武汉理工工程材料3第二章2.1PPT课件
合集下载
(完整版)武汉理工大学材料力学期末复习课件
fx
Mx EI
; x
Qx EI
第二部分
复杂变形部分
三向应力分析
o 3
max
2
1
1 2 3
max
1
2
3
平面应力分析
x
2
y
x
2
y
cos 2
xy
sin 2
x
2
y
sin 2
xy cos 2
平面内的主应力
max min
x
y
2
x
2
y
2
2 xy
3
主 单元体
tan 2 0
2 xy x
y
1
0
变形能的应用： 求位移和解决动载问题
(1) 自 由 落 体:
2h
Kd 1
1 j
△j:冲击物落点的静位移
(2) 水 平 冲 击:
Kd
v2 gj
材料试验
1、容许应力: jx
n
2、极限应力: jx s , 0.2 , b
3、安全系数：n
三个弹性常数
G
E 2(1
)
E
G
泊松比（或横向变形系数）
k
8DP
d 3
;
其中:
k 4C 1 0.615 ; C D 为弹簧指数
4C 4 C
d
64PR3n Gd 4
P K
其中: K
Gd 4 64R3n
非对称截面梁发生平面弯曲的条件 P
（1）外力必须作用在主惯性面内，
z
（2）中性轴为形心主轴，
o
（3）若是横向力，还必须过弯曲中心。
y
x
积分法求挠曲线方程（弹性曲线）
工程材料绪论全解PPT课件
石器
陶器
瓷器 4
我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水 平。青铜主要用于制造各种工具、食器、兵器。从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重达8750 N, 外型尺寸为1.33 m×0.78 m×1.10 m, 是迄今世界上最古老的大型青铜器。从湖北隋县出土的战 国青铜编钟是我国古代文化艺术高度发达的见证。
1、离子键 当周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，前者失去最外层价电子变
成带正电荷的正离子，后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由静电引力 相互吸引；同时当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的离子键。NaCl、CaO 、Al2O3等由离子键组成。
离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆性大。离子键 中很难产生可以自由运动的电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体。在离子键结合中，由于离子 的外层电子比较牢固地被束缚，可见光的能量一般不足以使其受激发，因而不吸收可见光，所以
工程材料课程介绍
工程材料课程是高等院校机械类专业的一门十分重要的技术基础课。课程的任务是从机械工 程的应用角度出发，阐明机械工程材料的基本理论，了解材料的成分、加工工艺、组织、结构与 性能之间的关系；介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识。
本课程的目的是使学生通过学习，在掌握机械工程材料的基本理论及基本知识的基础上，具 备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力 。
近年来超导材料、磁性材料、形状记忆材料、信息材料等各种功能材料有很大的发展。 我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果。 ➢ 研制成功性能优越、用途广泛的新型结构钢—贝氏体钢； ➢ 研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca-Ba-Cu-O超导体(铊系超导体)； ➢ 镁铝合金的开发和应用研究取得重大成果。 ➢ 材料快速成型技术和材料表面处理技术在我国得到迅速发展。
3 武汉理工大学工程材料第二章2.1
250
177
125
88
62
44
31
22
晶粒细化使金属机械性能提高的现象。 细晶强化 —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象。 比较：细晶强化-- 强度、硬度、塑性、韧性↑ --> 比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑。 固溶强化-- 强度、硬度↑ 塑性、韧性↓ --> 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓。
晶核长大过程
两种长大方式 —— 平面生长与树枝状生长。 平面生长 树枝状生长。 树枝状生长
树 枝 状 生 长 平面生长
同素异构转变： 同素异构转变：金属在固态下晶体结构随温度的改变而发 生变化的现象。 生变化的现象。 纯铁的同素异构转变： 纯铁的同素异构转变： 1394 °C
δ-Fe（bc剂) 在液体金属中加入变质剂(或孕育剂)，以细化晶粒和改 善组织的工艺措施。 善组织的工艺措施。 变质剂的作用：作为非自发形核的核心， 变质剂的作用：作为非自发形核的核心，增加晶核的数量 或富集于晶核表面，阻碍晶核的长大。 或富集于晶核表面，阻碍晶核的长大。
振动结晶
影响晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 形核率越大， 形核率越大，在单位体积中形成的晶核数就越 每个晶粒长大的空间就越小， 多，每个晶粒长大的空间就越小，晶粒就越细 长大速度越小，在晶体长大的过程中， 小；长大速度越小，在晶体长大的过程中，可 能形成的晶粒数目就越多，晶粒也越细小。 能形成的晶粒数目就越多，晶粒也越细小。 细化晶粒的措施 提高过冷度 变质处理 振动结晶
——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 机械振动 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
武汉理工大学材料科学基础PPT
第三节 固相反应动力学
一. 一般动力学关系
整个过程的速度将由其中速度最慢的一环控制。现 以金属氧化反应M +1/2O 2→ MO为例（图5）说明之。
O2
M MO
C0
C
δ
图5
由化学动力学和菲克第一定律，其反应速度V和扩散速度V分 别为：
dQ P V= = Kc dt
dQ D V= =D dt
dc dx
积分并考虑到初始条件：t = 0，G = 0，得 ：
G
dG (1 G ) 2 / 3 K 0dt 0 0
t
F0(G) = 1-（1-G） 2/3 = K0t 球形或立方体颗粒： F0(G) = 1-（1-G） 1/3 = K0t 园柱形颗粒： F0(G) = 1-（1-G） 1/2 = K01t 平板状颗粒： F0(G) = G= K02t
图1 ZnO-Fe2O3混合物加热过程中性质的变化
1.对色剂的吸附性 2.对2CO+O22CO2反应的催化活性 3.物系的吸湿性 4.对2N2O2N2+O2反应的催化活性 5.x-射线图谱上ZnFe2O4的强度
（1）隐蔽期：约低于300℃。 （2）第一活化期：约在300~400℃之间。 （3）第一脱活期：约在400~500℃之间。 （4）二次活化期：约在500~620℃之间。 （5）二次脱活期或晶体形成期：约在620~750℃ 之间。 （6）反应产物晶格校正期：约＞750℃。
固相反应
第一节 引言 第二节 固相反应机理 第三节 固相反应动力学 第四节 影响固相反应的因素
第一节 引言
一 固相反应分类 a. 从反应物的组成变化方面分类 b. 从固体中成分的传输距离来分类 c. 按反应性质分类 d.按参加反应的物质的状态可分为 e.按反应机理可分为 f.按生成物的位置分成
武汉理工大学,工程材料总复习[1]
![武汉理工大学,工程材料总复习[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/1d96c0b571fe910ef02df833.png)
可切 焊削 性加
工 性
Tuesday, 26 November 2019
School of Materials Science and Engineering
17
工程材料
WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Tuesday, 26 November 2019
School of Materials Science and Engineering
15
工程材料
WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
（14）掌握表面淬火和渗碳的基本原理工艺、目的应 用、表面和心部的组织和性能；
(15) 了解合金元素在钢中的主要作用； （16）掌握碳钢的牌号，知道它们的用途； （17）熟悉合金钢的编号原则和方法，会从钢号判断 出它的种类、大致化学成分、主要用途性能特点、及 应该进行的热处理； （18）懂得石墨形态对铸铁性能的影响，常用铸铁的 分类、牌号，主要用途。
塑性变形(单晶体、多晶体)
热处理(普通热处理四把火、表面 热处理)
加工工艺
化学成分 组织结构 性能
应用
非合金钢、合 金钢
含石墨铸铁
纯金属 合金
使用性能 工艺性能
有色金属及 其合金
Tuesday, 26 November 2019
School of Materials Science and Engineering
四、学习（复习）要点 重点章节： 第2.1 ～2.2章为第2.2章铁碳合金相图奠定基础，(第2.2 章为前两章节的应用和拓展——重点内容）、第2.4章( 钢的热处理，其中四把火及应用——重点内容）、第3 章[其中各种材料(包括碳钢、合金钢、铸铁和有色金属) 的编号原则，常用材料的热处理特点，使用状态的组织 及应用——重点内容]、第8～10章（工程材料的合理选 用和典型零件的加工工艺路线尤其是热处理工艺在整个 加工路线中位置的设计——重点内容） 其中第3章和第8～10章可以看作是第2.2章和第2.4章知 识的综合应用，因此第2.2章和第2.4章的知识对整个课 程的学习和把握尤为重要。
武汉理工大学材料科学基础PPT
二、由于间隙正离子，使金属离子过剩
Zn1+xO和Cdl+xO属于这种类型。过剩的金 属离子进入间隙位置，带正电，为了保持电中 性，等价的电子被束缚在间隙位置金属离子的 周围，这也是一种色心。例如ZnO在锌蒸汽中 加热，颜色会逐渐加深，就是形成这种缺陷的 缘故。
e
图2.23 由于间隙正离子，使金属离子过剩型结构（II）
2.6 非化学计量化合物
实际的化合物中，有一些化合物不符合定比定律，负离 子与正离子的比例并不是一个简单的固定的比例关系，这些 化合物称为非化学计量化合物。
非化学计量化合物的特点：
1）非化学计量化合物产生及缺陷浓度与气氛性质、压力有 关； 2）可以看作是陷浓度与温度有关，这点可以从平衡常数看出；
溶体，具有这样的缺陷。当在晶格中存在间
隙负离子时，为了保持电中牲，结构中引入 电子空穴，相应的正离子升价，电子空穴在 电场下会运动。因此，这种材料是P型半导体。
h
h
图2.25由于存在间隙负离子，使负离子过剩型的结构（III）
对于UO2+x中的缺焰反应可以表示为：
U 3O8 U 2O6 UO2 U 2O6 UO3
为什么TiO2-x是一种n型半导体？
色心、色心的产生及恢复
“色心”是由于电子补偿而引起的一种缺陷。
某些晶体，如果有x射线，γ射线，中子或电子辐照，往 往会产生颜色。由于辐照破坏晶格，产生了各种类型的点 缺陷。为在缺陷区域保持电中性，过剩的电子或过剩正电 荷(电子空穴)就处在缺陷的位置上。在点缺陷上的电荷，具 有一系列分离的允许能级。这些允许能级相当于在可见光 谱区域的光子能级，能吸收一定波长的光，使材料呈现某 种颜色。
把这种经过辐照而变色的晶体加热，能使缺陷扩散掉，
武汉理工大学材料科学基础PPT.
AHale Waihona Puke C图1-5 等径球体在平面上的最紧密堆积
等径球质点堆积
面心立方最紧密堆积和六方最紧密堆积
球体在空间的堆积是按照 ABAB……的层序来堆积。
这样的堆积中可以取出一个六方晶胞，称为六方最紧密堆
积（A3型）。 另一种堆积方式是按照 ABCABC…… 的堆积方式。 这样的堆积中可以取出一个面心立方晶胞，称为面心立方 最紧密堆积。面心立方堆积中， ABCABC…… 重复层面
面心立方最紧密堆积
1 6 1 2 3 4 6 5 4
2
3
5
A
1
6 5 4 2 3
B C
面心立方最紧密堆积
A C B A C B A
ABCABC……, 即每三层重复一次
面心立方最紧密堆积
1 6 5
2 3 4
面心立方最紧密堆积
面心立方晶胞 ——面心立方最紧密堆积
C
B A
密排面
六方最紧密堆积
1 2
一种是八面体空隙，由 6个球体构成，球心连线形成一个
正八面体。
显然，由同种球组成的四面体空隙小于八面体空隙。 四面体空隙 八面体空隙
最紧密堆积的空隙：
最紧密堆积中空隙的分布情况：
等径球质点堆积
每个球体周围有多少个四面体空隙？ 1个球的周围有 每个球体周围有多少个八面体空隙？ 8个四面体空隙
1个球的周围有 6个八面体空隙
质点堆积方式：
根据质点的大小不同，球体最紧密堆积方式分为等径
球和不等径球两种情况。
最密堆积方 式 等径球的堆积
面心立方最紧密堆积 六方最紧密堆积
最紧密堆积中的空隙 不等径球的堆积 先堆大球，小球填积中的空隙
等径球质点堆积
武汉理工-材料物理学课件
05
材料物理学的挑战与未来 发展
新材料的研发
总结词
新材料的研发是材料物理学领域的重要挑战之一，需 要不断探索新的材料体系和结构，以满足不断发展的 科技需求。
详细描述
随着科技的不断发展，对新型材料的需求日益增加，如 高温超导材料、纳米材料、生物材料等。这些新材料在 能源、环保、医疗等领域具有广泛的应用前景，因此需 要不断加强新材料的研发工作。
总结词
穆斯堡尔谱技术是一种研究材料中核自旋磁矩的实验 技术，用于研究材料的磁学性质和微观结构。
详细描述
穆斯堡尔谱技术利用核自旋磁矩的共振吸收和辐射特 性，测量核自旋磁矩的能级和跃迁频率，从而分析材 料的磁学性质和微观结构。该技术广泛应用于磁学、 物理学、化学等领域，对于研究磁性材料和磁学现象 具有重要意义。
利用高分子材料和纳米材料等实现污染治理，如水处理和 土壤修复等。
04
材料物理学的实验技术
X射线衍射技术
总结词
X射线衍射技术是材料物理学中常用的实验技术之一，用于研究材料的晶体结构和相组 成。
详细描述
X射线衍射技术利用X射线在晶体中的衍射现象，通过测量衍射角度和强度，分析晶体 结构，确定材料的晶格常数、晶面间距等参数。该技术广泛应用于材料科学、物理学、
要应用之一。
燃料电池
02
通过材料电化学反应将化学能转化为电能，具有高效、环保的
优点。
核能利用
03
核能材料能够实现高效、清洁的能源生产，如核聚变和核裂变
。
电子科技领域
集成电路
利用半导体材料制造集成电路，实现电子设备的微型化和高效化 。
显示技术
利用光电材料和液晶材料等实现显示技术，如LED显示器和液晶 显示器。
武汉理工材料科学基础第二章
2.4 单质晶体结构（了解）2.5 无机化合物结构（重点 每年必考）分析结构从以下几个方面入手：晶胞分子数，何种离子做何种堆积，何种离子添隙，添隙百分比，正负离子配位数，正负离子电价是否饱和，配位多面体，添隙半径的计算（刚好相切时），隙结构与性质的关系。
1、NaCl 型：4个NaCl 分子 Cl 离子做面心立方密堆积，Na 离子填充八面体空隙，填充率100﹪，正负离子配位数均为6，电价饱和。
【NaCl6】或【ClNa6】八面体结构与性能：此结构在三维方向上键力均匀，因此无明显解理，破碎后呈颗粒状，粒为多面体形状。
离子键结合，因此有较高的熔点和硬度。
2、立方ZnS 结构：4个ZnS 分子S 离子做面心立方密堆积，Zn 离子填充四面体空隙填充率50﹪，离子配位数均为4，电价饱和，【ZnS4】四面体画投影图（图2.26）注意：一定要画虚线，一定要标高，一定要有图例（白球黑球代表什么离子）3、萤石（CaF2）结构：（唯一正离子做堆积的结构）4个CaF2分子 Ca 离子做面心立方密堆积，F 离子填充四面体空隙，填充率100﹪。
正离子配位数为8，负离子配位数为4，电价饱和，【CaF8】或【FCa4】结构与性能：与NaCl 相比，综合电价和半径因素，萤石质点间键力比NaCl 强，表现为萤石硬度熔点密度高于NaCl 而水中溶解度低于NaCl 。
由于萤石结构中有一半的立方体空隙没有被Ca 离子填充，所以在{111}面网方向上存在毗邻的同号离子层，其静电斥力起主要作用，导致晶体在平行与{111}面网方向上易发生解理，因此萤石常呈八面体解理。
碱金属氧化物R2O 为反萤石结构，它们的正负离子位置刚好跟萤石结构中相反，性质相似，在{111}面网方向上也易发生解理。
4、钙钛矿CaTiO3结构（每年必考）:Ca 离子占据八个顶点，O 占据六个面的面心，Ti 离子位于体心。
Ca 和O 共同做面心立方密堆积。
Ti 离子占据八面体空隙的1/4。
武汉理工工程材料8第二章
将工件加热到低于AC1的某一温度（一般为 500～600 ℃） ，保温后缓慢冷却。 去应力退火又称为低温退火，这种退火主要用 来消除铸件、锻件、焊接件、热轧件、冷拉件 等的残余应力。如果这些应力不予消除，将会 引起钢件在一定时间以后或在随后的切削加工 过程中产生变形或开裂。
整理ppt
15
再结晶退火 （Recrystallization Annealing )
图 退火炉
整理ppt
2
退火目的
• 调整硬度。 （适合切削加工的硬度为170-250HBS）
• 消除内应力（缓慢冷却）。 • 细化晶粒。 • 均匀成分。 （相对而言，使前面加工过程中造成粗大、不均
匀的组织细化和均匀化）
整理ppt
3
退火种类
重结晶 退火 退火
完全退火 扩散退火 球化退火
低温 退火
再结晶退火 去应力退火
定义：将工件加热到Ac3+20~30℃，保温后缓慢 冷却的退火工艺。
• 完全退火又称为重结晶退火(recrystallization annealing)，简称退火，这种退火主要用于亚共 析成分的各种碳钢和合金钢。
• 完全退火常作为某些工件的预先热处理，也可作 为一些不重要工件的最终热处理工艺。
• 完全退火要点：加热温度 Ac3 + 20～30℃，缓冷， 适合亚共析钢。
整理ppt
8
球化退火(Soft Annealing)
球化退火是使钢中碳化物（渗碳 体）球状化的退火工艺。
操作：将工件加热到Ac1+ 20~30℃温度， 保温较长时间后 缓冷，或者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下等温保持，使二次 渗碳体和珠光体中的渗碳体球状 化，然后出炉空冷。
球化退火主要用于过共析成分的 碳钢及合金工具钢（如制造刃具、 量具、模具所用的钢种）。
整理ppt
15
再结晶退火 （Recrystallization Annealing )
图 退火炉
整理ppt
2
退火目的
• 调整硬度。 （适合切削加工的硬度为170-250HBS）
• 消除内应力（缓慢冷却）。 • 细化晶粒。 • 均匀成分。 （相对而言，使前面加工过程中造成粗大、不均
匀的组织细化和均匀化）
整理ppt
3
退火种类
重结晶 退火 退火
完全退火 扩散退火 球化退火
低温 退火
再结晶退火 去应力退火
定义：将工件加热到Ac3+20~30℃，保温后缓慢 冷却的退火工艺。
• 完全退火又称为重结晶退火(recrystallization annealing)，简称退火，这种退火主要用于亚共 析成分的各种碳钢和合金钢。
• 完全退火常作为某些工件的预先热处理，也可作 为一些不重要工件的最终热处理工艺。
• 完全退火要点：加热温度 Ac3 + 20～30℃，缓冷， 适合亚共析钢。
整理ppt
8
球化退火(Soft Annealing)
球化退火是使钢中碳化物（渗碳 体）球状化的退火工艺。
操作：将工件加热到Ac1+ 20~30℃温度， 保温较长时间后 缓冷，或者加热后冷却到略低于 Ar1 的温度下等温保持，使二次 渗碳体和珠光体中的渗碳体球状 化，然后出炉空冷。
球化退火主要用于过共析成分的 碳钢及合金工具钢（如制造刃具、 量具、模具所用的钢种）。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
非自发形核 —— 依附于外来杂质生成的晶核。
• 由液体中规则排列的原子集团形成晶核的过程称为自发形核。 • 以液体中固态杂质为核心形成晶核的过程称为非自发形核。 • 自发形核和非自发形核同时存在，非自发形核更普遍、更重
要，往往起着优先和主导作用。
• 自发形核的△T 约 200℃；非自发形核的△T 约 20℃。
定晶面等。 • 由于固态下扩散困难，因而需要较大的过冷度。 • 固态转变伴随着体积变化，易造成很大的内应力。如 -Fe
向-Fe转变时体积会膨胀1%。
3. 细化晶粒的措施
一个晶粒是由一个晶核长大形成的晶体。 晶粒度 —— 表示晶粒的大小，通常分为8级。 晶粒度号数越大，晶粒越细。
晶粒度
1
2
3
4
5
6
7
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
过冷现象）
结晶驱动力 —液态和固态自由能之差△F
热力学定律：自然 界一切自发转变过 程总是从能量较高 的状态趋向能量较 低的状态。
液态和固态自由能随温度变化曲线
纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。 在该温度下, 液体和晶体处于动态平衡（即结晶出的小晶 坯与熔化进入液体的小晶坯在数量上相等）。 要实现结晶（即结晶出的小晶坯数＞熔化进入液体的小晶 坯数），只有在T0以下的某一温度，结晶才可能进行。
2．同素异构转变
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
纯铁的同素异构转变：
1394 C
912 C
-Fe（bcc） -Fe（fcc）
-Fe（bcc）
912 C
-Fe
-Fe
纯铁的冷却曲线
T 1538
} 1394
-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
晶坯 形核
晶核
长大
晶体
金属的结晶是由晶核的形成（形核）和晶核的长大 两个基本过程组成的。形核和晶核长大过程示意：
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
金属结晶微观过程示意图
结晶的一般规律：形核、晶核长大
晶核的形成
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。
在各种强化方法中，细晶强化是唯一同时提高强度 和塑性的方法。
影响晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶核的形成速度（形核率） 和长大速度。
形核率(N) ：单位时间、单位体积内形成的晶核数目， 单位为cm-3·s-1 。
长大速度(G) ：单位时间内晶体生长的长度，单位 cm·s -1 。
单位体积中的晶粒数目为： ZV=0.9（N / G）3 / 4
广义结晶概念：一种原子排列状态 --> 另一种原子规则排列状态(晶态)
液态--> 晶态（一次结晶） 晶体--> 晶态（二次结晶）
液体
晶体
实验室测定液态金属结晶时温度与 时间对应关系的曲线——冷却曲线
热分析装置示意图
Hale Waihona Puke 金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
T= T0 - Tn
T0
第2章 金属材料组织 和性能的控制
2.1 纯金属的结晶 2.2 合金的结晶 2.3 金属的塑性加工 2.4 钢的热处理 2.5 钢的合金化 2.6 表面技术
2.1 纯金属的结晶
1. 纯金属的结晶 2. 同素异构转变 3. 细化铸态金属晶粒的措施 4. 铸锭的结构
1. 纯金属的结晶
凝固(coagulation)：液态 --> 固态（晶体或非晶体）。 结晶( crystal )： 液态--> 晶态。
t
两次同素异构转变
•-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构 (FCC)，都是铁的同素异晶体。 •固态下的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似，新 同素异晶体的形成也包括形核和长大两个过程，故称为二 次结晶或重结晶。 •同素异构转变是在固态下进行的固态转变过程。
• 固态转变的特点： • 形核一般易在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特
• 实际金属主要以树枝状方式长大。这是由于晶核长大过程 中有潜热放出，晶核尖角处散热条件较好，生长较快，先 形成一次晶轴，一次晶轴形成后又会产生二次晶轴，如此 不断成长和分枝，直至液体全部消失为止。
• 在结晶过程中，如果金属液体供应不充分，树枝晶之间的 间隙不被填满，可保留树枝状晶体的形态。这证明树枝晶 之间的空隙是最后被填充的。
“平面状”长大方式——平面晶
负温度梯度下（帮助理解，不作要求）
由于界面前沿液体的过冷度 较大，如果界面的某一部分 发展较快偶有突出，它将进 入过冷度更大的液体中，从 而突出尖端生长得更快，最 后长成树枝状晶体。
“树枝状”长大方式
晶核的树枝状长大
金属的树枝晶
冰的树枝晶
金属的树枝晶
金属的树枝晶
形核率越大，在单位体积中形成的晶核数量就越多， 每个晶粒长大的空间就越小，晶粒就越细小；长大 速度越小，在晶体长大的过程中，可能形成的晶粒 数目就越多，晶粒越细小。凡促进形核N↑、抑制长 大G↓或使N/G↑的因素，都能细化晶粒。
液态金属在理论结晶温度以下暂不结晶的现象称过冷。
理论结晶温度与实际结晶温度之差T称为过冷度。 T= T0 –Tn
过冷度与冷却速度有关。冷却速度越大，实际结晶温度越低， 过冷度越大。
冷却速度越大，过冷度越大。
结晶的一般过程
液态金属中时刻存在着原子规则排列的小原子集团，它们 时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些尺寸较大的晶坯，可能长大成为晶核。晶核继续以一 定方式长大，就成为晶体。
自发形核
非自发形核示意图
晶核长大过程
晶核两种长大方式 — 平面生长与树枝状生长。
平面生长
正温度梯度下（帮助理解，不作要求）
界面为平行于熔点Tm 的平直面，与散热垂直， 晶体生长所需过冷度小， 界面温度与熔点接近， 晶体长大时界面均匀一 致地向液相推进，如果 偶有突出，便进入过冷 度小的温区，长大立刻 慢下来。
8
单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 1024 2048 （个/mm2）
晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 22 （μm）
细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象。
比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑。 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓。
• 由液体中规则排列的原子集团形成晶核的过程称为自发形核。 • 以液体中固态杂质为核心形成晶核的过程称为非自发形核。 • 自发形核和非自发形核同时存在，非自发形核更普遍、更重
要，往往起着优先和主导作用。
• 自发形核的△T 约 200℃；非自发形核的△T 约 20℃。
定晶面等。 • 由于固态下扩散困难，因而需要较大的过冷度。 • 固态转变伴随着体积变化，易造成很大的内应力。如 -Fe
向-Fe转变时体积会膨胀1%。
3. 细化晶粒的措施
一个晶粒是由一个晶核长大形成的晶体。 晶粒度 —— 表示晶粒的大小，通常分为8级。 晶粒度号数越大，晶粒越细。
晶粒度
1
2
3
4
5
6
7
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
过冷现象）
结晶驱动力 —液态和固态自由能之差△F
热力学定律：自然 界一切自发转变过 程总是从能量较高 的状态趋向能量较 低的状态。
液态和固态自由能随温度变化曲线
纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。 在该温度下, 液体和晶体处于动态平衡（即结晶出的小晶 坯与熔化进入液体的小晶坯在数量上相等）。 要实现结晶（即结晶出的小晶坯数＞熔化进入液体的小晶 坯数），只有在T0以下的某一温度，结晶才可能进行。
2．同素异构转变
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
纯铁的同素异构转变：
1394 C
912 C
-Fe（bcc） -Fe（fcc）
-Fe（bcc）
912 C
-Fe
-Fe
纯铁的冷却曲线
T 1538
} 1394
-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
晶坯 形核
晶核
长大
晶体
金属的结晶是由晶核的形成（形核）和晶核的长大 两个基本过程组成的。形核和晶核长大过程示意：
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
金属结晶微观过程示意图
结晶的一般规律：形核、晶核长大
晶核的形成
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。
在各种强化方法中，细晶强化是唯一同时提高强度 和塑性的方法。
影响晶粒度的因素 晶粒的大小取决于晶核的形成速度（形核率） 和长大速度。
形核率(N) ：单位时间、单位体积内形成的晶核数目， 单位为cm-3·s-1 。
长大速度(G) ：单位时间内晶体生长的长度，单位 cm·s -1 。
单位体积中的晶粒数目为： ZV=0.9（N / G）3 / 4
广义结晶概念：一种原子排列状态 --> 另一种原子规则排列状态(晶态)
液态--> 晶态（一次结晶） 晶体--> 晶态（二次结晶）
液体
晶体
实验室测定液态金属结晶时温度与 时间对应关系的曲线——冷却曲线
热分析装置示意图
Hale Waihona Puke 金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
T= T0 - Tn
T0
第2章 金属材料组织 和性能的控制
2.1 纯金属的结晶 2.2 合金的结晶 2.3 金属的塑性加工 2.4 钢的热处理 2.5 钢的合金化 2.6 表面技术
2.1 纯金属的结晶
1. 纯金属的结晶 2. 同素异构转变 3. 细化铸态金属晶粒的措施 4. 铸锭的结构
1. 纯金属的结晶
凝固(coagulation)：液态 --> 固态（晶体或非晶体）。 结晶( crystal )： 液态--> 晶态。
t
两次同素异构转变
•-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构 (FCC)，都是铁的同素异晶体。 •固态下的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似，新 同素异晶体的形成也包括形核和长大两个过程，故称为二 次结晶或重结晶。 •同素异构转变是在固态下进行的固态转变过程。
• 固态转变的特点： • 形核一般易在某些特定部位发生，如晶界、晶内缺陷、特
• 实际金属主要以树枝状方式长大。这是由于晶核长大过程 中有潜热放出，晶核尖角处散热条件较好，生长较快，先 形成一次晶轴，一次晶轴形成后又会产生二次晶轴，如此 不断成长和分枝，直至液体全部消失为止。
• 在结晶过程中，如果金属液体供应不充分，树枝晶之间的 间隙不被填满，可保留树枝状晶体的形态。这证明树枝晶 之间的空隙是最后被填充的。
“平面状”长大方式——平面晶
负温度梯度下（帮助理解，不作要求）
由于界面前沿液体的过冷度 较大，如果界面的某一部分 发展较快偶有突出，它将进 入过冷度更大的液体中，从 而突出尖端生长得更快，最 后长成树枝状晶体。
“树枝状”长大方式
晶核的树枝状长大
金属的树枝晶
冰的树枝晶
金属的树枝晶
金属的树枝晶
形核率越大，在单位体积中形成的晶核数量就越多， 每个晶粒长大的空间就越小，晶粒就越细小；长大 速度越小，在晶体长大的过程中，可能形成的晶粒 数目就越多，晶粒越细小。凡促进形核N↑、抑制长 大G↓或使N/G↑的因素，都能细化晶粒。
液态金属在理论结晶温度以下暂不结晶的现象称过冷。
理论结晶温度与实际结晶温度之差T称为过冷度。 T= T0 –Tn
过冷度与冷却速度有关。冷却速度越大，实际结晶温度越低， 过冷度越大。
冷却速度越大，过冷度越大。
结晶的一般过程
液态金属中时刻存在着原子规则排列的小原子集团，它们 时聚时散，称为晶坯。在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些尺寸较大的晶坯，可能长大成为晶核。晶核继续以一 定方式长大，就成为晶体。
自发形核
非自发形核示意图
晶核长大过程
晶核两种长大方式 — 平面生长与树枝状生长。
平面生长
正温度梯度下（帮助理解，不作要求）
界面为平行于熔点Tm 的平直面，与散热垂直， 晶体生长所需过冷度小， 界面温度与熔点接近， 晶体长大时界面均匀一 致地向液相推进，如果 偶有突出，便进入过冷 度小的温区，长大立刻 慢下来。
8
单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 1024 2048 （个/mm2）
晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 22 （μm）
细晶强化——晶粒细化使金属机械性能提高的现象。
比较：细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑。 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓。