第2章 晶体结构与结晶.ppt

第二章 晶体结构与结晶
教学内容
金属及其合金的结构与结晶
教学要求
- 掌握金属材料的晶体结构和金属的三种典型晶格结构。
- 掌握纯金属和合金的结晶
重点
- 晶体结构基本概念、金胶等是由很长的、卷曲的、并且互相缠结在一起的有机高分子组成。然而，有些高分子聚合物却表现出一定的结晶性，在它们的某些部分，长分子链是有规则的、互相平行地排列着。所以也称为结晶。
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。
玻璃制品
水晶
第四节 金属的结晶
最常用的是热分析法。
一、结晶的概念
结晶—金属由液态变为固态晶体的过程。
T1 —— 实际结晶温度
T0 —— 理论结晶温度
实践证明，金属都是在一定的过冷度下结晶的，所以过冷是金属结晶的必要条件。
过冷—实际结晶温度低于理论结晶温度的 现象。
过冷度：△T＝T0－T1
冷速↑，T1↓—— △T↑，结晶能力↑
雾凇
二、金属的结晶过程
结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.
T＜T0 时 晶核 ───→ 长大
吸附
周围原子
同 时
新晶核 ─→ 长大
同 时
…………
实际金属结晶主要以树枝状长大.
这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大的实际观察
金属的树枝晶
金属的树枝晶
金属的树枝晶
冰的树枝晶
三、影响生核与长大的因素
控制结晶过程
①形核率N↑
②长大速度 G↓
─→ 细化晶粒
(一)过冷度的影响
金属结晶时，形核率和长大速度都决定于过冷度。在一般的液体金属的过冷范围内，过冷度愈大，形核率愈高，则长大速度相对较小，金属凝固后得到的晶粒就愈细；当缓慢冷却时，过冷度小，晶粒就粗大。
形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。
由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。
以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。
均匀形核
非均匀形核示意图
（二）难熔杂质的影响
所以，某些高熔点的杂质，特别是当杂质的晶体结构与金属的晶体结构有某些相似时，将强烈地促使非自发形核，大大提高形核率。
（三）晶粒大小及控制
（1）晶粒度的概念
晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目或单位面积上晶粒的数目表示。也可以用晶粒的平均线长度（或直径）表示。
影响晶粒度的主要因素是形核率和长大速度。
N愈大，结晶后的晶粒愈多，晶粒就愈细小。
若N不变，晶粒的G愈小，则结晶所需的时间愈长，能生产的核心愈多，晶粒就愈细。
标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。
（2）晶粒大小的控制
①增加过冷度 ─→ 冷速↑△T↑结晶能力↑形核数↑
②变质处理 ─→ 难熔颗粒 ─→ 充当晶核
└─→ 阻止晶核长大
③振动处理 ─→ 振动 ─→ 大晶核破裂 ─→ 细小晶核
气轮机转子的宏观组织(纵截面)
细晶的熔模铸件(上)
普通铸件(下)
Al-Si合金组织
缓冷
快冷
未变质
变质
铸铁变质处理前后的组织
变质处理前
变质处理后
变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。
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。
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。
晶粒大小与金属强度的关系
单晶叶片
s= i+Kd-1/2
四、金属的同素异构性
纯铁的同素异构转变
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。同素异晶转变属于相变之一—固态相变。
例如铁、钴、锡、锰等。
L δ-Fe γ-Fe α-Fe
1538℃
1394℃
912℃
体心立方
体心立方
面心立方
纯铁的同素异构转变
-Fe
-Fe
金属的同素异构转变是通过原子的重新排列来完成的，实质上是一个重结晶过程。
遵循液态金属结晶的一般规律：
- 有一定的转变温度
- 转变时需要过冷
- 有潜热释放
- 转变过程也是通过形核和晶