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1、缺陷结晶第1页，共30页，编辑于2022年，星期二（1 1）点缺陷）点缺陷 晶格发生晶格发生靠拢靠拢或或撑开撑开晶格空位晶格空位间隙原子间隙原子置换原子置换原子晶格畸变晶格畸变 点缺陷的存在，使晶格产生畸变，材料的硬度和点缺陷的存在，使晶格产生畸变，材料的硬度和强度提高了，材料的塑性和韧性降低了。强度提高了，材料的塑性和韧性降低了。结论：结论：第2页，共30页，编辑于2022年，星期二（2 2）线缺陷）线缺陷 线缺陷即晶格中的线缺陷即晶格中的位错位错。位错是指晶体中某。位错是指晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。最简单直观的一种为刃型位错。最
2、简单直观的一种为刃型位错。刃型位错示意图刃型位错示意图 由于右上部分相对于右由于右上部分相对于右下部分的下部分的局部滑移局部滑移，结果，结果在晶格的上半部挤出了一在晶格的上半部挤出了一层多余的原子面，好像在层多余的原子面，好像在晶格中额外插入了半层原晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子子面一样，该多余半原子面的边缘面的边缘EF便为便为位错线位错线。第3页，共30页，编辑于2022年，星期二不锈钢中的位错线不锈钢中的位错线（用透射电镜可观察）（用透射电镜可观察）在金属晶体中，位错线往往大量存在。在金属晶体中，位错线往往大量存在。通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为通常把单位体积中所包
3、含的位错线总长度称为位错密度。一般退火态金属的位错密度约为位错密度。一般退火态金属的位错密度约为105108cm/cm3；冷变形后的金属可达；冷变形后的金属可达1012cm/cm3。第4页，共30页，编辑于2022年，星期二 位错的存在对金属的强度有着重要的影响。位错的存在对金属的强度有着重要的影响。从图中可见，增加或降低位错密度，都能有效地提从图中可见，增加或降低位错密度，都能有效地提高金属强度。理想晶体的强度很高，位错的存在可高金属强度。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度，当位错大量产生后，强度又提高。由于降低强度，当位错大量产生后，强度又提高。由于没有缺陷没有缺陷的晶体很难得到，所
4、以的晶体很难得到，所以生产中一般依靠增加位生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度，错密度来提高金属强度，但塑性随之降低。但塑性随之降低。线缺陷的存在，产生晶格畸变，位错密度达到线缺陷的存在，产生晶格畸变，位错密度达到一定程度，产生位错强化。一定程度，产生位错强化。结论：结论：第5页，共30页，编辑于2022年，星期二（3 3）面缺陷）面缺陷 晶界晶界晶界晶界亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界 晶粒内部也不是完全理想晶粒内部也不是完全理想的晶体，而是由位向差很小的的晶体，而是由位向差很小的亚晶粒亚晶粒(或嵌镶块或嵌镶块)组成的。组成的。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。晶界是不同位向晶
5、界是不同位向晶粒的过度部位，晶粒的过度部位，宽度为宽度为510个原子个原子间距。间距。第6页，共30页，编辑于2022年，星期二 亚晶界亚晶界 亚晶粒亚晶粒（嵌镶块）（嵌镶块）Au-Ni合金的电镜照片合金的电镜照片第7页，共30页，编辑于2022年，星期二结论：结论：面缺陷能提高金属材料的强度和面缺陷能提高金属材料的强度和塑性。细化晶粒是改善金属机械性能塑性。细化晶粒是改善金属机械性能的有效手段。的有效手段。第8页，共30页，编辑于2022年，星期二二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程二、金属的结晶过程 图图3-1 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线 1.1.金属结晶的宏观现象
6、金属结晶的宏观现象 （1 1）过冷现象）过冷现象 实际开始结晶温度实际开始结晶温度T0低于低于理论结晶温度理论结晶温度Tm的现象称为过的现象称为过冷现象。冷现象。T Tm m理论结晶温度（熔点）理论结晶温度（熔点）T T0 0实际结晶温度实际结晶温度过冷度过冷度过冷度过冷度:TTmT0 冷却速度越快，实际结冷却速度越快，实际结晶温度晶温度 T0 越低，越低，T也越也越大大。（2 2）结晶潜热）结晶潜热 第9页，共30页，编辑于2022年，星期二热力学定律：热力学定律：自然界的一切自然界的一切自发转变自发转变过程，总是由过程，总是由 一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。一种较高能量状态趋向
7、于能量最低的稳定状态。自由能自由能F F ：物质能够对外作功的能量。物质能够对外作功的能量。Tm 时，时，F液液 F固固（液固共存）（液固共存）T0 时，时，F液液 F固固（液（液固）固）液体与固体间的自由能液体与固体间的自由能差差F为为结晶驱动力。结晶驱动力。过冷度过冷度是一切物质结晶的必要条件。是一切物质结晶的必要条件。液体和固体自由能随温度的变化液体和固体自由能随温度的变化 所以欲使液体结晶，就必须具有一定所以欲使液体结晶，就必须具有一定过冷度，以提供结晶驱动力。过冷度，以提供结晶驱动力。T越大，越大，F 越大，结越大，结晶驱动力大，结晶倾向愈晶驱动力大，结晶倾向愈大。大。第10页，共3
8、0页，编辑于2022年，星期二（2 2）结晶潜热）结晶潜热 曲线上出现一个平台，曲线上出现一个平台，表示结晶时温度保持不变，表示结晶时温度保持不变，为恒温过程。这是由于结为恒温过程。这是由于结晶潜热释放，抵消了向外晶潜热释放，抵消了向外界散发的热量，而保持结界散发的热量，而保持结晶过程温度不变。晶过程温度不变。金属熔化：固相金属熔化：固相液相液相 吸收热量吸收热量 熔化潜热熔化潜热 结晶时：液相结晶时：液相固相固相 放出热量放出热量 结晶潜热结晶潜热 1 mol物质：物质：1个相个相另一个相时另一个相时 吸收吸收或或放放出热量出热量 相变潜热相变潜热第11页，共30页，编辑于2022年，星期二
9、2.2.金属结晶的微观过程金属结晶的微观过程 （1 1）晶核的形成）晶核的形成结晶过程示意图结晶过程示意图（2 2）晶核的长大）晶核的长大 液体中最初形成的一些作为结晶液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的中心的稳定的微小晶体微小晶体第12页，共30页，编辑于2022年，星期二a a）自发形核）自发形核 在液态金属中，存在大量尺寸不同的在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序短程有序的的原原子集团子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得子集团变得稳定稳定，不再消失，成为，不再消失，成为结晶核心结晶核心。由液态金属内部金属原子自发形成的晶
10、核。由液态金属内部金属原子自发形成的晶核。b b）非自发形核）非自发形核 实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，这些属降到一定温度后，这些杂质能够促进晶核在其表面杂质能够促进晶核在其表面形成形成，这个过程叫非自发形核。，这个过程叫非自发形核。依附于杂质而形成的晶核。依附于杂质而形成的晶核。非自发形核非自发形核在实际金属的结晶中，起优先和主导作用。在实际金属的结晶中，起优先和主导作用。（1 1）晶核的形成）晶核的形成第13页，共30页，编辑于2022年，星期二 晶核形成后，继续冷却，晶核形成后，继续冷却，晶核吸收周围的原子而长大，晶
11、核吸收周围的原子而长大，同时同时，新的晶核不断地形，新的晶核不断地形核和长大，直至相邻晶体核和长大，直至相邻晶体彼此彼此接触接触，液态金属完全，液态金属完全消失，最后得到由许多小消失，最后得到由许多小晶粒组成的多晶体。晶粒组成的多晶体。（2 2）晶核的长大）晶核的长大 纯铁晶体结构纯铁晶体结构第14页，共30页，编辑于2022年，星期二枝状晶枝状晶长大长大结晶完毕结晶完毕 等轴晶等轴晶 实际金属的结晶主要以树枝状长大实际金属的结晶主要以树枝状长大实际金属的结晶主要以树枝状长大实际金属的结晶主要以树枝状长大金金属属的的树树枝枝晶晶冰冰的的树树枝枝晶晶特别提示：特别提示：结晶的一般过程（基本规律）
12、结晶的一般过程（基本规律）形核与长大形核与长大第15页，共30页，编辑于2022年，星期二三、晶粒大小的控制三、晶粒大小的控制三、晶粒大小的控制三、晶粒大小的控制 1.1.晶粒度晶粒度 标准晶粒度共分标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级，一级最粗，八级最细。通过八级最细。通过100倍倍显微镜下的显微镜下的晶粒大小与标准图晶粒大小与标准图对照来评级。对照来评级。晶粒度：晶粒度：表示晶粒大小的指标。表示晶粒大小的指标。晶粒度可用晶粒的平均晶粒度可用晶粒的平均面积面积或平均或平均直径直径表示。表示。第16页，共30页，编辑于2022年，星期二2.2.晶粒大小对金属性能的影响晶粒大小对金属性能的影响 细
13、晶强化图图3-3 3-3 黄铜晶粒尺寸与硬度的关系黄铜晶粒尺寸与硬度的关系 晶粒越细硬晶粒越细硬度越高度越高强化材料的方法之 在高温下（晶界在高温在高温下（晶界在高温下易氧化和流动）工作的下易氧化和流动）工作的金属材料，晶粒过大或过金属材料，晶粒过大或过小都不好。对于制造电小都不好。对于制造电动机和变压器的动机和变压器的硅钢片硅钢片（晶界在腐蚀介质中易（晶界在腐蚀介质中易受侵蚀）来说，其晶粒越大性能越好。受侵蚀）来说，其晶粒越大性能越好。金属的晶粒越细，金属的晶粒越细，常常温下温下的机械性能越好。的机械性能越好。第17页，共30页，编辑于2022年，星期二3.3.晶粒大小的控制晶粒大小的控制
14、（1 1）决定晶粒度的因素）决定晶粒度的因素 结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所以在长大速度相同的情况下，以在长大速度相同的情况下，形核越多，晶粒形核越多，晶粒越细。越细。单位时间单位体积内形成晶核的数目。单位时间单位体积内形成晶核的数目。晶核在单位时间内生长的长度。晶核在单位时间内生长的长度。形核率形核率形核率形核率N N N N长大速度长大速度长大速度长大速度G G G GN N/G G越大，晶粒越细小。越大，晶粒越细小。第18页，共30页，编辑于2022年，星期二c c c c）振动、搅拌等方法）振动、搅拌等方法）振动、搅拌等方法）振动、搅拌等方
15、法（2 2）控制晶粒度的方法）控制晶粒度的方法 a a a a）控制过冷度）控制过冷度）控制过冷度）控制过冷度过冷度过冷度T越大，越大，N/G值越高，晶粒越细小。值越高，晶粒越细小。而冷却速度而冷却速度T 生产上可采用冷却速度生产上可采用冷却速度的方法，来细化晶粒的方法，来细化晶粒提高性能。如降低铸造温度，用金属型代替砂提高性能。如降低铸造温度，用金属型代替砂型等。型等。b b b b）变质处理）变质处理）变质处理）变质处理第19页，共30页，编辑于2022年，星期二钢锭的组织及其宏观缺陷钢锭的组织及其宏观缺陷镇静钢镇静钢沸腾钢沸腾钢半镇静钢半镇静钢第20页，共30页，编辑于2022年，星期二
16、1.镇静钢镇静钢 钢液在钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右左右,成成分较均匀、组织较致密。主要用于机分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。械性能要求较高的零件。第21页，共30页，编辑于2022年，星期二2.沸腾钢沸腾钢 钢液在钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo=0.03%0.07%，成分偏析较严重、成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧冲击韧性差性差,常用于要求不高的零件。常用于要求不高的零件。第22页，共30页，编辑于2022年，星期二3.半镇静钢半
17、镇静钢 半镇静钢是半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间行脱氧。其质量也介于二者之间,可代可代替部分镇静钢替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。一般不适于做重要零件。第23页，共30页，编辑于2022年，星期二二、铸锭二、铸锭(件件)组织与缺陷组织与缺陷在实际生产中，液态金属被浇注到在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。模具中成型则得到铸件。铸锭铸锭(件件)的组织及其存在的缺陷对其加的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有
18、着直接的影响。工和使用性能有着直接的影响。1 1、铸锭、铸锭(件件)的组织的组织铸锭铸锭(件件)的宏观组织通常由三个区组成的宏观组织通常由三个区组成:第24页，共30页，编辑于2022年，星期二 表层细晶区：表层细晶区：浇注时，浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒面形成一层很细的等轴晶粒区。区。第25页，共30页，编辑于2022年，星期二 柱状晶区：柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定晶区前沿液体的过冷度减小，
19、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。成柱状晶区。第26页，共30页，编辑于2022年，星期二中心等轴晶区中心等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散热速度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实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式以下时，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。形成许多尺寸较大的等轴晶粒。第27页，共30页，编辑于2022年，星期二2、铸造缺陷、铸造缺陷铸造缺
20、陷的类型较多，常见的有缩铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔孔、气孔、疏松气孔、疏松、偏析偏析、夹渣夹渣、白点白点等，它们对性能是有害的等，它们对性能是有害的.缩孔：缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除轧前应切除.疏松：疏松：缩孔缩孔疏疏松松第28页，共30页，编辑于2022年，星期二偏析：偏析：合金中各部分化学合金中各部分化学成分不均匀的现象称为成分不均匀的现象称为偏析。偏析。铸锭铸锭(件件
21、)在结晶时在结晶时,由于各部由于各部位结晶先后顺序不同，合金位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成结晶区，造成宏观上的成分宏观上的成分不均匀，称宏观偏析不均匀，称宏观偏析。适当控适当控制浇注温度和结晶速度可减轻制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果硫在钢锭中偏析的模拟结果第29页，共30页，编辑于2022年，星期二气孔气孔:气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件件)中的气泡中的气泡.铸锭中的铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气孔需要切除。孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。铸件中出现气孔则只能报废。铸件中的气孔铸件中的气孔第30页，共30页，编辑于2022年，星期二