第2章 2.2金属的结晶与同素异构转变
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（2）晶核长大过程
两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长。
树枝状 生长
平面生长
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（2）晶核长大过程
(A) 在正的温度梯度（temperature gradient）
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（2）晶核长大过程
(B) 负的温度梯度
G，N N
形核率 单位时间单 位体积液相 中形成的晶 核数目
G
ΔT 形核率N 、长大速度G 与 过冷度ΔT 的关系
2.2 金属的结晶与同素异构转变
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（2）变质处理
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒 和改善组织的工艺措施。 变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶 粒长大。 （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。
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（2）晶核长大过程
(B) 负的温度梯度
Constitutional Underrcooling
为什么在负的温度梯度下会以树枝状生长?
* ΔTc = −ml (C L − C 0 )
2.2 金属的结晶与同素异构转变
2.2 金属的结晶与同素异构转变度越大，则过冷度越大。
2.2 金属的结晶与同素异构转变
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 形成多晶体
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（1）形核过程
两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核 自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核 尺寸后形成的结晶核心。 非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。
第1章 材料的力学性能
材料的力学性能：物理意义、符号、单位及其工程意义 1.1 静载时材料的力学性能
强度：σe 、σs 、σ0.2 、 σb 刚度(弹性):E
ϕ 塑性: δ、 硬度：HB、HR
1.2 其它载荷时材料的力学性能
冲击韧性: αk 断裂韧性：KIC 疲劳强度: σ-1
1.3 材料的高温力学性能
小结
重点
1.纯金属结晶的必要条件; 2.过冷度的概念; 3.晶核的形成方式与长大过程; 4.晶粒大小（晶粒度）的控制与细晶强化
蠕变强度：
600 σ 0.1/1000
第1章 材料的力学性能
F F0.2 s
σ
σs σb σe ε
d 0.2%l0 ∆l
第2章 金属的组织结构与塑性变形
理想晶体的晶体学抽象
2.1 纯金属的晶体结构
晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈 规则，周期性排列 非晶体 ：原子无规则堆积，也称“过冷液体” 钢球模型：假定晶体中的原子都是固定不懂的刚球， 也称原子堆垛模型。 晶格(点阵)：将原子抽象为质点并用直线连接构成的 三维空间格架。 晶胞：晶格中选取的能够完全反映晶格特征的最小 几何单元。
2.2 金属的结晶与同素异构转变
两种形核方式 —— 均匀形核 与 非均匀形核 均匀形核 只有大于或等于临界尺寸的晶胚才能成为晶 核继续长大。因为只有到临界尺寸,体积自由能 的减小才会超过表面自由能的增加,从而随着晶 胚直径变大,总能量减小. 非均匀形核 是依附于外来杂质或容器(包括铸型)上生成 的晶核。所需过冷度小于均匀形核,实际金属凝 固大都是非均匀形核 .
2.2 金属的结晶与同素异构转变
晶粒大小的控制措施：
1. 控制过冷度 2. 变质处理 3. 振动结晶
细晶强化：获得细小的晶粒以提高材料强度。 课本P42.
举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况
F
F
结果：小鸡蛋不易碎，
大鸡蛋容易碎
晶粒尺寸越小，强度越高。
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（1）提高过冷度（增大冷却速度）
冷却曲线
T }ΔT
理论结晶温度 开始结晶温度
T0 Tn
t
2.2 金属的结晶
1. 纯金属的结晶条件
结晶驱动力——ΔG≤0
自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能≤0 体系中各种能量的总和叫做内能，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自 由能。
物质的稳定状态为其自由能最低状态！
液、固两相的 自由能随温度 变化示意图
1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 1534℃ 1394℃
温 度
δ - Fe γ - Fe
912℃
α - Fe
时间
2.2 金属的结晶与同素异构转变
同素异构转变在“同素异形体”之间进行； 同素异构转变有时被称为“重结晶”； 同素异构转变也有形核与长大的过程，也 有结晶潜热的放出和过冷现象； 铁的同素异构转变是钢铁材料能进行热处 理的重要依据。
2.1 纯金属的晶体结构
晶胞的描述 晶格常数：晶胞的棱边长度 棱边夹角： α ， β ， γ 晶体结构的描述 原子半径：晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数：晶胞中所含原子数是指 一个晶胞内真正包含的原子数目。 致密度：是指晶胞中原子所占体积分数。
2.1 纯金属的晶体结构
2.2 金属的结晶
1. 纯金属的结晶条件
结晶：液体 --> 晶体 凝固：液体 --> 固体（晶体 或 非晶体） 液体 晶体
结晶
结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态 （晶态）的转变过程或物质中的原子由近程有序列向长程有序排列的过程
2.2 金属的结晶
纯金属结晶的条件 就是应当有一定的 过冷度（克服界面能）
2.2 金属的结晶与同素异构转变
同素异构转变 当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶 体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又 称为同素异构转变 纯铁的同素异晶转变反应式:
1394 °C 912 °C
δ – Fe
bcc
γ - Fe
fcc
α - Fe
bcc
2.2 金属的结晶与同素异构转变
3. 晶粒大小的控制
晶粒度: 表 示 晶 粒 大 小 ，分8级
2.2 金属的结晶与同素异构转变
3. 晶粒大小的控制(细化金属晶粒的措 施) 晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级（p111)。
晶粒度 1 2 3 4 5 6 7 8
32 64 128 256 512 1024 单位面积晶 —— 晶粒细化使金属机械性能提高的现象 2048 细晶强化 16 粒数 （个/mm2） 细晶强化-->强度、硬度、塑性、韧性↑ 比较： 250 177 125 88 62 44 31 22 晶粒平均直 固溶强化-->强度、硬度↑，塑性、韧性↓ 径 （μm）
2.2 金属的结晶
纯金属结晶的条件就是要使实际结晶温度 低于理论结晶温度，也就是应当有一定的 过冷度！
2.2 金属的结晶
过冷度：
过冷度： ΔT=
金属的实际结晶温度与理论结晶温度的差值，称为过冷度．
冷却曲线
T
Tn
Tm - Tn
T0 Tn
Tm
}ΔT
理论结晶温度 开始结晶温度
t
2.2 金属的结晶与同素异构转变
（1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子 （2）线缺陷：位错(刃型位错、螺型位错) （3）面缺陷：晶界与亚晶界
晶体缺陷：实际金属晶体结构与理想结构 的偏离
2.1 纯金属的晶体结构
置换原子 间隙原子
晶格空位
2.1 纯金属的晶体结构
2.2 金属的结晶与同素异构转变
金属的结晶 1. 纯金属的结晶条件 2. 纯金属的结晶过程 3. 晶粒大小的控制 同素异构转变 纯铁的同素异构转变
晶面：通过原子中心的平面 晶向：通过原子中心的直线所指的方向
Body-Centered Cube
Face-Centered Cube
Hexagonal Close-Packed
2.1 纯金属的晶体结构
单晶体：内部晶格位向完全一致 的晶体(理想晶体)。 如单晶Si半导体。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。
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第2章 金属与合金的晶体结构和相图--定稿
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2、晶体缺陷
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3）面缺陷（晶界和亚晶界）
晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于 面缺陷。
亚晶粒：每个晶粒可分为若干个位向相差很小(一般
θ<1～3o)的亚晶粒。
亚晶界：亚晶粒之间的边界叫亚晶界。
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3）面缺陷：
a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为 晶界强度高。
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第2章 金属晶体结构和二元合金相图
金属材料有纯金属和合金两种。纯金属是由一种元素 组成的（如Fe、Cu、Al等）；合金则是以一种金属元素 作为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合 而获得具有金属特性的材料（如碳钢、铜合金等）。因 为合金比纯金属有更好的力学性能和工艺性能，且成本 低，故常用于工业生产。
C（石墨）、Mg、Zn 等
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晶格常数
底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90
（3）密排六方晶格 hcp
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晶胞中的原子个数？ 致密度？
晶格常数：c/a≈1.633； 原子半径：r=1/2a
？
原子个数：12X1/6+2X1/2+3=6 致 密 度：0.74
二、多晶体结构与晶体缺陷
不同的纯金属与合金，由于其内部组织结构不同，性能 也不一样。为了了解金属和合金的性能，就必须了解其内 部构造。
本章要点： ➢ 金属的晶体结构
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➢ 铁和碳的合金称为铁碳合金，钢和铸铁都是 铁碳合金。 ➢ 要掌握各种钢和铸铁加工方法，必须首先了 解铁碳合金中化学成分、组织与性能之间的关 系。
b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往 在晶界处形核。
第2章 金属材料的组织与性能控制
一般要求
1. 同素异构转变。 2. 匀晶相图的分析方法。 3. 合金相图与性能的关系。
思考题
1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？ 2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？ 3. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。 4. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用
ES线：C在A中的固溶线
PQ线：C在F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )
≈ 0.77 / 6.69 = 12 %
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
C匀u 晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的N熔i 点，
1. 同素异构转变。 2. 匀晶相图的分析方法。 3. 合金相图与性能的关系。
思考题
1. 为什么要生产合金？与纯金属相比，合金有哪些优越性？ 2. 固溶体中，溶质元素含量增加时，其晶体结构和性能会发生什么变化？ 3. 试比较共晶反应和共析反应的异同点。 4. 为什么铸造合金常选用接近共晶成分的合金，而压力加工的合金常选用
ES线：C在A中的固溶线
PQ线：C在F中的固溶线
2．铁碳合金的平衡结晶过程
Fe-C 合金分类
工业纯铁 —— C % ≤ 0.0218 %
钢 —— 0.0218 % ＜ C % ≤ 2.11 % 亚共析钢 ＜ 0.77 % 共析钢 ＝ 0.77 % 过共析钢 ＞ 0.77 %
白口铸铁 —— 2.11 % ＜ C % ＜ 6.69 %
室温组织
F + Fe3CⅢ (微量)
500×
(2)共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程
P中各相的相对量：
Fe3C % = ( 0.77 – xF ) / ( 6.69 – xF )
≈ 0.77 / 6.69 = 12 %
F % ≈ 1 – 12 % = 88 %
珠光体
强度较高，塑性、韧性和硬度介于 Fe3C 和 F 之间。
Ni 80 100
匀晶合金的结晶过程
L
T,C
T,C
L
1500
1455
L
1400 1300
c
a
L+
匀晶转变 L
1200d
1100 1000 1083
b
L
C匀u 晶合金与纯金属不同，它没有一个恒定的N熔i 点，
第2章 2.2金属的结晶与同素异构转变
小结
重点
1.纯金属结晶的必要条件; 2.过冷度的概念; 3.晶核的形成方式与长大过程; 4.晶粒大小（晶粒度）的控制与细晶强化
第1章 材料的力学性能
材料的力学性能：物理意义、符号、单位及其工程意义 1.1 静载时材料的力学性能
强度：σe 、σs 、σ0.2 、 σb 刚度(弹性):E
ϕ 塑性: δ、 硬度：HB、HR
1.2 其它载荷时材料的力学性能
冲击韧性: αk 断裂韧性：KIC 疲劳强度: σ-1
1.3 材料的高温力学性能
2.2 金属的结晶与同素异构转变
两种形核方式 —— 均匀形核 与 非均匀形核 均匀形核 只有大于或等于临界尺寸的晶胚才能成为晶 核继续长大。因为只有到临界尺寸,体积自由能 的减小才会超过表面自由能的增加,从而随着晶 胚直径变大,总能量减小. 非均匀形核 是依附于外来杂质或容器(包括铸型)上生成 的晶核。所需过冷度小于均匀形核,实际金属凝 固大都是非均匀形核 .
（1）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子 （2）线缺陷：位错(刃型位错、螺型位错) （3）面缺陷：晶界与亚晶界
晶体缺陷：实际金属晶体结构与理想结构 的偏离
2.1 纯金属的晶体结构
置换原子 间隙原子
晶格空位
2.1 纯金属的晶体结构
2.2 金属的结晶与同素异构转变
金属的结晶 1. 纯金属的结晶条件 2. 纯金属的结晶过程 3. 晶粒大小的控制 同素异构转变 纯铁的同素异构转变
2.2 金属的结晶与同素异构转变
同素异构转变 当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶 体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又 称为同素异构转变 纯铁的同素异晶转变反应式:
1394 °C 912 °C
机械制造基础第二章2
位错对材料性能的影响比点缺陷更大， 位错对材料性能的影响比点缺陷更大 ， 对金属材料的影 响尤甚。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度， 响尤甚 。 理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度 ， 但 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 是当错位量急剧增加后，强度又迅速提高。 生产中一般都是增加位错密度来提高强度， 生产中一般都是增加位错密度来提高强度 ， 但是塑性 随之降低，可以说， 随之降低 ， 可以说 ， 金属材料中的各种强化机制几乎都是 以位错为基础的。 以位错为基础的。 3. 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大，第三个方向上的 面缺陷：指在两个方向上的尺寸很大， 尺寸很小而呈面状的缺陷。 尺寸很小而呈面状的缺陷。面缺陷的主要形式是各种类型 的晶界。 的晶界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。 晶界：指晶粒与晶粒之间的边界。
图1-6 冷却曲线
3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1-7所示，在液 3.结晶过程。 晶体形核和成长过程。如图1 所示， 结晶过程 体金属开始结晶时， 体金属开始结晶时，在液体中某些区域形成一些有规则排 列的原子团，成为结晶的核心， 形核过程）。 列的原子团，成为结晶的核心，即晶核 （形核过程）。 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大， 然后原子按一定规律向这些晶核聚集，而不断长大，形成 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时， ）。在晶体长大的同时 晶粒（成长过程）。在晶体长大的同时，新的晶核又继续 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触，液态金属完 产生并长大。当全部长大的晶体都互相接触， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一， 全消失，结晶完成。由于各个晶粒成长时的方向不一，大 晶界。 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界 小不等，在晶粒和晶粒之间形成界面，称为晶界。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
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。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
工程材料—纯金属的结晶
19
铸锭的缺陷
1）缩孔（集中缩孔） ——最后凝固的地方 2）疏松（分散缩孔） ——枝晶间和枝晶内 3）气孔（皮下气孔）
20
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶
二、同素异构转变
三、铸锭的结构
四、细化铸态金属晶粒的措施
五、单晶的制取
21
四、细化铸态金属晶粒的措施
1、晶粒度
晶粒度表示晶粒的大小， 可用晶粒的平均面积或
（1） ab—液态逐渐冷却 （2） bc—温度低于理论结晶 温度 过冷现象
过冷度
T T0 Tn
（3）cd—正在结晶 回升——结晶时释放的结晶潜热 大于向环境中散失的热量
Δt——孕育期
Δt
（4）de—正在结晶 平台——结晶时释放的结晶潜热与向环境中散失的热量 相等 （5）ef—固态逐渐冷却
6
ห้องสมุดไป่ตู้
三个特殊温度：
1538 º C、1394º C、912º C
• 固态相变
特点： • 形核和长大 • 过冷度较大
钛、锡、钴、锰等金属也存在 同素异构转变。
16
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶 二、同素异构转变 三、铸锭的结构 四、细化铸态金属晶粒的措施
五、单晶的制取
17
三、铸锭的结构
表层细等轴晶区 中间柱状晶区 心部粗等轴晶区
2) 树枝状长大： 冷却速度较大，形成负温度梯度，树枝 状的形状长大。
金属结晶示意图
12
平面长大的规则形状晶体
树枝状长大的树枝状晶体
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
13
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶
铸锭的缺陷
1）缩孔（集中缩孔） ——最后凝固的地方 2）疏松（分散缩孔） ——枝晶间和枝晶内 3）气孔（皮下气孔）
20
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶
二、同素异构转变
三、铸锭的结构
四、细化铸态金属晶粒的措施
五、单晶的制取
21
四、细化铸态金属晶粒的措施
1、晶粒度
晶粒度表示晶粒的大小， 可用晶粒的平均面积或
（1） ab—液态逐渐冷却 （2） bc—温度低于理论结晶 温度 过冷现象
过冷度
T T0 Tn
（3）cd—正在结晶 回升——结晶时释放的结晶潜热 大于向环境中散失的热量
Δt——孕育期
Δt
（4）de—正在结晶 平台——结晶时释放的结晶潜热与向环境中散失的热量 相等 （5）ef—固态逐渐冷却
6
ห้องสมุดไป่ตู้
三个特殊温度：
1538 º C、1394º C、912º C
• 固态相变
特点： • 形核和长大 • 过冷度较大
钛、锡、钴、锰等金属也存在 同素异构转变。
16
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶 二、同素异构转变 三、铸锭的结构 四、细化铸态金属晶粒的措施
五、单晶的制取
17
三、铸锭的结构
表层细等轴晶区 中间柱状晶区 心部粗等轴晶区
2) 树枝状长大： 冷却速度较大，形成负温度梯度，树枝 状的形状长大。
金属结晶示意图
12
平面长大的规则形状晶体
树枝状长大的树枝状晶体
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
13
第一节
纯金属的结晶
一、纯金属的结晶
金属材料与热处理 模块二 课题三 金属的同素异构转变
必备知识
一．同素异构转变 大多数金属的晶格类型都是固定不变的，但是有少部分金属如铁（Fe）、钴(Co )、钛(Ti)、 锡(Sn)、锰(Mn)等，其晶格类型会随温度的升高或降低而发生改变。某些固态金属在不同 温度和压力下呈不同的晶体结构，同一种固态的纯金属（或其他单相物质），在加热或冷 却时由一种稳定状态变为另一种晶体结构不同的稳定状态的转变称为同素异构转变。此时 除体积变化和热效应外还会发生其他性质改变。
思考与练习
1．什么是同素异构转变？具有同素异构转变的金属有哪些？ 2．金属的同素异构转变与结晶相比有哪些异同点？ 3．写出纯铁的同素异构转变式。 4. 金刚石和石墨都是碳原子组成的，但性能却绝然相反，为什么？
谢谢观赏！
同一金属元素的晶体，以不同的晶格形式存在称为该金属的同素异晶体。同一金属的 同素异晶体，根据其稳定存在的温度，由低温到高温，依次用希腊字母α、β、γ、δ等表 示。例如，α－Fe、γ－Fe、δ－Fe；α－Co、β－Co。
必备知识
二、纯铁的同素异构转变过程 纯铁是具有同素异构转变的金属，如图所示，液态纯铁在1538℃进行结晶，得到具有
γ-Fe到α-Fe的同素异构转变过 程示意图
总结提升
由以上知识可知，由于温度发生了变化，锡的晶格发生了改变，导致其体积和性能发生了 变化。在13.2℃～161℃下，锡是正方晶系的晶体结构，叫做白锡。白锡稳定，因为表面 生成一层致密的氧化膜，阻止锡的进一步氧化，可作为高贵的装饰品或表壳、酒壶以及茶 壶等。但是如果温度低于13℃，锡开始发生同素异构转变，转变为它的同素异形体灰锡(α 锡)，转变速度随温度的下降而加快，如果温度低于-18℃，β锡(密度7.298克/cm3)转变为 α锡(密度5.846g/cm3)时，体积增大约20％，锡的体积膨胀，由个别点开始，向周围扩散， 降到-33℃时ห้องสมุดไป่ตู้达到高峰，一夜间就能使锡变成粉末。为避免发生这种情况，锡在储运过 程中的温度不可太低，寒冷地区不能用锡质容器或锡焊容器。如图所示为锡从高温液态冷 却到固态的转变式
第02章金属的晶体结构与结晶
冷却曲线是表示金属冷却时，温度随时间变化的关系曲 线。如图2-12曲线中的水平线段表明，液态金属凝固时 释放出的结晶潜热，恰好抵偿了向周围空气中散失的热 量。水平线段对应的温度就是纯金属的结晶温度。
图2-11 热分析装置示意图
图2-12 纯金属的冷却曲线
2.4.1.3 合金的结晶
合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结 晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一 恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内 进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所 以二者的冷却曲线是不相同的。
2.4.1.2 纯金属的结晶
用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。
目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属 的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置 将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一 定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所 示。
2.3.2.3 面缺陷
面缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图2-10(a)、(b)所示。
实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。 因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排 列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。 晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能 力较强。
除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶 格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒， 亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不 规则，也存在着晶格畸变。
2.4.1.5 金属的结晶过程 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶 体核心(简称生核)和晶核进行长大(简称为核长大)。 如图2-13所示为金属的结晶过程示意图。结晶开始时， 液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列 成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方 式长大，当成长的枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝 固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最 后形成了许多小晶粒。
图2-11 热分析装置示意图
图2-12 纯金属的冷却曲线
2.4.1.3 合金的结晶
合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结 晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一 恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内 进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所 以二者的冷却曲线是不相同的。
2.4.1.2 纯金属的结晶
用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。
目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属 的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置 将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一 定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所 示。
2.3.2.3 面缺陷
面缺陷主要是指晶界和亚晶界，如图2-10(a)、(b)所示。
实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。 因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排 列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。 晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能 力较强。
除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶 格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒， 亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不 规则，也存在着晶格畸变。
2.4.1.5 金属的结晶过程 金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶 体核心(简称生核)和晶核进行长大(简称为核长大)。 如图2-13所示为金属的结晶过程示意图。结晶开始时， 液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列 成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方 式长大，当成长的枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝 固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最 后形成了许多小晶粒。
金属材料与热处理第二章 金属的晶体结构与结晶
(1)增加过冷度 即加快金属液的冷却速度。 (2)变质处理 即在浇注前向金属液中加入少量形核剂(又称变质 剂或孕育剂),造成大量非自发形核,使晶粒细化。 (3)振动处理 金属结晶时,对金属液进行机械振动、超声波振动
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
或电磁振动等,使生长中的枝晶破碎,提高形核率,达到细化晶粒的 目的。
第三节 金属的同素异构转变
一、纯金属的冷却曲线和过冷现象
纯金属都有一个固定的结晶温度(或称凝固点 ),所以纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下 进行的。
二、纯金属的结晶过程
纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经 历的这段时间内发生的,它是不断形成晶核和晶核 不断长大的过程,如图2-16所示。
图2-16 金属结晶过程示意图
图2-8 简单立方晶格中的晶向
五、金属的实际晶体结构
如果一个晶体内部其晶格位向(即原子排列的 方向)是完全一致的,则这种晶体称为单晶体,如图29a所示。
图2-9 单晶体和多晶体结构示意图 a)单晶体 b)多晶体
1.点缺陷 点缺陷是晶体中呈点状的缺陷,即在三维方向上的尺寸
都很小的晶体缺陷。
图2-10 空位和间隙原子示意图
同素异构转变是纯铁的一个重要特性,是钢 铁能够进行热处理的理论依据。金属的同素异 构转变过程与金属液的结晶过程很相似,实质上 它是一个重结晶过程,因此,同素异构转变同样遵 循结晶的一般规律:转变时需要过冷;有潜热产 生;转变过程也是在恒温下通过晶核的形成和长 大来完成的,如图2-20所示。但由于同素异构转
8.什么是过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有什么关系? 它对铸件的晶粒大小有什么影响?
9.金属液结晶的必要条件是什么?试叙述纯金属的结晶过程 。
10.什么是晶粒与晶界?晶粒大小对金属力学性能有什么影 响?
02第二章 金属的晶体结构与结晶
组织。
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
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。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
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。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1