金属材料与热处理 模块二 课题四 观察结晶过程
金属学与热处理第二章 纯金属的结晶
§2.3 金属结晶的结构条件
一. 液态金属的结构特点 近程有序，远程无序，不断变化。
大量实验表明，在液体中的微小范围内，存在着紧密接触 规则排列的原子集团，称为近程有序，但在大范围内原子是无 序分布的。然而，液态金属中近程规则排列的原子集团并不是 固定不变而是处于不断变化之中。
非均匀形核： 新相晶核是在母相中不均 匀处择优地形成。
就金属结晶而言，均匀形核不受杂质或型壁表面的影响；非 均匀形核是指在液相中依附于杂质或型壁表面形成晶核。实际金
属熔液中不可避免地存在理论对研究金属的凝固问题很有用，因此先 从均匀形核开始入手。
一. 均匀形核
dU Q W
对于可逆反应：
Q 是一定温度下，熵变引起的内能变化。
所以 Q = TdS
W
是在一定压力下，体积变化对外做的功。
所以 W = -PdV
所以，dU = TdS – PdV
将（4）式代入（3）可得：
(4)
dG = TdS - PdV + VdP + PdV– TdS –SdT = VdP–SdT
寸越大。显然，只有在过冷液体中，出现的尺寸较 大的相起伏才有可能在结晶时转变成为晶核，这些 可能在结晶时转变成为晶核的相起伏就是晶核的胚 芽，称为晶胚。
在每一温度下出现的尺寸最
大的相起伏存在一个极限值
rmax, rmax与ΔT的关系如图
§2.4 晶核的形成
均匀形核： 形核 新相晶核是在均一的 母相内均匀地形成。
实际金属晶体有：多晶性；具有各种缺陷（点、线、面） 为弄清楚这些问题就要从其结晶过程入手。
《金属材料与热处理》第二章 金属的晶体结构与结晶
学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
2）共晶相图
两组元在液态互溶，在固态有限溶解，并发生 共晶转变的合金相图，称为~ 共晶转变：在一定温度下，由一定成分的液相合金， 同时结晶出成分一定的两个固相的过程。 典型合金有铅锡合金等。 以E点为界，E点为共晶合金，M-E亚共晶合金， E-N过共晶合金。
3.晶体缺陷的种类？
答：点缺陷、线缺陷和面缺陷。
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
单元二 纯金属的结晶
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
金属制件的生产过程：
原材料——融化——冶炼——浇注——制件 液态 温度
24
固态
学习情境二：金属的晶体结构与结晶 二.纯金属的结晶
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学习情境二：金属的晶体结构与结晶三.合金的结晶
点：A、 B、E（共晶点）：该点成分的液相将发生共晶反应 线：AEB——液相线， AMENB ——固相线 AM—— 的结晶终了线。 MF——Sn在中的溶解度曲线 BN—— 的结晶终了线。 NG——Pb在中的溶解度曲线 45 MEN——共晶线，成分在该线范围内的合金冷却到该线以下时将发生共晶反应 LE M+ N
b、锡Sn的质量分数为61.9%时的结晶过程 T,C T,C L
( + )
L L L(+ ) 共晶体
A
183
L+
M
L
E
B
L+
N
+
Pb
X2
( + )
Sn
( + )
冷却曲线 t
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共晶合金的几种典型组织
数控技术《4.4-典型铁碳合金结晶过程分析-教案》
《金属材料与热处理》课程电子教案 项目名称 项目四 铁碳合金节名 典型铁碳合金结晶过程分析学习目标1能够分析典型铁碳合金的结晶过程；2掌握典型铁碳合金的室温组织。
教学重点典型铁碳合金的结晶过程分析。
教学难点典型铁碳合金的结晶过程分析。
教学手段 教学板书；电子课件。
教学内容1、工业纯铁结晶过程（wC = %合金液体在1-2点间转变为δ，2点δ→γ，3-4点间γ→F ，4点到5点之间为F ，到7点，从F 中析出Fe3C 。
从铁素体中析出的渗碳体称三次渗碳体，用Fe3C Ⅲ表示。
Fe3C Ⅲ以不连续网状或片状分布于晶界。
随温度下降，Fe3C Ⅲ量不断增加，合金的室温下组织为F Fe3C Ⅲ。
室温下Fe3C Ⅲ的最大量为: %3.0%1000008.069.60008.00218.0III 3C Fe =⨯--=Q2、共析钢结晶过程 （ T8钢 wC ≈ % ）合金液体在1-2点之间按匀晶转变结晶出奥氏体。
在2点凝固结束后全部转变为单相奥氏体，并使这一状态保持到3点温度以上。
当温度冷至3点温度（727℃），发生共析转变γ ⇄α Fe 3C ，转变结束后奥氏体全部转变为珠光体，它是铁素体与渗碳体的层片交替重叠的混合物。
珠光体中的渗碳体称为共析渗碳体。
当温度继续降低时，从铁素体中析出的少量Fe3C Ⅲ与共析渗碳体长在一起无法辨认。
转变结束时，相组成：αFe3C，组织组成：P珠光体中相的相对重量百分比：%2.11%8.88%100%8.880218.069.677.069.6C Fe 3=-==--==Q PK SK Q α3、亚共析钢结晶过程（45钢 wC ≈%以%C 的钢为例。
合金在温度3点以上冷却过程与合金Ⅰ相似，缓冷与GS 线相交于温度3点时，开始从奥氏体中析出铁素体。
随着温度降低，铁素体量不断增多，剩余奥氏体中碳的质量分数不断增大（沿GS 线变化）。
温度降到PSK （727 ℃）线，剩余奥氏体达到共析成分（wC=％），即发生共析反应，转变成珠光体。
热处理方法对金属材料的再结晶过程的影响
热处理方法对金属材料的再结晶过程的影响金属材料的热处理是一种通过控制材料的温度和时间来改变其微观结构和性能的方法。
其中，热处理方法对金属材料的再结晶过程有着直接的影响。
本文将探讨不同热处理方法对金属材料再结晶过程的影响，并分析其原因。
一、退火热处理方法退火是常用的金属材料热处理方法之一。
退火热处理可以通过加热金属材料至其临界温度，然后在适当的温度下保持一段时间，最终使其再结晶。
退火处理主要通过以下几个方面影响再结晶过程：1. 温度：退火温度是影响再结晶过程的重要因素之一。
过低的温度将使晶粒长时间处于过饱和状态，导致再结晶速度缓慢；而过高的温度则可能导致晶粒长大过快。
因此，选择合适的退火温度可以有效促进再结晶过程的进行。
2. 时间：除了温度，退火时间也是影响再结晶过程的关键因素之一。
时间过短将导致晶粒晶界未完全形成，而时间过长则可能导致晶粒长大过大，造成材料性能的降低。
合理控制退火时间有利于获得理想的再结晶结构和性能。
二、变形热处理方法变形热处理是通过对金属材料进行塑性变形产生晶体缺陷，然后再加热处理来促进再结晶。
不同的变形热处理方法对金属材料再结晶过程的影响有所差异：1. 冷加工：冷加工是常用的变形热处理方法之一。
通过冷加工，可以引入大量的位错和晶体缺陷，从而为再结晶提供了必要的条件。
而通过适当的热处理，可以消除位错和晶体缺陷，促进再结晶的进行。
2. 热加工：热加工是通过加热金属材料至高温状态下进行变形，然后再进行适当的热处理。
由于高温下材料的塑性较好，热加工能够产生更多的位错和晶体缺陷，从而为再结晶提供了更好的条件。
三、淬火与回火热处理方法淬火与回火热处理常用于调节金属材料的硬度与韧性。
这种处理方法的影响主要体现在再结晶过程的控制上：1. 淬火：淬火过程通过快速冷却，可以使金属材料快速形成马氏体结构，并且抑制再结晶的进行。
因此，淬火对再结晶过程有抑制作用。
2. 回火：回火是淬火后的一个附加热处理过程。
金属材料与热处理课后习题参考答案
《金属材料与热处理》部分习题参考答案模块一金属的力学性能综合训练——课题1 强度与塑性1.解释下列名词（略）2.说明下列力学性能指标的意义（略）3.低碳钢拉伸试验的基本过程：低碳钢在拉伸力作用下的表现过程可分为弹性变形阶段、屈服阶段、均匀塑性变形阶段、缩颈（集中塑性变形阶段）和断裂阶段。
1）完全弹性变形阶段：拉伸力在Fp 以下阶段（Op段），试样在受力时发生变形，在此阶段中拉伸力和伸长量成正比例关系，卸除拉伸力后变形能完全恢复，该阶段为完全弹性变形阶段。
2）屈服阶段当所加的拉伸力F超过Fe后，拉伸力不增大或变化不大，试样仍继续伸长，开始出现明显的塑性变形。
曲线上出现平台或锯齿（曲线ess′段），3）均匀塑性变形阶段在曲线的s′b段，拉伸力增大，伸长沿整个试样长度均匀进行，继而进入均匀塑性变形阶段。
同时随着塑性变形的不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，产生形变强化，这个阶段是材料的强化阶段。
4）颈缩和断裂阶段在曲线的最高点（b点），达到最大拉伸力Fb 时，试样再次产生不均匀的塑性变形，变形主要集中于试样的某一局部区域，该处横截面积急剧减小，结果就形成了所谓“缩颈”现象。
随着缩颈处截面不断减小，承载能力不断下降，到k点时，试样发生断裂。
4.弹性极限在工程上的实际意义：材料受到外力时，几乎所有的弹性元件在工作时都不允许产生微小的塑性变形，只允许在弹性范围内工作。
制造这类工件的材料应以能保持弹性变形按正比例变化的最大抗力作为失效抗力指标。
屈服强度工程意义：屈服强度可以理解为金属材料开始产生明显塑性变形的最小应力值，其实质是金属材料对初始塑性变形的抗力。
屈服强度是工程技术上重要的力学性能指标之一，也是大多数工程构件和机器零件选材和设计的依据。
传统的设计方法，对于韧性材料以屈服强度为标准。
抗拉强度工程意义：抗拉强度的物理意义是韧性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。
铸铁等脆性材料拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
晶粒细化:
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。 单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。 单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。 N/G比值越大，晶粒越细小。
• 金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬等金属； 而铁的塑性又高于锌、镁等金属。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
⑶滑移时晶体的一部分相对于另一部分沿滑移方 向位移的距离为原子间距的整数倍。滑移的结果 会在晶体的表面留下滑移痕迹，称为滑移带。
滑移带和滑移线示意图
铜拉伸试样表面滑移带
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
的运动，提高了变形抗力。
颗粒钉扎作用的电镜照片 金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
我们已经学习了金属塑 性变形的机理,那塑性变 形后金属的组织和性能 是否也发生了变化呢？
是的，金属塑性变形后组织 和性能发生了明显的变化，
这正我们今天要学习的 主要内容。
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
四、塑性变形对金属组织和性能的影响
塑性和韧性；
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
珠光体+二次渗碳体
珠光体
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
2）弥散型合金（第二相很细小，弥散分布于基体）
当在晶内呈颗粒状弥散分布时，第二相颗粒越细，分布越均 匀，合金的强度、硬度越高，塑性、韧性略有下降，这种强化 方法称弥散强化或沉淀强化。 弥散强化的原因是由于硬的颗粒不易被切变，因而阻碍了位错
金属的结晶、变形与再结晶历程讲解
①提高过冷度
过冷度△ T↑， N↑↑（形核速率）， G↑（长大速率）， ——N/G增大， 晶粒越细小。
金属材料与热处理 模块二 课题二 纯金属的结晶
增大过冷度的主要方法是提高液态金属的 冷却速度，因此这种方法只适用于中、小 型铸件，对于大型铸件或厚薄差别大的铸 件冷速过快会导致铸件变形、开裂，则需 要采用其它方法使晶粒细化。
课题二 纯金属的结晶
案例导入 在实际生活中，冬季我们见到鹅毛大雪，仔细看看雪花的几个花瓣都 有很多分枝；同样在冬季当气温非常低时，早上起床会发现玻璃窗上 有美丽的冰花图案，如图2-14所示。这些图案仔细看是像树枝一样的 花样；当我们因流汗多而在衣服上留下汗渍时，可以很明显地看到汗 渍边沿的参差不齐的花样等等，这些在日常生活中常见的现象是什么 原因造成的呢？
金属结晶过程示意图
必备知识
（如图所示，其中晶粒之间 的交界叫做晶界。如果在结 晶过程中只有一个晶核形成 并长大，则形成一块单晶体 金属。一般，纯金属是由许 多晶核长成的外形不规则的 晶粒和晶界所组成的多晶体， 因此，结晶过程是晶核的形 成与长大的过程，如图所示。
多晶体金属
晶体树枝状长大示意图
必备知识
思考与练习
1．什么是结晶？结晶由哪两个基本过程组成？ 2．纯金属是如何进行结晶的？ 3．纯金属结晶时，其冷却曲线上为什么有一段水平线？ 4．什么是过冷现象？是如何产生的？过冷度与冷却速度有什么关系？ 5．晶粒大小对金属材料性能有什么影响？ 6．铸件在浇注过程中是如何细化晶粒的？
图2-17
三．晶粒的大小对金属力学性能的影响 1．金属的晶粒大小与金属力学性能的关系
金属的晶粒大小对金属的力学性能有着重要的影响。 一般地说，在室温下，晶粒越细，金属的强度和硬度越高， 塑性和韧性也越好，这种利用细化晶粒来提高材料强度的 方法称为细晶强化。
金属学与热处理第二章 纯金属的结晶
2 非均匀形核（非自发形核）
晶核依附于液态金属中现成的微小固相 杂质质点的表面形成。
见教材P43～44： 公式2－22 图2－14
非均匀形核特点
形核功远低于均匀形核： ΔT=0.02Tm
┗ 远小于均匀形核ΔT （0.2Tm）
结晶时形核要点
1、必须要有过冷度ΔT，晶胚尺寸r>rK。 2、rK与ΔT成反比。ΔT↑ rK↓。 3、均匀形核既需结构起伏，又需能量起伏
r0
① 当 r < rk 时， 随 r ↑， ΔG ↑
—— 晶胚尺寸减小为自发 过程→会瞬间离散, 只能保持 结构起伏状态，不能长大。
② 当 rk < r < r0时
r0
随 r ↑， ΔG ↓ ┗晶胚长大为自发过程
即该尺寸区域的晶胚 不再瞬间离散，而为稳定 且可长大的 。
注意
——当rk < r < r0时，ΔG>0,
——短程有序 晶体：长程有序
结晶：近程有序状态转变为长程有序，并 形成金属键结合。
结构起伏
液相中近程规则排列的原子集团称为 “相起伏”
——又称为结构起伏
瞬时 1
瞬时 2
相起伏特点
(1) 瞬时出现，瞬时消失，此起彼伏; 由于原子热振动的原因，在液体中存在的
这种具有与晶体相近 的结构，其形状、尺寸、 存在的G
H f Tm
(Tm
T)
H f Tm
T
结晶潜热 熔点温度
什么是过冷度
—— 理论结晶温度与实际结晶温度的差值。 G H f T Tm
结论（1）存在过冷度是结晶的必要条件 （2）过冷度越大，相变驱动力越大
2 结构条件
液态金属结构特点： (1) 原子间距等与固态相近,
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一
一、实验目的 1．通过观察透明盐类的结晶过程及组织特征，理解金属的结晶理论。 2．通过观察铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态生长的直观认识。 二、实验原理
由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而盐类也是晶体物质，其溶液的结晶过程和金 属很相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶，金属则主要依 靠过冷，故完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解金属的结晶过程。
树枝状晶
金属实际结晶时，一般按树枝状方式长大。但若冷 却速度低，液态金属的补给充分，则显示不出枝晶。 因此，在纯金属铸锭内部是看不到枝晶的，只能看 到外形不规则的等轴晶粒。但若冷却速度高，液态 金属补缩不足而在枝晶间留下空隙，就可明显地观 察到树枝状晶。某些金属，如锑锭表面，即能清楚 地看到枝晶组织，如图2-25所示。若金属在结晶过 程中产生了枝晶偏析，由于枝干和枝间成分不同， 枝晶特征能显示出来。
序号 第一阶段
第二阶段
第三阶段
结晶示意图
简述结晶过程
谢谢观赏！
锑锭表面的树枝晶体
三、实验器材 1.生物显微镜和放大镜。 2.接近饱和的氯化铵或硝酸铅水溶液（由实验室预先制好）。 3.干净的玻璃片和吸管。 4.酒精灯或电吹风。 5．有枝晶的金属铸件事物。
注意事项： 1.溶液烘烤时间不易过长，一般以 肉眼观察到边缘稍许发白为宜。 2.实验时应注意试样的清洁，不要 让异物落入液滴内，以免影响结晶 过程的观察。 3.应注意不能让液滴流到显微镜上， 尤其不能碰到物镜，以免损坏显微 镜。 六．实验报告 1.简述实验原理。 2.绘出所观察到盐类溶液结晶过程 示意图（下表），并简述结晶过程。 3.根据试验观察，简述枝晶成长过 程并总结结晶规律。
如图所示和的氯化铵或硝酸铅水溶液， 随着水分的蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和， 继而开始结晶。我们可观察到其结晶大致可 分为三个阶段。
氯化铵溶液结晶过程
第一阶段，开始于液滴边缘，因为该处最薄， 蒸发最快，易于形核，故产生大量晶核而先 形成一圈细小的等轴晶，接着形成较粗大的 柱状晶。 第二阶段，因液滴的饱和顺序是由外向里， 故位向利于生长的等轴晶得以继续长大，形 成伸向中心的柱状晶。 第三阶段是在液滴中心形成杂乱的树枝状晶， 且枝晶有许多空隙。这是因为液滴已越来越 薄，蒸发较快，晶核也易形成。然而由于已 无充足的溶液补充，结晶出的晶体填不满枝 晶的空隙，从而能观察到明显的枝晶，如图 所示。