金属学第三章 金属结晶过程
合集下载
相关主题
- 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)。
– 只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面 上滑移；
• 线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（ 可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷 。位错是典型的线缺陷。
• 面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大 ，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等 。
• 体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种 缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞 等。
晶粒度
1 2345 678
单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 1024 2048
（细个/晶m强m化2） —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象
晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 22 比（较μm：）细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
2. 纯金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
（1）形核过程
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。
非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
细化晶粒的措施
1. 提高过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶
G，N
（1）提高过冷度 N
G T
形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系
（2）变质处理
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织
的工艺措施。在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加 入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合 金，都可使晶粒细化。
点缺陷的分类
空位：正常结点没有被原 子或离子所占据，成为空 结点，称为空位。
间隙原子：原子进入晶格 中正常结点之间的间隙位 置，成为间隙原子或称填 隙原子。
点缺陷对材料性能的影响
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。
点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时， 对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。
铸锭结构
五金属铸锭的组织特点
• 柱状晶区
• 细晶区形成的同时，锭模温
度升高，液体金属的冷却速度 降低，过冷度减小， 生核速率
降低，但此时长大速度受到的
影响较小。结晶时，优先长大
方向（即一次晶轴方向）与散
热最快方向（一般为往外垂直
模壁的方向）的反方向一致的
晶核向液体内部平行长大，结
果形成柱状晶区。
(1)细等轴晶区；
3．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。
纯铁的同素异构转变 1394 C
912 C
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
纯铁的冷却曲线
T 1538
1394
}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
(2)柱状
晶区； (3)粗等轴晶区
铸锭结构
五金属铸锭的组织特点
• 粗等轴晶区
• 随着柱状晶区的发展，液 体金属的冷却速度很快降低， 过冷度大大减小，温度差不断 降低，趋于均匀化；散热逐渐 失去方向性，所以在某个时候 ，剩余液体中被推来和漂浮来 的、以及从柱状晶上被冲下的 二次晶枝的碎块，可能成为晶 核，向各个方向均匀长大，最
空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的 过程起着重要的作用。
金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化 学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有 着密切的联系。
过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的 屈服强度。
线缺陷
• 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则 会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原 子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。
（1）形核过程
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。
非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
（2）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
4. 细化铸态金属晶粒的措施
晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级（p111)。
Cooling curve t
五金属铸锭的组织特点
• 细等轴晶区
液体金属注入锭模
ห้องสมุดไป่ตู้
时，由于锭模温度不高
，传热快，外层金属受
到激冷，过冷度大，生
成大量的晶核。同时模
壁也能起非自发晶核的
作用。结果，在金属的 (1)细等轴晶区； (2)柱状
表层形成一层厚度不大 晶区； (3)粗等轴晶区
、晶粒很细的细晶区。
后形成一个粗大的等轴晶区。 (1)细等轴晶区；
(2)柱状
晶区； (3)粗等轴晶区
铸锭结构
实际金属的缺陷
缺陷
点缺陷
线缺陷 (位错)
分类：空位、间隙原子 热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷
点缺陷浓度 位错类型
刃型位错 螺型位错 混合位错
柏氏矢量
面缺陷
表面 晶界 相界
缺陷的分类
• 点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶 粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间 隙原子等。
• 多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为 “┻”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错 ，记为“┳”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半 个原子面。
• 刃型位错的结构特征
– 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；
– 可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是 直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和 滑移矢量垂直；
变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。
振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
（4）电磁搅拌
将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应 现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶， 增加结晶核心，从而可细化晶粒。
第3章 金属的结晶
1. 纯金属的结晶条件 2. 纯金属的结晶过程 3. 同素异构转变 4. 细化铸态金属晶粒的措施
1. 纯金属的结晶条件
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
冷却曲线
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn
• 线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（ 可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷 。位错是典型的线缺陷。
• 面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大 ，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等 。
• 体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种 缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞 等。
晶粒度
1 2345 678
单位面积晶粒数 16 32 64 128 256 512 1024 2048
（细个/晶m强m化2） —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象
晶粒平均直径 250 177 125 88 62 44 31 22 比（较μm：）细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓
T0
理论结晶温度
}T
Tn
开始结晶温度
t
冷却速度越大，则过冷度越大。
2. 纯金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
液态金属
形核
晶核长大
完全结晶
（1）形核过程
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。
非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
细化晶粒的措施
1. 提高过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶
G，N
（1）提高过冷度 N
G T
形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系
（2）变质处理
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织
的工艺措施。在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加 入钛、钒、铝，铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合 金，都可使晶粒细化。
点缺陷的分类
空位：正常结点没有被原 子或离子所占据，成为空 结点，称为空位。
间隙原子：原子进入晶格 中正常结点之间的间隙位 置，成为间隙原子或称填 隙原子。
点缺陷对材料性能的影响
点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。
点缺陷引起电阻的增加，这是由于晶体中存在点缺陷时， 对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。
铸锭结构
五金属铸锭的组织特点
• 柱状晶区
• 细晶区形成的同时，锭模温
度升高，液体金属的冷却速度 降低，过冷度减小， 生核速率
降低，但此时长大速度受到的
影响较小。结晶时，优先长大
方向（即一次晶轴方向）与散
热最快方向（一般为往外垂直
模壁的方向）的反方向一致的
晶核向液体内部平行长大，结
果形成柱状晶区。
(1)细等轴晶区；
3．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。
纯铁的同素异构转变 1394 C
912 C
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
纯铁的冷却曲线
T 1538
1394
}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
(2)柱状
晶区； (3)粗等轴晶区
铸锭结构
五金属铸锭的组织特点
• 粗等轴晶区
• 随着柱状晶区的发展，液 体金属的冷却速度很快降低， 过冷度大大减小，温度差不断 降低，趋于均匀化；散热逐渐 失去方向性，所以在某个时候 ，剩余液体中被推来和漂浮来 的、以及从柱状晶上被冲下的 二次晶枝的碎块，可能成为晶 核，向各个方向均匀长大，最
空位对金属的许多过程有着影响，特别是对高温下进行的 过程起着重要的作用。
金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化 学热处理、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有 着密切的联系。
过饱和点缺陷（如淬火空位、辐照缺陷）还提高了金属的 屈服强度。
线缺陷
• 晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则 会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原 子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错。
（1）形核过程
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。
非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
（2）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
4. 细化铸态金属晶粒的措施
晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级（p111)。
Cooling curve t
五金属铸锭的组织特点
• 细等轴晶区
液体金属注入锭模
ห้องสมุดไป่ตู้
时，由于锭模温度不高
，传热快，外层金属受
到激冷，过冷度大，生
成大量的晶核。同时模
壁也能起非自发晶核的
作用。结果，在金属的 (1)细等轴晶区； (2)柱状
表层形成一层厚度不大 晶区； (3)粗等轴晶区
、晶粒很细的细晶区。
后形成一个粗大的等轴晶区。 (1)细等轴晶区；
(2)柱状
晶区； (3)粗等轴晶区
铸锭结构
实际金属的缺陷
缺陷
点缺陷
线缺陷 (位错)
分类：空位、间隙原子 热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷
点缺陷浓度 位错类型
刃型位错 螺型位错 混合位错
柏氏矢量
面缺陷
表面 晶界 相界
缺陷的分类
• 点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶 粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间 隙原子等。
• 多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错，记为 “┻”；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错 ，记为“┳”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半 个原子面。
• 刃型位错的结构特征
– 有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；
– 可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是 直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和 滑移矢量垂直；
变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。
振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。
（4）电磁搅拌
将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应 现象，液态金属会翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶， 增加结晶核心，从而可细化晶粒。
第3章 金属的结晶
1. 纯金属的结晶条件 2. 纯金属的结晶过程 3. 同素异构转变 4. 细化铸态金属晶粒的措施
1. 纯金属的结晶条件
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
冷却曲线
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
T
过冷度
T= T0 - Tn