1、l工學(xué)院工學(xué)院主講人：楊拓宇1.4 1.4 金屬結(jié)晶的基本概念金屬結(jié)晶的基本概念l基本定義l凝固：物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程l一次結(jié)晶：通常條件下凝固后的固態(tài)金屬是晶體，通常條件下凝固后的固態(tài)金屬是晶體，所以金屬的凝固有稱為一次結(jié)晶所以金屬的凝固有稱為一次結(jié)晶l二次結(jié)晶：固態(tài)金屬發(fā)生的晶態(tài)轉(zhuǎn)變稱為1.4 1.4 金屬晶體的基本概念金屬晶體的基本概念l一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)l二、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象l三、金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件l四、金屬結(jié)晶的微觀基本過程一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)l近程有序：在液態(tài)金屬中，大范圍內(nèi)的原子排列是在液態(tài)金屬中，大范圍內(nèi)的原子排列是無序的，但再局部微小范圍內(nèi)近

2、鄰原子之間存在著與無序的，但再局部微小范圍內(nèi)近鄰原子之間存在著與晶體結(jié)構(gòu)類似的規(guī)則排列，這種現(xiàn)象叫晶體結(jié)構(gòu)類似的規(guī)則排列，這種現(xiàn)象叫l(wèi)結(jié)構(gòu)起伏：由于液態(tài)金屬原子的熱運(yùn)動(dòng)，進(jìn)程有序由于液態(tài)金屬原子的熱運(yùn)動(dòng)，進(jìn)程有序結(jié)構(gòu)瞬時(shí)出現(xiàn)又瞬時(shí)消失，這種此起彼伏的現(xiàn)象稱為結(jié)構(gòu)瞬時(shí)出現(xiàn)又瞬時(shí)消失，這種此起彼伏的現(xiàn)象稱為- - -結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏結(jié)晶結(jié)晶近程有序結(jié)構(gòu)近程有序結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程有序結(jié)構(gòu)二、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象1 1、過冷現(xiàn)象、過冷現(xiàn)象 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線l液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷。l理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度理論結(jié)

3、晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差的差 t稱過冷度稱過冷度 t= t0 t1l過冷度大小與金屬本性、純度過冷度大小與金屬本性、純度和冷卻速度有關(guān)，和冷卻速度有關(guān)，l冷速越大，過冷度越大。冷速越大，過冷度越大。l純度越低，過冷度越小。純度越低，過冷度越小。l2、結(jié)晶潛熱：液態(tài)金屬向固態(tài)轉(zhuǎn)變而釋放的熱量稱液態(tài)金屬向固態(tài)轉(zhuǎn)變而釋放的熱量稱為為- 純金屬的冷卻曲線純金屬的冷卻曲線三、金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件l熱力學(xué)第二定律：等溫等壓下，體系總是朝等溫等壓下，體系總是朝著自由能減小的方向自發(fā)變化。著自由能減小的方向自發(fā)變化。 因此：只有在液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過程能夠引因此：只有在液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)金屬的過程能夠引

4、起體系自由能下降的情況下，才能發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象。起體系自由能下降的情況下，才能發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象。t0t1t液體和晶體自由能隨溫度變化液體和晶體自由能隨溫度變化四、金屬結(jié)晶的微觀過程結(jié)晶由晶核的結(jié)晶由晶核的形成形成和晶核的和晶核的長大長大兩個(gè)基本過程組成兩個(gè)基本過程組成. .l形核形核：晶體從無到有，即在液體中：晶體從無到有，即在液體中“出生出生”，稱為，稱為形核。形核。l長大長大：晶核形成后，從小變大，最終長成為晶粒的：晶核形成后，從小變大，最終長成為晶粒的過程叫過程叫-液態(tài)金屬液態(tài)金屬形核形核晶核長大晶核長大完全結(jié)晶完全結(jié)晶形核形核和和長大長大的過程的過程l晶核形成后便向各方向生長，同時(shí)又有新的晶核

5、產(chǎn)生。晶核晶核形成后便向各方向生長，同時(shí)又有新的晶核產(chǎn)生。晶核不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長不斷形成，不斷長大，直到液體完全消失。每個(gè)晶核最終長成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。成一個(gè)晶粒，兩晶粒接觸后形成晶界。1.5 1.5 形核和長大形核和長大l一、均質(zhì)形核和異質(zhì)形核一、均質(zhì)形核和異質(zhì)形核l二、晶體的長大二、晶體的長大 一、均質(zhì)形核和異質(zhì)形核一、均質(zhì)形核和異質(zhì)形核1、均質(zhì)形核均質(zhì)形核：由過冷液態(tài)金屬中自發(fā)形成：由過冷液態(tài)金屬中自發(fā)形成晶核晶核的過程稱的過程稱-。 條件條件：必須是過冷液體；同時(shí)過冷度大于臨界值。：必須是過冷液體；同時(shí)過冷度大于臨界值。2、異質(zhì)形核異質(zhì)形

6、核：液態(tài)金屬依附于未熔質(zhì)點(diǎn)表面形成晶核，叫：液態(tài)金屬依附于未熔質(zhì)點(diǎn)表面形成晶核，叫 特點(diǎn)特點(diǎn)：形核時(shí)產(chǎn)生的表面能很低，所以不需很大過冷度！：形核時(shí)產(chǎn)生的表面能很低，所以不需很大過冷度！均勻形核均勻形核非均勻形核示意圖非均勻形核示意圖1 1、固液界面的、固液界面的微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)和晶體和晶體長大機(jī)制長大機(jī)制微觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)：從原子尺度分為從原子尺度分為小平面界面小平面界面和和非小平面界面非小平面界面非小平面界面非小平面界面：原子尺度上是粗糙不平的。原子尺度上是粗糙不平的。小平面界面小平面界面：原子尺度上是平整的原子尺度上是平整的非小平面界面非小平面界面：液態(tài)金屬原子可以等效的占據(jù)界面任何位置液態(tài)

7、金屬原子可以等效的占據(jù)界面任何位置連續(xù)向上堆砌生長。這種生長叫連續(xù)長大。連續(xù)向上堆砌生長。這種生長叫連續(xù)長大。絕大多數(shù)金屬是這種生長方式絕大多數(shù)金屬是這種生長方式小平面界面小平面界面：晶體生長方式有兩種、晶體生長方式有兩種、二位形核機(jī)制二位形核機(jī)制和和晶體缺晶體缺陷機(jī)制陷機(jī)制。很多合金中的非金屬物質(zhì)都是這種生長方式很多合金中的非金屬物質(zhì)都是這種生長方式l2 2、溫度和金屬晶體的生長形態(tài)、溫度和金屬晶體的生長形態(tài)l固液界面前方為固液界面前方為正正的溫度梯度時(shí)的的溫度梯度時(shí)的平面生長平面生長。l固液界面前方為固液界面前方為負(fù)負(fù)的溫度梯度時(shí)的的溫度梯度時(shí)的枝晶生長枝晶生長。l在正溫度梯度下：在正溫度

8、梯度下： 晶體生長以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。晶體生長以平面狀態(tài)向前推進(jìn)。此時(shí)稱為此時(shí)稱為平面生長平面生長。正溫度梯度正溫度梯度l實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大實(shí)際金屬結(jié)晶主要以樹枝狀長大. .l這是由于存在負(fù)溫度梯度，且晶這是由于存在負(fù)溫度梯度，且晶核棱角處的散熱條件好，生長快，核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生先形成一次軸，一次軸又會(huì)產(chǎn)生二次軸二次軸，樹枝間最后被填充。，樹枝間最后被填充。負(fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度1.6 1.6 晶粒大小控制晶粒大小控制l晶粒的大小對(duì)金屬性能有很大的影響。常溫下晶粒越晶粒的大小對(duì)金屬性能有很大的影響。常溫下晶粒越細(xì)小細(xì)小，其強(qiáng)度、硬度越高，并且塑性、韌性也越好。其強(qiáng)度、硬度越高，并且塑性、韌性也越好。l用細(xì)化晶粒來提高