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1、关于纯金属结晶关于纯金属结晶4/3/20231现在学习的是第1页，共44页4/3/20232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现在学习的是第2页，共44页4/3/202331-3 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尺寸寸较较大的缺陷。主要是位错。大的缺陷。主要是位错。三三、面面缺缺陷陷：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
2、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：在在三三维维方方向向上上尺尺度度都都较较大大的的缺缺陷陷，又又称称三三维维缺陷。如沉淀相、空洞等。缺陷。如沉淀相、空洞等。返返 回回现在学习的是第3页，共44页4/3/20234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 回回现在学习的是第4页，共44页4/3/202353.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
3、的特性柏氏矢量的特性 混合位错混合位错返返 回回现在学习的是第5页，共44页4/3/20236 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状也实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状也实际位错线一般并不是直线，而且位错线受力后形状也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错线的方向用该点的切线会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的切线会变化，曲线上任意一点的位错线的方向用该点的切线会变化，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氏矢量时，这方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量时，这方向表示
4、，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量时，这方向表示，当位错线既不垂直也不平行柏氏矢量时，这种位错叫种位错叫种位错叫种位错叫混合位错混合位错。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。现在学习的是第6页，共44页4/3/20237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
5、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 1-56 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
6、确定位错环的位错性质类型b b b bA AB BC CD D现在学习的是第7页，共44页4/3/20238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 1-57）n n X X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
7、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现在学习的是第8页，共44页4/3/202394.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。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面：单位体积中位错线的总长度或通过单位面积的位错数目。积的位错数目。位错密度，位错密度，m-2；V V 晶体的体积；晶体的体积；L L 晶体中位错的总长度晶体中位错的总长度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
8、火的多晶体金属中，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，101010101012mm-2-2 经剧烈冷塑性变形金属中，经剧烈冷塑性变形金属中，101510101616m-2，即在，即在，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。现在学习的是第9页，共44页4/3/202310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1-58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
9、含位错，将接近理论强度度度度T=G/2T=G/2。如直径为如直径为如直径为如直径为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，退火纯铁的铁的 101010101111m-2，b=300 MPa=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1015101016m-2，b b=3000MPa。m 1234图图图图1-58 1-58 晶体的塑变抗力晶体的塑变抗力晶体的塑变抗力晶体的塑
10、变抗力与与与与 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、热处理合金化、冷变形、热处理合金化、冷变形、热处理合金化、冷变形、热处理的合金强度的合金强度的合金强度的合金强度返返 回回现在学习的是第10页，共44页4/3/202311三、面缺陷三、面缺陷面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷包包包包括括括括外外外外表表表表面面面面（表表表表面面面面和和和和自自自自由由由由界界界界面面面面）和和和和内内内内表表表表面面面面（晶晶晶晶界界界界、亚亚亚亚晶晶晶晶界界界界、孪孪孪
11、孪晶晶晶晶界界界界、堆堆堆堆垛垛垛垛层层层层错错错错和和和和相相相相界界界界等等等等）。面面面面缺缺缺缺陷陷陷陷对对对对材材材材料料料料的的的的力学和物理化学性能具有重要影响。力学和物理化学性能具有重要影响。力学和物理化学性能具有重要影响。力学和物理化学性能具有重要影响。1.晶体表面晶体表面晶体表面晶体表面 2.2.晶界晶界晶界晶界 3.3.亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界 4.4.堆垛层错堆垛层错堆垛层错堆垛层错 5.相界相界相界相界 6.晶界特性晶界特性晶界特性晶界特性返返 回回现在学习的是第11页，共44页4/3/2023121.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
12、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，每一个原子都被周围原子对称包围，而外侧被气、液等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，原子或分子包围，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，引起晶格内外受力不平衡，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，即畸变，使表面能量升高，出现额外的自由能，即表面能表面能。与表面张力同量纲、同数值与表面张力同量纲、同数值。单位为。单位为。单位为
13、。单位为J或或N/m。现在学习的是第12页，共44页4/3/202313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 表面曲率半径越大，曲率越小，表表面曲率半径越大，曲率越小，表面能越小，反之，亦然。面能越小，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的外
14、部介质的分子或原子对晶体界面原子的外部介质的分子或原子对晶体界面原子的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，则作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，则作用力与晶体内部原子对界面原子的作用力相差越大，则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。表面能越大。表面能越大。表面能越大。晶体的性质晶体的性质 晶体本身的结合能高，熔点高，则表晶体本身的结合能高，熔点高，则表面能大。面能大。返返 回回现在学习的是第13页，共44页4/3/2023142.晶界晶界实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向不实际金属是多晶体，每个
15、晶粒的晶体结构相同，但位向不实际金属是多晶体，每个晶粒的晶体结构相同，但位向不实际金属是多晶体，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。同，位向差小到几十分大到几十度。同，位向差小到几十分大到几十度。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1010的晶界称为的晶界称为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（图侧晶界（图1
16、-591-59），螺型扭转晶界（图），螺型扭转晶界（图1-601-60）。）。）。）。现在学习的是第14页，共44页4/3/202315 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大大大角度晶界角度晶界角度晶界角度晶界。大约有大约有35 5个原子间距原子排列，个原子间距原子排列，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，可以认规则性较差，晶格畸变很大，可以认规则性较差，晶格畸变很大，可以认规则性较差，晶格畸变很大，可以认为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向为处于由一个晶粒向另一个晶粒
17、位向为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向为处于由一个晶粒向另一个晶粒位向过渡的折中位置（图过渡的折中位置（图过渡的折中位置（图过渡的折中位置（图1-611-61）。）。大角度晶界还可能有大角度晶界还可能有共格晶界共格晶界共格晶界共格晶界：晶界上的原子正好处于两晶粒的共晶界上的原子正好处于两晶粒的共晶界上的原子正好处于两晶粒的共晶界上的原子正好处于两晶粒的共同结点上（图同结点上（图同结点上（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 回回现在学习的是第15页，共44页4/3/202316
18、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后倾侧后返返 回回现在学习的是第16页，共44页4/3/202317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现在学习的是第17页，共44页4/3/2023183.亚晶界亚晶界每个晶粒内部位向也有微小每个晶粒内部位向也有微小每个晶粒内部位向也有微小每个晶粒内部位向也有微小的差
19、别，由许多位向差很小的差别，由许多位向差很小的差别，由许多位向差很小的差别，由许多位向差很小的小区域（亚晶粒）组成，的小区域（亚晶粒）组成，的小区域（亚晶粒）组成，的小区域（亚晶粒）组成，位向差仅几分，最多位向差仅几分，最多位向差仅几分，最多位向差仅几分，最多1-2，如图如图如图如图1-631-63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。实验证实，亚晶界属于小实验证实，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 回回现在学习的是第18页，共44页4/
20、3/2023194.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，称为成的晶体缺陷，称为堆垛层错堆垛层错，简称为，简称为层错层错。形式：形式：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 ABC C ABC 层错：层错：层错：层错：ABC AB ABC 影响：影响：层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的层错破坏了晶体的周期性完整性，引起能量的升高。升高。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。产生单位面积层错所需的能量，称之。产生单位面积层错
21、所需的能量，称之。返返 回回现在学习的是第19页，共44页4/3/2023205.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晶。不同的相具有不同的晶。不同的相具有不同的晶。不同的相具有不同的晶体结构和化学成分。体结构和化学成分。体结构和化学成分。体结构和化学成分。具有不同晶体结构的两相之具有不同晶体结构的两相之间的分界叫间的分界叫相界相界。相界结构有三种：相界结构有三种：共格界共格界共格界共格界面面面面、半共格界面半共格界面半共格界面半共格界面和和非共格界非共格界非共格界非共格界面面面面。如图。如图1-64所示。所示。所示。所示。返返 回回具有完善共格关系
22、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现在学习的是第20页，共44页4/3/2023216.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不规则，晶格晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶格晶界、亚晶界或其它界面上的原子排列很不规则，晶格晶界、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，具有一定的畸变很大，位错密度高，具有一定的畸变很
23、大，位错密度高，具有一定的畸变很大，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界能晶界能晶界能晶界能。所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许多过程所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许多过程所以原子出于高能状态，活性很大，对金属的许多过程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。都有重要作用。都有重要作用。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）的由于晶界的结构与晶内不同和界面能（晶界能）的存在存在，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。，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
24、同于晶粒内部的特性。现在学习的是第21页，共44页4/3/202322 由由于于界界面面能能的的存存在在，当当晶晶体体中中存存在在能能降降低低界界面面能能的的异异类类原原子子时时，这这些些原原子子将将向向晶晶界界偏偏聚聚，这这种种现现象象叫叫内内吸附吸附。晶晶界界上上原原子子具具有有较较高高的的能能量量，且且存存在在较较多多的的晶晶体体缺缺陷陷，使原子的使原子的扩散速度比晶粒内部快得多扩散速度比晶粒内部快得多扩散速度比晶粒内部快得多扩散速度比晶粒内部快得多。常常常常温温温温下下下下，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
25、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，硬硬硬硬度度度度越高越高越高越高晶界强化晶界强化晶界强化晶界强化。现在学习的是第22页，共44页4/3/202323 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。晶晶界界平平
26、直直化化，以以减减小小晶晶界界的的总总面面积积和和总总界界面面能能。能能量量越越高高的的大大角角度度晶晶界界迁迁移移越越快快。由由于于晶晶界界迁迁移移靠靠原原子子扩扩散散，故故只只有有在在较较高高温温度度下下才才能能进行。进行。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 回回现在学习的是第23页，共44页4/3/202324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第二章第二章现在学习的
27、是第24页，共44页4/3/202325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。若凝固后的物质。若凝固后的物质。若凝固后的物质。若凝固后的物质为晶体，则称之为为晶体，则称之为为晶体，则称之为为晶体，则称之为结晶结晶。金属及其合金都是晶体，所以它。金属及其合金都是晶体，所以它。金属及其合金都是晶体，所以它。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是们的凝固过程就是们的凝固过程就是们的凝固过程就是结晶结晶结晶结晶。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
28、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。，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。现在学习的是第25页，共44页4/3/202326金属冶炼金属冶炼现在学习的是第26页，共44页4/3/202327现在学习的是第27页，共44页4/3/2023282-1 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
29、缺陷第二章第二章 纯金属的结晶纯金属的结晶现在学习的是第28页，共44页4/3/2023292-1 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却曲线）研究表明：结晶过程有两个十分重要的宏观特征：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 回回现在学习的是第29页，共44页4/3/2023301.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Tmm时并不结晶
30、，而是降到低于时并不结晶，而是降到低于Tm 的的温度温度T Tn n才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。才开始结晶。金属的实际金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象称为度的现象称为过冷过冷。金属材料理论结晶温度与实际结晶金属材料理论结晶温度与实际结晶金属材料理论结晶温度与实际结晶金属材料理论结晶温度与实际结晶温度之差称为温度之差称为温度之差称为温度之差称为过冷度过冷度，用，用T表示，表示，表示，表示，则则则则T=TmmTn，如图，如图，如图，如图2-1所示。所示。所示。所示。图图图图2-1 2-1 纯金属结晶冷却曲纯金属结晶冷却曲纯金属结晶冷却曲纯金属结晶冷
31、却曲线线线线TmTn现在学习的是第30页，共44页4/3/202331结晶时要从液体中生出晶体，必须建立同液体相隔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，只有当液体的过开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冷度达到一定的大小，使结晶的动力大于建立界面所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。所需要的表面能时，结晶过程才能开始进行。现在学习的是第31页，共44页4/3/202332过冷度的大小与金属的本性、纯度过冷度的大小与金属的本性、纯度过冷度的大小与金属的本性、纯度过冷度的大小与金属的本性、纯度及冷却速度有关。
32、及冷却速度有关。及冷却速度有关。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；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，过冷度主要与冷却速度有关，要与冷却速度有关，要与冷却速度有关，要与冷却速度有关，冷却速度越冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷快，实际结晶温度越低，过冷度越大；冷却越慢，过冷度越度越大；冷却越慢，过冷度越小，小，但但不可能在理论温度结晶不可能在理论温度结晶不可能在理论温度结晶不可能在理论温度结晶。如图如图2
33、-2所示。所示。图图图图2-2 2-2 液态金属不同冷速时液态金属不同冷速时液态金属不同冷速时液态金属不同冷速时的冷却曲线的冷却曲线的冷却曲线的冷却曲线 现在学习的是第32页，共44页4/3/202333液态金属以极其缓慢的速度冷却时，金属将在近于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。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101030。注意：注意：注
34、意：注意：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一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。定的过冷度下进行。返返 回回现在学习的是第33页，共44页4/3/2023342.结晶潜热结晶潜热 相变潜热相变潜热：1摩尔物质从一个相转变为另一个相时，伴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随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：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化潜热熔化潜热熔化潜热熔化潜热。结晶潜热：结晶潜热：液态金属凝固时，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
35、热量称为称为结晶潜热结晶潜热。现在学习的是第34页，共44页4/3/202335冷却曲线（图冷却曲线（图2-3）上出）上出）上出）上出现水平台阶，说明现水平台阶，说明现水平台阶，说明现水平台阶，说明纯金属纯金属纯金属纯金属结晶是在恒温下进行结晶是在恒温下进行结晶是在恒温下进行结晶是在恒温下进行。因。因。因。因为结晶时放出结晶潜热，为结晶时放出结晶潜热，为结晶时放出结晶潜热，为结晶时放出结晶潜热，弥补了热量的散失。曲线弥补了热量的散失。曲线弥补了热量的散失。曲线弥补了热量的散失。曲线上上上上1点对应结晶开始点，点对应结晶开始点，点对应结晶开始点，点对应结晶开始点，2 2点对应结晶终了点。点对应结
36、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失的在结晶过程中，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，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现热量，温度将会回升，甚至发生已结晶的局部区域的重熔现象。象。象。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TmTn12现在学习的是第35页，共44页4/3/20233
37、6二、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。如图形核长大。如图形核长大。如图2-4所示。所示。所示。所示。2.描述结晶进程的两个参数描述结晶进程的两个参数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：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 N表示。表示。长大速度：长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。
38、用单位时间内迁移的距离。用单位时间内迁移的距离。用单位时间内迁移的距离。用GG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 回回现在学习的是第36页，共44页4/3/202337 2-2 结晶的基本条件结晶的基本条件 为为什什么么必必须须降降到到理理论论结结晶晶温温度度以以下下一一定定温温度度才才能能结结晶晶呢呢？因因为为结结晶晶必必须须具具备备两两个个条条件件：能能量量条条件件（热热力力学学条件）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一、金属结晶的热力学条件一
39、、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 回回现在学习的是第37页，共44页4/3/202338一、金属结晶的热力学条件一、金属结晶的热力学条件根根据据热热力力学学第第二二定定律律，等等温温等等压压条条件件下下，系系统统总总是是自自发发地地从从自自由由能能较较高高的的状状态态向向自自由由能能较较低低的的状状态态转转变变。在在相相变变过过程程中中只只有有新新相相的的自自由由能能低低于于旧旧相相的的自自由由能能时时相相变变才才能能自自发发进进行行。新新旧旧相相自自由由能能差就是相变的驱动力（图差就是相变的驱动力（图2-52-5）。）。图图图图2-4 2-4 液、固相自
40、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）点点击击现在学习的是第38页，共44页4/3/202339关于关于关于关于G G-T曲线：曲线：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，表明随液相曲线斜率大于固相，表明随液相曲线斜率大于固相，表明随液相曲线斜率大于固相，表明随着温度的降低，液相自由能降低着温度的降低，液相自由能降低着温度的降低，液相自
41、由能降低着温度的降低，液相自由能降低的更快些。的更快些。的更快些。的更快些。液、固相冷却曲线交点对应的温液、固相冷却曲线交点对应的温液、固相冷却曲线交点对应的温液、固相冷却曲线交点对应的温度为两相共存温度，即度为两相共存温度，即度为两相共存温度，即度为两相共存温度，即理论结晶理论结晶温度温度T 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T Tm，两相自由能差，两相自由能差Gv v为金属为金属为金属为金属结晶的结晶的结晶的结晶的驱动力驱动力驱动力驱动力。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
42、G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）现在学习的是第39页，共44页4/3/202340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）。G Gv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 越大越大越大越大,G Gv越小，驱动力越越小，
43、驱动力越大，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 温温温温度示意图度示意图度示意图度示意图（G G-T T曲线）曲线）曲线）曲线）返返回回返返 回回现在学习的是第40页，共44页4/3/202341二、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，而晶核金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶核金属的结晶是晶核的形成和长大的过程，而晶核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？它是是由晶胚生成的，那么，晶胚又是什么呢？它是是由晶胚生成的，那么，晶胚又是
44、什么呢？它是是由晶胚生成的，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态金属怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液态金属怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液态金属怎样转变成晶核的？这些问题都涉及到液态金属的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对于的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对于的结构条件，因此，了解液态金属的结构，对于的结构条件，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分重要。深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。深入理解结晶时的形核和长大过程十分重要。现在学习的是第41页，共44页4/3/202342
45、大量实验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与大量实验结果表明，液态金属的结构与固态相似，而与气态金属相差太远。气态金属相差太远。液态金属结构的液态金属结构的X射线研究结果表明：液态金属的近射线研究结果表明：液态金属的近邻原子之间具有某种与晶体结构类似的规律性，即在邻原子之间具有某种与晶体结构类似的规律性，即在液态中微小范围内，存在着紧密接触规则排列的原子液态中微小范围内，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近程有序近程有序。但在大范围内原子是无序分布。但在大范围内原子是无序分布的，而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排列的，的，而在晶体中大范围内的原子却是呈有序排
46、列的，称之为称之为远程有序远程有序远程有序远程有序。液态金属中液态金属中液态金属中液态金属中近程有序近程有序排列的原子集团时起时伏大小不等的排列的原子集团时起时伏大小不等的排列的原子集团时起时伏大小不等的排列的原子集团时起时伏大小不等的 ，这种现象称，这种现象称，这种现象称，这种现象称结构起伏结构起伏或或或或相起伏相起伏相起伏相起伏。相起伏处于不断地变化。相起伏处于不断地变化。相起伏处于不断地变化。相起伏处于不断地变化中。中。中。中。现在学习的是第42页，共44页4/3/202343相起伏的尺寸大小不等，最相起伏的尺寸大小不等，最大或最小的尺寸数目都较少，大或最小的尺寸数目都较少，而中间尺寸的数目多，呈正而中间尺寸的数目多，呈正态分布（图态分布（图2-5）。）。）。）。最大相起伏尺寸（最大相起伏尺寸（r rmax）与温）与温）与温）与温度有关，温度越低，度有关，温度越低，度有关，温度越低，度有关，温度越低，r rmax越大，越大，越大，越大，越稳定。在过冷液相中，越稳定。在过冷液相中，越稳定。在过冷液相中，越稳定。在过冷液相中，rmaxmax尺寸可达几百个原子范围尺寸可达几百个原子范围（图（图2-6）。）。2-62-5现在学习的是第43页，共44页4/3/2023感感谢谢大大家家观观看看现在学习的是第44页，共44页