金属学与热处理课件PPT课件
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金属学与热处理课件-09-钢的热处理ppt.ppt
——专指溶入 A 中的Me，或者说成 分均匀化的。
0.5C
T
0.9C+0.5Mn 0.9C+1.2Mn
0.9+2.8Mn
Mn%↑ ，C曲线右移
τ
0.5C+2%Cr
0.5C+4%Cr
0.5C+8%Cr
τ
Cr%↑ ，C曲线右移
非碳化物形成元素：只改变C曲线位置 Co，Al，Ni，Cu，Si
T
Si
Co,Al Co, Al 外所有合金元素
例：球化退火，要求获得粒状珠光体 → 要求A 中 C 不均匀 → 控制第三、四阶段
三 奥氏体晶粒度及影响因素
1. 奥氏体晶粒度
奥氏体晶粒度表示奥氏体晶粒大小，工业上一般分为8级。 1 - 4 粗; 5 - 8 细，
8级以上 极细;
计算式： n = 2 N-1
N：晶粒度级别
n：1平方英寸视场中所包含的平均晶粒数(100X)。
1 高温转变产物 ——Fe、C均扩散 亚共析钢： F+P; 共析钢： P； 过共析钢： P+Fe3C
┗ 珠光体（Pearlite）类型
化学成分与晶格类型的转变均靠扩散实现 ——扩散类型
2 中温转变产物
——Fe不扩散，C部分扩散 α(C过饱和的）+Fe3C的机械混合物 ┗ 贝氏体类型( B) 化学成分的变化靠扩散实现 晶格类型的转变非扩散性 ——半扩散性
** 实际中由于CCT曲线测量难，可用TTT曲线代替CCT曲线作定性 分析，判断获得M的难易程度。
** 连续冷却的VC值是等温冷却C曲线中与鼻点相切的VC的1.5倍，故 可用等温冷却C曲线中VC代替或估算.
钢的珠光体转变
1 珠光体的组织形态
金属学与热处理-1.2-金属的晶体结构课件.ppt
C
B
A
C
C层
B
A
A
ABABABAB ABCABCABC
B层 ACACACAC ACBACBACB
25
26
ABCA ABA
27
面心立方晶格密排面的堆垛方式 28
密排六方晶格密排面的堆垛方式
29
典型金属晶体中原子间的间隙
四面体空隙（tetrahedral interstice），由4个球体所构成， 球心连线构成一个正四面体； 八面体空隙（octahedral interstice），由6个球体构成，球 心连线形成一个正八面体。
r 3a 4
r 2a 4
ra 2
14
配位数与致密度
➢配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。 ➢配位数（coordination number，CN）：晶体结构中 任一原子周围最近且等距离的原子数。 ➢致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数，
K nv V
式中，n为晶胞原子数，v原子体积，V晶胞体积。
22
晶体中原子的堆垛方式
面心立方和密排六方结构的致密度均为0.74， 是纯金属中最密集的结构。 面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配 位数与致密度却相同，为搞清其原因，必须研究 晶体中原子的堆垛方式。 面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况 完全相同，但堆垛方式不一样。
23
24
A
A
C
B A
(11 1)
59
练习4：下图标注了立方晶体的4个晶面，在每个晶 面上给出了3个晶面指数，选择正确的答案。
60
ACF
FN
ABD’E’
A’F’
AFI
BC
ADE’F’
O’M
B
A
C
C层
B
A
A
ABABABAB ABCABCABC
B层 ACACACAC ACBACBACB
25
26
ABCA ABA
27
面心立方晶格密排面的堆垛方式 28
密排六方晶格密排面的堆垛方式
29
典型金属晶体中原子间的间隙
四面体空隙（tetrahedral interstice），由4个球体所构成， 球心连线构成一个正四面体； 八面体空隙（octahedral interstice），由6个球体构成，球 心连线形成一个正八面体。
r 3a 4
r 2a 4
ra 2
14
配位数与致密度
➢配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度。 ➢配位数（coordination number，CN）：晶体结构中 任一原子周围最近且等距离的原子数。 ➢致密度（K）：晶胞中原子所占的体积分数，
K nv V
式中，n为晶胞原子数，v原子体积，V晶胞体积。
22
晶体中原子的堆垛方式
面心立方和密排六方结构的致密度均为0.74， 是纯金属中最密集的结构。 面心立方与密排六方虽然晶体结构不同，但配 位数与致密度却相同，为搞清其原因，必须研究 晶体中原子的堆垛方式。 面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况 完全相同，但堆垛方式不一样。
23
24
A
A
C
B A
(11 1)
59
练习4：下图标注了立方晶体的4个晶面，在每个晶 面上给出了3个晶面指数，选择正确的答案。
60
ACF
FN
ABD’E’
A’F’
AFI
BC
ADE’F’
O’M
《金属学与热处理》课件
举例说明
电子器件中的微型线圈需要采用真空 热处理来确保其导电性能和稳定性； 而医疗器械中常用的钛合金则需要通 过特殊的化学热处理来提高其耐腐蚀 性和生物相容性。
05
热处理设备与工艺控 制
热处理设备的分类与选择
热处理设备的分类
根据加热方式、用途和特点，热处理设备可分为多种类型，如电炉、燃气炉、 真空炉、感应炉等。
举例说明
飞机发动机中的涡轮叶片需要采用特 殊的热处理工艺来提高其高温强度和 抗疲劳性能；而医疗器械中常用的钛 合金则需要通过精细的热处理来确保 其生物相容性和力学性能。
功能金属材料的热处理
总结词
详细描述
功能金属材料具有特殊的物理和化学 性能，其热处理工艺对材料的性能具 有重要影响。
功能金属材料的热处理主要包括真空 热处理、化学热处理和磁场热处理等 工艺。这些工艺能够改变金属的表面 组织结构和化学成分，从而赋予材料 特殊的物理和化学性能。例如，磁性 材料需要进行磁场热处理来提高其磁 导率和磁感应强度；而超导材料则需 要通过真空热处理和化学热处理来确 保其超导性能。
气氛控制
对于某些热处理工艺，如渗碳、 渗氮等，需要控制炉内的气氛， 包括气体组成、压力和流量等， 以确保工件表面的质量。
热处理过程中的环境保护
减少能源消耗
采用先进的热处理技术和设备，提高能源利用率 ，减少能源浪费。
降低污染物排放
通过改进工艺和设备，降低热处理过程中产生的 有害物质排放，如废气、废水和固体废弃物等。
热处理过程中的相变
相变概念
金属在加热和冷却过程中发生的组织结构变 化，包括晶体结构的变化和相的分离。
相变机理
固态相变、液态相变和气态相变等。
相变类型
共析转变、包晶转变、固溶体脱溶等。
金属学及热处理绪论PPT课件
第10页/共37页
绪论
（三）材料科学与工程的内涵
材料科学的三个重要属性：
多学科交叉---它是物理学、化学、冶金学、金属学、 陶瓷、高分子化学以及计算科学相互融合和交叉的结果。
与实际使用结合非常紧密---发展材料科学的目的在 于开发新材料，提高材料的性能和质量，合理使用材料， 同时降低材料成本和减少污染等。
第25页/共37页
绪论
（六）金属学及热处理的发展概况
十九世纪后期的实验技术阶段
十九世纪后期，随着光学显微镜在金属微观组 织分析中的应用，人们发现钢经加热和冷却后， 其内部发生组织变化，同时伴随着硬度的变化。 为了纪念英国科学家Robert Austen对建立Fe-C 相图所做出的贡献，将钢在高温时呈现的相命名 为奥氏体；为了纪念德国冶金学家Adolph Martens在利用光学显微镜观察钢的内部组织方 面 所 做 的 先 驱 工 作 ，第将26淬页/共火37页后 得 到 的 相 命 名 为 马
第6页/共37页
绪论
（二）材料的发展与人类的进步
金属材料的近代发展历程： • 二十世纪初铜和铝开始大量应用，二十世纪中
叶镁和钛开始工业应用。
• 金属材料在整个二十世纪占据了结构材料的主 体地位。
产量，亿吨
第7页/共37页
年份
绪论
（二）材料的发展与人类的进步
其它材料的近代发展历程： • 二十世纪初，人工合成有机高分子材料相继问
4.钟体力学结构设计合理。 5.铸造工艺精美绝伦而又朴实 无华，天人合一，是中华民族精 神的象征,中华民族的骄傲。
第22页/共37页
沧州铁狮铸造于公元953年。
铁狮子通高5.78米，身长6.5米，体宽3.17米， 重约40吨
金属学与热处理课件PPT课件
.
r0 rc
25
D G =3 4r3D G v+4r2s
r
=
rc
时，将
rc
= 2s
DGv
= 2sTm
DHf DT
代入DＧ表达式，
得DＧ的极大值为：
DGc
=34rc3
DGv +4rc2
s=1[4( 2s )2s]
3 DGv
=13[4rc2s]=136DH s3T2f m .2
1 DT2
>0
26
DGc
C. 形核功
右图中，当rc<r <r0时， r↑，DG，但DG＞ ０。说明体系自由能 仍大于零，即晶核表 面能大于体积自由能， 形核阻力大于驱动力。
.
r0 rc
24
部需的自成在 分要部由的这 为对分能表个 形形，的面半 核核需下能径 功作要降不范 。功另来能围
，外补完内 故供偿全， 称给，由晶 不，不体核 足即足积形
能差DGv为：
DGv= -DHf -TDS= -DHf+TDHf /Tm= -DHf DT/Tm
可见：T＝Tm时，过冷度DT = 0， DGv= 0, 没有结晶驱动力， 不能凝固。
因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结 晶的热力学条件。这就说明了.为什么必须过冷的根本原因1。0Biblioteka 2.2、金属结晶的结构条件
核易于进行。
.
27
形核功从何而来？
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量 起伏，也即液态金属不同区域内的自由能也并 不相同，因此形核功可通过体系的能量起伏来 提供。
当体系中某一区域的高能原子附着在临界晶核上， 将释放一部分能量，一个稳定的晶核即可形成。
r0 rc
25
D G =3 4r3D G v+4r2s
r
=
rc
时，将
rc
= 2s
DGv
= 2sTm
DHf DT
代入DＧ表达式，
得DＧ的极大值为：
DGc
=34rc3
DGv +4rc2
s=1[4( 2s )2s]
3 DGv
=13[4rc2s]=136DH s3T2f m .2
1 DT2
>0
26
DGc
C. 形核功
右图中，当rc<r <r0时， r↑，DG，但DG＞ ０。说明体系自由能 仍大于零，即晶核表 面能大于体积自由能， 形核阻力大于驱动力。
.
r0 rc
24
部需的自成在 分要部由的这 为对分能表个 形形，的面半 核核需下能径 功作要降不范 。功另来能围
，外补完内 故供偿全， 称给，由晶 不，不体核 足即足积形
能差DGv为：
DGv= -DHf -TDS= -DHf+TDHf /Tm= -DHf DT/Tm
可见：T＝Tm时，过冷度DT = 0， DGv= 0, 没有结晶驱动力， 不能凝固。
因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结 晶的热力学条件。这就说明了.为什么必须过冷的根本原因1。0Biblioteka 2.2、金属结晶的结构条件
核易于进行。
.
27
形核功从何而来？
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量 起伏，也即液态金属不同区域内的自由能也并 不相同，因此形核功可通过体系的能量起伏来 提供。
当体系中某一区域的高能原子附着在临界晶核上， 将释放一部分能量，一个稳定的晶核即可形成。
《金属学及热处理》课件
降低汽车零部件的制造成本， 提高生产效率
提高汽车零部件的耐磨性、 耐腐蚀性和疲劳强度
提高汽车零部件的尺寸精度 和形状精度，保证其装配精
度和性能稳定性
热处理在航空航天工业的应用
提高材料强度和韧性
改善加工性能和焊接性能
改善疲劳性能和耐磨性
提高零件的尺寸稳定性和可靠性
提高耐腐蚀性和抗氧化性
延长零件的使用寿命和维护周期
单击此处添加副标题
金属学及热处理PPT课 件
汇报人：
目录
01 02 03 04 05 06
添加目录项标题 金属学基础
金属的热处理原理 金属的热处理工艺 金属热处理的应用 金属热处理的未来发展
01
添加目录项标题
02
金属学基础
金属材料的分类
按照化学成分分类：铁、铜、铝、锌等 按照组织结构分类：单相、多相、复合等 按照性能分类：高强度、高韧性、耐腐蚀等 按照用途分类：建筑、汽车、航空、电子等
热处理工艺：包括加热速度、保温时间、冷却速度等
热处理效果：影响金属的力学性能、物理性能和化学性能
热处理的分类
退火：将金属加热到一定温度，保温一定时间 后冷却，以消除内应力，降低硬度，提高塑性 和韧性
正火：将金属加热到一定温度，保温一定时间后 冷却，以细化晶粒，提高硬度和强度
淬火：将金属加热到一定温度，保温一定时间后 快速冷却，以获得高硬度和高耐磨性
热处理与环境保护的结合
绿色热处理技术：采用环保材料和工艺，减少污染排放 节能减排：优化热处理工艺，降低能耗，减少碳排放 循环利用：回收利用废热、废气、废液等，实现资源循环利用 环保法规：遵守环保法规，确保热处理过程符合环保要求
热处理在智能制造领域的应用前景
金属学与热处理共43页PPT资料
教学内容 ---- 实验教学
实验一：金属的力学性能实验 实验二：铁碳合金平衡组织观察 实验三：钢的退火与正火 实验四：钢的淬火与回火
五、教材、学时安排与考核办法
教 材 : 金属学与热处理 丁建生 主 编 机械工业出版社
参考书：金属学与热处理原理 崔忠圻 主编 机械工业出版社
理论授课学时: 48学时 实验学时: 8学时 练习学时：8学时 考核办法：期末考试（开卷）70%+实验10%+平时
碳钎维合成奔驰公2019款 国产机战机改用复合材料
在材料的生产和使用方面我们
的祖先有过辉煌的成就。商周时 代青铜冶炼已达到相当大的规模， 能够铸造出875kg的司母戊鼎， 是商王朝晚期王室的青铜祭器。 它是世界青铜文化中最大的一件 青铜器。
到春秋战国时期已达到技术顶峰。著名的越王剑其 制造水平令今人惊讶! 到汉朝又发明了炒钢法，这是一 种古老的炼钢法。直到世界工业革命之前，我国的材料 生产和应用一直处于世界领先地位。
按物质结构分有：金属材料，无机非金属材料，有 机高分子材料，复合材料等；
按用途分有结构材料，功能材料等。
本教材主要涉及的是机械工程材料，并按物质结构 及用途进行简明阐述。在机械工程材料中金属材料目 前仍是最主要的材料。尤其是钢铁材料在机械工程中 仍占首要地位。本书重点阐述的内容仍放在钢铁材料 方面。
（考勤+作业+问答）20%
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课题二 材料的拉伸性能
1.1 前言 1、拉伸性能:
通过拉伸试验可测材料的弹性、强度、延性、应变 硬化和韧度等重要的力学性能指标，它是材料的基本力 学性能。
2、拉伸性能的作用、用途：
a.在工程应用中，拉伸性能是结构静强度设计的主要 依据之一。
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能差DGv为：
DGv= -DHf -TDS= -DHf+TDHf /Tm= -DHf DT/Tm
可见：T＝Tm时，过冷度DT = 0， DGv= 0, 没有结晶驱动力， 不能凝固。
因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结 晶的热力学条件。这就说明了.为什么必须过冷的根本原因1。0
2.2、金属结晶的结构条件
.
1
第一节 金属结晶的现象 1.1、结晶过程的宏观现象
A. 过冷现象
金属的实际结晶温度 与理论结晶温度之差 称为过冷度 (ΔT )。
ΔT = Tm － Tn
.
2
A. 过冷现象
过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的 冷却速度有关。
➢ 纯度越高，过冷度越大；
➢ 其它条件相同时，冷却速度越快，过冷度也
越大。当冷却速度达到106 oC/s以上时，液态
得rc
= 2s
DGv
= 2sTm
DH . f DT
r0 rc
20
r0 rc
rc称为临界晶核半径。
当晶胚半径 r > rc，
晶胚长大时吉布斯 自由能下降，晶胚可以 发育为晶核。
当晶胚半径r < rc，
晶胚长大时吉布斯 自由能将上升，因此它 将自发减小到消失。
.
21
rc
2s
= DGv
= 2sTm
结晶过程才能发生。
.
9
过冷度DT与结晶驱动力 — 单位体积自由能的变化 DGv有何关系？
DGv =Gs - GL = -(HL-HS)-T(Ss-SL)
HL-HS=DHf >0， DHf 为相变潜热，T＝Tm时，DGv =0，因此有：
DHf = -TmDS， DS = -DHf /Tm
T <Tm时，DS变化很小，可视为常数，因此液固两相Gibbs自由
伏
② 短程有序集团不断出现 出 和消失，处于变化之中。 现
几
③ 这些瞬间出现、消失的 率 有序集团称为结构起伏 或相起伏。
.
rmax
相起伏大小
12
rmax
过冷度DT
相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有
在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成
晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。
.
13
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。 但事实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。 如液态高纯Sn过冷5~20oC时，经很长时间还不会 凝固。说明凝固过程还存在某种障碍。
V：晶核体积； σ：界面能；S：晶核的表面积
ΔGv：单位体积内固液吉布. 斯自由能之差
19
B. 晶核的临界大小
由于：DG = VDGv + sS
一定过冷度下，ΔGV<0，σ > 0 因此有最大体积和最小表面积
的球形晶核最有利。设ΔGV和σ 为常数，球半径为r，则有：
DG=4r3
3
DGv
+4r2
s
令dDG=0 dr
.
8
dG/dT = -S
熵S表征系统中原子排列混乱 程度的参量，S恒大于零。 固相原子排列有序；因此：
Ss < SL │( dG/dT )s│<│( dG/dT )L│
因此液固两相G-T曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点
Tm处，GL=Gs，表示两相可以同时共存，处于热力学平衡状 态，这一温度Tm就是金属的理论结晶温度。只有T< Tm时， 液体转变为固体时吉布斯自由能下降，存在结晶的驱动力，
G = H –TS＝Ｕ＋pV－TS，
H：焓，Ｕ：内能，ｐ：压力，Ｖ：体积，T：温度，S：熵。
dG＝dU＋pdV＋Vdp－TdS－SdT
而 dU＝TdS-pdV (热力学第一定律)
因此：dG = TdS－pdV＋Vdp－TdS－SdT＝ Vdp – SdT
对于金属凝固过程，dp＝0
因此：dG/dT = -S
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的 （机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？
以下两节的内容分别从形核和长大
两个基本过程进行讨论
.
14
第三节 晶核的形成
母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新 相晶核的过程称为形核。液体金属中形核 有均匀形核和非均匀形核两种方式。
.
15
均匀形核
又称均质形核或自发形核。是指从液 相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的过 程。
• 金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶 核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？ 它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液 态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结 构，对深入理解结晶时的形核和长大过程十分 重要。
.
11
2.2、金属结晶的结构条件
液体的原子排列：
相
① 短程有序，长程无序。 起
.
5
过 程
熔体过冷 孕 育 期 形核→ 晶核长大
→未转变液体部分形核→ 晶核长大
→相邻晶体互相接触 →液体全部转变。
每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分
界面就形成晶界。 .
6
第二节 金属结晶的条件
问题：
为什么金属不能在理 论结晶温度结晶，而 需要过冷？
.
7
2.1、金属结晶的热力学条件
金属各相Gibbs自由能G可表示为：
DHf DT
rc
rc、rrmmaxax rc
rmax
Hale Waihona Puke 过冷度DT过冷度DT
DTk
过冷度DT
. △Tk称为临界过冷度22
rc、rmax
rc
rmax
讨 论：
.
17
3.1、均匀形核
为什么过冷液体形核 时要求晶核必须达到 一定的临界尺寸？
.
18
A. 形核时的能量变化
在一定的过冷度下，液体中若出现固态晶核，该 区域的能量变化包括两个方面：
1）液体结晶为固体时体积自由能的下降V△Gv 2）新增晶核的界面自由能σS
因此总的吉布斯自由能变化量为： DG=VDGv+sS
金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固
体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。
.
3
B、结晶潜热
结晶潜热 ⇋ 环境散热→ 冷却平台→平台延续的 过程就是结晶所需的时 间。
结晶潜热＞环境散热→温度上升→局部区域出现重
熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶
的重要因素。
.
4
1.2、金属结晶的微观过程
无论金属还是非金 属，在结晶时都遵循相 同的规律，即结晶过程 是形核和长大的过程。
均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液 态绝对纯净，也不和型壁接触下发生。液体 各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的 能量变化，由晶胚直接形核的过程。
.
16
非均匀形核
又称异质形核或非自发形核。是指依 附液体中现有固体杂质或容器表面形 成晶核的过程。
实际液态金属中，总有或多或少的杂 质，晶胚总是依附于这些杂质质点上 形成晶核，实际的结晶过程主要是按 非均匀形核方式进行。
DGv= -DHf -TDS= -DHf+TDHf /Tm= -DHf DT/Tm
可见：T＝Tm时，过冷度DT = 0， DGv= 0, 没有结晶驱动力， 不能凝固。
因此实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结 晶的热力学条件。这就说明了.为什么必须过冷的根本原因1。0
2.2、金属结晶的结构条件
.
1
第一节 金属结晶的现象 1.1、结晶过程的宏观现象
A. 过冷现象
金属的实际结晶温度 与理论结晶温度之差 称为过冷度 (ΔT )。
ΔT = Tm － Tn
.
2
A. 过冷现象
过冷度随金属的种类、纯度以及结晶时的 冷却速度有关。
➢ 纯度越高，过冷度越大；
➢ 其它条件相同时，冷却速度越快，过冷度也
越大。当冷却速度达到106 oC/s以上时，液态
得rc
= 2s
DGv
= 2sTm
DH . f DT
r0 rc
20
r0 rc
rc称为临界晶核半径。
当晶胚半径 r > rc，
晶胚长大时吉布斯 自由能下降，晶胚可以 发育为晶核。
当晶胚半径r < rc，
晶胚长大时吉布斯 自由能将上升，因此它 将自发减小到消失。
.
21
rc
2s
= DGv
= 2sTm
结晶过程才能发生。
.
9
过冷度DT与结晶驱动力 — 单位体积自由能的变化 DGv有何关系？
DGv =Gs - GL = -(HL-HS)-T(Ss-SL)
HL-HS=DHf >0， DHf 为相变潜热，T＝Tm时，DGv =0，因此有：
DHf = -TmDS， DS = -DHf /Tm
T <Tm时，DS变化很小，可视为常数，因此液固两相Gibbs自由
伏
② 短程有序集团不断出现 出 和消失，处于变化之中。 现
几
③ 这些瞬间出现、消失的 率 有序集团称为结构起伏 或相起伏。
.
rmax
相起伏大小
12
rmax
过冷度DT
相起伏或结构起伏是结晶的结构条件。只有
在过冷液体中出现的尺寸较大的相起伏才能形成
晶胚。这些晶胚才可能形成晶核结晶。
.
13
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。 但事实上，许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。 如液态高纯Sn过冷5~20oC时，经很长时间还不会 凝固。说明凝固过程还存在某种障碍。
V：晶核体积； σ：界面能；S：晶核的表面积
ΔGv：单位体积内固液吉布. 斯自由能之差
19
B. 晶核的临界大小
由于：DG = VDGv + sS
一定过冷度下，ΔGV<0，σ > 0 因此有最大体积和最小表面积
的球形晶核最有利。设ΔGV和σ 为常数，球半径为r，则有：
DG=4r3
3
DGv
+4r2
s
令dDG=0 dr
.
8
dG/dT = -S
熵S表征系统中原子排列混乱 程度的参量，S恒大于零。 固相原子排列有序；因此：
Ss < SL │( dG/dT )s│<│( dG/dT )L│
因此液固两相G-T曲线斜率不同，液相下降更快。两者交点
Tm处，GL=Gs，表示两相可以同时共存，处于热力学平衡状 态，这一温度Tm就是金属的理论结晶温度。只有T< Tm时， 液体转变为固体时吉布斯自由能下降，存在结晶的驱动力，
G = H –TS＝Ｕ＋pV－TS，
H：焓，Ｕ：内能，ｐ：压力，Ｖ：体积，T：温度，S：熵。
dG＝dU＋pdV＋Vdp－TdS－SdT
而 dU＝TdS-pdV (热力学第一定律)
因此：dG = TdS－pdV＋Vdp－TdS－SdT＝ Vdp – SdT
对于金属凝固过程，dp＝0
因此：dG/dT = -S
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如何进行的 （机理问题）？进行的速度如何（动力学问题）？
以下两节的内容分别从形核和长大
两个基本过程进行讨论
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第三节 晶核的形成
母相中形成等于或超过一定临界尺寸的新 相晶核的过程称为形核。液体金属中形核 有均匀形核和非均匀形核两种方式。
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均匀形核
又称均质形核或自发形核。是指从液 相晶胚发展成一定临界尺寸晶核的过 程。
• 金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶 核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？ 它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液 态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结 构，对深入理解结晶时的形核和长大过程十分 重要。
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2.2、金属结晶的结构条件
液体的原子排列：
相
① 短程有序，长程无序。 起
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5
过 程
熔体过冷 孕 育 期 形核→ 晶核长大
→未转变液体部分形核→ 晶核长大
→相邻晶体互相接触 →液体全部转变。
每个成长的晶体就是一个晶粒，它们的接触分
界面就形成晶界。 .
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第二节 金属结晶的条件
问题：
为什么金属不能在理 论结晶温度结晶，而 需要过冷？
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2.1、金属结晶的热力学条件
金属各相Gibbs自由能G可表示为：
DHf DT
rc
rc、rrmmaxax rc
rmax
Hale Waihona Puke 过冷度DT过冷度DT
DTk
过冷度DT
. △Tk称为临界过冷度22
rc、rmax
rc
rmax
讨 论：
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3.1、均匀形核
为什么过冷液体形核 时要求晶核必须达到 一定的临界尺寸？
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A. 形核时的能量变化
在一定的过冷度下，液体中若出现固态晶核，该 区域的能量变化包括两个方面：
1）液体结晶为固体时体积自由能的下降V△Gv 2）新增晶核的界面自由能σS
因此总的吉布斯自由能变化量为： DG=VDGv+sS
金属来不及结晶就固化下来，这样形成的固
体称为金属玻璃，是一种非晶态材料。
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3
B、结晶潜热
结晶潜热 ⇋ 环境散热→ 冷却平台→平台延续的 过程就是结晶所需的时 间。
结晶潜热＞环境散热→温度上升→局部区域出现重
熔现象。因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶
的重要因素。
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4
1.2、金属结晶的微观过程
无论金属还是非金 属，在结晶时都遵循相 同的规律，即结晶过程 是形核和长大的过程。
均匀形核是一种理想的形核方式，只有在液 态绝对纯净，也不和型壁接触下发生。液体 各区域形核几率相同，只是依靠液态金属的 能量变化，由晶胚直接形核的过程。
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非均匀形核
又称异质形核或非自发形核。是指依 附液体中现有固体杂质或容器表面形 成晶核的过程。
实际液态金属中，总有或多或少的杂 质，晶胚总是依附于这些杂质质点上 形成晶核，实际的结晶过程主要是按 非均匀形核方式进行。