第二章2.3_金属的结晶(同济-王国华)解读.ppt

第二章 　金属的晶体结构与结晶 2.1 金属的晶体结构 2.2 实际金属的组织结构 2.3 金属的结晶 2.3 纯金属的结晶(crystallization) 一次结晶：金属从液体转变为固体晶态 的过程。 二次结晶（重结晶）：金属从一种固体晶态转变为另 一种固体晶态的过程。 广义上讲 结晶过程：金属从一种原子排列状态转变为另 一种原子排列状态(晶态)的过程。 1.纯金属结晶的条件 2.3.1纯金属的结晶条件 图 纯铜的冷却曲线 冷却曲线：液体金属在结晶时时间-温度的曲线。 bcd段低于理论结晶温度，这种现象称为过冷现象。 过冷度△T=理论结晶温度T0 –开始结晶温度Tn 冷却速度越大，则开始结晶温度越低，过冷度越大。 T0为纯铜的熔点(又称理论结晶温度) Tn为开始结晶温度 de段正在结晶 ef段表示金属全部转为固态晶体后，晶体逐渐冷却。 条件2：(自由能差)△FA (建立同液体相隔的晶体界面而消耗的能量) --自由能 free energy ：在热力学当中，自由能指的是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外作功的部分，它衡量的是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。 图 金属在聚集状态时自由能 与温度的关系的示意图 条件1：存在一定的过冷度(degree of supercooling) 在恒温条件下，只有那些引起体系自由能降低的过程才能自发进行。 在自然界中，任何物质都具有一定的能量，而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变，结晶过程也同样遵循这一规律。 包括生核(nucleation)与长大(growth)两个过程。 (a)液体 (b)生核 (c)长大 (d)长大 (e)晶体 2.纯金属结晶的过程 生核 自发生核 非自发生核 自发生核 在液态下，金属中存在有大量尺寸不同的短程有序的原子集团。在高于结晶温度时，它们是不稳定的，但是当温度降低到结晶温度下，并且过冷度达到一定的大小后，液体进行结晶的条件具备了，液体中那些超过一定大小(大于临界晶核尺寸)的短程有序原子集团开始变得稳定，不再消失。 这种从液体结构内部由金属本身原子长出的结晶核心叫做自发晶核。 非自发生核 实际金属往往是不纯净的，内部总含有这样或那样的外来杂质。杂质的存在常常能够促进晶核在其表面上的形成。 这种依附于杂质而生成的晶核叫做非自发晶核。 长大 平面长大 树枝长大 图 晶体平面长大示意图 在冷却速度较小的情况下，较纯金属的晶体主要以其表面向前平行推移的方式长大，进行平面长大。 晶体的长大应服从表面能最小的原则。 晶体沿不同方向长大的速度是不一样的，即不同晶面的垂直长大速度不同，以沿原子最密面的垂直方向的长大速度最慢，而非密排面的长大速度较快。 平面长大的结果，晶体获得表面的原子最密面的规则形状。 平面长大 图 晶体树枝长大示意图 树枝长大 当冷却速度较大，特别存在杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形式长大。 一次晶轴、二次晶轴、三次… 原因：晶核长大过程中有潜热放出，晶核尖角处的散热较快，因而长大较快，成为伸入到液体中去的晶枝，同时尖角处的缺陷较多，从液体中转移来的原子容易在这些地方固定，有利于晶体的长大而获得树枝晶。 金属的树枝晶 金属的树枝晶 金属的树枝晶 冰的树枝晶 2.3.2同素异构转变(二次结晶或重结晶) 同素异构转变(allotropic transformation)： 金属在固态下随温度改变从一种晶格转变为另一种晶格的过程。 γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀。 图 纯铁的冷却曲线 纯铁（铁素体）在770度发生铁磁性转变,在770以上铁磁性消失,在之下则出现。 2.3.3细化铸态金属晶粒的措施 细晶强化：使晶粒细化，以提高金属机械性能的方法。 金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个 晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下呈颗粒状。晶粒大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大，晶粒越细。 晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8 单位面积晶粒数/(个.mm-2) 16 32 64 128 256 512 1024