课题：第2章 2.1纯金属的结晶、2.2二元合金的结晶（I）
目的要求：1了解纯金属结晶的条件、理解其结晶过程，掌握细化铸态金属晶粒的措施；2掌握二元合金的结晶。
教学重点：纯金属结晶的过程、细化铸态金属晶粒的措施、二元合金的结晶、相图。
教学难点：匀晶相图、共晶相图、包晶相图。
教学课时：2
教学方法：多媒体，板书
教学内容与步骤：
本章介绍金属材料组织和性能的影响因素及其控制方法。重点阐明铁碳相图、铁碳合金平衡结晶过程、铁碳合金的成分-组织-性能关系。重点阐明钢的热处理原理和热处理工艺。简要阐述纯金属的结晶、金属的塑性加工、钢的合金化。
本章是工程材料课程的重点章。着重掌握：铁碳相图，铁碳合金的平衡结晶过程，铁碳合金的成分-组织-性能关系。过冷奥氏体的转变，钢的淬透性、淬硬性。常用热处理等热处理工艺。合金元素对钢的热处理、钢的机械性能的影响。熟悉纯金属、合金的结晶，金属的塑性加工、再结晶对金属组织和性能的影响规律。
2.1纯金属的结晶
2.1.1 纯金属的结晶
金属材料要经过液态和固态的加工过程。钢材经过冶炼、注锭、锻造、轧制、机加工和热处理等工艺过程。
金属浇注、冷却后，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。
液态金属中金属原子作不规则运动。在小范围内，原子会出现规则排列，称短程有序。短程有序的原子集团是不稳定的，瞬时出现瞬时消失。通常的固态金属属于晶体材料，金属原子规则排列，叫长程有序。
金属从液态到固体晶态的转变称为一次结晶。简称金属结晶。一、纯金属结晶的条件
纯铜的冷却曲线中T0为纯铜的熔点(理论结晶温度), Tn为开始结晶温度。
自发转变的能量条件：
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。
在一定温度条件下，只有引起体系自由能（即能够对外作功的那部分能量）降低的过程才能自发进行。
液态金属结晶条件：液态金属要结晶，温度必须低于理论结晶温度T0，要有一定的过冷度ΔT ，使金属在液态和固态之间存在自由能差ΔF 。液态金属结晶的动力：ΔF
二、纯金属的结晶过程
包括两个基本过程：形核、长大
1. 形核
液态金属内部生成一些极小的晶体作为结晶的核心。生成的核心
叫做晶核。
实际金属结晶时，以非自发形核为主。晶核形成、晶体长大时晶体表面能的增加是金属结晶的阻力。
2. 晶体的长大
晶体的长大有两种方式:
(1)平面长大
冷却速度较慢时，晶体表面向前平行推移长大。不同晶面的垂直方向上的长大速度不同。沿密排面的垂直方向上的长大速度最慢。
(2)树枝状长大
冷却速度较快时，晶体的棱角和棱边的散热快，长大较快，成为晶枝。优先形成的晶枝称一次晶轴，在一次晶轴增长时，在侧面生出新的晶枝，即二次晶轴。其后又生成三次晶轴、四次晶轴。
实际金属结晶时，晶体多以树枝状长大方式长大。
2.1.2 同素异构转变
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。
金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。
2.1.3 细化铸态金属晶粒的措施
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。一般情况下, 晶粒越小, 金属的强度、塑性和韧性越好。使晶粒细化, 提高金属机械性能的方法称为细晶强化。
细化铸态金属晶粒措施
1. 增大金属的过冷度
成核速率N ：单位时间单位体积形成的晶核数,个/m3·s；长大速度G ：单位时间晶体长大的长度, m/s；实际工程中，过冷度常处于曲线的左边部分。
随着过冷度的增大，成核速率和长大速度都增大，成核速率增大更快，比值N/G也增大, 晶粒细化。
增大过冷度的主要方法：
提高液态金属的冷却速度、采用冷却能力较强的模子。
采用金属型铸模, 比采用砂型铸模获得的铸件晶粒要细小。超高速急冷技术可获得超细化晶粒的金属、亚稳态结构的金属和非晶态结构的金属。
非晶态金属具有特别高的强度和韧性、优异的软磁性能、高的电阻率、良好的抗蚀性等。
2. 变质处理
在液体金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织的方法叫变质处理。
变质剂的作用：增加晶核数量，阻碍晶核长大。
如：
●铝合金液体中加入钛、锆，
●钢水中加入钛、钒、铝，
●铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金，
都可使晶粒细化。
3. 振动
在结晶过程中采用机械振动、超声波振动方法，破碎正在生长中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心，获得细小的晶粒。
4. 电磁搅拌
将正在结晶的金属置于一个交变电磁场中，由于电磁感应现象，液态金属翻滚，冲断正在结晶的树枝状晶体的晶枝，增加结晶核心，细化晶粒。
2.1.4 铸锭的结构
一、铸锭结构
铸锭分为三个各具特征的晶区。
1. 细等轴晶区
锭模温度低，导热快，外层液体金属过冷度大，生成晶核多。模壁能起非自发晶核的作用。铸锭表层形成一层晶粒细小的细晶区。
2. 柱状晶区
细晶形成，锭模温度升高，冷却速度降低，液体金属过冷度减小，生核速率降低。散热具有方向性，晶粒朝与散热方向的反方向平行长大，形成柱状晶区。
3. 粗等轴晶区
中心冷却速度慢，过冷度小。散热失去方向性。柱状晶上被冲下的二次晶枝的碎块成为晶核，各个方向均匀长大，形成粗大等轴晶区。
二、铸锭晶粒形状的影响因素
●柱状晶
柱状晶性能：
柱状晶性能具有明显的方向性。
沿柱状晶晶轴方向的强度较高。
主要受单向载荷的机器零件，如汽轮机叶片等，柱状晶结构是非常理想的。
●等轴晶
2.1.5 单晶的制取
单晶是电子元件和激光元件的重要原料。
喷气发动机叶片开始应用金属单晶。
根据结晶理论，制备单晶的基本要求是液体结晶时只有一个晶核，要严格防止另外形核。
本节小结
金属结晶条件：要有一定的过冷度，金属结晶推动力：固态金属
和液态金属之间的自由能差。金属结晶过程：形核、长大。细化铸态金属晶粒措施：增大过冷度、变质处理、振动、电磁搅拌。
2.2合金的结晶
合金结晶过程复杂, 用合金相图来分析。
相图：表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图，也称为平衡图或状态图。
平衡：在一定条件下合金系中参与相变的
各相的成分和质量分数不再变化。
合金在极其缓慢冷却的条件下的结晶过
程，可以认为是平衡的结晶过程。
在常压下，二元合金的相状态决定于温度
和成分。二元合金相图用温度—成分坐标系的
平面图来表示。
图中的每一点表示一定成分的合金在一定温度时的稳定相状态。
2.2.1 二元合金的结晶
一、发生匀晶反应的合金的结晶
1. 结晶过程
匀晶反应：L→α固溶体
Cu-Ni、Fe-Cr、Au-Ag合金具有匀晶相图。
aa1c 线为液相线, 该线以上合金处于液相;
ac1c线为固相线, 该线以下合金处于固相。
●单相区
L相：液相, Cu和Ni形成的液溶体;
α相：Cu和Ni组成的无限固溶体。
●双相区:L+ α相区。
2. 匀晶结晶特点
(1) 形核与长大
与纯金属一样, 固溶体结晶也包括形核、长大两个过程。固溶体更趋向树枝状长大。
(2) 变温结晶
固溶体结晶在一个温度区间内进行, 变温结晶。
(3) 两相的成分确定
在两相区内, 温度一定时, 两相的成分(即L相中Ni的质量分数和α相中Ni的质量分数)确定。
过温度T1作水平线, 交液相线和固相线于a1、c1。 a1、c1点在成分轴上的投影点即为L相和α相中Ni的质量分数。
随着温度的下降, 液相成分沿液相线变化, 固相成分沿固相线变化。
(4) 两相的质量比一定
在两相区，温度一定时, 两相的质量符合杠杆定律。在T1温度时：
杠杆的两个端点为给定温度时两相的成分点,支点为合金的成分点。杠杆定律只适用于相图中的两相区；杠杆定律只能在平衡状态下使用。
(5) 容易产生枝晶偏析
枝晶偏析：在一个晶粒内化学成分分布不均匀。
扩散退火：把合金加热到低于固相线100 ℃左右, 长时间保温, 原子充分扩散, 获得成分均匀的固溶体。
二、发生共晶反应的合金的结晶
Pb-Sn、Al-Si、Ag-Cu合金具有共晶相
图。
Pb-Sn合金相图中有三个单相区:
L：Pb与Sn形成的液溶体
α：Sn溶于Pb中的有限固溶体
β：Pb溶于Sn中的有限固溶体
三个双相区：L+α、L+β、α+β
一条L+α+β三相共存线(水平线cde )。这种相图称共晶相图。
发生共晶反应时三相共存, 三相各自成分确定, 恒温进行。
d点为共晶点, 表示d点成分(共晶成分)的液相合金冷却到d点温度(共晶温度)时, 共同结晶出c点成分的α相和e 点成分的β相。
Ld→(αc+βe)
共晶反应：一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应，生成的两相混合物叫共晶体。
1. 合金I的平衡结晶过程
2. 合金II(共晶合金)的结晶过程
3. 合金Ⅲ(亚共晶合金)的结晶过程
过共晶合金(合金Ⅳ)：
三、发生包晶反应的合金的结晶
四、发生共析反应的合金的结晶
五、含有稳定化合物的合金的结晶
稳定化合物:具有一定的化学成分、固定的熔点, 熔化前不分解, 也不发生其它化学反应。
教学总结
本章介绍了纯金属的结晶与二元合金的结晶，重点阐述了纯金属的结晶过程与细化铸态金属晶粒的措施、二元合金的结晶过程，着重分析了匀晶相图、共晶相图、包晶相图。
第二章纯金属的结晶 一、名词： 结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程. 结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。 孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。 近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。 远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。 结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。 晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。 形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。 过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。 均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。 非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。 变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。 能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。 正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。 负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况 细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。 晶粒度：晶粒的大小。 缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。 二、简答： 1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？ 答：过冷现象、结晶潜热释放现象 2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？ 答：金属的本性、纯度和冷却速度。 金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，则过冷度越大。。 3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？ 1）界面结构；2）界面附近的温度分布； 4. 晶体长大机制有哪几种？ 1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制 5、结晶过程的普遍规律是什么？ 答：结晶是形核和晶核长大的过程 6、均匀形核的条件是什么？
第二章金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1、晶体与非晶体 晶体——原子规则排列的集合体 非晶体——原子无规则堆积的集合体 晶体特征：固定的熔点，各向异性 2、晶格与晶胞 晶格：把晶体中原子看成几何点，用假象的直线连接后得到的三维格架晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小几何单元 3、晶面与晶向晶格常数：晶胞的棱边长度 晶面：晶格中各方位的原子面 晶向：任意两个原子连线所指的方向 第二节纯金属的实际晶体结构 α-Fe [100] E=135000N/mm2 [111] E=290000 N/mm2 实际测定 E=210000 N/mm2 一、多晶体结构 单晶体：各部分位向完全一致的晶体（各向异性）多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体（各向同性）晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体晶界：晶粒之间的界面 二、晶体缺陷 1、点缺陷——空位和间隙原子 点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑ 空位和间隙原子都处于运动和变化之中，是原子扩散主 要方式之一。温度↑，空位↑ 2、线缺陷——位错 位错——整排原子有规律错排位错密度ρ=L / V (cm-2)
增加或减小，可以提高强度 3、面缺陷——晶界、亚晶界晶界处：晶格畸变→强度高 原子能量高→熔点低，易腐蚀，原子扩散快 晶粒细→晶界面积大→强度高 亚晶界：晶粒内小位向差（1-2°）的晶块（亚晶粒亚结构）边界 第三节合金的晶体结构合金的基本概念 合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有金属性质的物质。 组元：组成合金的基本物质。 相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分 单相合金：固态下由一个固相组成的合金 多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金 组织：相的聚合体。 ( 单相组织，多相组织，) 二、合金的相结构 合金相结构——固溶体和金属化合物。 1、固溶体 固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相。溶剂——保持原晶体结构的元素溶质——失去原晶体结构的元素 有限固溶体：溶解度有一定限度——有限互溶 无限固溶体：溶解度无一定限度——无限互溶（晶体结构相同原子直径相近）固溶体分类： 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中 固溶强化——溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高 (仍保持良好的塑性和韧性) 2、金属化合物 特征： ?有金属性质 ?晶体结构不同于任何组元 ?成分可用分子式表示Fe3C 性能：硬，脆，熔点高 弥散强化（第二相强化）： 当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上， 可使合金的强度↑↑，硬度↑↑，耐磨性↑↑ 调整合金性能的途径： ?改善固溶体溶解度 ?改变化合物形状、数量、大小、分布
第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为凝固，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为固态相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是 变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。钢中常用的变质剂为V,Ti,Al。 变质处理常用于大铸件，实际效果较好。 4．铸锭和铸件的区别是。 铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。用铸造方法获得的金属物件，即把熔炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其他方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。 5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、变质处理、振动、搅动6．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 7．液态金属的结构特点为短程有序。 8．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细，薄铸件的晶粒比厚铸件细。 9．过冷度是金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。N 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。N 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( Y ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( N ) 金属玻璃---如果液体金属急速地降温，获得极大过冷度，以至没有形核就将温到原子扩散难以进行的温度，得到固体金属，它的原子排列状况与液态金属相似，这种材料称为非晶态金属，又称金属玻璃。 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( N) 过冷度过大会降低原子的扩散能力，给形核造成困难，使形核率降低。 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。Y 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细Y 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。N 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。Y 14．在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀 形核的结果。( Y) 15．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。( ) (三) 选择题 1 液态金属结晶的基本过程是 A．边形核边长大B．先形核后长大 C．自发形核和非自发形核D．枝晶生长 2．液态金属结晶时， C 越大，结晶后金属的晶粒越细小。 A．形核率N B．长大率G C．比值N／G D．比值G／N 3．过冷度越大，则B A．N增大、G减少，所以晶粒细小B．N增大、G增大，所以晶粒细小
第二章纯金属的结晶 2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2 b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？ 答： 2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。 答：
2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？ 答： 金属结晶时需过冷的原因： 如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使G s＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素： 金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因： 会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜G s，固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答： 相同点： 1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。
2、具有相同的临界形核半径。 3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。 不同点： 1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变 化而变化。 2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 3、两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的 影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答： 液相中的温度梯度分为： 正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。固液界面的微观结构分为： 光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界 面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系： 1、在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体，其显微界面-晶体学小平面与熔点等温面成一定角度，这种情况有利于形成规则几何形状的晶体，固液界面通常呈锯齿状。 粗糙界面的晶体，其显微界面平行于熔点等温面，与散热方向垂直，所以晶体长大只能随着液体冷却而均匀一致地向液相推移，呈平面长大方式，固液界面始终保持近似地平面。 2、在负温度梯度下： 具有光滑界面的晶体：如果杰克逊因子不太大，晶体则可能呈树枝状生长；当杰克逊因子很大时，即时在较大的负温度梯度下，仍可能形成规则几何形状的晶体。具有粗糙界面的晶体呈树枝状生长。 树枝晶生长过程：固液界面前沿过冷度较大，如果界面的某一局部生长较快偶有突出，此时则更加有利于此突出尖端向液体中的生长。在尖端的前方，结晶潜热散失要比横向容易，因而此尖端向前生长的速度要比横向长大的速度大，很块就长成一个细长的晶体，称为主干。这些主干即为一次晶轴或一次晶枝。在主干形成的同时，主干与周围过冷液体的界面也是不稳的的，主干上同样会出现很多凸出尖端，它们会长大成为新的枝晶，称为称为二次晶轴或二次晶枝。二次晶枝发展到一定程度，又会在它上面长出三次晶枝，如此不断地枝上生枝的方式称为树枝状生长，所形成的具有树枝状骨架的晶体称为树枝晶，简称枝晶。 2-6 简述三晶区形成的原因及每个晶区的特点。 答： 三晶区的形成原因及各晶区特点： 一、表层细晶区
第八节合金的晶体结构与结晶过程 一、基本概念 ●组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 ●由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金，称为合金系。 ●相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。 ●组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。 二、合金的晶体结构 根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化合物及机械混合物三种类型。 （一）固溶体 ●合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。 根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。 1．置换固溶体 ●溶质原子代替一部分溶剂原子，占据溶剂晶格的部分结点位置时，所形成的晶体相，称为置换固溶体。 按溶质溶解度的不同，置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体。 a) 置换固溶体 b) 间隙固溶体 图1-32 固溶体的类型 2．间隙固溶体 ●溶质原子在溶剂晶格中不占据溶剂晶格的结点位置，而是嵌入溶剂晶格的各结点之间的间隙内时，所形成的晶体相，称为间隙固溶体。 无论是置换固溶体，还是间隙固溶体，异类原子的插入都将使固溶体晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。这种通过溶入溶质原子形成固溶体，使合
金强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是强化金属材料的重要途径之一。 a）间隙固溶体 b）置换固溶体（大溶质原子） c）固溶体（小溶质原子） 图1-33 形成固溶体时产生的晶格畸变 （二）金属化合物 ●金属化合物是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。 金属化合物具有与其构成组元晶格截然不同的特殊晶格，熔点高，硬而脆。 （三）机械混合物 ●由两相或两相以上组成的多相组织，称为机械混合物。 在机械混合物中各组成相仍保持着它原有晶格的类型和性能，而整个机械混合物的性能则介于各组成相的性能之间，并与各组成相的性能以及相的数量、形状、大小和分布状况等密切相关。 三、合金结晶过程 合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成和晶核长大两个过程。同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成由多晶体。合金的结晶过程中具有如下特点： （1）纯金属的结晶是在恒温下进行，只有一个结晶温度。而绝大多数合金是在一个温度范围内进行结晶的，一般结晶的开始温度与终止温度是不相同，一般有两个结晶温度。 （2）合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分（即浓度）有差异，当结晶终止后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。 （3）合金结晶后一般有三种情况：第一种情况是形成单相固溶体；第二种情况是形成单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)；第三种情况是结晶开始时形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(如共晶体)。 四、合金结晶冷却曲线 合金结晶过程比纯金属复杂得多，但其结晶过程仍可用结晶冷却曲线来描述。一般合金的结晶冷却曲线有以下三种形式：
金属学与热处理第二版（崔忠圻）答案 第二章纯金属的结晶 2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2 b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？ 答：
2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。 答： 2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？ 答： 金属结晶时需过冷的原因： 如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，
即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使Gs＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素： 金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因： 会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜Gs，固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答： 相同点： 形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。 具有相同的临界形核半径。 所需形核功都等于所增加表面能的1/3。 不同点： 非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变化而变化。 非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答： 液相中的温度梯度分为： 正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。 负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。 固液界面的微观结构分为： 光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系： 在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体，其显微界面（显微镜下观察到的界面）-晶体学小平面与熔点等温面成一定
金属与合金地结晶及组织 绝大多数地固态金属及其合金是山液态金属得到地,金属和合金由液态转变为固态地过程称为凝固.凝固过程主要是晶体或晶粒地生成和长大过程,所以也称结晶.结晶以后地组织对固态金属组织及合金地力学.物理和化学性能有决定性地影响.因此,掌握结晶过程地规律,特别是组织地形成和变化规律以及和性能之间地联系,将有助于我们利用这些规律,去改进金属地组织,从而得到所要求地性能. 3．1 液态金属地结构 金属,特别是合金,类型很多,加之实际生产中所采用地铸造工艺类型又是多种多样地,所以结晶过程可说是变化多端地.但只要进行分类归纳抓住主要典型,并从中概括出根本性地带有规律性地东西,就可起到举一反三,由此及彼地效果. 3．1．1 结晶地基本类型 结晶是物质状态地转化,当然也属于相变地范围.不言而喻,在结晶过程中,必然要发生结构地变化,但对合金来说,同时还可能发生化学成分地变化.根据这个特点,理论上可将结晶分为两大类. 3．1．1．1 同分结晶 其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分完全一样,或者说,在结晶地过程中只发生结构地改组而无化学成分地变化.纯金属以及成分恰处同一相图中地最高点或最低点地那些合金(包括固溶体和化合物),即重合为一点地合金其结晶都属于这一类,也可以把它看作是纯聚集状态地转变. 3．1．1．2 异分结晶 其特点是结晶出地晶体和母液地化学成分不—…样,或者说,在结晶过程中,成分和结构同时都发生变化,也称为选分结晶.绝大部分合金,特别是实际应用地合金地结晶,大多可归于这一类.显然,这——类结晶过程较复杂,但它与实际生产关系甚大. 此外,也可以根据结晶后地组织特点,而将结晶分为以下两类： A 均晶结晶其特点是结晶过程中只产生一种晶粒,结晶后地组织应由单一地均匀晶粒组成,即得到单相组织.同分结晶地金属和合金当然屑于这一类,但不少异分结晶地合金,例如固溶体合金系或边际固溶体地合金其结晶也属此类. B 非均晶结晶其特点是结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上地成分和结构都不相同地晶粒.各种共晶合金系和包晶合金系中绝大部分合金地结晶属于此类.铸态合金地复相组织大多由此而形成. 3．1．2 液态金属地结构 结晶是在液态金属中发生地,液态金属地结构对金属地结晶必然有密切地关系.19世纪末期,人们常常把液态和固态金属对立起来,而把液态看成和气态相似,即认为液态中原子间(金属是离子)地作用力很弱,各个原子(离子),都在无规律地运动着.到20世纪初,在对金属地固态.液态和气态性质研究后,特别是x射线分析方法对液态金属地结构进行地研究,证明了上述关于液态金属结构地概念是不正确地.根据新地概念,人们认为液态金属地结构和固态金属地结构是近似地.这是因为：金属由固态转变为液态时,其比容改变不大.这说明熔化引起地原子间地距离改变不大. 液态金属具有电子式地导电性,同时温度越高,导电性越低,这说明液态金属仍然保持着固态金属所固有地金属性.或者说液态金属中公有化电子和离子间地金属结合仍然存在,并且相互作用力与固态金属相似. 金属地熔化潜热和蒸发潜热相差很多.前者仅为后者地5％+10％.这说明当金属由固态变为液态时,与液态变为气态时相比较,原子结合力变化是很小地. 液态金屑与固态金属地摩尔热容量相差不多.例如,铁在固态时地摩尔热容量cp＝
金属及合金的回复与再结晶 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷塑性变形以前的过程。晶粒仍保持伸长的纤维状． 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度后，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐步取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消失的过程。 回复与再结晶的驱动力都是储存能的降低 储存能：存在于冷形变金属内部的一小部分（约为10％）变形功．形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。 储存能存在形式：弹性应变能（３％～１２％）＋点阵畸变能点阵畸变能包括点缺陷能和位错能，点缺陷能所占的比例较小，而位错能所占比例较大，约占总储存能的８０～90％。 力学性能的变化 在回复阶段：强度、硬度均略有下降，而塑性有所提高．在再结晶阶段：硬度、硬度均显著下降，塑性大大提高．在晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降 另外，金属的电阻与晶体中点缺陷的浓度有关。随着加热温度的升高，变形金属中的点缺陷浓度明显降低，因此在回复和再结晶阶段，电阻均发生了比较明显的变化，电阻不断下降。此外，点缺陷浓度的降低，应力腐蚀倾向显著减小。 回复过程及其动力学特征 回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性能的变化过程．回复的程度是温度和时间的函数．温度越高，回复的程度越大．温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加．但在回复初期，变化较大，随后就逐渐变慢，当达到一个极限值后，回复停止。
回复机制 低温回复时，主要涉及空位的运动。空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。而力学性能对空位的变化不敏感，没有变化。 中温回复时，主要涉及位错的运动。由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。 高温回复时，主要涉及位错的运动。位错不但可以滑移、而且可以攀移，发生多边化，使错密度有所降低，降低系统部分内应力，从而使硬度、强度略有下降，塑性、韧性得到改善。 回复过程中亚结构（胞状亚结构）的变化 金属材料经塑性变形后形成胞状亚结构，胞内位错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。经短暂回复退火后，空位浓度大大下降，胞内的位错向胞壁滑移，与胞壁的异号位错相抵消，位错密度有所下降．随着回复的进一步进行，胞壁中的位错逐渐形成低能态的位错网络，胞壁变得比较明晰而成为亚晶界，接着这些亚晶界通过亚晶界的迁移而逐渐长大，亚晶粒内的位错密度进一步下降．回复温度越低，变形量越大，则回复后的亚晶粒越细小． 再结晶形核机制 亚晶长大形核机制（适用于大变形度）因在回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形化后转变为亚晶，其中有些亚晶粒就会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核，这种亚晶成为再结晶晶核的方式有两种： １）亚晶界移动形核它是依靠某些局部位错密度很高的亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。 ２）亚晶合并形核相邻亚晶界上的位错，通过攀移和滑移，转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，然后通过原子扩散和位置的调整，终于使两个或更多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。晶界凸出形核机制（变形度约小于４０％）又称为晶界弓出形核。由于变形度小，所以金属的变形不均匀，有的晶粒变形度大，位错密度也大；有的晶粒变形
第三章 金属和合金的结晶 通常我们把液态金属转变为固态金属的相变过程称为结晶。为了更好地研 究结晶的规律，我们首先研究纯金属的结晶。 第一节 纯金属的结晶过程 一、金属结晶的现象 如果我们把熔融的金属液体 防入一个散热缓慢的容器中，让 金属液体以极其缓慢的速度进行 冷却，同时记录其温度—时间变 化曲线即冷却曲线。通过对冷却 曲线的分析，我们可以了解以下 一些现象。 1、结晶过程伴随着潜热的释放 从冷却曲线上可以见到一个结晶温度平台，这说明在该时间段内，金属内部有热量释放弥补了热量的散失，我们把这个热量称为结晶潜热。冷却曲线上结晶平台的温度称为实际结晶温度T 0。 2、结晶时液体必须具有一定的过冷度 在结晶发生时，实际结晶温度并不是金属的熔点。如果我们把金属的熔点称为理论结晶温度的话，那么实际结晶温度要低于理论结晶温度。这两者之差称之为过冷度?T，?T 随着冷却条件和液体杂质的含量不同，可以在很大的范围内变化。但是对于一定的金属液体来说，?T 存在着一个最小值称为 亚稳极限?T *。如果过冷度小于 这个值，结晶几乎不能进行或以 难于察觉的速度进行，液体可以 长期保持在亚稳状态；大于这个 值，液体才能以可观的速度进行 着结晶。这个极限值与液体的纯 洁程度有着很大的关系，最高可 达熔点的0.2左右，即?T *=0.2T m 。 金属结晶时，是一个系统能
量降低的过程。在理论结晶温度时，液态金属的自由能与固态金属的自由能相等，所以结晶不能进行。只有当温度低于熔点时，固态自由能低于液态的自由能，结晶才能进行。液态金属与固态金属的自由能之差，就是促使这个转变进行的驱动力。 ????G G G G H TS H TS H H T S S L S L L S S L S L S =?=???=???（）（） 当结晶温度T=T m 时，?G S V =0 ??H T S S T m m L S =?=() 当T 第二章纯金属的结晶 一．名词解释 结晶、过冷度、临界过冷度、结晶潜热、结构起伏、能量起伏、晶胚、晶核、枝晶、晶粒度、均匀形核、非均匀形核、形核功、形核率、光滑界面、粗糙界面、正温度梯度、负温度梯度、变质处理 二．填空题 1．在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，而把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为。 2．金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为。 3．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。 4．过冷是金属结晶的条件。 5．过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。6．液态金属结晶时，结晶过程的推动力是，阻力是。 7．金属结晶两个密切联系的基本过程是和。 8．纯金属结晶必须满足的热力学条件为__________ _ 。 9．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是和。 液态金属的结构特点为。 10．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是。 11．如果其它条件相同，则金属模浇注铸件的晶粒比砂模浇注的__________，高温浇注铸件的晶粒比低温浇注的_____________，采用振动浇注铸件的晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。 12．影响非晶体凝固的主要因素是和。 三．选择题 1．液态金属结晶的基本过程是_____________。 A、边形核边长大 B、先形核后长大 C、自发形核和非自发形核 D、突发相变 2．金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将____________。 A、比理论结晶温度越低 B、比理论结晶温度越高 C、越接近理论结晶温度 D、同理论结晶温度相等 3．液态金属结晶时，___________越大，结晶后金属的晶粒越细小。 A、形核率N B、长大率G C、比值N/G D、比值G/N 4．纯金属结晶过程中，过冷度越大，则_____________。 A、形核率增大、长大率减少，所以晶粒细小 B、形核率增大、长大率增大，所以晶粒细小 C、形核率增大、长大率增大，所以晶粒粗大 D、形核率减少、长大率减少，所以晶粒细小 5．若纯金属结晶过程处在液－固相平衡共存状态下，此时的温度同理论结晶温度相比_____________。 A、相等 B、更高 C、更低 D、难以确定 6．纯金属结晶的冷却曲线中，由于结晶潜热而出现结晶平台现象。这个结晶平台对应的横坐标和纵坐标表示_____________。 A、自由能和温度 B、温度和自由能 C、理论结晶温度和时间 D、时间和理论结晶温度 四．判断题 1.金属由液态转变为固态的过程称为凝固，是一相变过程。（） 2.金属的纯度越高，则过冷度越大，实际结晶温度越高。（） 3.液态纯金属的温度以极慢的冷却速度连续降低到其理论结晶温度时，该金属即 开始结晶。（） 第二章纯金属的结晶 一、填空题 1.金属结晶两个密切联系的基本过程是和。 2.当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是。 3.液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是。 4.金属冷却时的结晶过程是一个热过程。 5.如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。 6.过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。 7.在过冷液中形成固态晶核时，可有两种形核方式：一种是 ，另一种是。 8.金属塑性变形的基本方式是和，冷变形后金属的强 度，塑性。 9.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为， 理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为。 10.液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是_________________，光滑界面晶体的长大机制是______________和___ _____________。 11.液态固溶体合金结晶时，溶质原子重新分布，在固-液界面处形成溶质的从而产生。 12.典型的铸锭可以分为三个区，它们分别是、 和。 13.纯金属结晶应满足三个条件，必须在一定的下进行，且在液态金属中 满足起伏，起伏才能结晶。 14.根据微观结构界面可分为界面、界面。 15.纯金属凝固时，一般只有在条件下才生长成树枝晶，当金属中含有杂质或固溶体合金凝固由于发生所以在条件下也可能生长树枝晶。 二、判断题 1. 液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。 2. 液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 ( ) 第二章 金属与合金的晶体结构与结晶 第一节 金属的晶体结构 自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。晶体与非晶体的区别表现在许多方面。晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。在一般情况下的固态金属就是晶体。 一、晶体结构的基础知识 （1）晶格与晶胞 为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1） 晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。 （2）晶胞表示方法 不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示， 称为晶格常数。晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===?时，这种晶胞称为简单立方晶胞。 （3）致密度 金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。 二、三种典型的金属晶格 1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。 2、面心立方晶格晶胞示 意图见图2-2b。它的晶胞也是 一个立方体，立方体的8个顶 角和立方体的6个面中心各有 一个原子，其单位晶胞原子数 为4个，其致密度为0.74（原 子排列较紧密）。属于该晶格类 型的常见金属有Al、Cu、Pb、 Au、γ-Fe等。 3、密排六方晶格它的晶 胞是一个正六方柱体，原子排 列在柱体的每个顶角和上、下 底面的中心，另外三个原子排 列在柱体内，晶胞示意图见图 2-2c。其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。 三、金属实际的晶体结构 前面讨论的金属结构是理想的结构，即原子排列得非常整齐，晶格位向（原子列的方位和方向）完全一致，且无任何缺陷存在，称为单晶体。目前，只有采用特殊方法才能获得单晶体。 1、金属的多晶体结构实际使用的金属大都是多晶体结构，即它是由许多不同位向的小晶体组成，每个小晶体内部晶格位向基本上是一致的，而各小晶体 第二章纯金属结晶作业答 案 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1．金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为结晶，通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率 来细化晶粒 4．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类 型相同的形核剂、振动、搅动 5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。 7．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。 8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡 相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。 9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。 10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。 11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶 坯。 12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。 ( × ) 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 ( × ) 3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( √ ) 4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的 过程。( √ ) 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( × ) P41+7 6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。 ( √ ) P53 图2-33 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。( √ ) P53-12 8．所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( √ ) 9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细(√ ) 10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。( × ) 11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。( √ ) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。 ( √ ) 金属及合金的回复与 再结晶 金属及合金的回复与再结晶 回复：冷变形金属在低温加热时，其显微组织无可见变化，但其物理、力学性能却部分恢复到冷塑性变形以前的过程。晶粒仍保持伸长的纤维状． 再结晶：冷变形金属被加热到适当温度后，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐步取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消失的过程。 回复与再结晶的驱动力都是储存能的降低 储存能：存在于冷形变金属内部的一小部分（约为10％）变形功．形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。 储存能存在形式：弹性应变能（３％～１２％）＋点阵畸变能点阵畸变能包括点缺陷能和位错能，点缺陷能所占的比例较小，而位错能所占比例较大，约占总储存能的８０～90％。 力学性能的变化 在回复阶段：强度、硬度均略有下降，而塑性有所提高．在再结晶阶段：硬度、硬度均显著下降，塑性大大提高．在晶粒长大阶段：强度、硬度继续下降，塑性继续提高，粗化严重时下降 另外，金属的电阻与晶体中点缺陷的浓度有关。随着加热温度的升高，变形金属中的点缺陷浓度明显降低，因此在回复和再结晶阶段，电阻均发生了比较明显的变化，电阻不断下降。此外，点缺陷浓度的降低，应力腐蚀倾向显著减小。 回复过程及其动力学特征 回复是指经冷塑性变形的金属在加热时，在光学显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性能的变化过程．回复的程度是温度和时间的函数．温度越高，回复的程度越大．温度一定时，回复的程度随时间的延长而逐渐增加．但在回复初期，变化较大，随后就逐渐变慢，当达到一个极限值后，回复停止。 回复机制 低温回复时，主要涉及空位的运动。空位可以移至表面、晶界或位错处消失，也可以聚集形成空位对、空位群，还可以与间隙原子相互作用而消失，总之空位运动的结果使空位密度大大减小。电阻率对空位密度比较敏感，因此其数值会有显著下降。而力学性能对空位的变化不敏感，没有变化。 中温回复时，主要涉及位错的运动。由于位错滑移会导致同一滑移面上异号位错合并而相互抵消，位错密度略有下降，但降低幅度不大，力学性能变化不大。 高温回复时，主要涉及位错的运动。位错不但可以滑移、而且可以攀移，发生多边化，使错密度有所降低，降低系统部分内应力，从而使硬度、强度略有下降，塑性、韧性得到改善。 回复过程中亚结构（胞状亚结构）的变化 金属材料经塑性变形后形成胞状亚结构，胞内位错密度较低，胞壁处集中着缠结位错，位错密度很高。经短暂回复退火后，空位浓度大大下降，胞内的位错向胞壁滑移，与胞壁的异号位错相抵消，位错密度有所下降．随着回复的进一步进行，胞壁中的位错逐渐形成低能态的位错网络，胞壁变得比较明晰而成为亚晶界，接着这些亚晶界通过亚晶界的迁移而逐渐长大，亚晶粒内的位错密度进一步下降．回复温度越低，变形量越大，则回复后的亚晶粒越细小． 再结晶形核机制 亚晶长大形核机制（适用于大变形度）因在回复阶段，塑性变形所形成的胞状组织经多边形化后转变为亚晶，其中有些亚晶粒就会逐渐长大，发展成为再结晶的晶核，这种亚晶成为再结晶晶核的方式有两种： １）亚晶界移动形核它是依靠某些局部位错密度很高的亚晶界的移动，吞并相邻的变形基体和亚晶而成长为再结晶晶核。 ２）亚晶合并形核相邻亚晶界上的位错，通过攀移和滑移，转移到周围的晶界或亚晶界上，导致原来亚晶界的消失，然后通过原子扩散和位置的调整，终于使两个或更多个亚晶粒的取向变为一致，合并成为一个大的亚晶粒，成为再结晶的晶核。晶界凸出形核机制（变形度约小于４０％）又称为晶界弓出形核。由于变形度小，所以金属的变形不均匀，有的晶粒变形度大，位错密度也大；有的晶粒 第一章金属的晶体结构与结晶 第一节金属的晶体结构 一、晶体结构的基本概念 1、晶体 组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中，作有规则的周期性重复排列，即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如：金属，天然金刚石，结晶盐，水晶，冰等 2、非晶体 组成固态物质的最基本的质点，在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如：玻璃，松香等。 晶体通常又可分为金属晶体和非金属晶体，纯金属及合金都属于金属晶体，其原子间主要以金属键结合，而非金属晶体主要以离子键和共价键结合。如：食盐NaCl（离子键），金刚石（共价键）都是非金属晶体。 图1-1 晶体、晶格与晶胞示意图 按晶体结构模型提出的先后，可将晶体结构模型分为几何（球体）模型、晶格模型和晶胞模型。 3、晶体的球体模型 就是把组成晶体的物质质点，看作为静止的刚性小球，他们在三维空间周期性规则堆垛而成。该模型虽然很直观，立体感强，但不利于观察晶体内部质点的排列方式。针对这一缺陷科技工作者进一步提出了晶体的晶格模型。 4、晶格 为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格子，这种抽象 的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格子称为晶格。晶体中的每个点叫做结点。 5、晶胞 晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。 6、晶格常数 晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，如图2.1（c)所示。晶胞的棱边长度称为晶格常数，以埃(?)为单位来表示(1?=10-8cm)。 当棱边长度a=b=c，棱边夹角α=β=γ=90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞。由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。 二、金属材料的特性 1、金属材料 金属材料是指金属元素与金属元素，或金属元素与少量非金属元素所构成的，具有一般金属特性的材料，统称为金属材料。 金属材料按其所含元素数目的不同，可分为纯金属（由一个元素构成）和合金（由两个或两个以上元素构成）。合金按其所含元素数目的不同，又可分为二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物质按其形态不同，可分为固体、液体和气体。而固体又可分晶体和非晶体。 2、金属键 金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仑引力），这种结合方式称为金属键。 3、金属特征 金属材料主要以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征： ①良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。 ②正的电阻温度系数：第二章 纯金属的结晶
第二章 纯金属的结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章纯金属结晶作业答案
金属及合金的回复与再结晶教学文稿
第一章金属的晶体结构与结晶 教案
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