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1、 1/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy工程材料学工程材料学主讲人：李涛主讲人：李涛 2/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy绪论绪论1、工程材料及其发展概况：、工程材料及其发展概况：工程材料工程材料：与工程有关的材料，包括：金属材料、：与工程有关的材料，包括：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类。高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类。发展史：发展史：2、学习内容：、学习内容：本书中将介绍：金属学、热处理原理与工艺、金本书中将介绍：金属学、热处理原理与工艺、金属材料三部分的内容；属材料三部分的内容；
2、金属学金属学：介绍：介绍晶体结构与结晶晶体结构与结晶、二元合金二元合金相图相图、铁碳合金相图铁碳合金相图、金属的塑性变金属的塑性变形和再结晶形和再结晶。3/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy热处理原理与工艺：热处理原理与工艺：热处理：将金属在固态下加热到预定温度、并热处理：将金属在固态下加热到预定温度、并在该温度下保温一段时间，然后以一定的速度在该温度下保温一段时间，然后以一定的速度冷却下来的热加工工艺。冷却下来的热加工工艺。本书中将介绍有关热处理原理与工艺的一些知本书中将介绍有关热处理原理与工艺的一些知识（识（钢的热处理钢的热处理）。）。金属材料：
3、金属材料：研究合金钢的成分、组织、性能、研究合金钢的成分、组织、性能、特点等（特点等（合金钢合金钢）。）。4/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgyn学习重点：学习重点：n一个中心：一个中心：金属及合金的成分、组织结构间的变化规律；n二个图形二个图形：相图、曲线；n五大转变：五大转变：珠光体转变、奥氏体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变；n四把大火：四把大火：正火、退火、淬火、回火；n八大钢种：八大钢种：渗碳钢、调质钢、轴承钢、刃具钢、模具钢、量具钢、特殊性能钢。5/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy3、学
4、习方法：、学习方法：课堂上的内容应当堂消化课堂上的内容应当堂消化温故而知新温故而知新4、学习特点：、学习特点：概念性强；概念性强；连贯性强；连贯性强；实践性强；实践性强；抽象性强；抽象性强；参考书：参考书：金属材料及热处理金属材料及热处理 史美堂主编、史美堂主编、工程材工程材料学料学 燕来生主编、金属学与热处理燕来生主编、金属学与热处理 崔忠圻主编崔忠圻主编教材：教材：工程材料工程材料陈积伟陈积伟 机械工业出版社；机械工业出版社；6/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy第一章第一章 金属的晶体结构和结晶金属的晶体结构和结晶n第一节第一节 金属的晶体结构
5、金属的晶体结构n1、晶体的概念：、晶体的概念：n1.1晶体：内部的原子呈一定规律重复排列着的固态物晶体：内部的原子呈一定规律重复排列着的固态物质。书质。书P2图图1-1；例如：钻石、冰等。；例如：钻石、冰等。1.2晶体的特性晶体的特性：有一定的熔点；各向异性：有一定的熔点；各向异性晶体晶体非晶体非晶体时间时间温温度度晶体和非晶体的晶体和非晶体的熔化曲线熔化曲线非晶体非晶体：蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。液体液体晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。7/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 1.3空间点阵：用以表示晶体中原子（离子或分
6、子）排空间点阵：用以表示晶体中原子（离子或分子）排列形式的空间格子，也叫晶格。（在这里将晶体的实际列形式的空间格子，也叫晶格。（在这里将晶体的实际质点忽略而抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点，用质点忽略而抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点，用许多平行的直线将这些阵点连接所构成的三维空间格架）许多平行的直线将这些阵点连接所构成的三维空间格架）8/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy1.4晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映原子晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映原子排列规律的最小几何单元。排列规律的最小几何单元。晶格常数：晶胞的棱边长度晶格常数：晶胞的棱边长
7、度a、b、c，单位为埃单位为埃（）；）；以及轴间夹角以及轴间夹角、。例如：例如：a=b=c，而而=90就是简单立方晶就是简单立方晶胞。胞。9/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 10/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy2 2、金属的特性、金属的特性2.1 2.1 外观外观 特征：金属光泽和不透明性特征：金属光泽和不透明性2 2.2.2 正的电阻温度系数正的电阻温度系数2.3 2.3 良好的机械性能、良好的导电性、导热性良好的机械性能、良好的导电性、导热性 11/
8、imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy3、金属晶体中常见的三种晶格类型：、金属晶体中常见的三种晶格类型：3.1 3.1 体心立方晶胞（体心立方晶胞（Body Centered Cubic)Body Centered Cubic)（简称简称bccbcc）书书P4P4图图1-31-3 3.1.1 3.1.1 原子分布：原子分布：8 8个顶点各有一个原子，个顶点各有一个原子，在体心处还有一个在体心处还有一个原子原子。3.1.2 3.1.2 原子个数：原子个数：12/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy3.1.3 原子半
9、径：原子半径r=a。3.1.4 致密度与配位数：致密度：晶胞中所含的原子所占的体积与该晶胞的体积之比，用K表示。k=n Va/Vc bcc的k=0.68（n=2;v=4/3r3;V=a3 配位数：晶格中与任一原子最近邻、且等距的原子数目，用N表示。而bcc的N=8。3.1.5晶格常数：a=b=c；=90 13/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy3.2、面心立方晶胞（面心立方晶胞（Face Centered Cubic）（）（英文简称英文简称fcc）3.2.1 原子分布原子分布：8个顶点各有一个原子，立方体的每个个顶点各有一个原子，立方体的每个面的中心
10、还各有一个原子。面的中心还各有一个原子。书书P6图图1-43.2.2 原子个数原子个数：3.2.3 晶格常数晶格常数：a=b=c；=903.2.4 原子半径原子半径：在每个面的对角线上原子是紧密接触：在每个面的对角线上原子是紧密接触的，的，r=a3.2.5 致密度与配位数致密度与配位数：K=0.74；N=12。14/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy3.3.1 原子分布：六方体的原子分布：六方体的12个顶点各有一个原子，上下个顶点各有一个原子，上下底面的面中心各有一个原子，晶胞内还有底面的面中心各有一个原子，晶胞内还有3个原子。个原子。3.3.2 原
11、子个数：原子个数：3.3 密排六方晶胞（密排六方晶胞（hcp）书书P7图图1-53.3.3 晶格常数：底边棱长晶格常数：底边棱长a；两底面间的高度两底面间的高度c。3.3.4 原子半径与致密度与配位数：原子半径与致密度与配位数：r=a/2 ，K=0.74，N=12。15/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy晶格类型原子数原子半径配位数致密度bcc280.68fcc4120.74hcp6120.74表表11三种典型金属晶格的数据三种典型金属晶格的数据三种典型金属晶格的各种数据见书三种典型金属晶格的各种数据见书 P7表表1-1 16/imust李涛李涛Sc
12、hool of Materials&Metallurgy 4、晶向指数与晶面指数：、晶向指数与晶面指数：4.1 定义：定义：晶向：在晶体的晶格中晶向：在晶体的晶格中穿过两个以上原子中心穿过两个以上原子中心的方向的方向（直）线（直）线。晶面：在晶体的晶格中晶面：在晶体的晶格中通过原子中心通过原子中心所构成所构成的平面的平面。晶面、晶向指数：表示各种晶面和晶向位向的统一符晶面、晶向指数：表示各种晶面和晶向位向的统一符号，以表示它们在晶体中的方位和方向。号，以表示它们在晶体中的方位和方向。17/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy确定步骤如下：设坐标轴：以晶
13、胞的三条棱边为坐标轴x、y、z，坐标轴的原点应在待定晶面之外。求截距：以晶格常数a、b、c为度量单位，求出晶面在各轴上的截距。求倒数：将各截距值求倒数。化整数：将前面的三个倒数化为最小简单整数，并放在圆括号内。一般表示为（hkl），如果截距为负值，则在相应的指数上加负号，例如（kl）。4.2 4.2 晶面指数晶面指数 18/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 19/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy注意：注意：1、这里所谓的晶面指数并非仅指一个晶格、这里所谓的晶面指数并非仅指一个晶格中的某一个晶面，而是泛指
14、该晶格中所有那些与其中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。相平行的位向相同的晶面。2、在同一晶格中，有些晶面虽然在空间位、在同一晶格中，有些晶面虽然在空间位向上不同，但其原子排列情况完全相同，将这些晶向上不同，但其原子排列情况完全相同，将这些晶面列为同一晶面族，用面列为同一晶面族，用hkl表示，（晶面在空间表示，（晶面在空间位向上不同但其原子排列情况完全相同表现在指数位向上不同但其原子排列情况完全相同表现在指数上是数字不变，而对这些数字进行排列组合）上是数字不变，而对这些数字进行排列组合）20/imust李涛李涛School of Materials&Metall
15、urgy 21/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 4.3 晶向指数：晶向指数：用来表示晶向在晶体中的原子排列情况及位向的符号。确定步骤：设坐标轴：以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z。引平行线：过原点引一条有向直线平行于待定晶向求坐标值：以晶格常数为度量单位，在该方向上求出最近原子的坐标值。化整数：将三个坐标值化为最小简单整数，放入方括号内，一般用uvw表示。22/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 23/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgyv注意：注意：所有互相平
16、行，方向一致的晶向具有相同的晶向指数。当晶向指数某一坐标为负方向时，则该坐标值为负值，同一直线有相反的两个晶向，其晶向指数的数字相同，但符号相反。晶向族：原子排列相同，但空间位向不同的所有晶向构成晶向族，用uvw表示。特点：立方结构的晶体中，晶向指数的数字相同，但排列顺序不同，则具有相同的原子排列在立方结构的晶体中，当一晶向uvw位于或平行于某一晶面（hkl）时，则hu+kv+lw=0；当某一晶向与某一晶面垂直时，则u=h、v=k、w=l。24/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 25/imust李涛李涛School of Materials&Met
17、allurgy 26/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 27/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy晶面及晶向的原子密度晶面原子密度=该面积上实际包含的原子数/晶面面积晶向原子密度=该长度上实际包含的原子数/晶向长度体心立方晶体中110、111面心立方晶体111、110密排六方晶体 底面 底面对角线4.4 晶体的各向异性晶体的各向异性由于晶体中而不同晶面或晶向上原子密度不同，原子间距由于晶体中而不同晶面或晶向上原子密度不同，原子间距离不同，导致原子结合力不同，从而引起性能不同的现象离不同，导致原子结合力不同，
18、从而引起性能不同的现象XYZXYZ 29/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy4.5金属的同素异构转变（金属的多晶型性）：金属的同素异构转变（金属的多晶型性）：定义：某些金属（定义：某些金属（Fe、Mn、Ti、Co等）当外部等）当外部的条件（温度、压强）改变时，由一种晶体结构的条件（温度、压强）改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象；转变为另一种晶体结构的现象；例如：例如：Fe的同素异构转变：有三种同素异构晶型，的同素异构转变：有三种同素异构晶型，-Fe、-Fe、-Fe：912：-Fe（bcc）-Fe（fcc）；）；1394：-Fe（fcc）
19、-Fe（bcc）；）；如图如图212所示所示，不同的晶体结构，致密度不同，不同的晶体结构，致密度不同，因而发生多晶型转变时，将伴随有比容或体积的因而发生多晶型转变时，将伴随有比容或体积的突变；突变；30/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C 31/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线Tt15381394912-Fe，bcc-Fe，bcc-Fe，
20、fccCooling curve770铁磁性 32/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 33/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy作业：作业：1、解释下列名词：晶体，、解释下列名词：晶体，晶胞，致密度，配位数，晶胞，致密度，配位数，晶体的各向异性，晶面指数，晶向指数晶体的各向异性，晶面指数，晶向指数2、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？列和晶格常数有什么特点？-Fe、-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、Mg、Zn各属何种晶体？各属何种晶体？3
21、、在立方晶体中，一平面通过、在立方晶体中，一平面通过Y=0.5、Z=3并平并平行于行于X轴，它的晶面指数是多少？绘图表示。轴，它的晶面指数是多少？绘图表示。4、在面心立方晶格中，哪个晶面和晶向的原子密、在面心立方晶格中，哪个晶面和晶向的原子密度最大？度最大？5、在立方晶体结构中，、在立方晶体结构中，AB晶向如图中所示，求晶向如图中所示，求AB的晶向指数？的晶向指数？34/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy1、单晶体与多晶体几个名词：晶粒：在实际使用的金属材料中，晶体是由许多细小的颗粒组成，这些细小的颗粒，叫做晶粒。单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（
22、理想晶体），由一个晶粒所组成。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体 晶界：晶粒与晶粒之间的界面。第二节实际金属的晶体结构 35/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 36/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy2.2.实际金属晶体的缺陷实际金属晶体的缺陷晶体晶体缺陷类型缺陷类型（1 1）点缺陷：空位、间隙原子）点缺陷：空位、间隙原子（2 2）线缺陷：位错）线缺陷：位错（3 3）面缺陷：晶界与亚晶界）面缺陷：晶界与亚晶界实际晶体中原子排列不规律的地方统称为实际晶体中原子排列不规律的地方统称为“晶
23、体缺陷晶体缺陷 37/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy2、晶体的缺陷：、晶体的缺陷：2.1 点缺陷：其特征是在三个方向上的尺寸都很小，常点缺陷：其特征是在三个方向上的尺寸都很小，常见的有见的有“空位空位”、“间隙原子间隙原子”。空位：当晶格中的某些原子由于某种原因，脱离原来空位：当晶格中的某些原子由于某种原因，脱离原来的平衡位置，则在原处出现了一个空结点，叫做空位。的平衡位置，则在原处出现了一个空结点，叫做空位。空位空位 间隙原子间隙原子 间隙原子：处于晶格间隙中的原子，叫做间隙原子。间隙原子：处于晶格间隙中的原子，叫做间隙原子。由于空位和间隙原子
24、的存在，会使其周围的晶格发生畸变。由于空位和间隙原子的存在，会使其周围的晶格发生畸变。38/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 2.2 线缺陷线缺陷:位错：在晶格中，发生一列或几列原子有位错：在晶格中，发生一列或几列原子有规律的错排的现象。规律的错排的现象。类型：刃型位错；螺型位错。类型：刃型位错；螺型位错。刃型位错：使晶体的右上部分相对右下部刃型位错：使晶体的右上部分相对右下部分发生了局部的滑移，结果在晶格的上半部分分发生了局部的滑移，结果在晶格的上半部分中挤出了一层多余的原子面，犹如用一把锋利中挤出了一层多余的原子面，犹如用一把锋利的尖刀将晶体的
25、上半部分切开，沿切口硬插入的尖刀将晶体的上半部分切开，沿切口硬插入额外的半层原子面，将刃口处的原子列额外的半层原子面，将刃口处的原子列EF称为称为刃型位错。刃型位错。39/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy在晶体右上角施加一切应力，促使右上部晶体中的原子沿滑移面自左向右移动一个原子间距，由于此时左上角的原子尚未滑移，于是在晶体内部就出现了已滑移区和未滑移区的边界。在边界附近，原子排列的规则性遭到了破坏，此边界线就相当于额外半原子面的边缘。40/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 螺型位错螺型位错：在立方晶体
26、的右端施加一切应力，使右端的上下两部分沿滑移面ABCD发生了一个原子间距的相对切变，于是就出现了已滑移区与未滑移区的边界BC，BC就是螺型位错。41/imust李涛李涛School of Materials&MetallurgyA 42/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy螺位错螺位错 43/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 2.3 面缺陷：面缺陷：晶界：由于各晶粒的位向不同，故晶界实际上是不晶界：由于各晶粒的位向不同，故晶界实际上是不同同 位向晶粒之间原子排列无规律的过渡层。图位向晶粒之间原子排列无规律的
27、过渡层。图 1-111-11 44/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgyn 亚晶界：在金属晶体的每一个晶粒内部，亚晶界：在金属晶体的每一个晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完整，它是其晶格位向也并不像理想晶体那样完整，它是由许多位向很小的小晶块组成，这些小晶块称由许多位向很小的小晶块组成，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。为亚晶粒，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。亚晶界亚晶界 45/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 46/imust李涛李涛School of Materials&Metal
28、lurgy 以上我们讨论的是晶体缺陷，凡是晶格缺陷以上我们讨论的是晶体缺陷，凡是晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能显著变化。例如：由于晶界上学和机械性能显著变化。例如：由于晶界上存在着晶格畸变，因而在室温下对金属材料存在着晶格畸变，因而在室温下对金属材料的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上表现为的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度使金属材料具有更高的强度和硬度，显然，显然，晶粒越细，金属材料的强度、硬度就越高。晶粒越细，金属材料的
29、强度、硬度就越高。晶体缺陷对金属性能的影响 47/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy第三节第三节 金属的结晶金属的结晶液体液体晶体晶体结晶结晶1、结晶的概念：结晶的概念：一切物质从液态向固态转变一切物质从液态向固态转变的过程，称为凝固。如果在这个过程中能够形的过程，称为凝固。如果在这个过程中能够形成晶体，则称之为结晶成晶体，则称之为结晶 1.1结晶：液体液体-晶体晶体 凝固：液体液体-固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度 T过冷度T=T0 -Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界
30、面能）1.2 1.2 结晶的宏观过程：通过分析此过程有两个特点：结晶的宏观过程：通过分析此过程有两个特点：1.2.1 1.2.1 过冷现象：过冷现象：49/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy过冷度过冷度：金属的实际结晶温度：金属的实际结晶温度T1与理论结晶温与理论结晶温度度T0之差，称为过冷度，以之差，称为过冷度，以T表示。表示。T=T0T1；显然，显然，T越大，则越大，则T1越低。越低。1.3 结晶潜热：金属在结晶时，从液态转变为结晶潜热：金属在结晶时，从液态转变为固态时会放出能量，此能量称为结晶潜热。从固态时会放出能量，此能量称为结晶潜热。从图中
31、可以看出：当液态金属的温度达到结晶温图中可以看出：当液态金属的温度达到结晶温度度T1时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境中的热量，所以在冷却平曲线上出现周围环境中的热量，所以在冷却平曲线上出现了平台，平台延续的时间就是结晶过程所需的了平台，平台延续的时间就是结晶过程所需的时间。时间。50/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。51/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 2、结晶的热力学条件、结晶的热力学条件：为什么
32、液态金属在理论结晶温度不能为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行呢？这是由热力学条件所决定的。能进行呢？这是由热力学条件所决定的。热力学第二定律指出：在等温等压的条热力学第二定律指出：在等温等压的条件下，物质系统总是自发地从自由能高件下，物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。的状态向自由能低的状态转变。当当T=TT=T0 0（Tm)Tm)时，时，G GS S=G=GL L，两相可以同时共存，具有同样两相可以同时共存，具有同样的稳定性，既不熔化也不结晶，处于热力学平衡状态，的稳定性，既不熔化也不结晶，处于热力学
33、平衡状态，所以所以T T0 0（Tm)Tm)就是理论结晶温度，即熔点。就是理论结晶温度，即熔点。当当T TT T0 0（Tm)Tm)时，时，G GS SG GL L，所以液态金属可以自发地转所以液态金属可以自发地转变为固态金属，而两相的自由能差（变为固态金属，而两相的自由能差（G G）就构成了金就构成了金属结晶的驱动力。属结晶的驱动力。当当T TT T0 0（Tm)Tm)时，时，G GS SG GL L，所以固态金属可以自发的熔所以固态金属可以自发的熔化为液态。化为液态。综上所述，只有当综上所述，只有当T TT T0 0时，即存在一定的过冷度时，液时，即存在一定的过冷度时，液态金属才能结晶。态
34、金属才能结晶。GL（纯金属的液态自由能）、纯金属的液态自由能）、GS（纯金属的固态自由能）都随纯金属的固态自由能）都随温度的升高而降低，而液相自由能温度的升高而降低，而液相自由能曲线的斜率较固相的大，所以两曲曲线的斜率较固相的大，所以两曲线必然在某一温度相交。交点处的线必然在某一温度相交。交点处的温度用温度用T0（Tm)表示。表示。液相和固相自由能随温度变化示意图液相和固相自由能随温度变化示意图 53/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶金属的结晶包括金属的结晶包括晶核的形成晶核的形成和和晶核长大
35、晶核长大的过程的过程3、金属结晶的过程：、金属结晶的过程：54/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。的结晶核心。非自发形核非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。是依附于外来杂质上生成的晶核。3.1 3.1 晶核的形成方式晶核的形成方式 55/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy晶核的形成：晶核的形成：利用利用x射线研
36、究金属的结构时发现：射线研究金属的结构时发现：在液态金属中，原子并不是散乱地分布，而是在在液态金属中，原子并不是散乱地分布，而是在微小的范围内存在着紧密接触、规则排列的原子微小的范围内存在着紧密接触、规则排列的原子集团，称为集团，称为“近程有序近程有序”集团集团，而且它们不是固，而且它们不是固定不动的，而是处于不断的变化之中，它会瞬时定不动的，而是处于不断的变化之中，它会瞬时消失，瞬时产生，此起彼伏，不断变化，我们把消失，瞬时产生，此起彼伏，不断变化，我们把这种不断变化的近程有序集团称为这种不断变化的近程有序集团称为“结构起伏结构起伏”或或“相起伏相起伏”。晶胚：晶胚：在液态金属中，每一瞬间都
37、会涌现出大量尺在液态金属中，每一瞬间都会涌现出大量尺寸不等的相起伏，尺寸较大的相起伏在结晶时，寸不等的相起伏，尺寸较大的相起伏在结晶时，有可能转变为晶核。这些相起伏就是晶核的胚芽。有可能转变为晶核。这些相起伏就是晶核的胚芽。所以，尺寸较大的相起伏叫做晶胚。所以，尺寸较大的相起伏叫做晶胚。56/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy3.2 晶核的长大：晶核形成后，便开始晶核的晶核的长大：晶核形成后，便开始晶核的长大。宏观上，晶体的长大是晶体的界面向液长大。宏观上，晶体的长大是晶体的界面向液相中逐步推移的过程。而在微观上，晶体的长相中逐步推移的过程。而在微观
38、上，晶体的长大是液相中的原子逐步向晶体表面扩散的过程。大是液相中的原子逐步向晶体表面扩散的过程。长大的条件：长大的条件：需要一定的过冷度。（需要一定的过冷度。（10-310-4即可）即可）液相温度足够高，以完成原子由液相到固液相温度足够高，以完成原子由液相到固相的迁移。相的迁移。57/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy长大过程：长大过程：a）在晶核长大的初期，其外形还比较规则。在晶核长大的初期，其外形还比较规则。b）由于晶体棱角的形成，棱角的散热条件优于由于晶体棱角的形成，棱角的散热条件优于其他部位，因此得到优先成长。就如树枝一样其他部位，因此得到优
39、先成长。就如树枝一样先长出枝干，再长出分枝，最后再把晶间添满。先长出枝干，再长出分枝，最后再把晶间添满。这种长大方式叫做这种长大方式叫做“枝晶成长枝晶成长”。书书P17图图1-15 58/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 59/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 60/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 61/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy综上所述：我们可以把金属的结晶过程用综上所述：我们可以把金属的结晶过程用书书
40、P16图图1-14示意出来。在枝晶的成长过示意出来。在枝晶的成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用，以及彼此之间的碰撞、杂质元素的作用，以及彼此之间的碰撞、杂质元素的影响等种种原因，会使某些枝轴发生偏斜影响等种种原因，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、位错或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、位错等各种缺陷。等各种缺陷。62/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 63/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy4、晶粒大小的控制：、晶粒大小的控制：4.1 晶粒度
41、：晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。粒的平均面积或平均直径来表示。晶粒的大小对金属的机械性能有很大的影响，晶粒的大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性、韧性也越好。那么怎样控制越高，同时塑性、韧性也越好。那么怎样控制晶粒的大小呢？晶粒的大小呢？1.提高过冷度提高过冷度2.变质处理变质处理3.振动或搅动振动或搅动4.2细化晶粒的措施细化晶粒的措施 64/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy长大速率（成长
42、率）：单位时间内晶体向周围长大的线长大速率（成长率）：单位时间内晶体向周围长大的线速度。用速度。用G表示。表示。N、G与过冷度之间的关系：与过冷度之间的关系：书书P19图图1-17。从图中可。从图中可知，知，当当T=0时：时：N=0、G=0，所以既不形核也不长所以既不形核也不长大；大；当当T增大时，增大时，N、G都增大，而且都增大，而且N/G 增大，晶增大，晶粒也就越小。粒也就越小。1.增加过冷度增加过冷度 形核率：单位时间、单位体积液相中形成的晶核的形核率：单位时间、单位体积液相中形成的晶核的数目。用数目。用N表示。表示。65/imust李涛李涛School of Materials&Met
43、allurgy 工业生产中，我们经常用提高液态金属的工业生产中，我们经常用提高液态金属的冷却速度，来提高冷却速度，来提高T，具体做法有：具体做法有：用金属型代替砂型；增加金属型的厚度；用金属型代替砂型；增加金属型的厚度；局部加冷铁；以及采用水冷铸型等等。局部加冷铁；以及采用水冷铸型等等。66/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgyn在液体金属中在液体金属中故意故意加入加入某些难熔杂质（某些难熔杂质（变质剂）变质剂），以细化晶粒和改善组织的工艺措施。，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。n变质剂的作用变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻：作为非自发形核的核
44、心，或阻碍晶粒长大。碍晶粒长大。例如：铝合金中加入钛、硼；钢中加入钛、锆、例如：铝合金中加入钛、硼；钢中加入钛、锆、钒：铸铁中加入硅铁、硅钙合金等。钒：铸铁中加入硅铁、硅钙合金等。2.变质处理变质处理:67/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgyn振动和搅拌也可以细化晶粒，因为金属结晶时，振动和搅拌也可以细化晶粒，因为金属结晶时，对其进行振动、搅拌，使正在结晶的对其进行振动、搅拌，使正在结晶的树枝晶破碎树枝晶破碎，使使晶核的数目增加晶核的数目增加，从而，从而细化晶粒细化晶粒。常见的方法。常见的方法有：有：机械振动、超声波振动、电磁搅拌等机械振动、超声波振
45、动、电磁搅拌等。n应当指出的是：利用增加过冷度的方法细化晶粒应当指出的是：利用增加过冷度的方法细化晶粒只对小型、薄壁的铸件有效，因为当铸件的断面只对小型、薄壁的铸件有效，因为当铸件的断面较大时，只是表层冷的快，而心部冷的慢，因此较大时，只是表层冷的快，而心部冷的慢，因此无法使整个铸件体积内都获得细小而均匀的晶粒，无法使整个铸件体积内都获得细小而均匀的晶粒，所以工业上广泛应用的是变质处理和振动、搅拌所以工业上广泛应用的是变质处理和振动、搅拌的方法。的方法。4.44.4振动或搅动振动或搅动 68/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy 5、金属的铸锭组织、金
46、属的铸锭组织：自学自学n作业：作业：1、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶、过冷度与冷却速度有何关系？它对金属结晶过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？过程有何影响？对铸件晶粒大小有何影响？2、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒的大小？在生、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒的大小？在生产中如何应用变质处理？举例说明？产中如何应用变质处理？举例说明？3、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件、如果其他条件相同，试比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：晶粒的大小：金属模浇注与沙模浇注；金属模浇注与沙模浇注；高温浇注与低温浇注；高温浇注与低温浇注；铸成薄件与铸成厚件；铸成薄件与铸成厚件
47、；浇注时采用振动与不采用振动；浇注时采用振动与不采用振动；69/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgyn本章重点本章重点n1.晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体，晶粒，多晶体。晶粒，多晶体。n固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶强化及其实际应用固溶强化及其实际应用n3.相和组织的概念。相和组织的概念。70/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgyn一般要求一般要求 n1.晶面，晶向，
48、晶格常数，晶格的致密晶面，晶向，晶格常数，晶格的致密度；晶体的各向异性。度；晶体的各向异性。n2.晶体缺陷（点、线、面缺陷，位错等晶体缺陷（点、线、面缺陷，位错等概念）。概念）。71/imust李涛李涛School of Materials&Metallurgy本章小结本章小结本章重点本章重点1.1.晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体，晶粒，多晶体。晶体，晶粒，多晶体。1.1.晶面，晶向，晶格常数，晶格的致密度；晶体的各向异性。晶面，晶向，晶格常数，晶格的致密度；晶体的各向异性。2.2.晶体缺陷（点、线、面缺陷，位错等概念）。晶体缺陷（点、线、面缺陷，位错等概念）。