第二章 纯金属和合金的结晶
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第2章 金属结晶的基本规律(3)
低合金铸钢：钛铁粉、金属化合物； 奥氏体钢：氮化铬、金属粉；
根据点阵匹配原则：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂
3、振动、搅拌等：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 方面也可使成长中的枝晶破碎， 使晶核数目显著增加。 方法：机械振动、电磁振动、超声振动
电磁搅拌细化晶粒示意图
第四节 铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭，而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件)
铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响
一、铸锭(件)的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:
1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的 过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
根据点阵匹配原则：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂
3、振动、搅拌等：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 方面也可使成长中的枝晶破碎， 使晶核数目显著增加。 方法：机械振动、电磁振动、超声振动
电磁搅拌细化晶粒示意图
第四节 铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭，而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件)
铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响
一、铸锭(件)的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:
1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的 过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
第2章 金属与合金的晶体结构和相图--定稿
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2、晶体缺陷
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3）面缺陷（晶界和亚晶界）
晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于 面缺陷。
亚晶粒：每个晶粒可分为若干个位向相差很小(一般
θ<1～3o)的亚晶粒。
亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
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3）面缺陷：
a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为 晶界强度高。
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第2章 金属晶体结构和二元合金相图
金属材料有纯金属和合金两种。纯金属是由一种元素 组成的（如Fe、Cu、Al等）；合金则是以一种金属元素 作为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合 而获得具有金属特性的材料（如碳钢、铜合金等）。因 为合金比纯金属有更好的力学性能和工艺性能，且成本 低，故常用于工业生产。
C（石墨）、Mg、Zn 等
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晶格常数
底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
（3）密排六方晶格 hcp
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晶胞中的原子个数？ 致密度？
晶格常数：c/a≈1.633； 原子半径：r=1/2a
？
原子个数：12X1/6+2X1/2+3=6 致 密 度：0.74
二、多晶体结构与晶体缺陷
不同的纯金属与合金，由于其内部组织结构不同，性能 也不一样。为了了解金属和合金的性能，就必须了解其内 部构造。
本章要点： ➢ 金属的晶体结构
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➢ 铁和碳的合金称为铁碳合金，钢和铸铁都是 铁碳合金。 ➢ 要掌握各种钢和铸铁加工方法，必须首先了 解铁碳合金中化学成分、组织与性能之间的关 系。
b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往 在晶界处形核。
金属学与热处理课件 02金属的结晶
1.10
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。
工程材料 第2章 纯金属和合金的结晶-part1
水晶
结晶crystallization： 液体 凝固solidfication： 液体
晶体 固体
结晶
一、结晶的宏观现象
结晶过程的分析方法——热分析法（thermal analysis）
（一）
过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线
温 度 To T1
理论冷却曲线
G=H-TS 式中，H是焓，T是绝对温度，S是熵，可推得 dG＝Vdp－SdT 在等压时，dp=0，故上式简化 为：（dG/dT）P=-S
由于熵恒为正值，所以自由能 是随温度增高而减小。 熵的物理意义是表征系统中原 子排列混乱程度的参数。
交点温度（Tm）：两相自由能相等。
GL=GS 固态金属自由能与液态金 属的自由能之差ΔG构成了 金属结晶的驱动力。 由于金属在结晶前后液固 体积发生变化。因此，可 以通过液固单位体积自由 能的变化ΔGV来描述相变 过程。
二、晶核的长大机制
——指液态原子以什么方式添加到固相上去 （1）二维晶核长大机制 （2）螺型位错长大机制 （3）垂直长大机制 横向长大机制
（一）二维晶核长大机制 ——具有光滑界面的物质的长大机制 晶体的长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使 一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上，形成 具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，使 △GS↑＜△GV↓ ，液态原子不断降落在原始原子集团周 围，自发形成了一个大于临界晶界面的稳定状态。这晶 核即为二维晶核。 晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢（单位时 间内晶体长大的线速度称为长大速度，用G表示，单位 为cm/s）。
S1 2r 2 (1 cos )
L L cos
第二章 纯金属的结晶
以在上面直接结晶长大.
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。
第二章 纯金属的结晶
均匀形核时的能量变化
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成 假设过冷液体中出现一个半径为 r 的球形晶胚，它所引起的自由能变 化为： 4 3 G r GV 4r 2 3 在开始时，表面能项占优势，当r增加 到某一临界尺寸后，体积自由能的减 少将占优势。于是在ΔG与r的关系曲 线上有一个极大值ΔGK，与之对应的r 值为rK。 对上式进行处理，得到临界晶核半径 rK为：
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
临界晶核半径rK为：
2Tm 2 rK GV HT
晶核的临界半径rK与过冷度ΔT成反比，过冷度 越大，则临界半径rK越小。另外已经知道，相 起伏的最大尺寸rmax与温度有关，温度越低， 过冷度越大，相起伏的最大尺寸rmax越大。 rmax = rK 所对应的过冷度ΔT K称为临界过冷度。
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
在过冷液体中形成固态晶核时，若液相中各个区域出 现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式为均匀形核， 又称为均质形核或自发形核；
若新相优先出现在液相中某些区域，则称为非均匀形 核，又称为异质形核或非自发形核。 均匀形核是指液态金属绝对纯净，无任何杂质，也不 和型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接 形核的理想情况。实际的液态中，总是或多或少地含有某 些杂质，晶胚常常依附于这些固态杂质质点（包括型壁） 上形核，所以，实际金属的结晶主要是按非均匀形核方式 进行。
液体
晶体
液体中的相起伏
第二章 纯金属的结晶 2.3 金属结晶的结构条件 在液态金属中，每一瞬间都涌 现出大量的尺寸不等的近程有序 原子集团。
相起伏的最大尺寸rmax与温度 有关，温度越高，尺寸越小；温 度越低，尺寸越大，越容易达到 临界晶核尺寸。 根据结晶的热力学条件，只 有在过冷液体中出现的尺寸较大 的相起伏才能在结晶时转变为晶 核，称为晶胚。 最大相起伏尺寸与 过冷度的关系
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
第02章金属的晶体结构与结晶
冷却曲线是表示金属冷却时，温度随时间变化的关系曲 线。如图2-12曲线中的水平线段表明，液态金属凝固时 释放出的结晶潜热，恰好抵偿了向周围空气中散失的热 量。水平线段对应的温度就是纯金属的结晶温度。
图2-11 热分析装置示意图
图2-12 纯金属的冷却曲线
2.4.1.3 合金的结晶
合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结 晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一 恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内 进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所 以二者的冷却曲线是不相同的。
2.4.1.2 纯金属的结晶
用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。
目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属 的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置 将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一 定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所 示。
2.3.2.3 面缺陷
面缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图2-10(a)、(b)所示。
实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。 因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排 列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。 晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能 力较强。
除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶 格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒， 亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不 规则，也存在着晶格畸变。
2.4.1.5 金属的结晶过程 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶 体核心(简称生核)和晶核进行长大(简称为核长大)。 如图2-13所示为金属的结晶过程示意图。结晶开始时， 液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列 成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方 式长大，当成长的枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝 固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最 后形成了许多小晶粒。
图2-11 热分析装置示意图
图2-12 纯金属的冷却曲线
2.4.1.3 合金的结晶
合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结 晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一 恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内 进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所 以二者的冷却曲线是不相同的。
2.4.1.2 纯金属的结晶
用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。
目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属 的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置 将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一 定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所 示。
2.3.2.3 面缺陷
面缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图2-10(a)、(b)所示。
实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。 因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排 列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。 晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能 力较强。
除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶 格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒， 亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不 规则，也存在着晶格畸变。
2.4.1.5 金属的结晶过程 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶 体核心(简称生核)和晶核进行长大(简称为核长大)。 如图2-13所示为金属的结晶过程示意图。结晶开始时， 液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列 成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方 式长大，当成长的枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝 固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最 后形成了许多小晶粒。
第二章(1)金属的结构与结晶
N/G 越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
❖ 提高冷却速度、增大过冷度过冷度对N、G的影响
V冷
△T
N/G 晶粒细小
V 在铸造生产中，用金属型代替砂型，增 冷 大金属型的厚度，降低金属型的预热温度等
❖ 变质处理：加入一些细小变质剂，增大形核率，
减低长大速率。
❖ 机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
晶体缺陷 ( crystal defect )
点缺陷
线缺陷 面缺陷
点缺陷(point defБайду номын сангаасct)
空位 (vacancy)
间隙原子 (gap atom)
置换原子 (substitutional atom)
a. 空位：晶格中某些缺排原 子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙 中的原子。可以是基体金属 原子，也可以是外来原子。
密排面 数量 密排方向 数量
体心立方晶格 {110} 6 <111> 4 面心立方晶格 {111} 4 <110> 6 密排六方晶格 六方底面 1 底面对角线 3
三种常见晶格的密排面和密排方向
密排面:﹛110﹜，数量: 6
体心立方晶格 密排方向:<111>，数量: 4
密排面:﹛111﹜，数量: 4
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
一般来说，细晶粒金属具有较高的强度 和韧性。为了提高金属的力学性能，希 望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核
细化晶粒的途径
❖ 提高冷却速度、增大过冷度过冷度对N、G的影响
V冷
△T
N/G 晶粒细小
V 在铸造生产中，用金属型代替砂型，增 冷 大金属型的厚度，降低金属型的预热温度等
❖ 变质处理：加入一些细小变质剂，增大形核率，
减低长大速率。
❖ 机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
晶体缺陷 ( crystal defect )
点缺陷
线缺陷 面缺陷
点缺陷(point defБайду номын сангаасct)
空位 (vacancy)
间隙原子 (gap atom)
置换原子 (substitutional atom)
a. 空位：晶格中某些缺排原 子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙 中的原子。可以是基体金属 原子，也可以是外来原子。
密排面 数量 密排方向 数量
体心立方晶格 {110} 6 <111> 4 面心立方晶格 {111} 4 <110> 6 密排六方晶格 六方底面 1 底面对角线 3
三种常见晶格的密排面和密排方向
密排面:﹛110﹜，数量: 6
体心立方晶格 密排方向:<111>，数量: 4
密排面:﹛111﹜，数量: 4
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
一般来说，细晶粒金属具有较高的强度 和韧性。为了提高金属的力学性能，希 望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核
第二章金属与合金的晶体结构及铁碳相图
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.2 实际金属的晶体结构
2.2.2金属的结晶
1.结晶的基本概念 物质由液态转变为固态的过程称为凝固，如果通过凝固形成
晶体，则又称为结晶。晶体物质都有一个平衡结晶温度(熔 点)，液体只有低于这一温度时才会结晶，固体高于这一温度 时才能发生熔化。在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存， 处于平衡状态。而非晶体物质无固定的凝固温度，凝固总是 在某一温度范围逐渐完成。 纯金属的实际结晶过程可用冷却曲线来描述。冷却曲线是描 述温度随时间而变化的曲线，是用热分析法测绘的。从图26的冷却曲线可以看出，液态金属随时间冷却到某一温度时， 在曲线上出现了一个平台，这个平台所对应的温度就是
1.单晶体和多晶体 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，金属的单
晶体只能靠特殊的方法制得。实际使用的金属材料都是由许 多晶格位向不同的微小晶体组成的，每个小晶体都相当于一 个单晶体，内部的晶格位向是一致的，而小晶体之间的位向 却不相同。这种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒;晶粒 与晶粒之间的界面称为晶界；由许多晶粒组成的晶体称为多 晶体，如图2-5所示，实际金属就是多晶体。 2.晶体缺陷 第一节介绍的金属晶体内部原子规则有序地排列是理想晶体 的状态。实际上金属由于结晶或其他加工等条件的影响，内 部原子排列并不是理想的，存在着大量的晶体缺陷(点缺陷、 线缺陷和面缺陷)。这些缺陷的存在，对金属性能会产生显著 的影响。
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2.2 实际金属的晶体结构
(2)晶核的长大 如图2-7所示，当第一批晶核形成后液体中的原子便不断
地向晶核沉积长大，与此同时又有新的晶核生成并长大， 形核与长大这两个过程是同时在进行着的，直至每个晶核 长大到互相接触，而每个长大了的晶核也就成为了一个晶 粒。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ.2 实际金属的晶体结构
2.2.2金属的结晶
1.结晶的基本概念 物质由液态转变为固态的过程称为凝固，如果通过凝固形成
晶体，则又称为结晶。晶体物质都有一个平衡结晶温度(熔 点)，液体只有低于这一温度时才会结晶，固体高于这一温度 时才能发生熔化。在平衡结晶温度，液体与晶体同时共存， 处于平衡状态。而非晶体物质无固定的凝固温度，凝固总是 在某一温度范围逐渐完成。 纯金属的实际结晶过程可用冷却曲线来描述。冷却曲线是描 述温度随时间而变化的曲线，是用热分析法测绘的。从图26的冷却曲线可以看出，液态金属随时间冷却到某一温度时， 在曲线上出现了一个平台，这个平台所对应的温度就是
1.单晶体和多晶体 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，金属的单
晶体只能靠特殊的方法制得。实际使用的金属材料都是由许 多晶格位向不同的微小晶体组成的，每个小晶体都相当于一 个单晶体，内部的晶格位向是一致的，而小晶体之间的位向 却不相同。这种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒;晶粒 与晶粒之间的界面称为晶界；由许多晶粒组成的晶体称为多 晶体，如图2-5所示，实际金属就是多晶体。 2.晶体缺陷 第一节介绍的金属晶体内部原子规则有序地排列是理想晶体 的状态。实际上金属由于结晶或其他加工等条件的影响，内 部原子排列并不是理想的，存在着大量的晶体缺陷(点缺陷、 线缺陷和面缺陷)。这些缺陷的存在，对金属性能会产生显著 的影响。
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2.2 实际金属的晶体结构
(2)晶核的长大 如图2-7所示，当第一批晶核形成后液体中的原子便不断
地向晶核沉积长大，与此同时又有新的晶核生成并长大， 形核与长大这两个过程是同时在进行着的，直至每个晶核 长大到互相接触，而每个长大了的晶核也就成为了一个晶 粒。
2.2合金的结晶
第二节 合金的结晶
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
匀晶相图
L→α
共晶相图
T,C
Ld (c e )
恒温
183
L+
c
L
d
L+
e
+
Pb Sn
包晶相图
T,C
Ld c e
恒温
L+
点：d(共晶点)
★cde上合金均共晶反应 ★d 点合金称为共晶合金 ★cd段—亚共晶合金 ★de段—过共晶合金
图2-15 Pb-Sn共晶相图
★cf—α相的固溶线。T降低，溶解度下降。α→βⅡ 。 二次结晶；次生相或二次相βⅡ
★eg—β相的固溶线。冷却β→αⅡ。
2、典型合金的结晶 合金Ⅰ的结晶过程
95 50 ( ) 100% 56.25% 95 15 ( ) 1 ( ) 43.75%
第二节 合金的结晶
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
2.2.3 铁碳合金的结晶
一、铁碳相图
铁和碳→Fe3C、 Fe2C、 FeC ω(C) >Fe3C成分（6.69%），太脆
恒温 Ld c e
图2-15 Pb-Sn共晶相图
共晶体（α + β）——两相（α 、β）的混合物
1. 相图分析
adb acdeb
液相线 固相线
线 cf Sn在Pb溶解度线
eg Pb在Sn溶解度线 cde 三相共存、共晶线
区:
单相区：L、α(Sn在Pb中的固溶体)、β (Pb在Sn中的固溶体) 两相区： L+α、 L+β、 α + β 三相共存区：cde(三相共存水平线、共晶线)
第二章纯金属的结晶ppt课件
分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
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。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
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5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
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
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
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。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
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。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
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5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
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
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
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。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。
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过冷度与结晶驱动力（ △G ）的关系：
T G Lm Tm
其中：Ｌm：熔化潜热， △Ｔ：过冷度； Ｔm：熔点； 所以， △G 与△Ｔ成 正比；
回答问题：要获得结晶过程所需的驱动力，一 定要有过冷度，这样才能满足结晶的热力学条 件；同时，过冷度越大，相变的驱动力越大， 结晶速度便越快；
1.2结晶潜热： 结晶潜热：金属凝固时从液相转变为固相时 所放出的热量； 当金属结晶时，由于结晶潜热的释放，补偿 了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线 上出现了平台，平台延续的时间就是结晶所 需的时间。
1.1 相图的建立
配置合金 测定冷却曲线 标定临界点 绘制合金相图
结晶开始点的连线叫液相线。 结晶终了点的连线叫固相线。
过冷度对 形核的影响：
2）非均匀形核（非自发形核、异质形 核）：依附于液体中现存的固体杂质或容 器型壁而行形核。 在生产中，液态金属的凝固总是以非 均匀形核方式进行。液态金属凝固过程中 进行振动和搅拌，使枝晶碎断，形核率增 加。
2.3.2晶核长大
1）晶体长大机制： 晶体的长大是靠原子由液相逐渐转移到固相来 完成的。 2）长大的条件： ① 需要一定的过冷度，但所需的较小，仅为10－3－ 10－4℃； ②液相温度要足够高，以完成原子由液相到固相的 迁移。
④在液态金属凝固过程中，通过铸型振动、 机械搅拌、电磁搅拌等力学方法，使枝晶 破碎，而使晶核数大大增加，从而细化晶 粒。 ⑤去除液相中的异质晶核、抑制低过冷度 下的形核，使合金液获得很大过冷，并在 大过冷度下突然形成大量晶核，获得细小 等轴晶组织。
第二节 二元合金相图及其结晶过程 合金的性能是由合金的成分、组织决定的， 研究合金成分、组织、性能之间关系最重要 的工具是合金相图。 合金相图表示同一合金系中各个合金的结晶 过程。 相图中的组织都是在极其缓慢的冷却条件下 获得的，都是接近平衡态的组织，又叫平衡 图、平衡状态图。
2）控制形核、细化晶粒的主要途径
①提高金属凝固时的冷却速度获得较大的过冷 度，增大形核速率。例如：降低铸型温度；采 用散热快的金属模。 ②在浇铸前往液态金属中加入形核剂（晶粒细 化剂），促进形成大量的非均匀晶核来细化晶 粒。如：钢中加入钛、锆、钒。 ③添加长大抑制剂以降低晶核的长大速率，使 形核数量相对提高，获得细小的等轴晶组织；
晶胚：在液态金属中，
每一瞬间都会涌现出 大量尺寸不等的相起 伏，尺寸较大的相起 伏在结晶时，有可能 转变为晶核。 所以，尺寸较大的相 起伏叫做晶胚。固过程的第二个条件
2.3 晶核的形成与长大
2.3.1 形核方式：均匀形核和非均匀形核； 1）均匀形核（自发形核、均质形核）：液相中 各个区域出现新相晶核的几率相同。 条件：液态金属绝对纯净、足够大的过冷度；
当T=Tm，GS=GL，两相可以同 时共存，具有同样的稳定性， 处于热力学平衡状态，Tm就 是理论结晶温度，即熔点。 当T＜Tm，GL＞GS，液态金 属可以自发地转变为固态金属， 而两相的自由能差（△G）就 构成了金属结晶的驱动力。 当T＞Tm，GS＞GL，固态金 属可以自发的熔化为液态。
② 在负温度梯度下－－以枝晶方式长大（界 面前沿的过冷度越来越大）
当界面上有微小区域的偶然 凸起，前方过冷度大于后方， 有利于凸起部位生长； 凸起生长释放结晶潜热，不 利于周围晶体生长，在较远 处形成另外一个凸起； 一次晶轴释放结晶潜热，使 液相中也呈负温度梯度，长 出二次晶轴。
2.4 晶粒大小的控制 晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度。通常用晶 粒的平均面积或平均直径来表示。 1）晶粒大小对金属性能的影响：常温下， 晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性、韧 性越好，利于铸件力学性能的提高。
正温度梯度------液相中的温度随距离界面距离的增加而升高。 负温度梯度------液相中的温度随距离界面距离的增加而降低。
3) 长大方式：
大多数金属的液固界面为粗糙界面。
①正温度梯度下－－以平面方式长大（界面前沿 的过冷度越来越小）
液固前沿过冷度 小，一旦局部有 凸起，它便进入 低于临界过冷度 甚至Tm以上温 度，成长立刻减 慢，甚至融化， 最终保持平面。
综上，只有当T＜Tm时， 即存在一定的过冷度时， 液态金属才能结晶。
Gl （纯金属的液态自由能） GS（纯金属的固态自由能）
Ｔm－理论结晶温度 (熔点)； Ｔn－实际结晶温度； 过冷度：金属的实际结晶 温度与理论结晶温度之差 以△Ｔ表示； △Ｔ＝Ｔm－Ｔn 结晶的必要条件：有一定 的过冷度； 影响过冷度的因素： Ⅰ、金属的本性：金属不同， 过冷度不同； Ⅱ、金属的纯度：纯度越高， 过冷度越大； Ⅲ、冷却速度：冷却速度越 大，过冷度越大，则实际 结晶的温度越低；
2.2 结晶的结构条件 2.2.1 液态金属的结构 液态金属的结构：在杂乱无序分布的原子中存 在着短程有序集团； 短程有序：在液态金属中的微小范围内，存在 着紧密接触、规则排列的原子集团； 2.2.2液态金属结构的特点： 近程有序集团不是固定不动的，而是处于不断 的变化之中，它会瞬时消失，瞬时产生，此起 彼伏，不断变化，我们把这种不断变化的近程 有序集团称为“结构起伏”或“相起伏”。
第二章 纯金属和合金的结晶
第一节 纯金属的结晶 结晶：金属由液态转变为固态晶体的过程； 1 金属的结晶过程及过冷 金属的结晶过程包括形核和晶核长大过程。
形核与长大示意图
2 结晶的热力学条件和结构条件 2.1结晶的热力学条件
纯金属在结晶时都有一固定的转变温度，称为结 晶温度。 为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必 须在一定的过冷度条件下才能进行呢？这是由热 力学条件所决定的。 热力学第二定律指出：在等温等压的条件下，物 质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低 的状态转变。 自由能-温度曲线： 自由能：物质能自动向外界释放多余的热量或能 够对外做功的那部分热量；