纯金属结晶课件.ppt

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1、纯金属结晶纯金属结晶9/28/20221第1页，此课件共42页哦上讲内容回顾上讲内容回顾点缺陷点缺陷l l 空位空位l l间隙原子间隙原子l l置换原子置换原子置换原子置换原子位错位错n 刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错 n n 螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错n柏氏矢量柏氏矢量9/28/2022第2页，此课件共42页哦第一章第一章金属的晶体结构金属的晶体结构1-1 金属金属1-2 金属的晶体结构金属的晶体结构1-3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构本章作业本章作业9/28/2022第3页，此课件共42页哦1-3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构一、点缺陷一、点缺陷一、点缺陷一、点缺陷

2、二二、线线缺缺陷陷：在在两两个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小，而而另另一一个个方方向向上上尺寸较大的缺陷。主要是位错。尺寸较大的缺陷。主要是位错。三三三三、面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷：在在一一个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小，而而另另外外两两个个方方向向上上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。四四、体体缺缺陷陷：在在在在三三三三维维维维方方方方向向向向上上上上尺尺尺尺度度度度都都都都较较较较大大大大的的的的缺缺缺缺陷陷陷陷，又又又又称称称称三三三三维维维维缺缺缺缺陷。如沉淀相、空洞等。陷。如沉淀相、空洞等。陷。如沉淀相、空洞等。陷。如沉淀相、空洞等。返返

3、回回9/28/2022第4页，此课件共42页哦主要内容主要内容 1.刃型位错刃型位错 2.螺型位错螺型位错3.柏氏矢量柏氏矢量 4.位错密度位错密度二、二、线缺陷（位错）线缺陷（位错）返返 回回9/28/20225第5页，此课件共42页哦3.柏氏矢量柏氏矢量 柏氏矢量的概念柏氏矢量的概念 柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法 柏氏矢量的物理意义柏氏矢量的物理意义 柏氏矢量的特性柏氏矢量的特性 混合位错混合位错返返 回回9/28/2022第6页，此课件共42页哦 混合位错混合位错实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状也会变化，曲线上任意一点的位

4、错线的方向用该状也会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏点的切线方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量时，这种位错叫氏矢量时，这种位错叫混合位错混合位错混合位错混合位错。由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际由于位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以实际晶体中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面晶体中位错不能终止在晶内，只能终止在内外表面（露头），在晶内只能自身封闭成环或结成三维位（露头），在晶内只能自身封闭成环或结成三维位错网络。错网络。9/28/2022第7页，此课件共42页哦形成位错环时，位错性质类型的确定：形成位错环时，位错性质类

5、型的确定：ABAB、CDCD段段段段 b b b b 刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错ABAB段：正刃；段：正刃；段：正刃；段：正刃；CDCD段：负刃段：负刃段：负刃段：负刃BCBC、DADA段段段段 b b b b 螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错BCBC段：右螺；段：右螺；段：右螺；段：右螺；DADA段：左螺段：左螺段：左螺段：左螺A A点：左螺，点：左螺，点：左螺，点：左螺，B B点：正刃点：正刃点：正刃点：正刃C C点：右螺，点：右螺，点：右螺，点：右螺，D D点：负刃点：负刃点：负刃点：负刃其它为混其它为混其它为混其它为混 A AB BC CD Db b b b图图图图1-56 1-

6、56 确定位错环的位错性质类型确定位错环的位错性质类型确定位错环的位错性质类型确定位错环的位错性质类型b b b bA AB BC CD D9/28/2022第8页，此课件共42页哦可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出来。可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出来。可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出来。可以通过一些物理的和化学的方法将晶体中的位错显示出来。通常的方法有：通常的方法有：通常的方法有：通常的方法有：n n 侵蚀法侵蚀法侵蚀法侵蚀法n n 电镜观察（图电镜观察（图电镜观察（图电镜观察（图1-57）n n X X射线衍射间接检查位错射线衍射间接检

7、查位错射线衍射间接检查位错射线衍射间接检查位错返返 回回图图图图1-57 1-57 电镜下焊缝金属中电镜下焊缝金属中电镜下焊缝金属中电镜下焊缝金属中AFAF内位错内位错内位错内位错9/28/2022第9页，此课件共42页哦4.位错密度位错密度晶体中位错量的多少用位错密度来表示。晶体中位错量的多少用位错密度来表示。位错密度位错密度：单位体积中位错线的总长度或通过单位：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积的位错数目。面积的位错数目。位错密度，位错密度，m-2；V 晶体的体积；晶体的体积；L 晶体中位错的总长度晶体中位错的总长度一般充分退火的多晶体金属中，一般充分退火的多晶体金属中，1010101

8、2m-2 经剧烈冷塑性变形金属中，经剧烈冷塑性变形金属中，10151016m-2，即在，即在13 的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。的金属内，含有的位错总长度达千百万公里。9/28/2022第10页，此课件共42页哦位错的存在和密度的大小对机械性位错的存在和密度的大小对机械性能、扩散及相变有重要的影响，如能、扩散及相变有重要的影响，如图图1-581-58所示。所示。若金属晶体不含位错，将接近理论强若金属晶体不含位错，将接近理论强若金属晶体不含位错，将接近理论强若金属晶体不含位错，将接近理论强度度度度T=G/2。如直径为如直径为1.61.6mm的铁晶须的铁晶须（位错密度极低），其（位错密度

9、极低），其 b b=13400=13400 MPaMPa；有位错存在强度大大下降有位错存在强度大大下降，退火纯，退火纯，退火纯，退火纯铁的铁的铁的铁的 10101010101111mm-2，b b=300 MPa；经合金化、冷变形、热处理强化后经合金化、冷变形、热处理强化后经合金化、冷变形、热处理强化后经合金化、冷变形、热处理强化后1015151016mm-2-2，b b=3000MPa。m 1234图图图图1-58 1-58 晶体的塑变抗晶体的塑变抗晶体的塑变抗晶体的塑变抗力与力与力与力与 的关系的关系的关系的关系11理论强度理论强度理论强度理论强度22晶须强度晶须强度晶须强度晶须强度33未

10、强化纯金属强度未强化纯金属强度未强化纯金属强度未强化纯金属强度44合金化、冷变形、热处合金化、冷变形、热处合金化、冷变形、热处合金化、冷变形、热处理的合金强度理的合金强度理的合金强度理的合金强度返返 回回9/28/2022第11页，此课件共42页哦三、面缺陷三、面缺陷面面缺缺陷陷包包括括外外表表面面（表表面面和和自自由由界界面面）和和内内表表面面（晶晶界界、亚亚晶晶界界、孪孪晶晶界界、堆堆垛垛层层错错和和相相界界等等）。面面缺缺陷陷对对材材料料的力学和物理化学性能具有重要影响。的力学和物理化学性能具有重要影响。1.1.晶体表面晶体表面 2.2.晶界晶界晶界晶界 3.3.亚晶界亚晶界 4.堆垛层

11、错堆垛层错 5.5.相界相界相界相界 6.晶界特性晶界特性返返 回回9/28/2022第12页，此课件共42页哦1.晶体表面晶体表面晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同晶体外表面上的原子与内部原子所处的环境不同。在内部，。在内部，。在内部，。在内部，每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、液等原每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、液等原每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、液等原每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、液等原子或分子包围，内部原子的作用力比外表面的原子大，内子或分子包

12、围，内部原子的作用力比外表面的原子大，内子或分子包围，内部原子的作用力比外表面的原子大，内子或分子包围，内部原子的作用力比外表面的原子大，内外受力不平衡，使表面原子偏离平衡位置，引起晶格畸变，外受力不平衡，使表面原子偏离平衡位置，引起晶格畸变，外受力不平衡，使表面原子偏离平衡位置，引起晶格畸变，外受力不平衡，使表面原子偏离平衡位置，引起晶格畸变，使表面能量升高，出现额外的自由能，即使表面能量升高，出现额外的自由能，即使表面能量升高，出现额外的自由能，即使表面能量升高，出现额外的自由能，即表面能表面能。与表与表面张力同量纲、同数值面张力同量纲、同数值。单位为。单位为J J 或或N/mN/m。9/

13、28/2022第13页，此课件共42页哦影响表面能的因素：影响表面能的因素：表面原子密度表面原子密度 表面原子密度越大，表面能越小。因此，表面原子密度越大，表面能越小。因此，表面原子密度越大，表面能越小。因此，表面原子密度越大，表面能越小。因此，晶体易使密排面裸露在表面。晶体易使密排面裸露在表面。晶体易使密排面裸露在表面。晶体易使密排面裸露在表面。表面曲率半径表面曲率半径表面曲率半径表面曲率半径 表面曲率半径越大，曲率越小，表面能表面曲率半径越大，曲率越小，表面能越小，反之，亦然。越小，反之，亦然。外部介质性质外部介质性质 外部介质的分子或原子对晶体界面原子外部介质的分子或原子对晶体界面原子外

14、部介质的分子或原子对晶体界面原子外部介质的分子或原子对晶体界面原子的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，的作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，则表面能越大。则表面能越大。则表面能越大。则表面能越大。晶体的性质晶体的性质晶体的性质晶体的性质 晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能大。大。大。大。返返 回回9/28/2022第14页，此课件共42页哦2.晶界晶界实际金属是

15、多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向不同，位向差小到几十分大到几十度。向不同，位向差小到几十分大到几十度。两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面叫两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面叫两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面叫两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面叫晶界。晶界。小角度晶界小角度晶界晶粒的位相差小于晶粒的位相差小于晶粒的位相差小于晶粒的位相差小于10的晶界称为的晶界称为小角度晶界小角度晶界。小角度晶界小角度晶界小角度晶界小角度晶界是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾是由一系列位错排列而成。如刃型对称倾侧晶界（侧晶界（图图图图1-59），螺型

16、扭转晶界（），螺型扭转晶界（），螺型扭转晶界（），螺型扭转晶界（图图1-601-60）。）。9/28/2022第15页，此课件共42页哦 大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界晶粒的位相差大于晶粒的位相差大于1010的晶界称为的晶界称为的晶界称为的晶界称为大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界。大约有大约有3 35 5个原子间距原子排列，个原子间距原子排列，规则性较差，晶格畸变很大，可规则性较差，晶格畸变很大，可以认为处于由一个晶粒向另一个以认为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向过渡的折中位置（图晶粒位向过渡的折中位置（图1-61）。）。）。）。大角度晶界还可能有大角度晶界还可能有大角度晶界还

17、可能有大角度晶界还可能有共格晶界共格晶界：晶：晶界上的原子正好处于两晶粒的共界上的原子正好处于两晶粒的共同结点上（图同结点上（图1-62）图图图图1-61 1-61 大角度晶界大角度晶界大角度晶界大角度晶界图图图图1-62 1-62 共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界返返 回回9/28/2022第16页，此课件共42页哦图图图图1-59 1-59 对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界及其形成示意图对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界的形成对称倾侧晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界位错墙位错墙倾侧前倾侧前倾侧

18、后倾侧后返返 回回9/28/2022第17页，此课件共42页哦返返 回回图图图图1-60 1-60 螺型扭转晶界螺型扭转晶界螺型扭转晶界螺型扭转晶界9/28/2022第18页，此课件共42页哦3.亚晶界亚晶界每个晶粒内部位向也有微每个晶粒内部位向也有微小的差别，由许多位向差小的差别，由许多位向差很小的小区域（亚晶粒）很小的小区域（亚晶粒）组成，位向差仅几分，最组成，位向差仅几分，最多多1-21-2，如图，如图，如图，如图1-631-63所示。所示。所示。所示。亚晶粒之间的边界叫亚晶粒之间的边界叫亚晶粒之间的边界叫亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界。亚晶界。亚晶界。实验证实，亚晶界属于小实验证实，

19、亚晶界属于小角度晶界。角度晶界。图图图图1-63 1-63 亚晶界结构示意图亚晶界结构示意图亚晶界结构示意图亚晶界结构示意图返返 回回9/28/2022第19页，此课件共42页哦4.堆垛层错堆垛层错 概念：概念：实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成实际晶体中，晶面堆垛次序发生局部差错而形成的晶体缺陷，称为的晶体缺陷，称为的晶体缺陷，称为的晶体缺陷，称为堆垛层错堆垛层错，简称为，简称为层错层错层错层错。形式：形式：fccfcc晶格，原子的堆垛次序为晶格，原子的堆垛次序为ABC ABABC ABC ABC 层

20、错：层错：ABC AB ABC 影响：影响：层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。层错能：层错能：层错能：层错能：产生单位面积层错所需的能量，称之。产生单位面积层错所需的能量，称之。返返 回回9/28/2022第20页，此课件共42页哦5.相界相界合金的组织往往由多个相组合金的组织往往由多个相组成成。不同的相具有不同的。不同的相具有不同的晶体结构和化学成分。晶体结构和化学成分。具有不同晶体结构的两相具有不同晶体结构的两相之间的分界叫之间的分界叫相界相

21、界相界相界。相界结构有三种：相界结构有三种：共格界面共格界面共格界面共格界面、半共格界面半共格界面半共格界面半共格界面和和和和非共格界面非共格界面 。如图如图如图如图1-641-64所示。所示。所示。所示。返返 回回具有完善共格关系的具有完善共格关系的界面界面能量最低界面界面能量最低具有弹性畸变具有弹性畸变的共格界面的共格界面半共格界面半共格界面半共格界面半共格界面界面能量最高界面能量最高图图图图1-64 1-64 各种相界面结构示意图各种相界面结构示意图各种相界面结构示意图各种相界面结构示意图9/28/2022第21页，此课件共42页哦6.晶界特性晶界特性晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很

22、不规则，晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶格畸变很大，位错密度高，具有一定的晶格畸变很大，位错密度高，具有一定的界面能界面能界面能界面能或或或或晶晶界能界能。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许多过程都有重要作用。的许多过程都有重要作用。由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存在由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存在由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存在由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存在，使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。使晶界具有一系列不同于晶粒内部的特性。9/28/2022第22页，此课件

23、共42页哦 由由由由于于于于界界界界面面面面能能能能的的的的存存存存在在在在，当当当当晶晶晶晶体体体体中中中中存存存存在在在在能能能能降降降降低低低低界界界界面面面面能能能能的的的的异异异异类类类类原原原原子时，这些原子将向晶界偏聚，这种现象叫子时，这些原子将向晶界偏聚，这种现象叫子时，这些原子将向晶界偏聚，这种现象叫子时，这些原子将向晶界偏聚，这种现象叫内吸附内吸附。晶晶晶晶界界界界上上上上原原原原子子子子具具具具有有有有较较较较高高高高的的的的能能能能量量量量，且且且且存存存存在在在在较较较较多多多多的的的的晶晶晶晶体体体体缺缺缺缺陷陷陷陷，使原子的使原子的使原子的使原子的扩散速度比晶粒内

24、部快得多扩散速度比晶粒内部快得多。常常温温下下，晶晶界界对对位位错错运运动动起起阻阻碍碍作作用用，故故故故金金金金属属属属材材材材料料料料的的的的晶晶晶晶粒粒粒粒越越越越细细细细，则则则则单单单单位位位位体体体体积积积积晶晶晶晶界界界界面面面面积积积积越越越越多多多多，其其其其强强强强度度度度，硬硬硬硬度越高度越高度越高度越高晶界强化晶界强化晶界强化晶界强化。9/28/2022第23页，此课件共42页哦 晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化晶界熔点比晶内低，高温下弱化，易腐蚀、氧化。晶晶晶晶界界界界能能能

25、能量量量量高高高高，不不不不稳稳稳稳定定定定，有有有有自自自自发发发发向向向向低低低低能能能能状状状状态态态态转转转转变变变变的的的的趋趋趋趋势势势势，导导导导致致致致晶晶晶晶界界界界的的的的移移移移动动动动晶晶粒粒长长大大。晶晶晶晶界界界界平平平平直直直直化化化化，以以以以减减减减小小小小晶晶晶晶界界界界的的的的总总总总面面面面积积积积和和和和总总总总界界界界面面面面能能能能。能能能能量量量量越越越越高高高高的的的的大大大大角角角角度度度度晶晶晶晶界界界界迁迁迁迁移移移移越越越越快快快快。由由由由于于于于晶晶晶晶界界界界迁迁迁迁移移移移靠靠靠靠原原原原子子子子扩扩扩扩散散散散，故故故故只只只

26、只有有有有在在在在较较较较高高高高温温温温度度度度下下下下才才才才能能能能进进进进行。行。行。行。由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界由于晶界具有较高能量，固态相变时优先在母相晶界上形核。上形核。返返 回回9/28/2022第24页，此课件共42页哦本章作业本章作业课本课本P31-32第一次作业：第一次作业：1-1、1-2、1-3第二第二 次作业：次作业：1-5、1-7、1-8第三次作业：第三次作业：1-10、1-13、1-15第二章第二章9/28/2022第25页，此课件共42页哦第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶物质从液态到固态的转变过程称为物质从液态到固态的转变过程称为物质

27、从液态到固态的转变过程称为物质从液态到固态的转变过程称为凝固凝固。若凝固后的物。若凝固后的物质为晶体，则称之为质为晶体，则称之为结晶结晶。金属及其合金都是晶体，所。金属及其合金都是晶体，所。金属及其合金都是晶体，所。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是以它们的凝固过程就是以它们的凝固过程就是以它们的凝固过程就是结晶结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。，可为其它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金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。9/28/202

28、2第26页，此课件共42页哦金属冶炼金属冶炼9/28/2022第27页，此课件共42页哦9/28/2022第28页，此课件共42页哦2-1 金属结晶的现象金属结晶的现象2-2 金属结晶的基本条件金属结晶的基本条件2-3 晶核的形成晶核的形成2-4 晶核长大晶核长大2-5 金属铸锭的组织与缺陷金属铸锭的组织与缺陷第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶9/28/2022第29页，此课件共42页哦2-1 金属结晶的现象金属结晶的现象一、结晶过程的宏观现象一、结晶过程的宏观现象相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲相关热分析实验（液态金属缓

29、慢而均匀冷却，记录冷却曲相关热分析实验（液态金属缓慢而均匀冷却，记录冷却曲线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：1.过冷现象过冷现象2.结晶潜热结晶潜热二、金属结晶的微观过程二、金属结晶的微观过程返返 回回9/28/2022第30页，此课件共42页哦1.过冷现象过冷现象液态金属冷却到理论结晶温度液态金属冷却到理论结晶温度T Tm时并不结晶，而是降到低于时并不结晶，而是降到低于时并不结晶，而是降到低于时并不结晶，而是降到低于T Tm 的的的的温

30、度温度温度温度T Tn才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。金属的实际结金属的实际结金属的实际结金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的晶温度总是低于其理论结晶温度的晶温度总是低于其理论结晶温度的晶温度总是低于其理论结晶温度的现象称为现象称为现象称为现象称为过冷过冷过冷过冷。金属材料理论结晶温度与实际结金属材料理论结晶温度与实际结晶温度之差称为晶温度之差称为过冷度过冷度，用，用，用，用T表示，则表示，则T=T TmmT Tn n，如图，如图2-12-1所示。所示。图图图图2-1 2-1 纯金属结晶冷却纯金属结晶冷却纯金属结晶冷却纯金属结晶冷却曲线曲线曲线曲线TmTn9/28/202

31、2第31页，此课件共42页哦结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔开结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔开结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔开结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔开的晶体界面而消耗能量。所以，只有当液体的过冷度的晶体界面而消耗能量。所以，只有当液体的过冷度的晶体界面而消耗能量。所以，只有当液体的过冷度的晶体界面而消耗能量。所以，只有当液体的过冷度达到一定的大小，使结晶的动力大于建立界面所需要达到一定的大小，使结晶的动力大于建立界面所需要达到一定的大小，使结晶的动力大于建立界面所需要达到一定的大小，使结晶的动力大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程

32、才能开始进行。的表面能时，结晶过程才能开始进行。的表面能时，结晶过程才能开始进行。的表面能时，结晶过程才能开始进行。9/28/2022第32页，此课件共42页哦过冷度的大小与金属的本性、纯过冷度的大小与金属的本性、纯过冷度的大小与金属的本性、纯过冷度的大小与金属的本性、纯度及冷却速度有关。度及冷却速度有关。度及冷却速度有关。度及冷却速度有关。金属不同，过冷度不同；金属不同，过冷度不同；金属不同，过冷度不同；金属不同，过冷度不同；金属纯度越高，过冷度越大；金属纯度越高，过冷度越大；金属纯度越高，过冷度越大；金属纯度越高，过冷度越大；以上两个因素确定后，过冷度主以上两个因素确定后，过冷度主要与冷却

33、速度有关，要与冷却速度有关，冷却速度越冷却速度越冷却速度越冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度越快，实际结晶温度越低，过冷度越快，实际结晶温度越低，过冷度越快，实际结晶温度越低，过冷度越大；冷却越慢，过冷度越小，大；冷却越慢，过冷度越小，大；冷却越慢，过冷度越小，大；冷却越慢，过冷度越小，但但但但不不不不可能在理论温度结晶可能在理论温度结晶可能在理论温度结晶可能在理论温度结晶。如图。如图2-2所所所所示。示。示。示。图图图图2-2 2-2 液态金属不同冷速时的液态金属不同冷速时的液态金属不同冷速时的液态金属不同冷速时的冷却曲线冷却曲线冷却曲线冷却曲线 9/28/2022第33页，此课件共42

34、页哦液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于理论结晶温度时结晶。于理论结晶温度时结晶。这时的过冷度接近于零。这时的过冷度接近于零。金属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所金属的晶体结构比较简单，并且总含有杂质，所以实际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几以实际金属的过冷能力不大，过冷度一般只有几度，常常不超过度，常常不超过1030。注意：注意：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定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。的过冷度下进行。的过冷度下进行

35、。的过冷度下进行。返返 回回9/28/2022第34页，此课件共42页哦2.结晶潜热结晶潜热 相变潜热相变潜热：1 1摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为着放出或吸收的热量称为着放出或吸收的热量称为着放出或吸收的热量称为相变潜热相变潜热。熔化潜热：熔化潜热：熔化潜热：熔化潜热：金属熔化时，从固相到液相金属熔化时，从固相到液相金属熔化时，从固相到液相金属熔化时，从固相到液相吸收吸收吸收吸收热量称为热量称为热量称为热量称为熔熔化潜热化潜热。结晶潜热：结晶潜热：液

36、态金属凝固时，从液态到固相液态金属凝固时，从液态到固相放出放出热量热量称为称为结晶潜热结晶潜热结晶潜热结晶潜热。9/28/2022第35页，此课件共42页哦冷却曲线（图冷却曲线（图冷却曲线（图冷却曲线（图2-3）上出）上出现水平台阶，说明现水平台阶，说明纯金纯金属结晶是在恒温下进行属结晶是在恒温下进行。因为结晶时放出结晶潜因为结晶时放出结晶潜热，弥补了热量的散失。热，弥补了热量的散失。曲线上曲线上1点对应结晶开始点对应结晶开始点，点，2点对应结晶终了点。点对应结晶终了点。在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散失的热量，温度将会回升，甚至

37、发生已结晶的局部区域失的热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现象。的重熔现象。图图图图2-3 2-3 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线返返 回回TmTn129/28/2022第36页，此课件共42页哦二、金属结晶的微观过程二、金属结晶的微观过程1.1.结晶的基本过程：结晶的基本过程：形核长大。如图形核长大。如图2-4所示。所示。2.2.描述结晶进程的两个参数描述结晶进程的两个参数形核率：形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用用N表示。表示。表示。表示。长大速度：长大速度：长大速度：长大速度：晶核生

38、长过程中，液固界面在垂直界面方向上单晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用位时间内迁移的距离。用位时间内迁移的距离。用位时间内迁移的距离。用GG表示。表示。表示。表示。图图图图2-4 2-4 纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图纯金属结晶过程示意图返返 回回9/28/2022第37页，此课件共42页哦 2-2 结晶的基本条件结晶的基本条件 为为为为什什什什么么么么必必必必须须须须降降降降到到到到理理理理论论论论结结结结晶晶晶晶温温温温度度度度以以以以下下下下一一

39、一一定定定定温温温温度度度度才才才才能能能能结结结结晶晶晶晶呢呢呢呢？因因因因为为为为结结结结晶晶晶晶必必必必须须须须具具具具备备备备两两两两个个个个条条条条件件件件：能能能能量量量量条条条条件件件件（热热热热力力力力学学学学条件）和结构条件（相起伏）条件）和结构条件（相起伏）条件）和结构条件（相起伏）条件）和结构条件（相起伏）。一、金属结晶的热力学条件一、金属结晶的热力学条件二、金属结晶的结构条件二、金属结晶的结构条件返返 回回9/28/2022第38页，此课件共42页哦一、金属结晶的热力学条件一、金属结晶的热力学条件根根根根据据据据热热热热力力力力学学学学第第第第二二二二定定定定律律律律，

40、等等等等温温温温等等等等压压压压条条条条件件件件下下下下，系系系系统统统统总总总总是是是是自自自自发发发发地地地地从从从从自自自自由由由由能能能能较较较较高高高高的的的的状状状状态态态态向向向向自自自自由由由由能能能能较较较较低低低低的的的的状状状状态态态态转转转转变变变变。在在在在相相相相变变变变过过过过程程程程中中中中只只只只有有有有新新新新相相相相的的的的自自自自由由由由能能能能低低低低于于于于旧旧旧旧相相相相的的的的自自自自由由由由能能能能时时时时相相相相变变变变才才才才能能能能自自自自发发发发进进进进行行行行。新新新新旧旧旧旧相相相相自自自自由由由由能能能能差差差差就就就就是是是是相

41、相相相变变变变的的的的驱驱驱驱动力（图动力（图动力（图动力（图2-52-5）。）。图图图图2-4 2-4 液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能 温度示意图温度示意图温度示意图温度示意图（G G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）点点击击9/28/2022第39页，此课件共42页哦关于关于G-T曲线：曲线：是下降上凸曲线，随着温度的降是下降上凸曲线，随着温度的降是下降上凸曲线，随着温度的降是下降上凸曲线，随着温度的降低，自由能降低。低，自由能降低。低，自由能降低。低，自由能降低。液相曲线斜率大于固相，表明液相曲线斜率大于固相，表明随着温度的降低，液相自由能随着温度的降低，液相自由

42、能降低的更快些。降低的更快些。液、固相冷却曲线交点对应的液、固相冷却曲线交点对应的温度为两相共存温度，即温度为两相共存温度，即理论结理论结理论结理论结晶温度晶温度晶温度晶温度Tm。液相金属结晶的实际温度低于液相金属结晶的实际温度低于液相金属结晶的实际温度低于液相金属结晶的实际温度低于Tmm，两相自由能差，两相自由能差，两相自由能差，两相自由能差G Gv为金属结晶为金属结晶为金属结晶为金属结晶的的的的驱动力驱动力。图图图图2-4 2-4 液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能 温度示意图温度示意图温度示意图温度示意图（G G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）9/28/2022第4

43、0页，此课件共42页哦热力学条件：热力学条件：式中式中式中式中 G Gv v-液、固相自由能差液、固相自由能差液、固相自由能差液、固相自由能差 T T-过冷度过冷度过冷度过冷度 L Lmm-结晶潜热结晶潜热结晶潜热结晶潜热 T Tmm-理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度理论结晶温度T 0,G Gv v 0，过冷是结晶的过冷是结晶的过冷是结晶的过冷是结晶的必要条件（之一）必要条件（之一）必要条件（之一）必要条件（之一）。Gv v的绝对值为凝固过程的驱的绝对值为凝固过程的驱动力。动力。T T 越大越大,Gv越小，驱动力越越小，驱动力越越小，驱动力越越小，驱动力越大，越有利于结晶。大，越有利于结晶

44、。大，越有利于结晶。大，越有利于结晶。图图图图2-4 2-4 液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能液、固相自由能 温度示意图温度示意图温度示意图温度示意图（G G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）返返回回返返 回回9/28/2022第41页，此课件共42页哦二、金属结晶的结构条件二、金属结晶的结构条件金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？核是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液它是怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对于深入理解结晶时的形核和长大过程十构，对于深入理解结晶时的形核和长大过程十构，对于深入理解结晶时的形核和长大过程十构，对于深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。分重要。分重要。分重要。9/28/2022第42页，此课件共42页哦