第三章金属及合金的结晶.

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1、 金属的结晶熔化凝固结晶金属由液态转变为固态的过程。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。平衡结晶温度或理论结晶温度金属熔点通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶一次结晶。而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程而把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为称为二次结晶或重结晶。二次结晶或重结晶。 金属的结晶 金属的结晶 物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它

2、相变的研究提供基础。 金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。第一节 结晶的基本规律一 、液态金属的结构 结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。冷却曲线结晶潜热结晶温度过冷结晶潜热 第一节 结晶的基本规律二、 、过冷现象 （1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。 （2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm) 与其实 际 结 晶 温 度 To之 差 T=Tm-To 注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。 第一节 结晶的基本规律三、结晶过程（1）结晶的基本过程：形核长大。（见示意图）（2）描述结晶进

3、程的两个参数 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。形核长大形成多晶体两个过程重叠交织 第二节 结晶的基本条件 1 热力学条件（1）G-T曲线（图34） a 是下降曲线：由G-T函数的一次导数（负）确定。 dG/dT=-S b 是上凸曲线：由二次导数（负）确定。 d2G/d2T=-Cp/T c 液相曲线斜率大于固相： 由一次导数大小确定。 二曲线相交于一点，即材料的熔点。 第二节 结晶的基本条件 1 热力学条件（2）热力学条件 Gv=LmT/Tm a T0, Gv0时, Gk非Gk, 杂质促

4、进形核； c=180时，Gk非Gk， 杂质不起作用。 第三节 晶核的形成 2 非均匀形核 （4）影响非均匀形核的因素 a 过冷度：（N-T曲线有一下降过程）。（图316） b 外来物质表面结构：越小越有利。点阵匹配原理：结构相似， 点阵常数相近。 c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。（图317） 第四节 晶核的长大 1 晶核长大的条件 （1）动态过冷 动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。 （是材料凝固的必要条件） （2）足够的温度 （3）合适的晶核表面结构。 第四节 晶核的长大 2 液固界面微结构与晶体长大机制粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金的界面）： 垂直长大。光滑界面（微观光滑、宏

5、观粗糙无机化合物或亚金属材料的界面）： 横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。 第四节 晶核的长大 第四节 晶核的长大 第四节 晶核的长大 第四节 晶核的长大 3 液体中温度梯度与晶体的长大形态 （1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高） 粗糙界面：平面状。 光滑界面：台阶状。 （2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低） 粗糙界面：树枝状。 光滑界面：树枝状多面体台阶状。 第四节 晶核的长大 第四节 晶核的长大(1)平面长大 当冷却速度较慢时，金属晶体以其表面向前平行推移的方式长大。晶体长大时，不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢，而非密排面的

6、垂直方向上的长大速度较快。平面长大的结果，晶体获得表面为密排面的规则形状。 第四节 晶核的长大 第四节 晶核的长大(2)树枝状长大 当冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热条件比面上的优越，因而长大较快，成为伸入到液体中的晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。结晶后得到具有树枝状的晶体。 实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。 第四节 晶核的长大 第五节 凝固理论的应用一、细化铸态金属晶粒一、细化铸态金属晶粒 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜

7、下呈颗粒状。 在一般情况下, 晶粒越小, 则金属的强度, 塑性和韧性越好。工程上使晶粒细化, 是提高金属机械性能的重要途径之一。这种方法称为细晶强化。 细化铸态金属晶粒有以下措施。 第五节 凝固理论的应用1、增加过冷度 一定体积的液态金属中，若形核率N(单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3s)越大，则结晶后的晶粒越多， 晶粒就越细小； 晶体长大速度G(单位时间晶体长大的长度, m/s)越快，则晶粒越粗。 随着过冷度的增加, 形核速率和长大速度均会增大。但前者的增大更快，因而比值N/G也增大, 结果使晶粒细化。第五节 凝固理论的应用 第五节 凝固理论的应用 增大过冷度的主要办法是提高液态金属的

8、冷却速度，采用冷却能力较强的模子。例如采用金属型铸模，比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。 第五节 凝固理论的应用2. 变质处理 变质处理就是在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大，以细化晶粒和改善组织。 例如，在铝合金液体中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝等。 第五节 凝固理论的应用3. 振动 在金属结晶的过程中采用机械振动、超声波振动等方法，可以破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。 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枝，增加结晶核心，从而可细化晶粒。