1、2.晶体缺陷,实际金属晶体内部，由于铸造、变形等一系列原因，其局部区域原子的规则排列往往受到干扰和破坏，不象理想晶体那样规则和完整，存在大量的晶体缺陷，从而影响到金属的许多性能。,实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。,（3）面缺陷,（2）线缺陷,（1）点缺陷,（1）点缺陷,晶格发生 靠拢或撑开,晶格空位,间隙原子,置换原子,点缺陷的存在，使晶格产生畸变，材料的硬度和强度提高了，材料的塑性和韧性降低了。,结论：,（2）线缺陷,线缺陷即晶格中的位错。位错是指晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。,最简单直观的一种为刃型位错。,刃型位错示意图,由于右上部分相对于右下部分的局部滑移，结果
2、在晶格的上半部挤出了一层多余的原子面，好像在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘EF便为位错线。,不锈钢中的位错线 （用透射电镜可观察）,在金属晶体中，位错线往往大量存在。通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度。一般退火态金属的位错密度约为105108cm/cm3；冷变形后的金属可达1012cm/cm3。,位错的存在对金属的强度有着重要的影响。从图中可见，增加或降低位错密度，都能有效地提高金属强度。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度，当位错大量产生后，强度又提高。由于没有缺陷 的晶体很难得到，所以 生产中一般依靠增加位 错密度来提高金属强度， 但塑性随之降低。,
3、线缺陷的存在，产生晶格畸变，位错密度达到一定程度，产生位错强化。,结论：,（3）面缺陷,晶界,亚晶界,晶粒内部也不是完全理想的晶体，而是由位向差很小的亚晶粒(或嵌镶块) 组成的。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。,晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距。,亚晶界,亚晶粒 （嵌镶块）,Au-Ni合金的电镜照片,结论：,面缺陷能提高金属材料的强度和塑性。细化晶粒是改善金属机械性能的有效手段。,二、金属的结晶过程,图3-1 纯金属的冷却曲线,1.金属结晶的宏观现象,（1）过冷现象,实际开始结晶温度T0低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷现象。,Tm理论结晶温度（熔点） T0实际结晶温度,过冷度:
4、,TTmT0,冷却速度越快，实际结晶温度 T0 越低，T也越大 。,（2）结晶潜热,热力学定律：自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。,自由能F ：物质能够对外作功的能量。,Tm 时， F液 F固 （液固共存） T0 时， F液 F固 （液固）液体与固体间的自由能差F为结晶驱动力。,过冷度是一切物质结晶的必要条件。,液体和固体自由能随温度的变化,所以欲使液体结晶，就必须具有一定过冷度，以提供结晶驱动力。,T越大，F 越大，结晶驱动力大，结晶倾向愈大。,（2）结晶潜热,曲线上出现一个平台，表示结晶时温度保持不变，为恒温过程。这是由于结晶潜热释放，抵消了向外界散
5、发的热量，而保持结晶过程温度不变。,金属熔化：固相液相 吸收热量 熔化潜热结晶时：液相固相 放出热量 结晶潜热,1 mol物质：1个相另一个相时 吸收或放出热量 相变潜热,2.金属结晶的微观过程,（1）晶核的形成,结晶过程示意图,（2）晶核的长大,液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体,a）自发形核,在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。,由液态金属内部金属原子自发形成的晶核。,b）非自发形核,实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，这些杂质能够促进晶核在其表面形成，这个过
6、程叫非自发形核。,依附于杂质而形成的晶核。,非自发形核在实际金属的结晶中，起优先和主导作用。,（1）晶核的形成,晶核形成后，继续冷却，晶核吸收周围的原子而长大，同时，新的晶核不断地形核和长大，直至相邻晶体彼此接触，液态金属完全消失，最后得到由许多小晶粒组成的多晶体。,（2）晶核的长大,纯铁晶体结构,枝状晶长大,结晶完毕 等轴晶,实际金属的结晶主要以树枝状长大,金属的树枝晶,冰的树枝晶,特别提示：结晶的一般过程（基本规律） 形核与长大,三、晶粒大小的控制,1.晶粒度,标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。,晶粒度：表示晶粒大小的指标。,晶粒度可
7、用晶粒的平均面积或平均直径表示。,2.晶粒大小对金属性能的影响,细晶强化,图3-3 黄铜晶粒尺寸与硬度的关系,晶粒越细硬度越高,强化材料的方法之,在高温下（晶界在高温 下易氧化和流动）工作的 金属材料，晶粒过大或过 小都不好。对于制造电 动机和变压器的硅钢片（晶界在腐蚀介质中易受侵蚀）来说，其晶粒越大性能越好。,金属的晶粒越细，常 温下的机械性能越好。,3.晶粒大小的控制,（1）决定晶粒度的因素,结晶时，每个晶核都长大形成一个晶粒，所以在长大速度相同的情况下，形核越多，晶粒越细。,单位时间单位体积内形成晶核的数目。,晶核在单位时间内生长的长度。,形核率N,长大速度G,N/G越大，晶粒越细小。,
8、c）振动、搅拌等方法,（2）控制晶粒度的方法,a）控制过冷度,过冷度T越大，N/G值越高，晶粒越细小。,而冷却速度T,生产上可采用冷却速度的方法，来细化晶粒提高性能。如降低铸造温度，用金属型代替砂型等。,b）变质处理,钢锭的组织及其宏观缺陷,1.镇静钢,钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅 进行了充分脱氧 ,Wo = 0.01%左右, 成 分较均匀、组织较致密。主要用于机 械性能要求较高的零件。,2.沸腾钢,钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧, Wo = 0.03%0.07%，成分偏析较严重、 组织不致密。机械性能不均匀, 冲击韧 性差, 常用于要求不高的零件。,3.半镇静钢,半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢
9、和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进 行脱氧。其质量也介于二者之间,可代 替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。,二、铸锭(件)组织与缺陷,在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。 铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。,1、铸锭(件)的组织 铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:, 表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。, 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶
10、区。,中心等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。,2、铸造缺陷 铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的. 缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切除. 疏松：,疏松,偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。,硫在钢锭中偏析的模拟结果,气孔: 气孔是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。,
