金属的结晶与同素异构转变
第二章 第三节 纯铁的同素异构转变
教学时间2014年3月28日教学对象13数控1班-2班课时1课时教学课题：第三节纯铁的同素异构转变教学目标：明确同素异构转变，掌握纯铁的同素异构转变。
教学重点：纯铁的同素异构转变。
教学难点：应用纯铁的同素异构转变分析问题。
教学准备：PPT教学过程:【复习】1、纯金属结晶的特点是什么？请解释其原因。
2、金属结晶时，结晶出来的晶体大好还是小好？细化晶粒的方法有哪些？3、金属常见的晶格类型有哪三种？请描述具体的空间结构。
【新课导入】通过前面的学习，我们知道金属结晶后是晶体结构，每种金属都有它自己的晶格类型。
如纯铁在1538℃，结晶出来的晶格类型是体心立方晶格的a－Fe 。
那么固体金属温度改变晶格类型会不会改变？请同学们阅读第三节第一段前两行内容。
【板书】第三节纯铁的同素异构转变一、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。
【讲解】同素就是同种元素；由同素异构转变所得到的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。
【板书】同素异构体的稳定性：αβγδ低温高温二、纯铁的同素异构转变（教师引导学生分析图2-8为纯铁的冷却曲线，师生共同概括出下式）例一．下列说法不你认为对的打√，错的打×1．在任何情况下，铁及其合金都是体心立方晶格。
------------------------------( ) 2．纯铁在780℃时晶体结构为面心立方晶格的γ—Fe。
------------------------- ( ) 3．45钢从室温加热到1000℃时，硬度降低，塑性提高，可进行锻造。
这是因为内部发生了改变的缘故。
---------------------------------------------------------- ( )例二．填写出纯铁在下列温度下的组织和晶体结构：温度（℃）组织名称晶体结构。
第2章 金属结晶的基本规律(3)
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
金属材料与热处理题库及答案
金属材料与热处理题库及答案金属材料与热处理题及答案第一章金属的结构与结晶1.判断题1.非晶体具有各向同性的特点。
（√）2.金属结晶时，过冷度越大，结晶后晶粒越粗。
（×）3.一般情况下，金属的晶粒越细，其力学性能越好。
（×）4.多晶体中，各晶粒的位向是不完全相同的。
（√）5.单晶体具有各向异性的特点。
（√）6.金属的同素异构转变是在恒温下进行的。
（√）7.组成元素相同而结构不同的各金属晶体，就是同素异构体。
（√）8.同素异构转变也遵循晶核形成与晶核长大的规律。
（√）9.非晶体具有各向异性的特点。
（×）10.晶体的原子是呈有序、有规则排列的物质。
（√）11.非晶体的原子是呈无序、无规则堆积的物质。
（√）12.金属材料与热处理是一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。
（√）13.金属是指单一元素构成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质。
（√）14.金、银、铜、铁、锌、铝等都属于金属而不是合金。
（×）15.金属材料是金属及其合金的总称。
（√）16.材料的成分和热处理决定组织，组织决定其性能，性能又决定其用途。
（√）17.金是属于面心立方晶格。
（√）18.银是属于面心立方晶格。
（√）19.铜是属于面心立方晶格。
（√）20.单晶体是只有一个晶粒组成的晶体。
（√）21.晶粒间交接的地方称为晶界。
（√）22.晶界越少，金属材料的性能越好。
（×）23.结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体状态的过程。
（√）24.纯金属的结晶过程是在恒温下进行的。
（√）25.金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成。
（√）26.只有一个晶粒组成的晶体成为单晶体。
（√）27.晶体缺陷有点、线、面缺陷。
（√）28.面缺陷分为晶界和亚晶界两种。
（√）29.纯铁是由许多规则的晶粒组成。
（×）30.晶体有规则的几何图形。
（√）31.非晶体没有规则的几何图形。
金属材料与热处理 第三版 模块三 金属的结晶
金属材料与热处理（第三版）
Heat Treatment
模块三 纯金属的结晶
课题1 结晶现象 课题2 晶体的形核与长大 课题3 结晶的条件 课题4 晶粒大小的控制
知识准备
一、热分析法和冷却曲线
热分析法装置及冷却曲线 1一电炉;2一 坩埚;3一 金属液;4一热电偶
热力学条件：有一定的过冷度 结构条件：相起伏或结构起伏 能量条件：能量起伏 形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核
课题4 晶粒大小的控制
✓ 任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒 越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在 我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何 通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？
✓ 晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。
1、均质形核
✓ 也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子 按照一定的晶体结构排列形成的晶核。
✓ 这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的 晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核， 才能够称为晶核。
✓ 晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了 能量，能量起伏提供了所需的表面能。
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的 现象称为同素异构转变
铁的同素异构转变： Fe(bcc) 912C Fe(fcc) 1394C Fe(bcc)
T
铁的冷却曲线15381394}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
t
课题3 结晶的条件
结晶必须具备一定条件才能够进行
✓ 实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的， 但主要按异质形核的方式进行。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
（1） 形核
形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。
均匀形核即晶核在液态金属中均匀的形成；非均匀形核 即晶核在液态金属中非均匀的形成。
实际生产中，金属中存在杂质并且凝固过程在容器或铸 型中进行，这样，形核将优先在某些固态杂质表面及容器 或铸型内壁进行，这就是非均匀形核。
非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属的 凝固形核基本上都属于非均匀形核。
颗粒钉扎作用的电镜照片
3.2.2 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、 塑性变形对金属组织与结构的影响
1. 显微组织的变化 滑移带 孪晶带 晶粒形状
金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶 粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量 很大时，只能观察到纤维状的条纹（晶粒变成细条状），称 之为纤维组织。
Hall-Pitch关系：σs =σ0 + Kyd-1/2
三、 合金的塑性变形 根据组织，合金可分为单相固溶体和多相混合物两种。合
金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。
奥氏体
珠光体
1. 单相固溶体的塑性变形 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与
多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度 提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
3.1 金属的结晶及铸件晶粒大小控制
凝固
金属由液态转变为固态的过程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列的液 态转变为原子规则排列的晶体状 态的过程。
3.1.1 冷却曲线及结晶一般过程
一、 冷却曲线
温 度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
Tm
Tn
△T 过冷度
实际冷却曲线
时间
工程材料第三章金属与合金的结晶
匀晶转变
α
2
L 2’
(α+β)
α
βⅡ
3
(α+β) (α+β)
α βⅡ
时间
一次α相 一次α的成分沿AC线变化到C点
析出
βⅡ 液相的成分沿AE线变化到E点
183℃
LE
αc + βD
三、二元共晶相图
共晶相图：二元合金系中两组元在液态能完全溶解，而 在固态互相有限溶解，并发生共晶转变的相图
（一）相图分析
其它相线：液相线，固相线，固溶线
合金系：两个或两个以上的组元按不同比例下配制成 的一系列不同成分的合金的总称
合金的结晶特点：
1.合金的结晶过程不一定在恒温下进行，而是在一个温 度范围内完成，而纯金属在恒温下完成； 2.合金的结晶不仅会发生晶体结构的变化，还会伴有化 学成分的变化，而纯金属仅发生晶体结构的变化。
合金结晶：非恒温结晶 一、二元合金相图的基本知识 合金相图：又称合金平衡图， 表示在平衡状态下，合金的组 成相和温度、成分之间关系的 图解
补充：共析相图 共析转变：在恒定的温度下，一个有特定成分的固相分解成另外
两个与母相成分不相同的固相的转变过程，与共晶转变类似，S点为 共析点
共析相图：发生共析转变的相图
第三章 金属与合金的结晶
思考题
什么是过冷度？ 什么是共晶转变？ 工业生产中常采用哪些方法细化晶粒，
改善铸件的性能？
本章到此结束。
ALB为液相线，开始结晶，液相线以上为液态，L； AαB为固相线，结晶终了，固相线以下为固态区，α； 液相线与固相线之间为两相共存区，L+α
分析
1.液、固相线不仅是相区分线，也是结晶时两 相的成分变化线
相、合金、组织
第2章纯金属的结晶与铁碳合金不同的金属材料具有不同的性能，即使是同一种材料，在不同的条件下其性能也不相同。
金属材料之所以具有不同的性能与它的晶体结构有密切的关系。
纯金属虽然具有好的导电性、导热性，在工业中获得了一定的应用，但力学性能较低，价格较高，且种类有限，因此，工业生产上应用的金属材料大都是合金，尤其是铁碳合金。
第一节金属的晶体结构一、金属的晶体结构金属及合金的性能是由其成分及内部的结构所决定。
一切固态物质按其构造可分为晶体（crystalloid，crystal）与非晶体（noncrystal）两种。
非晶体的特点是原子的排列不规则，如玻璃、沥青和松香等都是非晶体。
晶体的特点是它们的原子都按一定的次序作有规则的排列，如金刚石、石墨和一切固态金属都属于晶体。
为了便于分析和描述晶体中原子排列的情况，把每个原子看成一个小球，把这些小球用假想线条连接起来，就得到一个抽象化了的空间格子。
这种表示晶体中原子排列形式的空间格子叫晶格（crystal lattice）。
晶格的最小单元称为晶胞（unit cell）。
晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。
二、常见的晶格类型常见的金属晶体的晶格形式有如下三种：1.体心立方晶格（BCC（Body-Centered Cubic [lattice]））原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，属于这一类的金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。
这类金属有相当大的强度和较好的塑性。
2.面心立方晶格（FCC（Face Centered Cubic [lattice]））原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。
金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。
属于这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。
第3章金属与合金的结晶.
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
工程材料2.1纯金属的结晶(清华出版社-朱张校编)
绝大多数纯金属 (如铜,铝,银 如铜, 等)的冷却曲线 纯铜的冷却曲线
t
液体金属在结晶时的温度-时间曲线——冷却曲线 液体金属在结晶时的温度-时间曲线 温度 曲线 冷却曲线
5
(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
t
(3)cd—正在结晶 )
固态相变 形核和长大 过冷度较大
钛,锡,钴,锰等金属也存在 同素异构转变. 同素异构转变.
17
第一节
纯金属的结晶
一,纯金属的结晶 二,同素异构转变 三,细化铸态金属晶粒的措施 四,铸锭的结构 五,单晶的制取
18
三,细化铸态金属晶粒的措施
1,晶粒度 ,
晶粒度表示晶粒的 晶粒度表示晶粒的 大小, 大小,可用晶粒的平 均面积或平均直径来 表示. 表示. 晶粒度号越大晶粒 晶粒度号越大晶粒 越大 越细
28
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 铁碳合金相图课堂讨论
29
温度, 纯金属:冷却曲线,状态(相)—温度,时间 温度 合金:相图,状态( 温度, 合金:相图,状态(相)—温度,成分 温度 相图(状态图, 相图(状态图,平衡 图):表示合金系中合 金的状态与温度,成分 金的状态与温度, 温度 间的关系的图解. 间的关系的图解. 图中的每一点表示一 定成分的合金在一定 温度时的稳定相状态
7
为什么金属结晶时一定要有过冷度(存在过冷现象)? 为什么金属结晶时一定要有过冷度(存在过冷现象) 热力学第二定律表明,在等温等压的条件下, 热力学第二定律表明,在等温等压的条件下,物质系统 是自发地从自由能高的状态向自由能较低的状态转变. 是自发地从自由能高的状态向自由能较低的状态转变. 相的自由能随温度的升高而降低 dG=dG=-SdT+VdP 结晶为等压过程, 结晶为等压过程,即dP=0
工程材料——复习思考题及答案
复习思考题及答案一、名词解释1．结晶：液态金属由液态向固态转变的过程。
2．滑移：晶体中产生原子层与原子层之间的相对位移。
3．马氏体：一种含碳过饱和的α固溶体。
4．等温淬火：将奥氏体化后的工件淬入小于上贝氏体转变温度的盐浴中（一般在下贝氏体转变温度范围内等温）较长时间保温使其获得贝氏体组织，然后再空冷的淬火工艺。
5．热加工：金属材料在高温下进行塑性变形时，其加工硬化作用能被变形过程中所发生的动态软化过程如动态回复和动态再结晶等所抵消，从而获得近乎稳定的流变应力。
这种塑性变形就是热加工。
或者凡是加工温度大于金属再结晶温度的金属塑性加工，都称为热加工。
6．临界冷却速度：保证奥氏体在连续冷却过程中不发生分解而全部过冷到马氏体区的最小冷却速度。
7．同素异构转变：金属的晶体结构随着温度的变化而变化的现象称为同素异构转变。
8．淬透性：指钢在淬火时获得马氏体的能力。
它是钢材本身固有的一个属性。
9．断裂韧性：材料抵抗裂纹扩展的能力就是断裂韧性。
10．晶界：晶粒与晶粒之间的交界面，就是晶界。
11．枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分不均匀的现象就称为晶内偏析，又叫枝晶偏析或微观偏析。
12．奥氏体：是碳在γ-Fe中的间隙固溶体，它又叫A或γ固溶体。
13．退火：将金属及其合金加热、保温和加热炉内缓慢冷却，使其组织结构达到或接近达到平衡状态的热处理工艺就称为退火。
14．回火：是将淬火后的工件再重新加热到A1点以下某一温度、保温、然后冷却的热处理工艺。
16．再结晶：是指经冷塑性变形的金属在加热时，通过再结晶晶核的形成及其随后的长大、最终形成无畸变的新的晶粒的过程。
17．时效：淬火后的铝合金随时间延长而发生强化的现象就是时效强化或时效硬化。
二、填空题1．钢的淬透性越高，则其C曲线的位置越（右），临界冷却速度越（小或低）。
2．典型铸锭结构的三个晶区分别为（表面细晶粒层）、（柱状晶粒层）和（中心粗大等轴晶粒层）。
3．物质在固态下晶体结构随温度发生变化的现象称为（同素异构转变）。
第3章+金属的结晶与同素异构转变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶核的形成率N和长大速度G。
过冷度对N、G的影响
单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
12
第3章 金属的结晶与同素异构转变
5
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
晶体的结晶---冷却曲线
金属结晶时温度与时间的 关系曲线。 曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
同素异构转变概念
物质在固态下晶体结构随 温度变化的现象。
铁的同素异构转变
大连理工大学经济系0501班 姜珊
2属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
同素异构转变特点
⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。 ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力， 使材料变形或开裂。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
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The End of Chapter 3.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
大连理工大学经济系0501班 姜珊
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
3.2.1 纯金属的结晶过程
形核 和 长大 两个基本过程 液态中近程有序的小集团中的一部分成为稳定的 结晶核心，称为晶核。 晶核不断形成，不断长 大，直到液体完全消失。 每个晶核最终长成一个晶 粒，两晶粒接触后形成晶界。
重庆大学工程材料第三章 金属的结晶
三、金属的同素异构转变 1、同素异构现象和同素异构体
§1结晶过程
有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型， 有些金属在固态下，存在两种或两种以上的晶格类型，这 两种或两种以上的晶格类型 种现象称为同素异构或多晶型性。 种现象称为同素异构或多晶型性。 同素异构 以不同晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同 素异构体。 素异构体。 2、同素异构转变 同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。 同一种金属的同素异构体在一定的条件下会相互转化。同 素异构转变就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为 素异构转变就是这种在固态下随温度的改变由一种晶格转变为 在固态下 另一种晶格的现象。 另一种晶格的现象。
一、液态金属的结构特点
§1结晶过程
1. 液态金属的特点
长程无序 短程有序、 短程有序、长程无序 长程有序
有序原子团
气体 液体 晶体（固体） 晶体（固体）
1、原子排列的短程有序和长程无序 结构起伏 2、存在着结构起伏（相起伏） 存在着结构起伏（相起伏）
2.金属结晶的条件
金属 的 结 现 的现象
1结晶
第三章 材料制备的基本过程
新材料的发展，不仅与对材料的成分 结构 结构—性能的研究 新材料的发展，不仅与对材料的成分—结构 性能的研究 有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。 有着密切的关系，还与其制备方法有着直接的联系。 不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成： 不同的材料需要采用不同的工艺过程来制备和合成： 金属材料： 金属材料：凝固与结晶 陶瓷材料：烧结 陶瓷材料： 聚合物： 聚合物：反应合成
§1结晶过程
四、 金属铸锭的组织特点 1金属铸锭的组织示意图
2 金属铸锭中的缺陷
金属材料与热处理 模块二 课题三 金属的同素异构转变
必备知识
一．同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是固定不变的，但是有少部分金属如铁（Fe）、钴(Co )、钛(Ti)、 锡(Sn)、锰(Mn)等，其晶格类型会随温度的升高或降低而发生改变。某些固态金属在不同 温度和压力下呈不同的晶体结构，同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷 却时由一种稳定状态变为另一种晶体结构不同的稳定状态的转变称为同素异构转变。此时 除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。
思考与练习
1．什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？ 2．金属的同素异构转变与结晶相比有哪些异同点？ 3．写出纯铁的同素异构转变式。 4. 金刚石和石墨都是碳原子组成的，但性能却绝然相反，为什么？
谢谢观赏！
同一金属元素的晶体，以不同的晶格形式存在称为该金属的同素异晶体。同一金属的 同素异晶体，根据其稳定存在的温度，由低温到高温，依次用希腊字母α、β、γ、δ等表 示。例如，α－Fe、γ－Fe、δ－Fe；α－Co、β－Co。
必备知识
二、纯铁的同素异构转变过程 纯铁是具有同素异构转变的金属，如图所示，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有
γ-Fe到α-Fe的同素异构转变过 程示意图
总结提升
由以上知识可知，由于温度发生了变化，锡的晶格发生了改变，导致其体积和性能发生了 变化。在13.2℃～161℃下，锡是正方晶系的晶体结构，叫做白锡。白锡稳定，因为表面 生成一层致密的氧化膜，阻止锡的进一步氧化，可作为高贵的装饰品或表壳、酒壶以及茶 壶等。但是如果温度低于13℃，锡开始发生同素异构转变，转变为它的同素异形体灰锡(α 锡)，转变速度随温度的下降而加快，如果温度低于-18℃，β锡(密度7.298克/cm3)转变为 α锡(密度5.846g/cm3)时，体积增大约20％，锡的体积膨胀，由个别点开始，向周围扩散， 降到-33℃时ห้องสมุดไป่ตู้达到高峰，一夜间就能使锡变成粉末。为避免发生这种情况，锡在储运过 程中的温度不可太低，寒冷地区不能用锡质容器或锡焊容器。如图所示为锡从高温液态冷 却到固态的转变式
2第二节金属的结晶与同素异晶转变
曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。
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, 液体和晶体处于动平衡状态。 结晶只有在T0以下的实际 结晶温度下才能进行。 雾凇
液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的 现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温 度的差∆T称过冷度。 ∆T= T0 –T1
晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶 核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完 全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接 触后形成晶界。
（2）晶核的长大 晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。 实际金属的结晶主要以树枝状长大。
金属的树枝晶 金属的树枝晶
树 枝 状 结 晶
金属的树枝晶
冰的树枝晶
3. 结晶后的晶粒大小
（1）晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶 界面积越大，因而金属 的强度、硬度越高，同 时塑性、韧性也越好。 即细晶强化。
晶粒大小与金属强度的关系
高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动， 因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而 高温下晶粒过大、过小都不好。
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。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
二、金属的同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素 异构转变。同素异构转变属于 相变之一—固态相变。
第二节 金属的结晶与同素异晶 转变
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。 物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。 物质由一个相转变为另 一个相的过程称为相变。 因而结晶过程是相变过 程。
第五章金属学基础金属的结晶过程与同素异构转变
第五章金属学基础第二节金属的结晶过程与同素异构转变由液态金属变为固态金属的过程称为________。
A．凝固B．结晶C．再结晶D．重结晶金属从一种固态晶体结构转变成另一种固态晶体结构的过程称为重结晶，下列转变中________属于重结晶转变。
A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．同素异构转变金属从一种固态晶体结构过渡到另一种固态晶体结构的过程称为________。
A．共晶转变B．结晶C．再结晶D．重结晶关于金属结晶过程中过冷度的描述，下列说法错误的是________。
A．过冷度是理论结晶温度与实际结晶温度的差值B．实际结晶温度高于理论结晶温度C．冷却速度越大，过冷度则越大D．过冷度是实际液态金属结晶的必要条件对纯金属而言，下列说法________是错误的。
A．不会在恒温下结晶B．不会发生相变C．都能进行形变强化D．都能进行时效强化当系统的温度________T0时，系统过热，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，熔化自发进行。
A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于当系统的温度________T0时，系统过冷，ΔE________0，液态金属处于稳定状态，结晶自发进行。
A．大于/小于B．大于/大于C．小于/大于D．大于/小于液态金属结晶时，过冷度ΔT________，自由能差ΔE________，所以液态金属结晶的倾向越大。
A．越大/越大B．越大/越小C．越小/越小D．越小/越大下列关于金属结晶过程的说法不正确的是________。
A．金属结晶不是瞬间完成的，结晶过程包括晶核形成与晶体长大两个基本过程B．对一个晶粒的形成来说，它具有严格区分的成核和长大两个阶段C．对整体液态金属结晶过程来说，成核与长大过程始终交叉进行，所以说结晶是成核与长大并进的过程D．尺寸增大稳定性增高的远程有序原子团称为晶胚金属的结晶过程包含________和________。
A．晶核不断形成/晶核长大B．晶粒/晶界C．晶界/亚晶界D．晶核/晶核长大液态金属在晶体长大过程中，________是其动力。
机械工程材料 第三章 材料的凝固.答案
具有共晶成分的合金称共晶合金。在共晶线上，凡
成分位于共晶点以左的合金称亚共晶合金，位于共
晶点以右的合
金称过共晶合
A
金。 凡具有共晶线
成分的合金液
L+
B
C
D
体冷却到共晶
温度时都将发
生共晶反应。
⑵ 合金的结晶过程 ① 含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程
在3点以前为匀晶转变，结晶出单相 固溶体，这种
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
一、二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是 热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1. 配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，
找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。 2. 将临界点标在温度-成分坐标中的成分垂线上。 3. 将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应
1、铁的同素异构转变
铁在固态冷却过程中有两次 晶体结构变化，其变化为：
1394℃
912℃
-Fe ⇄ -Fe ⇄ -Fe
-Fe、 -Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方 结构(FCC)。都是铁的同素异构体。
-Fe
-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部
相图被两条线分为三 个相区，液相线以上 为液相区L ，固相线以 下为 固溶体区，两 条线之间为两相共存 的两相区（L+ ）。
L
液相线 L
+
固相线
Cu
成分（wt%Ni）
Ni
A portion of the copper-nickel phase diagram for which compositions and phase amounts are determined at point B
金属的同素异构转变
由纯铁的冷却曲线（图2-19）可以看出，液态纯 铁在1538 ℃进行结晶，得到具有体心立方晶格的δFe。继续冷却到1394℃时发生同素异构转变，δ-Fe转 变为面心立方晶格的γ-Fe，再冷却到912℃时又发生 同素异构转变，γ-Fe转变为体心立方晶格的α-Fe。 上述转异构转变
金属的同素异构转变——在固态下，金属随温度 的改变由一种晶格转变为另一种晶格的现象。 如铁、锰、钛、钴、锡等，在结晶后，继续冷却 时晶格类型会发生变化
19世纪末，著名物 理家居里在实验室里发 现磁石的一个物理特性， 就是当磁石加热到一定 温度时，原来的磁性就 会消失。后来，人们把 这个温度叫 “居里 点”。 居里点也称居 里温度或磁性转变点
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[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
晶体的结晶---过冷与过冷度
✓金属实际结晶温度低于理论 结晶温度的现象称为过冷现象。
✓过冷度 △T=T0-T1
✓过冷度大小与冷却速度有关， 冷速越大，过冷度越大。
✓金属在过冷的情况下结晶。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.4 铸锭的组织及其控制
1. 铸锭的组织 ⑵柱状晶粒层：由于模壁温度升高，结晶放出潜热， 使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上 模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的 方向生长而形成柱状晶区。
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.4 铸锭的组织及其控制
1. 铸锭的组织 ⑶中心等轴晶粒层：由于结晶潜热的不断放出，散 热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液 体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下 以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。
4
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2.1 纯金属的结晶过程
3.2金属的结晶 过程
✓形核
和
长大
两个基本过程
3.3同素异构转
变
✓液态中近程有序的小集团中的一部分成为稳定的结
晶核心，称为晶核。
✓晶核不断形成，不断长 大，直到液体完全消失。 ✓每个晶核最终长成一个晶 粒，两晶粒接触后形成晶界。
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
晶体的结晶---热力学定律
✓在等压条件下，一切 自发过程都是朝着系统 自由能降低的方向进行。
液体和晶体自由能随温度变化
ΔT
T1 T0
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2
第3章 金属的结晶与同素异构转变
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
晶体的结晶
✓物质由液态转变为固态的过 程称为凝固。
玻璃制品
✓物质通过凝固能形成晶体称 为结晶。
水晶
✓物质由一个相转变为另一个 相的过程称为相变。 因而结晶过程是相变过程。
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[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.2 晶核的长大方式
平面长大的规则形状晶体
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冰的树枝晶
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制
⑵ 变质处理：即有意 向液态金属内加入非均 匀形核物质从而细化晶 粒的方法。
变质处理前
变质处理后
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变质处理使组织细化
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
晶体的结晶---冷却曲线
✓金属结晶时温度与时间的 关系曲线。
纯金属的冷却曲线
✓曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
✓曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
3.3同素异构转 变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制 ✓晶粒的大小取决于晶核的形成率N和长大速度G。
✓单位时间、单位体积内形成 的晶核数目叫形核率(N)。
过冷度对N、G的影响
✓单位时间内晶核生长的长度 叫长大速度(G)。
✓N/G比值越大，晶珊
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制
⑶ 振动、搅拌：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。
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
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3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.2 晶核的长大方式
✓均匀长大和树枝状长大
过冷度小，均匀长大
过冷度大，树枝状长大
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
1. 晶粒度 ✓表示晶粒大小的尺度。可用晶粒的平均面积或平均 直径表示。
✓标准晶粒度共分8级 ：
•1-4级为粗晶粒
•5-8 级为细晶粒
•显微镜下放大100倍
与标准图对照评级
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.4 铸锭的组织及其控制
1. 铸锭的组织 ⑴ 表层细晶粒层：浇注时，由 于冷模壁产生很大的过冷度及 非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区。
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制 ⑴ 控制过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒 变细。
缓冷
快冷
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
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第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]:
3.1金属结晶的 概念
3.2金属的结晶 过程
3.3同素异构转 变
3.2.4 铸锭的组织及其控制
2. 铸锭的缺陷 铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气泡、疏松、 偏析、非金属夹杂物等。
缩孔
气泡
疏
松
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