第3章+金属的结晶与同素异构转变
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第3章材料凝固的基本过程
第三章 材料凝固的基本过程
主讲人：王永东
材料科学与工程系
第三章 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶的概念
结晶的现象与规律
同素异晶(构)转变
第一节 凝固与结晶的概念
1.凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 ( crystal ) *晶体物质由液态转变成固态的过 程。 *物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。
金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
铸锭结晶组织
第二节 晶粒大小的控制
1、晶粒度：表示晶粒大小的一种 尺度，可用晶粒的平均 面积或平均直径来表示。 晶粒越细，常温下的力学性 能 越好。可用晶粒度等级来表示晶粒 大小，标准晶粒度共分八级，一级 最粗，八级最细。
2、晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细，常温下的力学 性 能越好。高温下工作的材 料，晶粒过大和过小都不好。 有些情况下晶粒越大越好。 如硅钢片。
第二节 结晶的现象与规律
一.结晶的一般过程
微小 晶核
长大
晶体
二.结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度 To Tn
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
过冷现象 ( supercooling )
过冷度 ( degree of supercooling )
同素异构转变：在外界条件（温度/压力）改变时，
金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构。 纯铁的同素异构( allomorph )转变反应式:
δ - Fe
bcc
1394 °C
主讲人：王永东
材料科学与工程系
第三章 纯金属的结晶 ( Crystal of Simple Metal )
凝固与结晶的概念
结晶的现象与规律
同素异晶(构)转变
第一节 凝固与结晶的概念
1.凝固 ( coagulation ) 物质由液态转变成固态的过程。 2.结晶 ( crystal ) *晶体物质由液态转变成固态的过 程。 *物质中的原子由近程有序排列向远 程有序排列的过程。
金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
铸锭结晶组织
第二节 晶粒大小的控制
1、晶粒度：表示晶粒大小的一种 尺度，可用晶粒的平均 面积或平均直径来表示。 晶粒越细，常温下的力学性 能 越好。可用晶粒度等级来表示晶粒 大小，标准晶粒度共分八级，一级 最粗，八级最细。
2、晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细，常温下的力学 性 能越好。高温下工作的材 料，晶粒过大和过小都不好。 有些情况下晶粒越大越好。 如硅钢片。
第二节 结晶的现象与规律
一.结晶的一般过程
微小 晶核
长大
晶体
二.结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度 To Tn
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
过冷现象 ( supercooling )
过冷度 ( degree of supercooling )
同素异构转变：在外界条件（温度/压力）改变时，
金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构。 纯铁的同素异构( allomorph )转变反应式:
δ - Fe
bcc
1394 °C
金属材料与热处理 第三版 模块三 金属的结晶
“十三五”职业教育国家规划教材 高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材
金属材料与热处理（第三版）
Heat Treatment
模块三 纯金属的结晶
课题1 结晶现象 课题2 晶体的形核与长大 课题3 结晶的条件 课题4 晶粒大小的控制
知识准备
一、热分析法和冷却曲线
热分析法装置及冷却曲线 1一电炉;2一 坩埚;3一 金属液;4一热电偶
热力学条件：有一定的过冷度 结构条件：相起伏或结构起伏 能量条件：能量起伏 形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核
课题4 晶粒大小的控制
✓ 任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒 越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在 我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何 通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？
✓ 晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。
1、均质形核
✓ 也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子 按照一定的晶体结构排列形成的晶核。
✓ 这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的 晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核， 才能够称为晶核。
✓ 晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了 能量，能量起伏提供了所需的表面能。
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的 现象称为同素异构转变
铁的同素异构转变： Fe(bcc) 912C Fe(fcc) 1394C Fe(bcc)
T
铁的冷却曲线15381394}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
t
课题3 结晶的条件
结晶必须具备一定条件才能够进行
✓ 实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的， 但主要按异质形核的方式进行。
金属材料与热处理（第三版）
Heat Treatment
模块三 纯金属的结晶
课题1 结晶现象 课题2 晶体的形核与长大 课题3 结晶的条件 课题4 晶粒大小的控制
知识准备
一、热分析法和冷却曲线
热分析法装置及冷却曲线 1一电炉;2一 坩埚;3一 金属液;4一热电偶
热力学条件：有一定的过冷度 结构条件：相起伏或结构起伏 能量条件：能量起伏 形核条件：晶胚尺寸大于临界晶核
课题4 晶粒大小的控制
✓ 任务提出：细小晶粒的金属具有更高的力学性能，晶粒 越细小，晶界就越多，材料的强度、硬度就越高，现在 我们也已经知道金属结晶所具备的条件，那么我们如何 通过具体的方法来得到细小的晶粒呢？
✓ 晶核的形成方式有两种：均质形核、异质形核 。
1、均质形核
✓ 也称为自发形核或均匀形核，这种形核方式是由金属自身的原子 按照一定的晶体结构排列形成的晶核。
✓ 这个晶核只有达到一定尺寸才能够长大为晶体，这个一定尺寸的 晶核称为临界晶核，也就是说，只有晶胚的尺寸大于临界晶核， 才能够称为晶核。
✓ 晶核一旦形成，就在液体里面形成了额外的固体的表面，增加了 能量，能量起伏提供了所需的表面能。
金属在固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的 现象称为同素异构转变
铁的同素异构转变： Fe(bcc) 912C Fe(fcc) 1394C Fe(bcc)
T
铁的冷却曲线15381394}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
铁磁性
-Fe，bcc
t
课题3 结晶的条件
结晶必须具备一定条件才能够进行
✓ 实际金属的结晶过程中，均质形核和异质形核是同时存在的， 但主要按异质形核的方式进行。
3 第三章 金属的结晶、变形与再结晶——【工程材料学】
（1） 形核
形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。
均匀形核即晶核在液态金属中均匀的形成；非均匀形核 即晶核在液态金属中非均匀的形成。
实际生产中，金属中存在杂质并且凝固过程在容器或铸 型中进行，这样，形核将优先在某些固态杂质表面及容器 或铸型内壁进行，这就是非均匀形核。
非均匀形核所需过冷度显著小于均匀形核，实际金属的 凝固形核基本上都属于非均匀形核。
颗粒钉扎作用的电镜照片
3.2.2 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、 塑性变形对金属组织与结构的影响
1. 显微组织的变化 滑移带 孪晶带 晶粒形状
金属在外力作用下发生塑性变形时，随着变形量的增加晶 粒形状发生变化，沿变形方向被拉长或压扁。当拉伸变形量 很大时，只能观察到纤维状的条纹（晶粒变成细条状），称 之为纤维组织。
Hall-Pitch关系：σs =σ0 + Kyd-1/2
三、 合金的塑性变形 根据组织，合金可分为单相固溶体和多相混合物两种。合
金元素的存在，使合金的变形与纯金属显著不同。
奥氏体
珠光体
1. 单相固溶体的塑性变形 单相固溶体合金组织与纯金属相同，其塑性变形过程也与
多晶体纯金属相似。但随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度 提高，塑性、韧性下降，称固溶强化。
3.1 金属的结晶及铸件晶粒大小控制
凝固
金属由液态转变为固态的过程。
结晶
结晶是指从原子不规则排列的液 态转变为原子规则排列的晶体状 态的过程。
3.1.1 冷却曲线及结晶一般过程
一、 冷却曲线
温 度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
Tm
Tn
△T 过冷度
实际冷却曲线
时间
3.3 金属的结晶与同素异构转变
《金属材料与热处理》导学案 主备人：栾义 审核人：栾义 编号：007爱让每一名学生都做得更好！1 §3.3 金属的结晶与同素异构转变【使用说明】1、依据学习目标，全体同学积极主动的根据教材内容认真预习并完成导学案，小组长做好监督与检查，确保每位同学都能认真及时的预习相关知识。
2、结合导学案中的问题提示，认真研读教材，回答相关问题。
3、要求每位同学认真预习、研读课本，找出不明白的问题，用红笔做好标记。
【学习目标】1、知识与技能：熟悉纯金属的结晶过程，掌握晶粒大小对金属材料性能的影响和纯铁的同素异构转变。
2、学习与方法：通过研读课本，积极讨论，踊跃展示，理解金属的结晶过程规律与金属材料的性能之间的密切关系。
3、情感态度价值观：激情投入，大胆质疑，快乐学习。
【重点难点】细化晶粒纯铁的冷却曲线【自主学习】金属的结晶 重要级别：★★★★★晶粒大小对金属力学性能的影响 重要级别：★★★★金属的同素异构转变 重要级别：★★★【合作探究】1、什么是结晶，什么是冷却曲线？2、什么是过冷现象？什么是过冷度？过冷度与什么有关？3、什么是晶核？什么是多晶体？什么是单晶体？班级： 姓名： 使用时间： 年 月 日爱让每一名学生都做得更好！ 2 4、什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？5、金属结晶时，其冷却曲线为何有一段水平线？结晶由哪两个基本过程组成？6、晶粒大小对金属材料性能有什么影响？分析影响晶粒大小的因素有哪些？常用的细化晶粒的方法有哪几种？7、分析纯铁的冷却曲线，将发生的同素异构转变用式子表示出来。
8、金属的同素异构转变与液态金属的结晶相比有哪些异同点？【当堂测验】1、金属的整个结晶过程包括____________________和__________两个基本过程组成。
__________越高，__________越小，结晶后的晶粒越细小。
2、金属在__________态下，随温度的改变，由__________转变为__________的现象称为同素异构转变。
第3章金属与合金的结晶.
数目或晶粒的平均直径来表示。 晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学性能 均有很大的影响。金属的强度、硬度、塑性和韧性等都 随晶粒的细化而提高。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
晶粒大小的影响因素
• 形核率N——单位时间内、单位体积中所产生的晶核数目。 • 晶核的长大速率G——单位时间内晶核向周围长大的平均 线速度。 晶粒的大小取决于形核率 N和长大速度G的相对大小 ， 34 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目Zv ： N ZV 0.9 12 G 单位面积中的晶粒数目Zs为： N Z S 1.1 G
铁有体心立方晶格的 Fe和面心立方晶格的 Fe 钴有密排六方晶格的 Co和面心立方晶格的 Co
金属在固态下随温度的改变，由一种晶格变为另一种晶 格的现象，称为金属的同素异构转变。由同素异构转变 所得到的不同晶格的晶体，称为同素异构体。
在常温下的同素异构体一般用希腊字母 表示， 较高温度下的同素异构体依次用 、、 等表示。
显然，N/G越大，则Zv、Zs越大，晶粒 越细。即：凡能促进形核，抑制长大的因 素，都能细化晶粒。
细化晶粒的方法： ①增加过冷度 提高冷却速度和 降低浇注温度。
此法仅对小型或薄壁件有效，对 较大的厚壁铸件不易获得大的过 冷度，整个体积不易实现均匀冷 却，而且冷却速度过大，往往导 致铸件开裂而报废；形状复杂的 件也不适用。为此，工业上还常 常采用其他的处理方法。
第一节 纯金属的结晶
一、纯金属的冷却曲线 和过冷现象 研究液态金属结晶 ——热分析法 冷却曲线平台——金属在
结晶过程中，释放的结晶潜热 补偿了散失的热量，使温度不 随冷却时间的增长而下降，直 至结晶终了，没有结晶潜热补 偿散失的热量，温度又重新下 降。
热电偶 液态金属 坩埚 电炉
结晶潜热： 伴随着液态向固态转变而释放的热量称结晶潜热。
第三章金属的晶体结构与结晶
第三章 金属的晶体结构与结晶
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
钢和铁是制造机器设备的主要材料，它们都是以铁和碳为 主而组成的合金，要了解钢和铸铁的本质，首先要了解纯铁的 晶体结构。固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。
§３-1 金属的晶体结构 一、晶体的概念
金属在固态下一般都是晶体。 晶体：原子在空间呈规律性排列的固体物质； 注意：在固态时呈规律性排列，而在液态时金属原子的排列 并不规律。如图3-1（a） 金属的结晶就是由液态金属转变为固态金属的过程。
图3-5 实际金属晶体
在晶界上原子的排列不像晶粒内部那样有规则，这种原子 排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点， 将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。 1. 点缺陷：不规则区域在空间三个方向上的尺寸都很小， 例如空位、置换原子、间隙原子。如图3-6
空位
间隙原子
置换原子
间隙原子
图3-3 面心立方晶格Fra bibliotek 3.密排六方晶格：由两个简单六方晶胞穿插而成,晶胞为六 方柱体，柱体的12个顶角和上、下面中心上各排列一个原子， 在上、下面之间还有三个原子。如图3-4
图3-4 密排六方晶格
（一般规律）面心立方的金属塑性最好，体心立方次之，密排六方的 金属较差。
§３-2 实际金属的结构 一、多晶体结构
1.铸态晶：液态金属结晶后形成的晶体。将铸锭剖开可以 看到三个不同的晶区： 表面细小等轴晶粒层：组织致密，性能比较均匀一致，无 脆弱晶界面，有良好的热加工性能和力学性能，但易形成缩松。 柱状晶粒区：性能具有方向性；热加工性能较低；组织致 密，空隙和气孔较少，所以沿柱状晶粒的轴向强度高，韧性也 较好。 中心粗大等轴晶粒层：组织不均匀，还存在缩孔，缩松， 夹杂及偏析等缺陷。
图3-9 纯金属冷却曲线
工程材料与机械制造基础-3-金属的晶体结构与结晶
17:05
金属的结晶
• 纯金属的结晶过程 • 液态金属的结晶过程分为两个阶段：① 形成晶核，② 晶核长大。
17:05
纯金属的结晶过程
• 晶核的形成过程 • 液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时 聚时散，称为晶坯。 • 在T0以下, 经一段时间后(即孕育期), 一些大尺寸的 晶坯将会长大，称为晶核。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃型位错的形成
实际金属的结构
• 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半 个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原 子面的边缘就是刃型位错。 • 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 • 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
17:05
{110}
Z （110） （011） （011） （101） （101） Y （110）
X
17:05
金属的晶体结构
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、 [010]、 [001] 110 : [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] 111 : [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111]
密排六方晶格的参数
常见的金属晶格
• 密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
1 原子半径 ：r a 2 原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
常见的金属晶格
三种常见晶格的密排面和密排方向
•单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。
17:05 三斜
金属的晶体结构
第3章+金属的结晶与同素异构转变
3.2.3 金属结晶后的晶粒大小
2. 晶粒大小的控制 晶粒的大小取决于晶核的形成率N和长大速度G。
过冷度对N、G的影响
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.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
12
第3章 金属的结晶与同素异构转变
5
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
晶体的结晶---冷却曲线
金属结晶时温度与时间的 关系曲线。 曲线上水平阶段所对应的 温度称实际结晶温度T1。
曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
同素异构转变概念
物质在固态下晶体结构随 温度变化的现象。
铁的同素异构转变
大连理工大学经济系0501班 姜珊
2属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
同素异构转变特点
⑴形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶内缺 陷、特定晶面等）。 ⑵由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化，易造成很大内应力， 使材料变形或开裂。
大连理工大学经济系0501班 姜珊
21
The End of Chapter 3.
大连理工大学经济系0501班 姜珊
大连理工大学经济系0501班 姜珊
7
第3章 金属的结晶与同素异构转变
[本章内容]: 3.1金属结晶的 概念 3.2金属的结晶 过程 3.3同素异构转 变
3.2.1 纯金属的结晶过程
形核 和 长大 两个基本过程 液态中近程有序的小集团中的一部分成为稳定的 结晶核心，称为晶核。 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。