1、机械工程材料 工学院 主讲人 杨拓宇 1 4金属结晶的基本概念 基本定义凝固 物质由液态转变为固态的过程一次结晶 通常条件下凝固后的固态金属是晶体 所以金属的凝固有称为一次结晶二次结晶 固态金属发生的晶态转变称为 1 4金属晶体的基本概念 一 液态金属的结构二 结晶过程的宏观现象三 金属结晶的热力学条件四 金属结晶的微观基本过程 一 液态金属的结构 近程有序 在液态金属中 大范围内的原子排列是无序的 但再局部微小范围内近邻原子之间存在着与晶体结构类似的规则排列 这种现象叫 结构起伏 由于液态金属原子的热运动 进程有序结构瞬时出现又瞬时消失 这种此起彼伏的现象称为 结构起伏 结晶 近程有序结构
2、远程有序结构 二 结晶过程的宏观现象 1 过冷现象 纯金属的冷却曲线 液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷 理论结晶温度与实际结晶温度的差 T称过冷度 T T0 T1过冷度大小与金属本性 纯度和冷却速度有关 冷速越大 过冷度越大 纯度越低 过冷度越小 2 结晶潜热 液态金属向固态转变而释放的热量称为 纯金属的冷却曲线 三 金属结晶的热力学条件 热力学第二定律 等温等压下 体系总是朝着自由能减小的方向自发变化 因此 只有在液态金属转变为固态金属的过程能够引起体系自由能下降的情况下 才能发生结晶现象 四 金属结晶的微观过程 结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成 形核 晶体从无到有
3、 即在液体中 出生 称为形核 长大 晶核形成后 从小变大 最终长成为晶粒的过程叫 液态金属 形核 晶核长大 完全结晶 形核和长大的过程 晶核形成后便向各方向生长 同时又有新的晶核产生 晶核不断形成 不断长大 直到液体完全消失 每个晶核最终长成一个晶粒 两晶粒接触后形成晶界 1 5形核和长大 一 均质形核和异质形核二 晶体的长大 一 均质形核和异质形核1 均质形核 由过冷液态金属中自发形成晶核的过程称 条件 必须是过冷液体 同时过冷度大于临界值 2 异质形核 液态金属依附于未熔质点表面形成晶核 叫 特点 形核时产生的表面能很低 所以不需很大过冷度 均匀形核 非均匀形核示意图 二 晶体的长大 1
4、固液界面的微观结构和晶体长大机制微观结构 从原子尺度分为小平面界面和非小平面界面非小平面界面 原子尺度上是粗糙不平的 小平面界面 原子尺度上是平整的 非小平面界面 液态金属原子可以等效的占据界面任何位置连续向上堆砌生长 这种生长叫连续长大 绝大多数金属是这种生长方式 小平面界面 晶体生长方式有两种 二位形核机制和晶体缺陷机制 很多合金中的非金属物质都是这种生长方式 2 温度和金属晶体的生长形态固液界面前方为正的温度梯度时的平面生长 固液界面前方为负的温度梯度时的枝晶生长 在正温度梯度下 晶体生长以平面状态向前推进 此时称为平面生长 正温度梯度 实际金属结晶主要以树枝状长大 这是由于存在负温度梯度 且晶核棱角处的散热条件好 生长快 先形成一次轴 一次轴又会产生二次轴 树枝间最后被填充 负温度梯度 1 6晶粒大小控制 晶粒的大小对金属性能有很大的影响 常温下晶粒越细小 其强度 硬度越高 并且塑性 韧性也越好 用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化 凡是能促进形核 抑制长大的措施 都有细化晶粒的效果目前通用的两种方法 增大过冷度 孕育处理
