最新第二章-纯金属的结晶课件PPT

成分坐标图中相应的合金垂线上。 5）连接各相同意义的相变点，所得的线称为
相界线，这样就得到Cu—Ni合金相图
Cu-Ni合金相图的测定
二、匀晶相图
两组元在液态与固态均可彼此无限溶解的合金相图，称为匀晶相 图。这类相图有：Cu-Ni、Fe-Ni、Au-Ag 系。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
T,C Pb
L
L+
L+
c
d
e
+
Sn
+ Ld c e
共晶反应线
表示从c点到e点范围 的合金，在该温度上 都要发生不同程度上 的共晶反应。
共晶点 表示d点成分的合金 冷却到此温度上发 生完全的共晶转变。
共晶反应要点
• 共晶转变在恒温下进行。 • 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。
• 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
对于二元合金系，除温度变化外，还有合金成分的变化，因 而需要采用两个坐标轴来表示二元合金相图。在二元合金相
图中，以纵坐标表示温度，以横坐标表示成分。
2．二元合金相图的测定方法
最基本、最常用的方法是热分析法
1）首先配制一系列不同成分的Cu—Ni合金；
2）用热分析法测出所配制的各合金的冷却曲 线；
3）找出各冷却曲线上的相变点； 4）将各个合金的相变点分别标注在温度——
（3）振动结晶 ——机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶 粒细化。
纯铁的同素异构转变
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
第二节 合金的结晶

2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。〔 No 〕
2) 室温下，金属晶粒越细，那么强度越高、塑性越低。〔No 〕
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实践结晶温度将：
a. 越高
b√. 越低
c. 越接近实际结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用：
a. 快速浇注 b√. 加蜕变剂 c. 以砂型代金属型
4. 3) 在实践运用中，细晶粒金属资料往往具有较好的常温力学性能， 细化晶粒提高金属资料运用性能的措施有哪些？
a. 提高过冷度 b. 蜕变处置 c. 振动结晶
4) 假设其他条件一样，试比较以下铸造条件下铸件晶粒的大小：
(1) 金属型与砂型浇注 <
(2) 蜕变处置与不蜕变处置 <
(3) 铸成薄件与厚件 <
过冷度
属T
T= T0 - Tn
的
结 T0
晶 Tn
条
实际结晶温度
}T 开场结晶温度
件
t
冷却曲线
冷却速度越大，那么过冷度越大。
2. 纯金属的结晶过程 形核和晶核长大的过程
液态金属 形核 晶核长大 完全结晶
形核规律
两种形核方式 —— 均质形核与非均质 形核
均质形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超越临界晶 核尺寸后构成的结晶中心。
第二节 纯金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件与结晶过程 二、形核规律：均质形核和非均质形
核 三、长大规律 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织 小结
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体〔晶体 或 非晶体〕
液体
晶体
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1.
纯金属结晶的条

未来发展趋势
跨学科研究
结合物理学、化学、生物学等多 学科知识，深入研究金属的结晶 机制和性能，推动相关领域的发
展。
绿色制造
发展环保、节能的金属结晶技术和 工艺，降低生产过程中的能耗和排 放，实现绿色制造。
智能制造
将智能技术与金属结晶技术相结合 ，实现金属材料生产的自动化、智 能化，提高生产效率和产品质量。
晶体缺陷
晶体缺陷是指晶体中原子排列不规整的区域，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷等。这些缺陷对 金属的物理、化学和机械性能产生重要影响。
点缺陷是指晶体中一个或几个原子位置的缺失或错位，如空位、间隙原子等。线缺陷是指在 晶体中出现的裂纹或位错，对金属的强度和韧性产生影响。面缺陷是指在晶体表面或界面上 出现的不平整区域，如晶界、相界等。
材料合成与加工
纯金属的结晶技术不仅可用于制备金属材料，还可与其他材料合成与加工技术相结合，开 发出新型复合材料和复合结构。这些复合材料和结构具有优异的综合性能，能够满足各种 不同的应用需求。
高科技领域
电子信息
纯金属的结晶技术在电子信息领域具有重要作用，如集成电路、微电子器件、光电子器件等。通过控制结晶过程，可 以制造出具有高精度和高稳定性的电子元件，为现代电子信息技术的发展提供支持。
纯金属的结晶要点课件
目录
CONTENTS
• 纯金属的结晶概述 • 纯金属的结晶过程 • 纯金属的结晶结构 • 纯金属的结晶性能 • 纯金属的结晶应用 • 纯金属的结晶研究展望
01 纯金属的结晶概述
CHAPTER
定义与特点
定义
纯金属的结晶是指金属从液态冷 却转变为固态晶体的过程。
特点
结晶过程中原子或分子的排列从 无序变为有序，形成具有特定晶 体结构的固体金属。

变温截面与二元相图的形状相似分析结晶过程也基本相同但两者之间有本质区35三元合金相图简介三元匀晶合金在结晶过程中其液固两相成分点分别沿着液相曲面和固相曲面上的液相线和固相线变化这两条线的轨迹不在同一平面内因此变温截面中的液相线和固相线并不表示合金结晶过程中液相和固相成分变化的轨迹所以不能利用直线法则和杠杆定律来确定两相区内两平衡相的成分和相对含量
2.3.2 晶体的长大方式
每一个枝晶长成为一个晶粒，当所有的 枝晶都严密地对接起来，液相消失时，就分 不出树枝状了，只能看到各个晶粒的边界。
实际金属结晶时， 一般都以树枝状 方式长大，得到 树枝晶。
2.4 晶粒大小的控制
2.4.1 影响晶粒大小的因素 2.4.2 细化晶粒的方法
2.4.1 影响晶粒大小的因素
2.2.2金属结晶的结构条件
金属的结晶是晶核的形成和长大的过程 ，晶核的形成是有条件的。 在固态金属晶体中，大范围内的原子是 呈有序排列的，称之为远程有序。在液态金 属中，原子做不规则运动，在大范围内原子 是无序分布的，但是在小范围内，存在着许 多类似于晶体中原子有规则排列的小原子集 团，称之为短程有序。
2.1.1金属结晶的宏观现象
3. 结晶潜热 金属结晶时从液相转变为固相要 放出热量，称为结晶潜热。由于结晶 潜热的释放，补偿了散失到周围环境 的热量，使温度并不随冷却时间的延 长而下降，所以在冷却曲线上出现了 平台。结晶结束，没有结晶潜热补偿 散失的热量，温度又重新下降。
2.1.2金属结晶的微观现象
金属结晶后，获得由大量晶粒组成的 多晶体。晶粒的大小对金属的力学性能有 很大影响。常温下，金属的晶粒越细小， 金属的强度和硬度则越高，同时塑性和韧 性也越好。 通过细化晶粒来提高材料强度的方法 称为细晶强化。 对于高温下工作的金属材料，晶粒过 于细小反而不好。

纯金属的结晶课件
目录
• 纯金属的结晶概述 • 纯金属的结晶结构 • 纯金属的结晶形态 • 纯金属的结晶性能 • 纯金属的结晶应用 • 纯金属的结晶研究展望
01
纯金属的结晶概述
Chapter
纯金属的结晶定义
纯金属的结晶是指金属从液态冷却转变为固态晶体的过 程。
在结晶过程中，原子或分子的排列从无序状态转变为有 序的晶体结构。
例如，利用纯金属的定向结晶技术可以制备出高性能的单晶材料，在航空航天、能源等领域 具有重要应用价值。此外，通过控制纯金属的结晶形态和结构，还可以开发出具有特殊光学 、电学和磁学性能的新型功能材料。
06
纯金属的结晶研究展望
Chapter
晶体生长机制研究
总结词
深入理解晶体生长机制有助于优化纯金属的结晶过程，提高产品质量。
磁学性能
顺磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的磁化现象，称为顺磁性。
铁磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出强磁化现象，称为铁磁性。
抗磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的反磁化现象，称为抗磁性 。
力学性能
弹性模量
纯金属在受力作用下的弹性变形能力，主要取决于金属的原Biblioteka 间相 互作用力和晶格结构。硬度
纯金属抵抗外力刻划或压入的能力，与金属内部的晶格结构密切相 关。
03
体心立方结构
一些纯金属具有体心 立方晶体结构，如钠 、钾、铁等。
04
六方密排结构
镁、锌等纯金属具有 六方密排晶体结构。
晶体结构的测定方法
X射线衍射分析
利用X射线在晶体中的衍射现象， 可以测定晶体的晶格常数、晶面 间距等参数，从而确定晶体的结 构。
电子显微镜

❖ 密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
二、实际金属的晶体结构
❖ （一）金属材料都是多晶体。
❖ 单晶体：晶格位向完全一致的晶体。晶粒， ❖ 亚晶界。亚晶界。
晶体
晶粒 晶界
亚晶界 亚晶界
多晶体示意图
多晶体示意图
（二）、晶体的缺陷
❖ 缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有 很大的影响。
来表示晶胞的形状和大小。
（三）、金属中常见晶格
1、体心立方晶格(bcc)：如 aFe Cr
❖ 晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。
1/8
2、面心立方晶格(fcc)
❖ 面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。
面心立方晶格的金属有 rFe、Al等。
3、密排六方晶格(hcp)
冷变形加工后金属出现了强度 提高的现象（加工硬化），就 是由于位错密度的增加所致。
立体 模型
平面 模型
刃型位错示意图
a ) 刃晶 形格 立位体错模示型意b图) 平 面 图
3、面缺陷——晶界和亚晶界
晶界的过渡结构示意图
晶界结构
亚晶界结构示意图
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶
主要内容 ❖ 凝固与结晶的概念 ❖ 结晶的现象与规律 ❖ 同素异晶(构)转变
温
度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
To
T1
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
❖过冷现象 ：T实际<T理论；
❖ 过冷度：过冷是结晶的必要条件。
ΔT = T0 – T1
二).结晶的一般规律(结晶过程)

金属晶体结构的形成
金属原子通过相互作用形成稳定的晶 格结构，这种晶格结构决定了金属的 力学、电学和热学等性质。
晶体结构的测定方法
X射线衍射法
利用X射线在晶体中的衍射现象 ，通过分析衍射图谱确定晶体结
构。
中子衍射法
利用中子在晶体中的散射现象， 通过分析散射图谱确定晶体结构
。
电子显微镜法
利用电子显微镜观察晶体表面或 薄片的形貌和电子衍射花样，从
而确定晶体结构。
03
纯金属的结晶缺陷
点缺陷
定义
点缺陷是指晶体中一个或几个原子、分子或原子 团缺失或添加，导致周围晶格发生畸变。
形成原因
在结晶过程中，由于温度下降过快或杂质元素掺 入，导致晶格结构中原子排列不规整。
影响
点缺陷的存在会对金属的物理、化学性能产生影 响，如导电性、热导率等。
线缺陷
定义
科研领域中的应用
金属晶体结构研究
通过纯金属的结晶技术可以研究金属的晶体结构，深入了解金属材料的原子排列和晶体缺 陷等微观结构特征。
金属相变研究
结晶过程中金属会发生相变，通过纯金属的结晶技术可以研究金属相变的规律和机制，为 金属材料的性能优化提供理论支持。
金属材料热力学研究
利用纯金属的结晶技术可以研究金属材料的热力学性质，如熔点、沸点、熵等，为金属材 料的热处理和加工提供理论依据。
形成原因
02
在结晶过程中，由于温度变化或杂质元素分布不均导致晶格在
某一平面内的排列出现偏差。
影响
03
面缺陷的存在会对金属的物理性能产生影响，如电导率、热导
பைடு நூலகம்
率等。
04
纯金属的结晶性能
热学性能

分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
42
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
液态金属中不仅存在结构起伏，而且存在能量起伏，也即
液态金属不同区域内的自由能也并不相同，因此形核功可
通过体系的能量起伏来提供。当体系中某一区域的高能原
子附着在临界晶核上，将释放一部分能量，一个稳定的晶
核即可形成。
34
2.4 晶核的形成
形核率 (Nucleation rate)
单位时间在单位体积液体内形成晶核的数目称为形核率。
22
2.3 金属结晶的结构条件
液态金属相起伏的特点
23
2.4 晶核的形成
前面谈到了结晶的热力学条件和结构条件。但事实上，
许多过冷液体并不立即发生凝固结晶。如液态高纯Sn过
冷5~20℃时，经很长时间还不会凝固。说明凝固过程还
存在某种障碍。
因此，还必须进一步研究凝固过程究竟如
何进行的（机理问题）？进行的速度如何
靠液态金属的能量变化，由晶胚直接形核的过程。
非均匀形核：又称异质形核或非自发形核。是指依附液体中现有固
体杂质或容器表面形成晶核的过程。实际液态金属中，总有或多或
少的杂质，晶胚总是依附于这些杂质质点上形成晶核，实际的结晶
过程主要是按非均匀形核方式进行。
25
2.4 晶核的形成
均匀形核 (Homogeneous nucleation)
作用。