现象与规律
(一）.结晶的一般过程
形核
长大
晶体
液态结构------------固态结构
原子间的平均距离大—————— 略小；
原子配位数8-11———————— 12（Hcp）
原子排列 短程有序，长程无序 ——— 长程有序，短程有序
材料的凝固与相图
纯金属的结晶 合金的相结构 合金的结晶与相图
第一节 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶 结晶的现象与规律 同素异晶(构)转变
一、 凝固与结晶
1.凝固
指物质由液态转变成固态的过程。
凝结－蒸发 凝固－熔化 凝华－升华
2.结晶 *物质在凝固过程以晶体的形态发
材料表面上形核的过程 。
均匀形核与非均匀形核
r*
2 SL Gv
γML =γSM +γSLcosθ cosθ=(γML-γSM )/γSL ΔGhet = -VSΔGV + ASLγSL + ASMγSM - ASMγML
G h e 3 4 tr 3 G v 4 r 2 SS ( L )
晶核按枝晶方式张长大
金
金
属
属
的
的
树
树
枝
枝
晶
晶
第二节 纯金属中晶体的生长及晶粒形状
激冷层 柱状晶 等轴晶
单晶的凝固
4、晶粒大小的概念
晶粒的尺寸指统计描述晶粒的大小，各晶粒的大 小和形状并不全相同，这就是统计的含义，有多种来 计量，例如单位体积内的晶粒个数。在生产中用晶粒 度，测定方法是在放大100倍下观察和标准的进行对比 评级，1—8级(有更高的)，级别高的晶粒细。级别的 定义为在放大100下，每平方英寸内1个晶粒时为一级， 数量增加 倍提高一级。用于计算的定量描述还用平 均截线长来表示。
组元 ( 元 ) ( element ) 组成合金的基本物质，可以是
元素，也可以是化合物。
相 ( phase ) 合金中化学成分、晶体结构相同，且以界面
相互分开的组 成部分。
显微组织 ( microscopic structure )
二、固溶体的相结构及性能
➢ 固溶体 (solid solution )合金中各组元在固态互相溶解形