第3章+金属的结晶与同素异构转变
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第3章材料凝固的基本过程
第三章 材料凝固的基本过程
主讲人：王永东
材料科学与工程系
第三章 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶的概念
结晶的现象与规律
同素异晶(构)转变
第一节 凝固与结晶的概念
1.凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 ( crystal ) *晶体物质由液态转变成固态的过 程。 *物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。
金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
铸锭结晶组织
第二节 晶粒大小的控制
1、晶粒度：表示晶粒大小的一种 尺度，可用晶粒的平均 面积或平均直径来表示。 晶粒越细，常温下的力学性 能 越好。可用晶粒度等级来表示晶粒 大小，标准晶粒度共分八级，一级 最粗，八级最细。
2、晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细，常温下的力学 性 能越好。高温下工作的材 料，晶粒过大和过小都不好。 有些情况下晶粒越大越好。 如硅钢片。
第二节 结晶的现象与规律
一.结晶的一般过程
微小 晶核
长大
晶体
二.结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度 To Tn
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
过冷现象 ( supercooling )
过冷度 ( degree of supercooling )
同素异构转变：在外界条件（温度/压力）改变时，
金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构。 纯铁的同素异构( allomorph )转变反应式:
δ - Fe
bcc
1394 °C
主讲人：王永东
材料科学与工程系
第三章 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶的概念
结晶的现象与规律
同素异晶(构)转变
第一节 凝固与结晶的概念
1.凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 ( crystal ) *晶体物质由液态转变成固态的过 程。 *物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。
金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
铸锭结晶组织
第二节 晶粒大小的控制
1、晶粒度：表示晶粒大小的一种 尺度，可用晶粒的平均 面积或平均直径来表示。 晶粒越细，常温下的力学性 能 越好。可用晶粒度等级来表示晶粒 大小，标准晶粒度共分八级，一级 最粗，八级最细。
2、晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细，常温下的力学 性 能越好。高温下工作的材 料，晶粒过大和过小都不好。 有些情况下晶粒越大越好。 如硅钢片。
第二节 结晶的现象与规律
一.结晶的一般过程
微小 晶核
长大
晶体
二.结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度 To Tn
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
过冷现象 ( supercooling )
过冷度 ( degree of supercooling )
同素异构转变：在外界条件（温度/压力）改变时，
金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构。 纯铁的同素异构( allomorph )转变反应式:
δ - Fe
bcc
1394 °C
金属材料与热处理 第三版 模块三 金属的结晶
“十三五”职业教育国家规划教材 高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材
金属材料与热处理（第三版）
Heat Treatment
模块三 纯金属的结晶
课题1 结晶现象 课题2 晶体的形核与长大 课题3 结晶的条件 课题4 晶粒大小的控制
知识准备
一、热分析法和冷却曲线
热分析法装置及冷却曲线 1一电炉;2一 坩埚;3一 金属液;4一热电偶
热力学条件：有一定的过冷度 结构条件：相起伏或结构起伏 能量条件：能量起伏 形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核
课题4 晶粒大小的控制
✓ 任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒 越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在 我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何 通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？
✓ 晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。
1、均质形核
✓ 也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子 按照一定的晶体结构排列形成的晶核。
✓ 这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的 晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核， 才能够称为晶核。
✓ 晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了 能量，能量起伏提供了所需的表面能。
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的 现象称为同素异构转变
铁的同素异构转变： Fe(bcc) 912C Fe(fcc) 1394C Fe(bcc)
T
铁的冷却曲线15381394}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
t
课题3 结晶的条件
结晶必须具备一定条件才能够进行
✓ 实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的， 但主要按异质形核的方式进行。
金属材料与热处理（第三版）
Heat Treatment
模块三 纯金属的结晶
课题1 结晶现象 课题2 晶体的形核与长大 课题3 结晶的条件 课题4 晶粒大小的控制
知识准备
一、热分析法和冷却曲线
热分析法装置及冷却曲线 1一电炉;2一 坩埚;3一 金属液;4一热电偶
热力学条件：有一定的过冷度 结构条件：相起伏或结构起伏 能量条件：能量起伏 形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核
课题4 晶粒大小的控制
✓ 任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒 越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在 我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何 通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？
✓ 晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。
1、均质形核
✓ 也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子 按照一定的晶体结构排列形成的晶核。
✓ 这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的 晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核， 才能够称为晶核。
✓ 晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了 能量，能量起伏提供了所需的表面能。
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的 现象称为同素异构转变
铁的同素异构转变： Fe(bcc) 912C Fe(fcc) 1394C Fe(bcc)
T
铁的冷却曲线15381394}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
t
课题3 结晶的条件
结晶必须具备一定条件才能够进行
✓ 实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的， 但主要按异质形核的方式进行。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
（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。
颗粒钉扎作用的电镜照片
3.2.2 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、 塑性变形对金属组织与结构的影响
1. 显微组织的变化 滑移带 孪晶带 晶粒形状
金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶 粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量 很大时，只能观察到纤维状的条纹（晶粒变成细条状），称 之为纤维组织。
Hall-Pitch关系：σs =σ0 + Kyd-1/2
三、 合金的塑性变形 根据组织，合金可分为单相固溶体和多相混合物两种。合
金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。
奥氏体
珠光体
1. 单相固溶体的塑性变形 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与
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。
3.1 金属的结晶及铸件晶粒大小控制
凝固
金属由液态转变为固态的过程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列的液 态转变为原子规则排列的晶体状 态的过程。
3.1.1 冷却曲线及结晶一般过程
一、 冷却曲线
温 度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
Tm
Tn
△T 过冷度
实际冷却曲线
时间
3.3 金属的结晶与同素异构转变
《金属材料与热处理》导学案 主备人：栾义 审核人：栾义 编号：007爱让每一名学生都做得更好！1 §3.3 金属的结晶与同素异构转变【使用说明】1、依据学习目标，全体同学积极主动的根据教材内容认真预习并完成导学案，小组长做好监督与检查，确保每位同学都能认真及时的预习相关知识。
2、结合导学案中的问题提示，认真研读教材，回答相关问题。
3、要求每位同学认真预习、研读课本，找出不明白的问题，用红笔做好标记。
【学习目标】1、知识与技能：熟悉纯金属的结晶过程，掌握晶粒大小对金属材料性能的影响和纯铁的同素异构转变。
2、学习与方法：通过研读课本，积极讨论，踊跃展示，理解金属的结晶过程规律与金属材料的性能之间的密切关系。
3、情感态度价值观：激情投入，大胆质疑，快乐学习。
【重点难点】细化晶粒纯铁的冷却曲线【自主学习】金属的结晶 重要级别：★★★★★晶粒大小对金属力学性能的影响 重要级别：★★★★金属的同素异构转变 重要级别：★★★【合作探究】1、什么是结晶，什么是冷却曲线？2、什么是过冷现象？什么是过冷度？过冷度与什么有关？3、什么是晶核？什么是多晶体？什么是单晶体？班级： 姓名： 使用时间： 年 月 日爱让每一名学生都做得更好！ 2 4、什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？5、金属结晶时，其冷却曲线为何有一段水平线？结晶由哪两个基本过程组成？6、晶粒大小对金属材料性能有什么影响？分析影响晶粒大小的因素有哪些？常用的细化晶粒的方法有哪几种？7、分析纯铁的冷却曲线，将发生的同素异构转变用式子表示出来。
8、金属的同素异构转变与液态金属的结晶相比有哪些异同点？【当堂测验】1、金属的整个结晶过程包括____________________和__________两个基本过程组成。
__________越高，__________越小，结晶后的晶粒越细小。
2、金属在__________态下，随温度的改变，由__________转变为__________的现象称为同素异构转变。
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
工程材料与机械制造基础-3-金属的晶体结构与结晶
17:05
金属的结晶
• 纯金属的结晶过程 • 液态金属的结晶过程分为两个阶段：① 形成晶核，② 晶核长大。
17:05
纯金属的结晶过程
• 晶核的形成过程 • 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时 聚时散，称为晶坯。 • 在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的 晶坯将会长大，称为晶核。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃型位错的形成
实际金属的结构
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。 • 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
17:05
{110}
Z （110） （011） （011） （101） （101） Y （110）
X
17:05
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、 [010]、 [001] 110 : [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] 111 : [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111]
密排六方晶格的参数
常见的金属晶格
• 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
常见的金属晶格
三种常见晶格的密排面和密排方向
•单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。
17:05 三斜
金属的晶体结构
第3章+金属的结晶与同素异构转变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶核的形成率N和长大速度G。
过冷度对N、G的影响
单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
12
第3章 金属的结晶与同素异构转变
5
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
晶体的结晶---冷却曲线
金属结晶时温度与时间的 关系曲线。 曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
同素异构转变概念
物质在固态下晶体结构随 温度变化的现象。
铁的同素异构转变
大连理工大学经济系0501班 姜珊
2属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
同素异构转变特点
⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。 ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力， 使材料变形或开裂。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
21
The End of Chapter 3.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
大连理工大学经济系0501班 姜珊
7
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
3.2.1 纯金属的结晶过程
形核 和 长大 两个基本过程 液态中近程有序的小集团中的一部分成为稳定的 结晶核心，称为晶核。 晶核不断形成，不断长 大，直到液体完全消失。 每个晶核最终长成一个晶 粒，两晶粒接触后形成晶界。
重庆大学工程材料第三章 金属的结晶
三、金属的同素异构转变 1、同素异构现象和同素异构体
§1结晶过程
有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型， 有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这 两种或两种以上的晶格类型 种现象称为同素异构或多晶型性。 种现象称为同素异构或多晶型性。 同素异构 以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同 素异构体。 素异构体。 2、同素异构转变 同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。 同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。同 素异构转变就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为 素异构转变就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为 在固态下 另一种晶格的现象。 另一种晶格的现象。
一、液态金属的结构特点
§1结晶过程
1. 液态金属的特点
长程无序 短程有序、 短程有序、长程无序 长程有序
有序原子团
气体 液体 晶体（固体） 晶体（固体）
1、原子排列的短程有序和长程无序 结构起伏 2、存在着结构起伏（相起伏） 存在着结构起伏（相起伏）
2.金属结晶的条件
金属 的 结 现 的现象
1结晶
第三章 材料制备的基本过程
新材料的发展，不仅与对材料的成分 结构 结构—性能的研究 新材料的发展，不仅与对材料的成分—结构 性能的研究 有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。 有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。 不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成： 不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成： 金属材料： 金属材料：凝固与结晶 陶瓷材料：烧结 陶瓷材料： 聚合物： 聚合物：反应合成
§1结晶过程
四、 金属铸锭的组织特点 1金属铸锭的组织示意图
2 金属铸锭中的缺陷
机械制造基础第三章金属与合金的结晶习题解答
第三章金属与合金的结晶习题解答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答：结晶一一是液态金属凝固为固态的过程。
过冷现象一一是指实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。
过冷度一一理论结晶温度与实际结晶温度的差值。
变质处理一一在液态金属结晶前加入变质剂，以增加可形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法。
晶核一一最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核。
同素异构转变一一金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化过程。
枝晶偏析——在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，叫枝晶偏析。
共晶转变一一一定成分的液相同时结晶出两种不同固相的转变过程。
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方法？答:在常温下，细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。
生产中细化晶粒的方法有：增加过冷度、变质处理、附加振动和降低浇注速度。
3-3如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：(1) 金属型铸造与砂型铸造；(2) 高温浇注与低温浇注；(3) 浇注时采用振动与不采用振动；(4) 厚大铸件的表面部分与中心部分。
答：(1)金属型铸造晶粒较细小；(2)高温浇注晶粒较细小；(3) 浇注时采用振动晶粒较细小；(4)厚大铸件表面晶粒较细小。
3-4试分析比较纯金属、共晶体、固溶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。
3-5金属的同素异构转变与液态金属结晶有何异同之处？答：金属同素异构转变和结晶过程都有固定的温度、有结晶潜热释放、都有形核、长大过程；但同素异构转变是固相间的转变而结晶是由液相向固相转变；同素异构转变过冷度更大，会产生更大的内应力。
3-6根据Pb-Sn相图，分析w sn = 40%和w sn = 80%的两种Pb-Sn合金的结晶过程及室温下的组织。
答：w sn = 40%的Pb-Sn合金的结晶过程如下：题3-6图中的合金I为w sn = 40 %的Pb-Sn合金。
机械工程材料 第三章 材料的凝固.答案
共晶体长大示意图
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡
成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
晶点以右的合
金称过共晶合
A
金。 凡具有共晶线
成分的合金液
L+
B
C
D
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应
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：
1394℃
912℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
-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。
-Fe
-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部
相图被两条线分为三 个相区，液相线以上 为液相区L ，固相线以 下为 固溶体区，两 条线之间为两相共存 的两相区（L+ ）。
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
A portion of the copper-nickel phase diagram for which compositions and phase amounts are determined at point B
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡
成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
晶点以右的合
金称过共晶合
A
金。 凡具有共晶线
成分的合金液
L+
B
C
D
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应
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：
1394℃
912℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
-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。
-Fe
-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部
相图被两条线分为三 个相区，液相线以上 为液相区L ，固相线以 下为 固溶体区，两 条线之间为两相共存 的两相区（L+ ）。
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
A portion of the copper-nickel phase diagram for which compositions and phase amounts are determined at point B
金属的同素异构转变
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 金属的结晶
二、晶粒大小与控制措施
在室温下，金属的晶粒越细，其强度、硬度越高，塑性、韧性越 好。
表2-1 纯铁的晶粒大小与力学性能的关系
晶粒平均直径/μm 9.7 7.0 2.5 0.2 0.16 0.1 抗拉强度σb/MPa 168 184 215 268 270 284 断后伸长率δ10（%） 28.8 30.6 39.6 48.8 50.7 50
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 金属的结晶
图2-8 冷却曲线
a)纯金属的冷却曲线
b)金属在不同冷却速度下的冷却曲线
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 金属的结晶
2.纯金属的结晶过程
图2-9 纯金属的结晶过程
第二章 金属的晶体结构与结晶
第二节 纯金属的结晶
图2-12 纯铁的显微组织
图2-13 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
第一节 金属的晶体结构
图2-4 纯铁的冷却曲线及晶体结构变化
第二章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的晶体结构
三、纯金属的晶体结构
1.合金的基本概念
由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有 金属特征的物质。
组成合金最基本的、独立的单元叫组元。根据组元数目的多少， 可将合金分为二元合金、三元合金等。
复习思考题
1.什么叫晶体？什么叫非晶体？ 2.什么叫晶格？什么叫晶胞？ 3.常见的金属晶体结构有哪几种？ 4.试述铁有哪几种同素异晶体？ 5.晶体缺陷有哪几种？试述晶体缺陷对力学性能的影响。 6.什么叫固溶体？什么叫固溶强化现象？ 7.什么叫金属化合物？金属化合物有何性能特征？
8.试述纯金属的结晶过程。
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，
金属的同素异构转变
由纯铁的冷却曲线（图2-19）可以看出，液态纯 铁在1538 ℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δFe。继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转 变为面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又发生 同素异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。 上述转异构转变
金属的同素异构转变——在固态下，金属随温度 的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 如铁、锰、钛、钴、锡等，在结晶后，继续冷却 时晶格类型会发生变化
19世纪末，著名物 理家居里在实验室里发 现磁石的一个物理特性， 就是当磁石加热到一定 温度时，原来的磁性就 会消失。后来，人们把 这个温度叫 “居里 点”。 居里点也称居 里温度或磁性转变点
工程材料及机械制造基础-3-金属的晶体结构及结晶
工程材料与机械制造基础
第三章 金属的晶体结构与结晶
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
12:39
主要内容
金属的晶体结构 晶体的概念 常见的金属晶格 晶体结构的致密度
实际金属的结构 多晶体结构 晶格缺陷
金属的结晶 金属的结晶过程 金属的同素异构转变 金属铸锭的组织特点
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。
• 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
• 位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
12:39
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、(010)、(001)
{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(1 01)、(011)
{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
12:39
{110}
Z
（011）
（110） （011） （101）
• 金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：金属的 塑性变形主要由位错运动引 起，因此阻碍位错运动是强 化金属的主要途径。
• 减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。
金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态 (1011-1012/cm2)
实际金属的结构
电子显微镜下的位错
第三章 金属的晶体结构与结晶
海洋科学与技术学院 贾 非
Dalian University of Technology
12:39
主要内容
金属的晶体结构 晶体的概念 常见的金属晶格 晶体结构的致密度
实际金属的结构 多晶体结构 晶格缺陷
金属的结晶 金属的结晶过程 金属的同素异构转变 金属铸锭的组织特点
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。
• 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
• 位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
12:39
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、(010)、(001)
{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(1 01)、(011)
{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
12:39
{110}
Z
（011）
（110） （011） （101）
• 金属的位错密度为104~1012/cm2
• 位错对性能的影响：金属的 塑性变形主要由位错运动引 起，因此阻碍位错运动是强 化金属的主要途径。
• 减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。
金属晶须
退火态 (105-108/cm2)
加工硬化态 (1011-1012/cm2)
实际金属的结构
电子显微镜下的位错
第3章铁碳合金(07)
图3-2 珠光体的显微组织
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。
莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，由于其中的奥氏体 属高温组织，这时称高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷 却 到 727℃ 以 下 时 ， 将 转 变 为 珠 光 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。 由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
呈条状、网状、片状、粒状等不同形态，其
数量、形态和分布对铁碳合金的力学性能有 很大影响。
第3章 铁碳合金相图
(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。 珠光体的含碳量为0.77%。 珠光体在显微镜下呈片层状。 图中黑色层片为渗碳体，白色 基体为铁素体。 力学性能：抗拉强度较高，硬度 较高且仍有一定的塑性和韧性。 具有较好的综合力学性能。
PQ线－ 碳在铁素体中的溶解度变化曲线。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
纯铁（ω c≤0.0218％） 钢 （ 0.0218％＜ω c≤2.11％） （ ω c＝0.77％） 亚共析钢（ ω c＜0.77％） 共析钢 过共析钢（ ω c＞0.77％） 白口铸铁（ 2.11％＜ω c＜6.69％） 亚共晶白口铸铁（ ω c＜4.3％） 共晶白口铸铁 （ ω c＝4.3％）
⑵第二相强化
合金中固溶体与金属化合物是两种截然不同的相，当合金中有第二相金 属化合物存在时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑 性和韧性。 金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。 多数工业合金均为固溶体和少量金属化合物构成的混合物，通过调整 固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的 力学性能在一个相当大的的范围内变动，从而满足不同的性能要求。
第3章 铁碳合金相图 (6) 莱氏体(合金的基本组织之一)。
莱氏体是奥氏体和渗碳体的机械混合物，由于其中的奥氏体 属高温组织，这时称高温莱氏体，用符号Ld表示。高温莱氏体冷 却 到 727℃ 以 下 时 ， 将 转 变 为 珠 光 体 和 渗 碳 体 的 机 械 混 合 物 (P+Fe3C)，称低温莱氏体，用符号Ld′表示。 莱氏体的含碳量为4.3%。 由于莱氏体中含有的渗碳体较多， 故其力学性能与渗碳体相近。
呈条状、网状、片状、粒状等不同形态，其
数量、形态和分布对铁碳合金的力学性能有 很大影响。
第3章 铁碳合金相图
(5) 珠光体(合金的一种基本组织)。
珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号P表示。 珠光体的含碳量为0.77%。 珠光体在显微镜下呈片层状。 图中黑色层片为渗碳体，白色 基体为铁素体。 力学性能：抗拉强度较高，硬度 较高且仍有一定的塑性和韧性。 具有较好的综合力学性能。
PQ线－ 碳在铁素体中的溶解度变化曲线。
第3章 铁碳合金相图 3.2.2 典型合金结晶过程分析 1．铁碳合金的分类 根据Fe-Fe3C相图，铁碳合金可分为三类：
纯铁（ω c≤0.0218％） 钢 （ 0.0218％＜ω c≤2.11％） （ ω c＝0.77％） 亚共析钢（ ω c＜0.77％） 共析钢 过共析钢（ ω c＞0.77％） 白口铸铁（ 2.11％＜ω c＜6.69％） 亚共晶白口铸铁（ ω c＜4.3％） 共晶白口铸铁 （ ω c＝4.3％）
⑵第二相强化
合金中固溶体与金属化合物是两种截然不同的相，当合金中有第二相金 属化合物存在时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑 性和韧性。 金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。 多数工业合金均为固溶体和少量金属化合物构成的混合物，通过调整 固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的 力学性能在一个相当大的的范围内变动，从而满足不同的性能要求。
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。