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1、工程材料（第三版）2纯金属的结构与结晶教学课件2 纯金属的金属的结构与构与结晶晶2.1 纯金属的晶体金属的晶体结构构2.2 实际金属的晶体金属的晶体结构构2.3 金属的金属的结晶晶金属的晶体结构纯金属的金属的结构与构与结晶晶金属的特征和晶体金属的特征和晶体结构构 良好的导电性和导热性；良好的延展性（塑性变形能力）；不透明，具有光泽；具有正的电阻温度系数，即电阻随温度升高而升高。2.1.1金属的特征和晶体结构1、金属的特征、金属的特征金金 属属：最最外外层电子子数数少少，易易变成成自自由由电子子正正电性性元元素素原原子子结合合：电子子逸逸出出共共有有，结合合力力较大大，无方向性和，无方向性和饱和
2、性；和性；金金属属键：依依靠靠正正离离子子与与构构成成电子子气气的的自自由由电子子之之间的的静静电引引力力而而使使诸原子原子结合到一起的方式。合到一起的方式。2.1.1金属的特征和晶体结构原因：原因：金属金属键：较少的价少的价电子公有化，成子公有化，成为自由自由电子子，形成，形成电子云子云，正离子正离子则沉浸在沉浸在电子云中子云中。全体金属正离子依靠其和。全体金属正离子依靠其和电子云之子云之间强烈的烈的静静电吸引力吸引力（库仑引力）引力）结合起来。合起来。大量大量自由自由电子子能在能在电势差作用下定向流差作用下定向流动，形成，形成电流，流，导电性好性好；自由自由电子的大量运子的大量运动，极大增
3、，极大增强热量的量的传递，导热性好性好；两部分相两部分相对位移位移时，正离子仍沉浸在正离子仍沉浸在电子云中子云中，保持金属，保持金属键结合，合，能能变形而不断裂，形而不断裂，延展性好延展性好；自由自由电子子易吸收可易吸收可见光，又能重新光，又能重新辐射出来，不透明，射出来，不透明，具有光具有光泽；温度升高温度升高，正离子振，正离子振动振幅增大，振幅增大，电子运子运动受阻，受阻，电阻升高阻升高。2.1.1金属的特征和晶体结构晶体与非晶体晶体与非晶体纯金属的晶体金属的晶体结构构金属晶体中晶面和晶向的表示金属晶体中晶面和晶向的表示金属晶体的各向异性金属晶体的各向异性2.1.1金属的特征和晶体结构2、
4、金属的晶体、金属的晶体结构构晶体：内部质点（原子、离子或分子）在空间按一定的几何规律作周期性重复排列的固体。非晶体：内部质点排列无规则，至多短程规则排列的固体。也称为“过冷液体”、玻璃体。晶体金属材料、金属材料、NaCl、冰、冰 等等。液体非晶体：无机材料、玻璃等。无机材料、玻璃等。2.1.1金属的特征和晶体结构熔点熔点晶体晶体非晶体非晶体时间温温度度晶体和非晶体的熔化曲晶体和非晶体的熔化曲线 性能差异性能差异晶体：晶体：有固定的凝固点或熔点有固定的凝固点或熔点，固、液，固、液态转变具有突具有突变性，性，导致物理性致物理性质的突的突变；具有；具有各向异性各向异性，沿晶体不同方向没得的性能不，沿
5、晶体不同方向没得的性能不同同非晶体：非晶体：无明无明显的凝固点或熔点的凝固点或熔点，固、液，固、液态转变是是逐逐渐过渡渡的，物理性的，物理性质的的变化化 也也是逐是逐渐过渡的；具有渡的；具有各向同性各向同性2.1.1金属的特征和晶体结构晶体与非晶体之晶体与非晶体之间的的转变随晶随晶态与非晶与非晶态的的转变，性能也会，性能也会发生极大的改生极大的改变。高温高温长时间加加热晶晶态玻璃玻璃玻璃玻璃液液态金属金属快速凝固快速凝固非晶非晶态固体金属固体金属(金属玻璃金属玻璃)冷却速度大于冷却速度大于106K/s2.1.1金属的特征和晶体结构晶体晶体结构构：晶体规则排列的方式。刚球模型球模型：直观,不便于
6、观察；阵点点：将构成晶体的实际质点(原子、离子、分子)抽抽象象成成纯粹的几何点称为阵点。空空间点点阵(简称为点阵)：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。晶格晶格：作许多平行的直线把阵点连接起来，构成的三维几何格架。点点阵(晶格晶格)模型模型：便于观察原子排列规律。晶胞晶胞：晶格中最小的几何组成单元。2.1.2纯金属的晶体结构原子中心位置原子中心位置刚球模型球模型1、晶格与晶胞、晶格与晶胞原子原子阵点点晶格晶格2.1.2纯金属的晶体结构晶胞晶胞晶胞晶胞点点阵（晶格）模型（晶格）模型这种描述晶体中原子排列种描述晶体中原子排列规律的空律的空间构架称构架称为空空间点点阵，简称称点点
7、阵或或晶格晶格。2.1.2纯金属的晶体结构 晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c,晶胞晶胞：晶格里能晶格里能够完全反完全反应晶格特征的最小几何晶格特征的最小几何单元。元。2.1.2纯金属的晶体结构描述晶体描述晶体结构的一些重要概念构的一些重要概念晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞：一个晶胞内内所包含的原子数目。所包含的原子数目。原子半径原子半径：晶胞中相距最近的两个：晶胞中相距最近的两个原子之原子之间（平衡）距离的一半（平衡）距离的一半。配位数配位数：原子周：原子周围与其与其等距离等距离的的最近最近邻的原子数。的原子数。致密度致密度：晶胞中：晶胞中原子原子所占的所占的体体积与与晶胞晶胞的
8、的体体积的的比比值。2.1.2纯金属的晶体结构(1)体心立方晶格(2)面心立方晶格(3)密排六方晶格2、三种典型的晶体、三种典型的晶体结构构2.1.2纯金属的晶体结构(1)体心立方晶格体心立方晶格 -Fe、W、V、Mo 等等2.1.2纯金属的晶体结构体心立方晶胞体心立方晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=c；=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：配位数：配位数：致密度：致密度：XYZabc2r2raa80.682.1.2纯金属的晶体结构(2)面心立方晶格面心立方晶格 -Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等等2.1.2纯金属的晶体结构面心立方晶胞面心立方晶胞晶格常数：晶格常数：a=b
9、=c；=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：配位数：配位数：XYZabc2.1.2纯金属的晶体结构面心立方晶格的配位数面心立方晶格的配位数2.1.2纯金属的晶体结构面心立方晶胞面心立方晶胞晶格常数：晶格常数：a=b=c；=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：配位数配位数：XYZabc12致密度：致密度：0.742.1.2纯金属的晶体结构(3)密排六方晶格密排六方晶格Mg、Ti、Zn、Co、Be等等2.1.2纯金属的晶体结构晶格常数晶格常数底面底面边长a底面底面间距距c侧面面间角角120 侧面与底面面与底面夹角角90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：配位数
10、：配位数：a/2ac2.1.2纯金属的晶体结构密排六方晶格的配位数密排六方晶格的配位数2.1.2纯金属的晶体结构12致密度：致密度：0.74晶格常数晶格常数底面底面边长a底面底面间距距c侧面面间角角120 侧面与底面面与底面夹角角90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：配位数：配位数：a/2ac2.1.2纯金属的晶体结构表表 常常见晶格晶格类型的晶格参数型的晶格参数 BCCFCCHCP常见金属-Fe-Fe、Al、Cu、Mg原子半径R原子个数N246配位数CE81212致密度K0.680.740.742.1.2纯金属的晶体结构纯金属的金属的结构与构与结晶晶2.1.3金属晶体中晶面和晶向
11、的表示金属晶体中晶面和晶向的表示XYZabc晶面：通过原子中心的平面晶向：通过原子中心的直线所指的方向XYZabc2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示晶面指数的求法晶面指数的求法1、设定一个三维空间坐标系，原点在所求晶面之外；2、找出晶面在三个坐标上的截距，所求晶面与坐标轴平行时，截距为；3、取截距的倒数。4、将倒数化为三个互为质数的整数，用(hkl)表示。截距为负数时，在指数上加“-”号。例：某晶面与X轴截距为2，与Y轴截距为2,与Z轴平行，求其晶面指数。解:截距的倒数为1/2、1/2、0:化为三个互为质数的整数,得:1、1、0。即该晶面指数为(110)。2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示
12、晶面族晶面族：晶体中具有等同条件（这些晶面的原子排列情况和面间距完全相同），而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用hkl表示。立方晶系常立方晶系常见的晶面的晶面为：2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示立方晶胞的立方晶胞的110、111晶面族晶面族2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示晶向指数的确定晶向指数的确定a 建立坐建立坐标,将所求晶向的一端放在将所求晶向的一端放在坐坐标原点上原点上(或从坐或从坐标原点引一原点引一条平行所求晶向的直条平行所求晶向的直线)；b 求出所求晶向上任意求出
13、所求晶向上任意结点的三个点的三个坐坐标值；c 将所得坐将所得坐标值按比例化按比例化为最小整数，最小整数，放入方括号内，即得所求晶向的放入方括号内，即得所求晶向的晶向指数一般用晶向指数一般用uvw表示。表示。2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示晶向指数的求法：1.找出晶向上两点坐标(X1,Y1,Z1)、(X2，Y2，Z2)2.作(X1-X2):(Y1-Y2):(Z1-Z2)=U:V:W，并化为三个互为质数的正整数。3.用UVW表示。例：坐标系中有(1，1，0)、(0，1，1)，求其晶向指数。解：(1-0):(1-1):(0-1)=1:0:-1晶向指数为2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示立方晶系
14、常立方晶系常见的晶向的晶向为：晶晶向向族族：晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向族，用表示。2.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示说明：明：在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。晶向具有方向性，如110与110方向相反。-XZY(221)2211101102.1.3金属晶体中晶面和晶向的表示各向异性各向异性：不同晶面或晶向上原子密度不同原子密度不同引起性能不同的现象。例例：体心立方单晶体Fe其弹性模量在方向为290000MN/m2,而在方向为135000MN/m2体心立方单晶体Fe在磁场中，沿方向磁化比沿方向磁化容易。2.1.4金属晶体的各向异
15、性实际使用的使用的金属金属是是多晶体多晶体，并存在，并存在晶体缺陷晶体缺陷。单晶体：内部晶格位向完全一致晶格位向完全一致的晶体(理想晶体)。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒晶粒(单晶体晶体)2.2实际金属晶体中的晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷晶体缺陷：晶体中原子：晶体中原子偏离平衡位置偏离平衡位置而出而出现的的不完整性区域不完整性区域。按几何特征可分按几何特征可分为三三类：点缺陷点缺陷：不完整区域在三个空间方向上的尺寸均很小（原子尺度），如空位、间隙原子；线缺陷缺陷：不完整区域在二个空间方向上的尺寸很小，在另一个方向上的尺寸很大，如位错；面缺陷面缺
16、陷：不完整区域在一个空间方向上的尺寸很小，在另二个方向上的尺寸很大，如晶界、相界。2.2实际金属晶体中的晶体缺陷虽然晶体中存在缺陷，但从总体上看，还是较完整的。偏离平衡位置的原子，排列并不是杂乱无章的，仍按一定的规律产生、发展、运动和交互作用，对晶体的许多性能有很大的影响，特别是对塑性、强度、扩散等有着决定作用。2.2实际金属晶体中的晶体缺陷（1）点缺陷）点缺陷空位空位间隙原子隙原子小置小置换原子原子大置大置换原子原子2.2实际金属晶体中的晶体缺陷形成原因形成原因：原子热振动的能量起伏，使少数原子的振动能量大到可以克服周围原子对它的束缚，该原子就可离开其平衡位置，形成点缺陷。分分类：空位空位：
17、晶体内部的原子离开其平衡位置后，留下的原子尺度的空洞。间隙原子隙原子：进入晶体点阵间隙的原子。自自间隙原子隙原子：由同类原子形成的间隙原子。异异类间隙原子隙原子：由外来杂质原子形成的间隙原子。置置换原子原子：占据原来基体原子平衡位置的异类原子。置换原子与基体原子半径总有差异，也是一类点缺陷。2.2实际金属晶体中的晶体缺陷2.2实际金属晶体中的晶体缺陷图1-32 晶体中的各种点缺陷晶体中的各种点缺陷1 空位；空位；2 同同类原子的原子的间隙原子；隙原子；3 异异类原子的原子的间隙原子；隙原子；4，5 置置换原子原子点缺陷存在的结果：使周围原子间的作用力失去平衡，原子将重新调整位置，点阵产生局部的
18、弹性畸变，形成应力场。如：空位周围的原子向空位处偏移，间隙原子周围的原子则向外偏移。空位引起的畸变较间隙原子小。2.2实际金属晶体中的晶体缺陷（2）线缺陷（位错）位位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。2.2实际金属晶体中的晶体缺陷1.位错的基本类型（1）刃型位错（2）螺型位错螺型位螺型位错刃型位刃型位错 CBAD2.2实际金属晶体中的晶体缺陷设有一简单立方结构的晶体，在切应力的作用下发生局部滑移，发生局部滑移后晶体内在垂直方向出现了一个多余的半原子面，显然在晶格内产生了缺陷，这就是位错
19、，这种位错在晶体中有一个刀刃状的多余半原子面，所以称为刃型位错。通常称晶体上半部多出原子面的位错为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。（1）刃型位刃型位错（a)立体模型立体模型 （b）平面平面图 刃型位刃型位错示意示意图 G H E F2.2实际金属晶体中的晶体缺陷设想在想在简单立方晶体右端施加一切立方晶体右端施加一切应力，使右端力，使右端ABCD滑移面滑移面上下两部分晶体上下两部分晶体发生一个原子生一个原子间距的相距的相对切切变，在已滑移区与，在已滑移区与未滑移区的未滑移区的边界界BC就是位就是位错，过渡地渡地带发生了生了错排和不排和不对齐现象，原子面被扭成螺旋型，所以
20、象，原子面被扭成螺旋型，所以这种位种位错叫螺旋型位叫螺旋型位错。（2）螺型位错CBADaaABCD2.2实际金属晶体中的晶体缺陷2.2实际金属晶体中的晶体缺陷（3）面缺陷晶粒晶粒(单晶体晶体)晶界晶界晶界：相邻晶粒之间的界面。根据相邻晶粒位向差的大小，晶界可分为：小角度晶界：相邻晶粒位向差10，一般在3040范围。晶界示意晶界示意图2.2实际金属晶体中的晶体缺陷亚晶界晶界每个晶粒有每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所晶粒所组成，相成，相邻亚晶粒晶粒间的界面称的界面称为亚晶界晶界(sub-grain boundary)。晶粒的平均直径通常在。晶粒的平均直径通常在0
21、.0150.25mm范范围内，而内，而亚晶粒的平均直径晶粒的平均直径则通常通常为0.001mm的范的范围内。内。亚晶界示意晶界示意图2.2实际金属晶体中的晶体缺陷2.3.1 金属金属结晶的晶的现象象2.3.2 金属金属结晶的条件晶的条件2.3.3 晶核的形成晶核的形成2.3.4 晶核的晶核的长大大2.3.5 凝固理凝固理论的的应用用2.3金属的结晶晶体晶体液体液体结晶晶结晶：晶：物物质由液由液态转变为晶体的晶体的过程。程。凝固：凝固：物物质由液由液态转变为固固态的的过程。程。金属的金属的结晶晶过程，程，对于于铸件件组织的形成以及零件的最的形成以及零件的最终使用使用性能，有着非常重要的影响；同性
22、能，有着非常重要的影响；同时，掌握，掌握纯金属的金属的结晶晶规律，律，对于理解合金的于理解合金的结晶晶过程和其固程和其固态相相变也有很大的帮助。也有很大的帮助。2.3金属的结晶冷却曲冷却曲线：通通过实验（热分析法）分析法）测得的液得的液态金属冷却金属冷却时温度温度与与时间的关系曲的关系曲线。热电偶金属金属恒温器（0）X-Y记录仪电源电炉热分析装置示意分析装置示意图时间TmTn温度T纯金属金属结晶晶时的冷却曲的冷却曲线2.3.1金属结晶的现象A.过过冷冷现现象象一、一、结晶晶过程的宏程的宏观现象象n 影响影响过冷度的因素：冷度的因素：（1）金属的性金属的性质：不同的金属，过冷度不同；（2）液体金
23、属的液体金属的纯度度：纯度愈高，过冷度愈大；（3）冷却速度冷却速度：冷却速度愈大，过冷度愈大。过冷冷：液：液态金属在理金属在理论结晶温度以下晶温度以下开始开始结晶的晶的现象。象。过冷度冷度：理：理论结晶温度晶温度Tm与与实际结晶晶温度温度Tn的差的差 T T=Tm Tn时间TmTn温度T纯金属金属结晶晶时的冷却曲的冷却曲线2.3.1金属结晶的现象结晶潜晶潜热 环境散境散热冷却冷却平台平台平台延平台延续的的过程就是程就是结晶所需的晶所需的时间。B、结结晶潜晶潜热热液体液体变为固体是一个放固体是一个放热过程，程，放出来的放出来的热叫做叫做结晶潜晶潜热。时间TmTn温度T结晶潜晶潜热环境散境散热温度
24、上温度上升升局部区域出局部区域出现重熔重熔现象。象。2.3.1金属结晶的现象研究研究发现，无，无论金属金属还是非金属，在是非金属，在结晶晶时都遵循相都遵循相同的同的规律，即律，即结晶晶过程是程是形核和形核和长大的大的过程。程。二、金属二、金属结晶的微晶的微观过程程 2.3.1金属结晶的现象液液态金属金属形核形核晶核晶核长大大完全完全结晶晶形核形核和和晶核晶核长大大的的过程程对一个晶粒一个晶粒，有明，有明显的形核和的形核和长大大过程；程；对整体整体，形核和，形核和长大大两个两个过程交程交错重叠重叠。2.3.1金属结晶的现象结晶晶现象象长 大大宏宏观现象象形形 核核微微观现象象过冷现象结晶潜热2.
25、3.1金属结晶的现象问题：为什么金属不能在理什么金属不能在理论结晶温度晶温度结晶，而需要晶，而需要过冷？冷？时间TmTn温度T2.3.2金属结晶的条件一、金属结晶的热力学条件热力学第二定律指出：在等温等力学第二定律指出：在等温等压条件下，物条件下，物质系系统总是从自由是从自由能能较高的状高的状态向自由能向自由能较低的状低的状态转变。也就是。也就是说，结晶只有伴晶只有伴随着自由能降低的随着自由能降低的过程才能程才能进行。行。液相和固相自由能随温度液相和固相自由能随温度变化化示意示意图TG=GS GL 0TnTmGSGLG自自由由能能当当T=Tm时，GL=Gs，表示两相可以同，表示两相可以同时共存
26、，共存，处于于热力学平衡状力学平衡状态，这一温度一温度Tm就是金属的理就是金属的理论结晶温度。晶温度。当当T rk，晶胚晶胚长大大时系系统的自由能下降，的自由能下降，晶胚可以晶胚可以发育育为稳定的晶核。定的晶核。系系统自自由由能能变化化Grrkr0-晶核半径与晶核半径与G的关系的关系界面自由能界面自由能体体积自由能自由能G*当晶胚半径当晶胚半径r rk，晶胚晶胚长大大时系系统的自由能将增加，的自由能将增加，所以所以这个个过程不能自程不能自动进行，行，这种晶胚不能成种晶胚不能成为稳定的晶核，而定的晶核，而是瞬是瞬时形成，又瞬形成，又瞬时消失。消失。2.3.3晶核的形成rc过冷度冷度DT过冷度冷度
27、DTrk、rmaxrkrmaxDTk过冷度冷度DTrmaxTk称称为临界界过冷度冷度k2.3.3晶核的形成C.形核功形核功系系统自自由由能能变化化Grrkr0-晶核半径与晶核半径与G的关系的关系界面自由能界面自由能体体积自由能自由能G*晶胚晶胚晶核晶核在在这个半径范个半径范围内，晶核形成的表面内，晶核形成的表面能不能完全由体能不能完全由体积自由能的下降来自由能的下降来补偿，不足的部分，需要另外供，不足的部分，需要另外供给，即，即需要需要对形核作功，故称不足部分形核作功，故称不足部分为形形核功核功。Gk称称为最大形核功或最大形核功或临界形核功。界形核功。过冷度增大，冷度增大，临界形核功界形核功显
28、著降低，形核易于著降低，形核易于进行。行。2.3.3晶核的形成液液态金属中不金属中不仅存在存在结构起伏，而且存在能量起伏，即构起伏，而且存在能量起伏，即液液态金属不同区域内的自由能也并不相同，金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功因此形核功可通可通过体系的能量起伏来提供。体系的能量起伏来提供。形核功从何而来？形核功从何而来？当体系中某一区域的高能原子附着在当体系中某一区域的高能原子附着在临界晶核上，将界晶核上，将释放一部分能量，一个放一部分能量，一个稳定的晶核即可形成。定的晶核即可形成。2.3.3晶核的形成单位位时间在在单位体位体积液体内形成晶核的数目称液体内形成晶核的数目称为形核形核率
29、，率，单位位 cm-3s-1。N1、N2分分别为受形核功和原子受形核功和原子扩散能力影响的形核率散能力影响的形核率因子。因子。D、形核率、形核率N2.3.3晶核的形成N2形形核核率率Tm温温 度度N1N形核率取决于两因素：形核率取决于两因素：母液的母液的过冷度。冷度。过冷度冷度增大，晶核的增大，晶核的临界半径界半径和形核功减小，和形核功减小，N1提高。提高。原子活原子活动或迁移能力。或迁移能力。温度升高，原子活温度升高，原子活动能能力力强，N2提高，形核率提高，形核率高。高。2.3.3晶核的形成实际上上纯金属的形核率与金属的形核率与过冷冷度的关系如右度的关系如右图所示，在到达所示，在到达一定一
30、定过冷度前，基本不形核，冷度前，基本不形核，到达到达临界界过冷度后，形核率急冷度后，形核率急剧增加，相增加，相应的温度称的温度称为有效有效成核温度。在形核率达到极大成核温度。在形核率达到极大前前结晶已晶已结束。束。有效成核过冷度2.3.3晶核的形成（1）液体必）液体必须过冷，提供形核的冷，提供形核的热力学条件力学条件（提供（提供驱动力）力）Gv0；（2）液体必）液体必须有有结构起伏构起伏，提供提供结晶的晶的结构条件构条件。rrK；（3）液体必）液体必须有能量起伏，提供有能量起伏，提供结晶的晶的能量条件能量条件（1/3的表面能）。的表面能）。均匀形核的条件均匀形核的条件2.3.3晶核的形成依附在
31、某些已有的固体上形核依附在某些已有的固体上形核称之称之为非自非自发形核。形核。G=VGv+(sLSALS+sSBASB-sLBASB)二、非均匀形核二、非均匀形核A.能量能量变变化化2.3.3晶核的形成当当=0时，说明不需要形核功，液相中的固相明不需要形核功，液相中的固相杂质质点就是点就是现成的晶核，可在其上直接成的晶核，可在其上直接结晶晶长大。大。当当=180o，说明基底明基底对形核无效果，形核无效果，即不能在基底上形核。即不能在基底上形核。一般情况下一般情况下0180o。因此，因此，比比较小的小的杂质质点，可成点，可成为活性固体，活性固体，对形核的促形核的促进作作用用较大。大。a.q=0b
32、.0q180oqa.q=180o2.3.3晶核的形成B.形核率形核率l过冷度的影响。冷度的影响。l固体固体杂质结构的影响。构的影响。l固相固相杂质形貌。形貌。l过热度。度。l振振动或或搅动等物理因素。等物理因素。2.3.3晶核的形成l过冷度的影响。冷度的影响。可以在可以在较小的小的过冷度下冷度下获得得较高的高的形核率。形核率。非均匀形核率非均匀形核率均匀形核率均匀形核率非自非自发形核率随形核率随过冷度升高而升冷度升高而升高，达到最大高，达到最大值后后还要下降。要下降。原因：供形核的基底减少，以至原因：供形核的基底减少，以至完全消失。完全消失。2.3.3晶核的形成l固体固体杂质结构的影响。构的影
33、响。与有关。越小，形核功越小，促越小，形核功越小，促进形核的效能愈高。形核的效能愈高。2.3.3晶核的形成影响影响q的因素：的因素：B：取决于：取决于杂质与晶坯的性与晶坯的性质；L：取决于晶体与液体的性：取决于晶体与液体的性质，结晶物晶物质一定，一定，为定定值；LB：取决于：取决于杂质与液体的性与液体的性质；在在L一定，要使一定，要使cos大，大，小，主要使小，主要使B小。小。点点阵匹配理匹配理论：杂质和晶体要和晶体要结构相似（晶格构相似（晶格类型相同、相近），点型相同、相近），点阵常数相当（或原子常数相当（或原子间距成整数倍）。距成整数倍）。符合符合这种匹配条件的固种匹配条件的固态粒子称粒子
34、称为“活性粒子活性粒子”。有促进形核的作用。2.3.3晶核的形成固固态粒子表面形粒子表面形态对形核的影响形核的影响在三个曲率半径、曲率方向不同的基底上，形成同在三个曲率半径、曲率方向不同的基底上，形成同样曲率半径、与曲率半径、与基底有同基底有同样接触角的晶核。接触角的晶核。在凸形基底上形成的晶核体在凸形基底上形成的晶核体积最大，在凹形基底上形成的晶核体最大，在凹形基底上形成的晶核体积最小，体最小，体积小，形核容易。小，形核容易。2.3.3晶核的形成过热度度过热度：度：金属熔点与液金属熔点与液态金属温度之差金属温度之差T。T 较小，小，质点表面状点表面状态不不变，对形核无影响；形核无影响；T 较
35、大，大，质点内微裂点内微裂纹及小孔减小，凹面及小孔减小，凹面变为平面，平面，N下降；下降；T 很大，固很大，固态质点全部熔化，点全部熔化，变为均匀形核，均匀形核，N大大下降。大大下降。振振动、搅拌拌液液态金属凝固金属凝固过程中振程中振动和和搅拌，使枝晶碎断，形核率增加。拌，使枝晶碎断，形核率增加。2.3.3晶核的形成（1）液体必）液体必须过冷，提供形核的冷，提供形核的热力学条件力学条件（提供（提供驱动力）力）Gv0；但所需但所需过冷度冷度小。小。（2）液体必）液体必须有有结构起伏，提供构起伏，提供结晶的晶的结构条构条件，件，rrK；但所需；但所需结构起伏小。构起伏小。（3）液体必）液体必须有能
36、量起伏，提供有能量起伏，提供结晶的晶的能量条能量条件件1/3的表面能。的表面能。GK GK；但所需能但所需能量起伏小。量起伏小。非均匀形核的条件非均匀形核的条件2.3.3晶核的形成结晶的晶的现象象结晶的晶的条件条件形核的形核的方式方式2.3.3晶核的形成一、晶核一、晶核长大的条件大的条件在液固界面前沿液体中有一定的在液固界面前沿液体中有一定的过冷度，冷度，这种种过冷度称冷度称为动态过冷度（冷度（TK）。决定晶体决定晶体长大方式和大方式和长大速度的主要因素是大速度的主要因素是晶核的晶核的界面界面结构、界面前沿的温度梯度构、界面前沿的温度梯度。2.3.4晶核的长大二、界面二、界面结构构光滑光滑界面
37、界面原子尺度下，界面原子尺度下，界面为平整的原子表面。一般平整的原子表面。一般为密排密排晶面。界面两晶面。界面两侧固液原子截然分开，没有固液原子截然分开，没有过渡渡层。光学光学显微微镜下，光滑界面由若干曲折的小平面构成，下，光滑界面由若干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。所以又称小平面界面。粗糙粗糙界面界面原子尺度下，界面两原子尺度下，界面两侧有几个原子有几个原子层厚度的厚度的过渡渡层，固液原子犬牙交固液原子犬牙交错排列。光学排列。光学显微微镜下，下，这类界面界面是平直的，所以又称非小平面界面。是平直的，所以又称非小平面界面。2.3.4晶核的长大界面的微界面的微观结构不同，其接构不同，其接
38、纳液相中迁移液相中迁移过来的原子的来的原子的能力也不同，因此晶体能力也不同，因此晶体长大大时将有不同机制。将有不同机制。三、晶体三、晶体长大机制大机制2.3.4晶核的长大a.二二维晶核晶核长大机制大机制（光滑界面、（光滑界面、长大速度慢）大速度慢）b.螺型位螺型位错长大机制大机制（光滑界面，（光滑界面，长大速度大速度较快）快）c.连续或垂直或垂直长大机制（粗糙界面，大机制（粗糙界面，长大速度快，大部分金属晶体以大速度快，大部分金属晶体以此方式此方式长大。）大。）2.3.4晶核的长大固固液液过冷度冷度T/oCTm正温度梯度正温度梯度固固液液过冷度冷度T/oCTm负温度梯度温度梯度四、固液界面前沿
39、液体中的温度梯度四、固液界面前沿液体中的温度梯度2.3.4晶核的长大五、正温度梯度下晶体的五、正温度梯度下晶体的长大大平面状平面状长大形大形态2.3.4晶核的长大六、六、负温度梯度下晶体的温度梯度下晶体的长大大Tk树枝状枝状长大形大形态2.3.4晶核的长大一般的一般的测定方法是在放大定方法是在放大100倍下倍下观察后和察后和标准的准的进行行对比比评级，18级(有更高的有更高的)，级别高的晶粒高的晶粒细。级别的定的定义为在放大在放大100倍下，每平方英寸内倍下，每平方英寸内1个晶粒个晶粒时为一一级，数量增加，数量增加 倍提高一倍提高一级。一、晶粒尺寸一、晶粒尺寸晶粒大小的称晶粒大小的称为晶粒度，
40、通常用晶粒的平均面晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均或平均直径来表示。工程直径来表示。工程实际中往往采用定量金相的中往往采用定量金相的办法法对晶晶粒度粒度进行行评级。2.3.5凝固理论应用晶粒大小取决于形核率（晶粒大小取决于形核率（N）和）和长大速度大速度(G）。）。N越大，越大，G越小，越小，单位体位体积内晶粒数量多，内晶粒数量多，单个成个成长的空的空间越小，晶粒越越小，晶粒越细小。小。单位体位体积的晶粒数的晶粒数Zv和和单位面位面积的晶粒数的晶粒数Zs可分可分别表示表示为：二、二、铸件晶粒大小的控制件晶粒大小的控制 凡能促凡能促进形核、抑制形核、抑制长大的因素都能大的因素都能细化晶粒。因此
41、根化晶粒。因此根据据结晶晶时形核和形核和长大的大的规律，律，为了了细化化铸锭和和焊缝区区组织，工，工业生生产中常采用以下方法：中常采用以下方法：2.3.5凝固理论应用控制控制过冷度。冷度。降低降低浇注温度、注温度、浇注速度以及加快冷却速度可以提注速度以及加快冷却速度可以提高高过冷度。如采用金属模、或加快散冷度。如采用金属模、或加快散热，尽管形核率和，尽管形核率和长大速度大速度都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将都提高，但形核率的提高快得多，所得到的晶粒将细化。化。变质处理。理。人人为加入促加入促进形核的其它高熔点形核的其它高熔点细粉末，如在粉末，如在铜中加中加少量少量铁粉或粉或铝中加中
42、加Al2O3粉等，以非均匀方式形核并阻碍粉等，以非均匀方式形核并阻碍长大。大。振振动、搅拌。拌。铸件凝固中用机械或超声波等外来能量促件凝固中用机械或超声波等外来能量促进晶核提晶核提前形成，此外前形成，此外搅拌和振拌和振动有助于使枝晶破碎，可有助于使枝晶破碎，可细化晶粒尺寸。化晶粒尺寸。细化晶粒方法化晶粒方法2.3.5凝固理论应用 表表层细晶区晶区 柱状晶区柱状晶区 中心等中心等轴晶区晶区三、三、铸锭的晶粒的晶粒组织2.3.5凝固理论应用晶粒极晶粒极细，取向随机致密，一般都很薄，取向随机致密，一般都很薄，实际意意义不大。不大。J铸模温度模温度较低，靠近模壁的薄低，靠近模壁的薄层液体液体产生生极大
43、的极大的过冷度冷度J模壁可作模壁可作为非均匀形核的基底。非均匀形核的基底。J铸模的模的浇注注时表面温度、表面温度、热传导性能、性能、浇注温度注温度J模壁非均匀形核能力。模壁非均匀形核能力。I.表表层层等等轴细轴细晶区晶区成成 因因特特 点点影响因素影响因素2.3.5凝固理论应用垂直于模壁方向定向生垂直于模壁方向定向生长，晶粒粗大。，晶粒粗大。J铸锭模具温度升高模具温度升高,过冷度冷度变小小J不足于独立形核，不足于独立形核，结晶主要靠晶体生晶主要靠晶体生长来来维持。持。J垂直模壁方向散垂直模壁方向散热最快，表最快，表层细晶区中一次晶晶区中一次晶轴取向取向平行于散平行于散热方向的晶粒生方向的晶粒生
44、长最快，迅速地最快，迅速地长入晶体入晶体J优先生先生长的晶粒并排向液体中生的晶粒并排向液体中生长，其，其侧面彼此限制面彼此限制不能不能发展，从而形成柱状晶区。展，从而形成柱状晶区。II.柱状晶区柱状晶区成成 因因特特 点点 2.3.5凝固理论应用T铸型和型和结晶体的晶体的导热性能性能。导热能力越好，形成越有利。能力越好，形成越有利。T浇注温度与注温度与浇注速度。注速度。浇注温度越高，注温度越高，浇注速度越快，温度梯度注速度越快，温度梯度越大，柱状晶形成越有利。越大，柱状晶形成越有利。浇注温度高于一定注温度高于一定值是可以得到完全是可以得到完全的柱状晶。的柱状晶。T熔化温度。熔化温度。熔化温度越
45、高，熔体熔化温度越高，熔体过热度越大，非金属度越大，非金属夹杂物溶解物溶解越多，非均匀形核核心越少，减少了柱晶前沿形核的可能性，有越多，非均匀形核核心越少，减少了柱晶前沿形核的可能性，有利于柱状晶的利于柱状晶的发展。展。影响因素影响因素2.3.5凝固理论应用T不易不易产生生发达的枝晶，达的枝晶，组织比比较致密。致密。L柱状晶比柱状晶比较粗大，具有明粗大，具有明显的各向异性，晶粒交的各向异性，晶粒交界界处容易聚集容易聚集杂质与气体，受力与气体，受力时容易开裂。容易开裂。组织性能性能2.3.5凝固理论应用III.中心等中心等轴轴晶区晶区等等轴晶区的形成晶区的形成凝固凝固进行到后期，由于模壁散行到后期，由于模壁散热和液体和液体的的对流，中心液体的温度达到均匀，降流，中心液体的温度达到均匀，降到熔点以下，也可以形核生到熔点以下，也可以形核生长。这些晶核在液体中自由生些晶核在液体中自由生长，各方向，各方向的成的成长速度差不多，故成速度差不多，故成长为等等轴晶，晶，当它当它们成成长到柱状晶相遇，凝固全部到柱状晶相遇，凝固全部结束，因而形成等束，因而形成等轴晶区。晶区。2.3.5凝固理论应用组织性能性能取向无取向无规，无明，无明显弱面，弱面，强度高，不易开裂。度高，不易开裂。对于于铸锭一般都要求一般都要求获得得细等等轴晶晶组织。2.3.5凝固理论应用