材料的凝固与结晶组织

二、晶态
1. 晶态结构
§3.1 基本概念
（1）晶态是原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质。 （2）非晶态是一种短程有序、长程无序的混合结构。 非晶态硒 硒鼓静电成像、
图书馆、 超市物品中用非晶态软磁材料条带（传感器标签）。
2.晶态物理性能
（1） 有各向异性； （2） 有固定的熔点； （3） 在一定条件下有规则的几何外形。
自由能G
∆T Tn Tm 温度T GL
GS
过冷度 ΔT = Tm － Tn
ΔG --- 结晶驱动力
二、结晶过程
§3.2 纯金属的结晶
液态金属结晶是由形核和长大两个密切联系的基本过程实现的。
金属结晶过程视频
结晶过程flash
二、结晶过程
1. 晶核的形成
（1）自发形核
§3.2 纯金属的结晶
（2）非自发形核
§3.3 合金的结晶与相图
一、合金相结构 二、二元合金相图
（一）匀晶相图 （二）共晶相图 （三）共析相图
一、合金相结构
的具有金属特性的物质。
§3.3 合金的结晶与相图
1. 合金 两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素所组成
2. 组元 组成合金的最基本独立物质。 3. 相 合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面
（1）控制过冷度
V冷↑→△T↑→N↑→晶粒细小
G
（2）变质处理 （3）振动处理 过冷度ΔT
三、结晶晶粒大小及控制
§3.2 纯金属的结晶
Al-Si合金
缓冷 快冷
未变质
变质
三、结晶晶粒大小及控制
§3.2 纯金属的结晶
铸铁
变质处理前
变质处理使组织细化。 变质剂为硅铁或硅钙合金。
变质处理后
四、晶体的同素异构
1 16 0.250
2 32 0.177
3 64 0.125
4 128 0.088
5 256 0.062
6 512 0.044
7 1024 0.031
8 2048 0.022
三、结晶晶粒大小及控制
晶粒的大小对金属性能的影响：
§3.2 纯金属的结晶
（1）常温下，晶粒越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。
马口铁：马口铁的锡镀层与低碳钢基体材料结合紧密，在经受机械变形时不 会脱落或产生裂纹，因此马口铁同时具有钢的强度，可加工性、可焊性和锡 的耐腐蚀性（特别是耐食品的浸蚀）、无毒、可涂漆和美观装饰性 ，广泛用 于食品和饮料的包装。
四、晶体的同素异构
§3.2 纯金属的结晶
SiO2也有同素异构转变。因为不同结构晶体的密度不同，所以同素异 构转变中总伴有体积变化，会引起很大的内应力，常常导致陶瓷产品 在烧结过程中开裂。
§3.2 纯金属的结晶
固态金属在不同温度和压力下呈不同类型的晶体结构的现象，称为同素异构转变。 Fe、Co、Sn、Mn等元素都具有同素异构性。
882.5C 912C 1394C Ti Fe Fe Fe Ti
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fcc
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二、结晶过程
2 . 晶体的长大
（1）平面长大
§3.2 纯金属的结晶
（2）树枝状长大
平面长大：冷速极小时产生，实际金属很少见。
二、结晶过程
§3.2 纯金属的结晶
冰的树枝晶 金属的树枝晶
三、结晶晶粒大小及控制
§3.2 纯金属的结晶
1. 晶粒度：表示晶粒的大小，晶粒度等级数值越大晶粒越细。
晶粒度等级 单位面积晶粒数/（个 ·mm-2) 晶粒平均直径/mm
hcp
bcc
四、晶体的同素异构
（1）怕冷：
§3.2 纯金属的结晶
锡：也有同素异构性，灰锡、白锡、脆锡。怕冷、怕热。
＞13 ℃，白锡，块状β-Sn，塑性好，表壳、酒壶等 （100℃，锡箔，可以＜0.04mm）； ＜13 ℃，灰锡，α-Sn，慢慢崩裂 （＜ －33 ℃ ，暗灰色锡，明显碎裂成粉末）。
（2）怕热： ＞161 ℃，脆锡，斜方锡
（2）高温下工作的金属晶粒过于细小反而不好，晶粒大小适中即可。 （3）对于用来制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒粗大反而好。
是因为晶粒越粗大，磁滞损耗小，效能就高。
三、结晶晶粒大小及控制
§3.2 纯金属的结晶
细晶强化：晶粒细化使金属力学性能提高的现象。
晶粒尺寸越小，金属的强度、硬度越高，塑性、韧性越好。
金属材料高得多，而且塑性、韧性好；其没有金属那样的晶粒边界，腐蚀
剂无空可钻，耐蚀性特别好。
§3.2 纯金属的结晶
一、结晶条件 二、结晶过程
三、结晶晶粒大小及控制
四、晶体的同素异构
一、结晶条件
§3.2 纯金属的结晶
纯金属在液态和固态的自由能--温度曲线
∆G
Tm --- 理论结晶温度 Tn --- 实际结晶温度
材料的凝固与结晶组织
§3.1 基本概念
§3.2 纯金属的结晶 §3.3 合金的结晶与相图 §3.4 铸态组织与冶金缺陷
§3.1 基本概念
一、凝固与结晶的概念
1. 凝固：物质由液态转化为固态的过程。 2. 结晶：物质由一种原子排列状态（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。 （1）一次结晶 （2）二次结晶
工业纯铁 共析碳钢
单相铁素体 铁素体相、渗碳体相
互相分开的各个均匀的组成部分。
4. 组织 用肉眼或显微镜所观察到的材料的内部微观形貌。 合金中的基本相结构：固溶体和金属间化合物 A(B) AxBy
一、合金相结构
§3.3 合金的结晶与相图
相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化
的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是 两个不同的相。
（1）细晶强化：强、硬度↑ 塑、韧性↑ （2）固溶强化：强、硬度↑ 塑、韧性↓ （3）形变强化：强、硬度↑ 塑、韧性↓ （4）弥散强化：强、硬度↑ 塑、韧性↓
三、结晶晶粒大小及控制
2. 晶粒大小的控制
晶粒的大小取决于
长大速度G
§3.2 纯金属的结晶
形核率 N、长大速度G的
形核率N
N
相对大小，即
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§3.1 基本概念
当液态金属原子来不及按它的常规结晶，在它还处于不整齐、杂乱无 章的状态时就被“冻结”了，称为非晶态金属。它具有类似玻璃的某些结 构特征，故称为金属玻璃。 金属和玻璃的最大区别是：金属从液态冷却凝固的过程中有确定的凝 固点，原子按一定的规律排列，形成晶体；而玻璃从液态到固态的转变是 连续的，没有明确的分界线，即没有固定的凝固点。 金属玻璃的原子排列是无序的，没有特殊的薄弱环节，其强度比一般