清华大学工程材料金属结晶凝固共40页
《工程材料》第三章材料凝固与结晶组织
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
铸 铝 锭
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
浇注50t铸钢支承辊
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
炼钢－连铸连轧生产线
钢包 结晶器
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
炼钢－连铸连轧生产线
金属在固态的晶格结构转变过程称为二次结晶 （重结晶）。
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
纯铁的结晶过程
在1538℃ 液态铁 δ-Fe （体心）
在1394℃ δ-Fe
（体心）
γ–Fe （面心）
在912℃
γ–Fe （面心）
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
α-Fe
（体心）
金属在发生同素异构转变 时也有过冷现象，也释放潜热， 有固定的转变温度。
第三章 材料的凝固与结晶
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
凝固：材料从液态到固态的转变过程。
结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为 另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。
一次结晶：液态物质转变为晶态固体的过程。 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
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。
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
《工程材料》第三章材料凝固与结 晶组织
清华大学《工程材料》第5版教材简介
清华大学《工程材料》第5版教材简介《工程材料》第5版教材由清华大学材料学院朱张校教授、姚可夫教授主编，清华大学出版社出版。
《工程材料》第5版教材目录如下：绪论0.1中华民族对材料发展的重大贡献0.2材料的结合键0.3工程材料的分类第1章材料的结构与性能特点1.1金属材料的结构与组织1.2金属材料的性能特点1.3高分子材料的结构与性能特点1.4陶瓷材料的结构与性能特点第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表面技术第3章金属材料3.1碳钢3.2合金钢3.3铸钢与铸铁3.4有色金属及其合金第4章高分子材料4.1工程塑料4.2合成纤维4.3合成橡胶第5章陶瓷材料5.1普通陶瓷5.2特种陶瓷第6章复合材料6.1复合材料的复合原则6.2复合材料的性能特点6.3非金属基复合材料6.4金属基复合材料第7章功能材料及新材料7.1电功能材料7.2磁功能材料7.3热功能材料7.4光功能材料7.5隐形材料及智能材料7.6纳米材料第8章零件失效分析与选材原则8.1机械零件的失效8.2机械零件失效分析8.3机械零件选材原则第9章典型工件的选材及工艺路线设计9.1齿轮选材9.2轴类零件选材9.3弹簧选材9.4刃具选材第10章工程材料的应用10.1汽车用材10.2机床用材10.3仪器仪表用材10.4热能设备用材10.5化工设备用材10.6航空航天器用材附录1金属材料室温拉伸试验方法新、旧国家标准性能名称和符号对照表附录2金属热处理工艺的分类及代号(摘自GB/T 12603—2005) 附录3常用钢的临界点附录4钢铁及合金牌号统一数字代号体系(摘自GB/T 17616—1998)附录5国内外常用钢号对照表附录6常用铝及铝合金状态代号与说明(摘编自GB/T 16475—2008)附录7若干物理量单位换算表附录8工程材料常用词汇中英文对照表参考文献本教材有以下特点：（1）体系科学合理，内容丰富新颖，实例丰富。
工程材料2.1纯金属的结晶(清华出版社-李军编)
铁碳合金相图中的重要点、线和区
1）.Fe-Fe3C相图中的重要点
J: 包晶点 w(c)=0.17% 在该点发生包晶反应 L0.53＋0.09
1495C
0.17
H: 碳在-Fe中的最大溶解度，w(c)=0.09%
C: 共晶点 w(c)=4.3% 在该点发生共晶反应 L4.3
1148C
2.11＋ Fe3C
3
1.纯金属结晶的条件
1）热力学条件（必须过冷）
T
理论结晶温 度 开始结晶温度
a b d c e
T0 Tn
}T
f
= T0 - Tn
绝大多数纯金属 （如铜、铝、银 等）的冷却曲线
t
4
纯铜的冷却曲线
液体金属在结晶时的温度-时间曲线——冷却曲线
（1） ab—液态逐渐冷却
（2） bc—温度低于理论结晶温度
过冷现象
过冷度
T T0 Tn
Δt
（3）cd—正在结晶
回升——结晶时释放的结晶潜热大于向 环境中散失的热量
（4）de—正在结晶
平台——结晶时释放的结晶潜热与向环境中散失的热量相等
（5）ef—固态逐渐冷却 Δt——孕育期
5
V冷越大，过冷度越大，即实际结晶温度越低
6
为什么金属结晶时一定要有过冷度（存在过冷现象）？
31
例：将20kg纯铜与30kg纯镍熔化后慢冷至如图温度T1,求此时: 1)两相的成分;
L, 50%Ni; α, 80%Ni
2)两相的重量比;
L / 80 60 2 :1 60 50
3)两相的相对重量;
80 60 66.7% 80 50 60 50 ( ) 33.3% 80 50
清华大学工程材料第五版第二章PPT学习教案
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2.1.4 铸锭的结构
一、铸锭结构
铸锭分为三个各具特征的晶区。
1. 细等轴晶区
锭2. 模柱温状度晶低区，导热快，
外层细3.液晶粗体形等金成轴属，晶过锭区冷模度温大度，升
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，称为同素异构转变 。
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纯铁的同素异构转变: ●液态纯铁在1538℃结
晶为体心立方晶格的δ-Fe
。 ●冷却到1394℃时发生 同素异构转变, 成为面心 立方晶格的γ-Fe。
●冷却到912℃时又发 生一次同素异构转变, 成
为体心立方晶格的α-Fe。
曲率线和实随成多长的长际着核,大左大晶工过速速边速粒程冷率 度部 度细中度NG分都小，的快大。增;过增,,大晶冷大结，粒度，晶成粗常成后核。处核晶速于速粒 率增大更快，比值N/G也增大
, 晶粒细化。
成核速率、长大速度 与过冷度的关系
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增大过冷度的主要方法： 提高液态金属的冷却速度。 采用冷却能力较强的模子。 采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸 件晶粒要细小。 超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属 、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。 非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优 异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性 等。
清华大学工程材料第五版第二章
会计学
1
学习目标：
本章是工程材料课程的重点章。 着重掌握：铁碳相图，铁碳合金的平衡结 晶过程，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过 冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用 热处理等热处理工艺。合金元素对钢的热处理 、钢的机械性能的影响。 熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加 工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。 表面技术部分作一般了解。
清华大学工程材料金属结晶凝固
平面长大的规则形状晶体
(2) 树枝状长大
晶体像树枝那样向前长大，不断分支发展。存 在一次晶轴、二次晶轴、三次甚至四次晶轴。常规 凝固条件下，实际金属多以树枝状长大方式长大， 特别是存在杂质时。
树枝状长大的铝合金
金属以树枝状长大的原因：
温度梯度G的概念：熔体中两点之 间的温度差与二者间距的比值。
多晶铝中的滑移带 多晶不锈钢中晶界处位错塞积
(3)、细化铸态金属晶粒措施
A、增大金属结晶时过冷度
成核速率N ：单位时间单位体积形成的晶核数。 长大速度G ：单位时间晶体长大的长度。 成核速率N 大, 结晶后晶粒
多, 晶粒细小。
长大速度G 快, 晶粒粗。
实际工程中，过冷度常处于曲线 的左边部分。
随着过冷度的增大，成核速率和 长大速度都增大，成核速率增大更
以平界面向前生长。
（1）、尖端形核法制取单晶
首先坩埚置于高温区，时坩埚 内金属熔化。 当坩埚向下移出高温区时，在 细小的尖端形成一个晶核。坩埚继 续下移，该晶核不断长大形成一个 单晶棒材。
（2）、垂直提拉法制取单晶
单晶硅的制取
把籽晶（单晶种子）放在提拉杆上，然后 旋转提拉杆并下移接触Si熔体。 在熔体中保持一段时间，让接触熔体的籽 晶下部熔化，然后往上提拉并旋转，结晶就 继续在籽晶上进行，最后形成单晶Si棒。 晶体旋转可以让凝固界面变得更平，以平 界面长大，更易于实现单晶生长。
体
气
熔 体 流
体 喷 嘴 粉末
问题：在超高速快速凝固条件下，会形成什么样的结构？
非晶（玻璃态）
B、加入细化剂或变质剂 细化剂--增加晶核数量，细化晶粒。 变质剂--阻碍晶粒在折优方向的生长，改变晶粒形貌 （针状--颗粒状）
清华大学-—工程材料综合题答案
清华⼤学-—⼯程材料综合题答案第⼀章6、实际⾦属晶体中存在哪些缺陷？它们对性能有什么影响？答：点缺陷：空位、间隙原⼦、异类原⼦。
点缺陷造成局部晶格畸变，使⾦属的电阻率、屈服强度增加，密度发⽣变化。
线缺陷：位错。
位错的存在极⼤地影响⾦属的机械性能。
当⾦属为理想晶体或仅含极少量位错时，⾦属的屈服强度σs很⾼，当含有⼀定量的位错时，强度降低。
当进⾏形变加⼯时，为错密度增加，σs将会增⾼。
⾯缺陷：晶界、亚晶界。
亚晶界由位错垂直排列成位错墙⽽构成。
亚晶界是晶粒内的⼀种⾯缺陷。
在晶界、亚晶界或⾦属内部的其他界⾯上，原⼦的排列偏离平衡位置，晶格畸变较⼤，位错密度较⼤（可达1016m-2以上）。
原⼦处于较⾼的能量状态，原⼦的活性较⼤，所以对⾦属中的许多过程的进⾏，具有极为重要的作⽤。
晶界和亚晶界均可提⾼⾦属的强度。
晶界越多，晶粒越细，⾦属的塑性变形能⼒越⼤，塑性越好。
8、什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？答：形成固溶体使⾦属强度和硬度提⾼的现象称为固溶强化。
固溶体随着溶质原⼦的溶⼊晶格发⽣畸变。
晶格畸变随溶质原⼦浓度的提⾼⽽增⼤。
晶格畸变增⼤位错运动的阻⼒，使⾦属的滑移变形变得更加困难，从⽽提⾼合⾦的强度和硬度。
9、间隔固溶体和间隔相有什么不同？答：合⾦组元通过溶解形成⼀种成分和性能均匀的，且结构与组元之⼀相同的固相称为固溶体。
间隙固溶体中溶质原⼦进⼊溶剂晶格的间隙之中。
间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同。
第⼆章1、⾦属结晶的条件和动⼒是什么?答：液态⾦属结晶的条件是⾦属必须过冷，要有⼀定的过冷度。
液体⾦属结晶的动⼒是⾦属在液态和固态之间存在的⾃由能差(ΔF)。
2、⾦属结晶的基本规律是什么?答：液态⾦属结晶是由⽣核和长⼤两个密切联系的基本过程来实现的。
液态⾦属结晶时，⾸先在液体中形成⼀些极微⼩的晶体(称为晶核)，然后再以它们为核⼼不断地长⼤。
在这些晶体长⼤的同时，⼜出现新的品核并逐渐长⼤，直⾄液体⾦属消失。
纯金属结晶讲课文档
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1. 过冷现象
液态金属冷却到理论结晶温度Tm
时并不结晶，而是降到低于Tm
的温度Tn才开始结晶。金属的实
际结晶温度总是低于其理论结晶
Tm Tn
温度的现象称温度之差称为过冷度，用△T表示，
的合金强度
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三、面缺陷
面缺陷包括外表面（表面和自由界面）和内表面（晶 界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等）。面缺陷 对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。
1. 晶体表面
2. 晶界
3. 亚晶界 4. 堆垛层错 5. 相界 6. 晶界特性
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1. 晶体表面
晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同。在内 部，每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、 液等原子或分子包围，内部原子的作用力比外表面的原 子大，内外受力不平衡，使表面原子偏离平衡位置，引 起晶格畸变，使表面能量升高，出现额外的自由能，即 表面能。与表面张力同量纲、同数值。单位为J·㎡或N/m 。
经剧烈冷塑性变形金属中，ρ≈1015~1016m-2，即在 1㎝3 的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。
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位错的存在和密度的大小对机械性能、 扩散及相变有重要的影响，如图1-58 σ 1
所示。
2
若金属晶体不含位错，将接近理论 强度T=G/2π。如直径为1.6μm的铁
晶须（位错密度极低），其σb=13400
图1-61 大角度晶界
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图1-62 共格晶界
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位错墙
倾侧前
对称倾侧晶界
清华大学工程材料第五版第一章
晶向指数一般标记为[uvw]，
表示一组原子排列相同的平行晶向。
清华大学工程材料第五版第一章
若两个晶向的全部指数数值相同而符号 相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但 方向相反。
如[110]与 。 若只研究原子排列情况, 则晶向[110]与 可用同一个指数[110]表示。
清华大学工程材料第五版第一章
清华大学工程材料第五版第一章
面心立方晶胞的特征：
（1）晶格常数
a=b=c, α=β=γ=90°
（2）晶胞原子数 (个) 4
（3）原子半径
（4）致密度 0.74 (74%)
清华大学工程材料第五版第一章
（5）空隙半径
●四面体空隙半径: r四=0.225r原子 ●八面体空隙半径: r八=0.414r原子
（6）配位数 12
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 由于原子排列紧密程度不一样， 当金属从面心立方晶格向体心立方晶格 转变时, 体积会发生变化。
钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。 不同晶体结构中原子排列的方式不同, 使它们的形变能力不同。
清华大学工程材料第五版第一章
二、晶体中的晶面和晶向 通过晶体中原子中心的平面叫做晶面； 通过原子中心的直线为原子列，代表的方 向叫做晶向。 晶面用晶面指数表达。 晶向用晶向指数表达。
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不同 的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
清华大学工程材料第五版第一章
在立方晶系中, 一个晶面指数与一 个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶 面与该晶向互相垂直。