材料科学基础晶核的形成和成长
图6–1 纯金属结晶的冷却曲线
三.凝固的热力学条件 驱动力 Gv Hv TSv Hs HL T Sv SL
Lm HL Hs. H S H L Lm
当T Tm时.Gv 0.
液态和固态的吉布 斯自由能-温度曲线
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GV 0.HS H L TmSV SL 0
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二、金属过冷现象的结晶（图）
热分析实验表明，，纯金属实际开始
结晶温度T总是低于平衡结晶温度Tm （理论结晶温度），这种现象称为过 冷。实际结晶温度T与平衡结晶温度 Tm的差ΔT称为过冷度。
过冷度的大小可由在一定条件下 所测定的，冷却曲线来确定。当冷却 到理论结晶温度Tm以下的某一温度时，
3Lm T 2
即T Gk 形核功小，易于形核。
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rk
2
GV
Ak (rk )2
16
GV
2 2
Gk
16 3Tm2
3(Lm T )2
1 3
Ak
说明
L-S的体积自由能差可补偿临界 晶核所需表面能的2/3，而另外1/3 则依靠液体中存在的能量起伏来 补偿
晶核半径与△G之间的关系
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2 3cos cos3
过冷现象 凝固过程
形核 长大
均匀
非均匀 L-S界面微观结构
粗糙 光滑
胞状 生产形态 树枝状
●固溶体的凝固
平衡凝固
原因
非平衡凝固:成分过冷 临界条件
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●共晶合金的凝固 形成 形态
●铸锭组织
表面细等轴晶 柱状晶 中心粗等轴晶
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晶体材料熔液凝固的基本规律
一、液态金属的结构
●固体是由许多晶粒组成的，液体则是由 许多原子集团所组成。在原子集团内保持 固体的排列特征，而在原子集团之间的结 合受到很大的破坏。 ●长程无序，近程范围存在着接近于晶态 的原子排列情况（近程有序排列）。
的过程。
假设形成一球形的晶核，即合金由液态晶核 为球形的固相晶核，其能量变化为：
G GV V A GV 4 r3 r3
3
当 dG 0,可得到 d r
rk
2
GV
（临界晶核半径）
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即T rk
表示容易形核，临界晶核 半径小 又形核的形核功
Gk
16 3
3GV 2
16 3Tm2
固态金属的晶粒组织。每一个晶核长 大成为一个外形规则的晶粒，晶粒之 间的界面程为晶界。（如图）
因此，液态金属的结晶过程是由
形核和长大两个基本过程所形成，并 且这两个过程是同时进行的。液态金 属结晶时所形成的晶核越多，结晶后 的晶粒就越细小，反之晶粒则粗大。
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第一节 晶核的形成
一.均匀形核 ：在均一的液相中靠自身的结构 起伏和能量起伏形形成新相核心
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过冷度的大小与金属的性质、纯度以及冷却速
度有关，不同金属的过冷倾向不同，金属的纯度越
高，冷却速度越大，则过冷度就越大。
在及其缓慢冷却条件下，水平段的温度与理
论结温度相差甚小，故可把缓慢冷却曲线水平段所
对应的温度看作是平衡结晶温度Tm（图6–1b）。
温度
Tm
Tm
T ΔT
（α） 时间
（b） 时间
第六章 材料的凝固
概述 晶核的形成 晶体的生长 固溶体合金的凝固 共晶合金的凝固 制造工艺及凝固组织
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概述
材料由液态到固态的转变过程称为 凝固。金属及合金一般都要经过熔炼与 铸造，也就是说要经过由液态转变为固 态的凝固过程。金属及合金的结晶组织 对其性能以及随后的加工有很大的影响， 而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。 因此，了解有关金属和合金的结晶理论 和结晶过程，不仅对控制
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液态金属开始结晶，由于结晶潜热的
释放，冷却曲线出现温度回升。当所
释放的结晶潜热正好补偿系统向外界
散失的热量时，结晶过程将在一恒定
温度下进行，直到结晶结束，在冷却
曲线上表现为一个水平段（图6–1α）。
这个水平段所对应的温度就是金属的
实际结晶温度T，T与Tm的差值即是
金属在该冷却条件下的过冷度。
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●所有原子集团都处于瞬息万变状态，时 聚时散，此起彼伏。
●结构起伏：液态金属中各种结构不稳定 现象。
●浓度起伏：各原子集团之间成分的不同 的现象。 ●能量起伏：液态金属中各原子之间能量 的不同和各个原子集团间尺寸的不同的现 象或指体系中每个微小体积所具有的能量 偏离体系平均能量水平而大小不一的现象。
6- 2
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二.非均匀形核
依附于液相中某种固体表面（外来杂质表面或容 器壁）上形成的过程。
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6-5 6
G GV V ( A )
V
r 3 ( 2 3 c os
c os3
)
3
AL / B 2r 2 (1 c os )
AS / B r 2 sin 2
表面张力平衡：
L / B S / B L / B cos
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铸态组织，提高金属制品的性能有重要 的指导作用，而且也有助于理解金属及 合金的固态相变过程。
合金在极快冷速下可呈非晶态； 玻璃的凝固为非晶态；热固性塑料、橡 胶冷凝后为非晶态；热塑性塑料有些为 非晶态，有些为部分晶态。材料的凝固 与气相沉积是目前制备材料的两种主要 类型。
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●纯金属的凝固
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( A ) L/S AL/ S ( S / B L/ B )AS / B
r 2 L/ S (2 3cos cos3 )
2 3cos cos3
G非 G匀
4
由
d
(G) dr
可求得：
rk
2
GV cos
4
cos3
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由此可得到下列结论：
（1）非均匀与均匀形核相比，具有相同的临界 半径，随T , rk和Gk均下降，有利形核。
SV
SL
HS HL Tm
Lm Tm
GV
Lm
T Lm Tm
Lm Tm
Tm
T
要使GV 0. Lm,Tm 0.Tm T 0
即 Tm T
表示实际晶体温度总是低于理论结晶温度，必须过冷。
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三.过冷现象
后退
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四.结晶的一般过程
当液态金属冷却到熔点Tm以下的 某一温度开始结晶时，在液体中首先形 成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随 后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液 态金属中又形成一些新的稳定的晶核并 长大。整个结晶过程就是晶核的不断形 成和不断长大、由小到大由局部到整体 的发展过程。最后各晶体彼此接触。液 体完全消失，形成了 上页 下页
晶核和晶胚的名词解释
晶核和晶胚的名词解释晶核和晶胚这两个名词在晶体学中具有重要的含义和意义。
它们是研究晶体生长和结晶过程中关键的概念，对于从事材料科学和矿物学研究的学者们来说，理解这两个概念的内涵和联系具有重要的意义。
晶核是指在溶液或融体中形成初次结晶的微小晶体结构。
它是晶化过程的起点，可以说是晶体生长的基础。
晶核的形成条件要求溶液中具有过饱和度，即溶液中溶质的浓度超过了饱和浓度。
只有在过饱和的情况下，晶核才能形成。
过饱和度越高，晶核的形成速率就越快，从而导致晶体生长的速度加快。
晶核的形成可以通过两种方式实现：1. 同种物质的晶核形成；2. 异种物质的晶核引发。
同种物质的晶核形成是指溶液中存在同种物质的微小结构，这些微小结构会进一步形成晶体，如溶液中的离子或溶解度较低的物质。
异种物质的晶核引发是指在溶液中存在一种异质核心，它可以促使同种物质晶核的形成。
晶核的形成对材料的性质和结晶过程有着重要的影响，因此研究晶核的形成机制也成为材料科学领域的研究热点之一。
晶核的形成是晶体生长的第一步，而晶胚则是晶体生长的第二步。
晶胚是指晶核在过饱和度的作用下逐渐长大并形成稳定的晶体结构。
晶胚的成长是晶体结晶过程中最为重要的阶段之一，它直接决定了晶体的尺寸和形态。
晶胚的成长过程涉及到流体动力学、传质和传热过程等复杂的物理化学现象，因此对晶胚的研究也是晶体学中的一个重要课题。
晶胚的成长过程可以通过几种方式实现：1. 同质成核和同质成长；2. 异质成核和异质成长。
同质成核和同质成长是指晶核和晶胚由同种物质组成，晶胚的形态与晶核一致。
异质成核和异质成长是指晶核和晶胚由不同物质组成，晶胚的形态与晶核可能存在差异。
不同方式的晶胚成长对于晶体的形态和晶格结构都有着重要的影响。
晶核和晶胚的形成与成长过程不仅在材料科学和矿物学领域有着广泛应用，还在生命科学领域中具有重要意义。
例如，在生物体中，晶核和晶胚的形成是生长与再生的关键环节。
在海洋生物中，如贝壳和珊瑚等，晶核和晶胚的形成在生物体内部发生，从而形成坚固的外骨骼。
材料科学基础重点知识
《材料科学基础》重要知识点1、在离子晶体中，正、负离子的配位数大小由结构中正、负离子半径的比值决定。
2、聚合物的形成过程是分化和缩聚同时进行的一种动态平衡过程。
3、硅酸盐熔体的结构特点：多种聚合物同时并存，而不是一种独存。
正是由于这个特点，硅酸盐熔体的结构是长程无序的。
但每一个聚合体又是具有晶体结构的，即硅酸盐熔体中存在短程有序的负离子团。
4、影响聚合物聚合程度的因素（1）温度的影响：随温度升高，低聚合物浓度增加，而高聚合物浓度降低。
（2）熔体组成的影响：R为O/Si比的大小。
O/Si比R越大，低聚合物浓度越大，高聚合物浓度越小。
5、影响熔体粘度的主要因素是温度和化学组成。
粘度---温度关系：温度升高，粘度减小。
粘度—组成关系（1） O/Si比：硅酸盐熔体的粘度首先取决于硅氧四面体网络的聚合程度，即随O/Si比的上升而下降。
(2)一价碱金属氧化物①加入碱金属氧化物（Li2O、Na2O、K2O、Rb2O、Cs2O）降低硅酸盐熔体的粘度。
②碱金属氧化物的含量越高，硅酸盐熔体的粘度越小。
③不同的碱金属氧化物对粘度的影响大小也与碱金属氧化物的含量有关。
当Ｒ2O含量较低时（O/Si较低），加入的正离子半径越小，降低粘度的作用越大，其次序是：Li＋>Na＋>Ｋ＋>Rb＋>Cs＋。
当熔体中Ｒ2O含量较高（O/Si比较高）时，Ｒ2O对粘度影响的次序是Li+<Na+<Ｋ+。
（3）二价金属氧化物：二价碱土金属氧化物（ⅡA族）一般降低硅酸盐熔体的粘度。
但不同的氧化物降低粘度的程度不同，其降低粘度的次序是：Ba2+＞Sr2+＞Ca2+＞Ｍg2+，所以粘度大小次序为：Ba2+<Sr2+<Ca2+<Ｍg2+。
（4）阳离子配位数：阳离子配位数对粘度的影响是通过B2O3的研究而取得的。
①当B2O3含量较少（即Na2O/B2O3>1）时，粘度随含量升高而增加。
这是因为此时“游离”氧充足，故B3＋处于[BO4]四面体状态，结构紧密。
材料科学基础I 4-4 单相固溶体晶体的长大
以上讨论的四种情况下凝固试样 的溶质浓度分布如图所示。
a为平衡凝固：均匀分布 b为液相中溶质完全混合 c为液相中只有扩散 d为液相中有扩散和部分混合 从图可以看出，随液相混合程度加大，界面前沿溶质富集层 厚度减小，固相成分分布曲线下降。
§4-4 单相固溶体晶体的长大
前述纯金属的凝固过程中没有成分的变化，晶体长大只与液体 中的温度梯度有关。单相固溶体晶体的凝固过程中，则有成分的 变化（溶质重新分布）：液相成分沿液相线变化，固相成分沿固 相线变化，都与母相液体的平均成分不同。由于冷却条件的不同， 液、固两相中溶质重新分布的特点不同，从而引起界面前沿液体 过冷度的变化，进而导致晶体生长形态的变化。下面分四种情况 分别讨论。
微体积凝固后，溶质在液固两相中重新分配。
由于凝固前后溶质的质量平衡 所以
d M d M 1 2 C A d Z C d Z d C ( L Z d Z ) L sA L
( C C A d Z d C A ( L Z d Z ) L s) L ( 1 K ) C d Z ( L Z ) d C d Z d C 0 L L L
ZA fs L A
代入微分方程的解，得：
K 1 0
C C ( 1 f L 0 s)
Cf
K 1 0 0 L
C K C ( 1 f s 0 0 s)
K 1 0
这就是著名的夏尔(Scheil)公式，由于fL和fs分别为给定温度下 液固两相的体积分数，即相对量，所以也称为非平衡杠杆定律。
枝晶状生长 III区：具有较大的成分过冷。液相 有很宽的范围处于过冷状态，类似负温 度梯度条件，晶体以树枝状方式长大。
武汉理工大学《材料科学基础》考试试题及答案-第二套试题
武汉理工大学《材料科学基础》考试试卷第二套试卷一、填空题（共20分，每个空1分）1、材料按其化学作用或基本组成可分为（）、（）、高分子材料、复合材料四大类。
2、晶胞是从晶体结构中取出来的反应晶体（）和（）的重复单元。
3、热缺陷形成的一般规律是：当晶体中剩余空隙比较小，如NaCl型结构，容易形成（）缺陷；当晶体中剩余空隙较大时，如萤石CaF2型结构等，容易产生（）缺陷。
4、根据外来组元在基质晶体中所处的位置不同，可分为（）固溶体和间隙型固溶体：按照外来组元在基质晶体中的固溶度，可分为（）固溶体和有限固溶体。
5、硅酸盐熔体中，随着Na2O含量的增加，熔体中聚合物的聚合度（），熔体的粘度（）。
6、当熔体冷却速度很快时，（）增加很快，质点来不及进行有规则排列，晶核形成和晶体长大难以实现，从而形成了（）。
7、粉体在制备过程中，由于反复地破碎，所以不断形成新的表面，而表面例子的极化变形和重排，使表面晶格（），有序性（）。
8、非稳态扩散的特征是空间仟意一点的（）随时间变化，（）随位置变化。
9、动力学上描述成核生长相变，通常以（）、（）、总结晶速率等来描述。
10、温度是影响固相反应的重要外部条件。
一般随温度升高，质点热运动动能（），反应能力和扩散能力（）。
二、判断题（共10分，每个题1分）1、（）位错的滑移模型解释了晶体的实际切变应力与晶体的理论切变强度相差悬殊的内在原因。
2、（）空位扩散机制适用于置换型固溶体的扩散，3、（）一般来说在均匀晶体中引入杂质，都将使扩算系数增加4、（）-般来说，扩散粒子性质与扩散成指性质间差异越大，扩散系数也越大。
5、（）成核生长相变中晶体的生长速*与界面结构和原子迁移密切相关，当析出晶体和熔体组成相同时，晶体长大由扩散控制。
6、（）对于许多物理或化学步骤综合而成的在相反应中，反应速度由反应速度最快的步骤控制。
7、（）在烧结过程中，发生的初次再结晶使大鼎粒长大而小晶粒消失，气孔进入晶粒内部不易排出，烧结速度降低甚至停止。
材料科学基础复习要点
《材料科学基础》复习要点一、主要内容1. 工程材料中的原子排列（1）原子键合，工程材料种类；（2）原子的规则排列：晶体结构与空间点阵，晶向及晶面的特点及表示，金属的晶体结构，陶瓷的晶体结构。
（3）原子的不规则排列：点、线、面缺陷的类型及特征，位错的弹性性质，实际晶体中的位错。
2. 固体中的相结构（1）固溶体：分类、性能及影响固溶度的因素；（2）金属间化合物：分类、性能及特征；（3）陶瓷晶体相：分类、结构、性能及特征；（4）玻璃相：性能、特征及形成条件。
3. 凝固与结晶（1）结晶的基本规律；（2）结晶的基本条件；（3）晶核的形成：形核能量变化，临界晶核，形核功，形核率；（4）晶体的长大：长大条件，液固界面结构，长大机制，温度梯度，晶体形态；（5）凝固理论的应用。
4. 二元相图：（1）相图的基本知识；（2）二元匀晶相图、共晶相图及包晶相图：二元合金的平衡凝固及非平衡凝固，凝固过程中的成分变化及偏析，成分过冷与固溶体组织，共晶体形成机理及其形态，杠杆定律；（3）二元相图的分析方法，其他类型二元相图及其应用；（4）Fe-C相图分析及平衡凝固；（5）铸锭组织与偏析。
5. 材料中的扩散：（1）扩散定律及其应用；（2）扩散的微观机理，影响扩散的因素；（3）扩散的热力学理论；（4）反应扩散。
6. 塑性变形：（1）单晶体的塑性变形；（2）多晶体的塑性变形；（3）合金的塑性变形；（4）冷变形金属的组织与性能。
7. 回复与与结晶：（1）冷变形金属在加热时的变化；（2）回复：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；（3）再结晶：机制，热力学，动力学，应用，影响因素；（4）再结晶后晶粒长大：机制，热力学，动力学，应用及组织控制，影响因素；（5）金属的热变形，超塑性。
二、参考书目1. 《材料科学基础》，胡庚祥，蔡珣，上海交通大学出版社，20002. 《材料科学基础》（第二版），刘智恩，西北工业大学出版社20033. 《材料科学基础》，石德珂，西安交通大学出版社，20004. 《材料科学基础》，潘金生，仝健民，清华大学出版社，1998《材料科学基础》复习纲要重要概念-键合、工程材料-晶体、非晶体、各向异性-点阵、晶体结构、晶胞、晶系、布拉菲点阵、晶面指数、晶向指数、晶面族、晶向族-晶格常数、晶胞原子数、配位数、致密度、间隙-堆垛、密排面、密排方向、堆垛次序、堆垛方向-缺陷、点缺陷、刃位错、螺位错、混合位错-柏氏矢量、滑移矢量-位错密度-滑移、攀移、交滑移、交割、割阶、扭折、塞积-位错应力场、应变能、线张力、位错线上的力-位错增殖、位错源-全位错、不全位错、堆垛层错、位错反应-晶界、相界、界面能、大角度晶界、小角度晶界、孪晶界-相、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体-金属间化合物、玻璃相-凝固、结晶、短程有序、长程有序-结构起伏（相起伏）、能量起伏、成分起伏-过冷度、形核过冷度、动态过冷度、临界过冷度、有效形核过冷度-均匀形核、非均匀形核、晶核、临界晶核、临界形核功、形核率-光滑界面、粗糙界面、垂直长大、横向长大、温度梯度、树枝状-平衡转变（结晶）、非平衡转变（结晶）、正常凝固-匀晶、共晶、包晶、共析、包析、脱溶转变-平衡分配系数、有效分配系数-微观偏析（枝晶偏析）、宏观偏析-亚共晶、共晶、过共晶、伪共晶、离异共晶、非平衡共晶、包晶转变不完全性-铁素体、奥氏体、珠光体、莱氏体、渗碳体、工业纯铁、钢、铸铁-液相线、固相线、液相面、固相面、中间面、液相平均成分线、固相平均成分线-浓度三角形-垂直截面、水平界面、投影图-扩散、空位扩散、间隙扩散、稳态扩散、非稳态扩散-扩散系数、扩散激活能、扩散通量、迁移率-上坡扩散、反应扩散-滑移、滑移线、滑移带、滑移方向、滑移面、滑移系、临界分切应力、取向因子、吕德斯带-柯氏气团、屈服、应变时效-细晶强化、固溶强化、复相强化、弥散强化、加工硬化-纤维组织、带状组织、流线、位错胞、变形亚结构、织构-回复、再结晶、晶粒长大-低、中、高温回复，多边化，去应力退火-再结晶温度、再结晶退火-临界变形度、热蚀沟、再结晶图-动态回复、动态再结晶，热变形-复合材料、基体、增强体、界面各章知识要点一、工程材料中的原子排列§1.1 原子键合• 原子键合的种类、特点、典型例子• 工程材料的分类及其主要键合类型• 键合的多重性§1.2 原子的规则排列• 晶体的特点、晶体结构、点阵• 晶系、布拉菲点阵• 晶面指数、晶向指数（标定和作图）及其特点，晶面族、晶向族• 晶面间距• 典型金属结构（fcc、bcc、hcp）（晶胞原子数、点阵常数、配位数、致密度）（间隙种类及其特点）（堆垛方式）• 多晶型性、同素异晶转变• 陶瓷晶体结构（离子键晶体、共价键晶体）（结构规则、不等径刚球密堆原理）§1.3 原子的不规则排列• 缺陷的种类• 点缺陷的种类• 空位的平衡浓度• 点缺陷对晶体性能的影响• 位错的类型、特点• 柏氏矢量（柏氏回路）• 位错的运动方式、特点• 位错的力学性能（应力场、畸变能、位错线上的力、线张力）• 位错的交互作用（位错与点、线、面缺陷的交互作用）• 位错增殖• 实际晶体中的位错（全位错、不全位错、单位位错、部分位错、堆垛层错、弗兰克位错、肖克来位错）• 位错反应• 面缺陷（类型及其结构模型、界面能、界面的特点）二、固体中的相结构§ 2.1 固溶体-固溶体的概念、分类-影响固溶度的因素-固溶体的均匀性-固溶体的性能§ 2.2 金属间化合物-化合物的概念、分类-化合物的性能§ 2.3 陶瓷晶体相-陶瓷的概念、特征§ 2.4 玻璃相-陶瓷的概念、形成条件三、凝固§ 3.1 金属结晶的基本规律-微观规律（形核、长大、）-宏观规律（过冷）§ 3.2 金属结晶的基本条件-热力学条件（ΔG < 0、ΔT ）-动力学条件（形核：结构条件、能量条件、成分条件）（长大：速度条件）§ 3.3 晶核的形成-形核的方式（均匀形核、非均匀形核）-结晶时的体系能量变化-形核的驱动力和阻力-临界晶核的概念-临界晶核半径及其计算-临界形核功及其计算-形核率（概念、影响因素、特点）-两种形核方式的比较§3.4 晶体的长大-液固界面的微观结构-晶体的长大机制-温度梯度-晶体长大的形态§3.6 凝固理论的应用-铸锭晶粒组织及其控制-单晶体的制备-定向凝固-非晶合金的制备-微晶合金的制备四、相图§ 4.1 相、相平衡及相图制作-相的定义-相平衡的定义-成分的表示方法（质量分数、摩尔分数）-相图的制作方法§ 4.2 匀晶相图-相图分析-成分变化（平衡、非平衡）（微观偏析、宏观偏析）-成分过冷（概念、形成原因）-固溶体形貌§ 4.3 共晶相图-相图分析-共晶转变特点-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-共晶形成机理（形核机理、长大机理）-共晶体形貌特征（平衡、非平衡）-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.4 包晶相图-相图分析-包晶转变特点-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-包晶形成机理-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.5 其它相图-相图分析方法、步骤-典型合金的结晶过程（平衡、非平衡）-成分变化（平衡、非平衡）-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.6 Fe-C相图-相图分析-典型合金的平衡结晶过程-成分变化-典型合金的名称-杠杆定律计算（相组成、组织组成）§ 4.8 铸锭组织与偏析-偏析的类型§ 4.9 三元合金相图-成分表示法（浓度三角形）-三元匀晶相图（立体图、投影图）-三元匀晶相图（垂直截面、水平截面）-三元匀晶相图平衡结晶过程-简单三元共晶相图（立体图、投影图）-简单三元共晶相图（垂直截面、水平截面）-简单三元共晶相图平衡结晶过程五、材料中的扩散§5.1 扩散定律及其应用-扩散第一定律及其应用条件-扩散第二定律及其应用条件§ 5.2 扩散的微观机理-扩散的微观机理-原子热运动对扩散的影响-晶态、非晶态化合物中的扩散§ 5.3 扩散的热力学理论-扩散的驱动力-上坡扩散（概念、诱因）-扩散系数§ 5.4 反应扩散-反应扩散（概念、特点）陶瓷的概念、特征§ 5.5 扩散的影响因素-影响因素及其机理六、塑性变形§ 6.1 应力－应变曲线-工程应力应变曲线、真应力应变曲线及二者差别-强度及塑性指标，硬化系数§ 6.2 单晶体的塑性变形-滑移现象（滑移线、滑移带、滑移特征）-滑移系-临界分切应力-滑移的微观机理-晶体的转动、多滑移、交滑移及滑移线形貌-孪生的概念、特点§ 6.3 多晶体的塑性变形-位向差及晶界对塑变的影响-细晶强化机理、特征-霍尔－配奇公式§6.4 合金的塑性变形-固溶强化机理-屈服及应变时效-复相强化机理及特征-弥散强化机理§ 6.5 冷变形金属的组织和性能-组织变化（显微组织、变形亚结构、变形织构）-能量变化（内应力、畸变能）-力学性能（加工硬化）-物理、化学性能变化七、回复与再结晶§ 7.1 加热时的变化-显微组织变化-能量变化-力学性能变化-物理、化学性能变化§ 7.2 回复-回复机制-回复热力学-回复动力学-回复应用§ 7.3 再结晶-再结晶机制（形核机制、长大机制）-再结晶热力学-再结晶动力学-再结晶温度及其影响因素-再结晶组织及其影响因素§ 7.4 再结晶后晶粒长大-长大方式-晶粒长大（特征、热力学、动力学）-晶粒长大影响因素-再结晶应用八、固态相变-固态相变的分类九、复合效应与界面-复合材料定义、分类-复合材料的构成、各部分的作用-复合效应-界面结合种类热处理改变钢的性能的原因是因为采用不同的加热、保温、冷却方式使钢内部结构发生改变，从而获得所需性能。
材料科学基础-第6章塑性变形2
Recovery - A low-temperature annealing heat treatment designed to eliminate residual stresses introduced during deformation without reducing the strength of the coldworked material. Recrystallization - A medium-temperature annealing heat treatment designed to eliminate all of the effects of the strain hardening produced during cold working. Grain growth - Movement of grain boundaries by diffusion in order to reduce the amount of grain boundary area.
Section 6.3 回复与再结晶
经过冷塑性变形的材料，空位、 经过冷塑性变形的材料，空位、位借等晶体缺陷大量增 产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 加，产生一定的残余内应力，组织发生了明显的变化。 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态， 材料的能量升高，使其在热力学上处于亚稳状态，有自 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 发向稳定态转化的趋势，储存能是转化过程的驱动力。 在常温下，由于原子的活动能力较弱， 在常温下，由于原子的活动能力较弱，原子的扩散困难 这种变化极为缓慢。如果温度升高， ，这种变化极为缓慢。如果温度升高，原子具有足够的 活动能力，扩散速度显著增加，那么， 活动能力，扩散速度显著增加，那么，冷变形材料就会 由亚稳定状态向稳定状态转变， 由亚稳定状态向稳定状态转变，从而引起一系列组织和 性能的变化。 性能的变化。 根据其显微组织及性能的变化情况， 根据其显微组织及性能的变化情况，可将这种变化分为 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。 三个阶段：回复、再结晶和晶粒长大。
材料科学基础-§6-1 纯金属的结晶
凝固热力学条件是：需要有过冷度
三、液态金属结构
熔化热Lm 金属的相变热 汽化热Lb 升华热Lc 金属熔化时体积变化：3-5% 熔化熵和热温熵之比：ΔSm/ΔS=20~50% 固态与液态金属的热容差：小于10% 原子径向密度分布：近程密堆、远程无序
Lm<<Lb≈Lc
液态金属的结构
准晶体模型：1963，Banker
rc
2 Tm Lm T
v· V ⊿G ⊿ G
rc — 临界晶核半径
Gc 16
3 2
3(GV )
16 Tm
3
2
3( Lm T ) 2
⊿Gc — 临界晶核形成功
晶胚半径r与△G关系:
当r<rc时，晶胚长大， ⊿G升高，晶胚不能长大， 形成后立即消失，熔解； 当r>rc时，晶胚长大， ⊿G下降，晶胚成为稳定 晶核，且自发长大； 当r=rc时，晶胚既可长大 也可熔解。
（2）非均匀形核
新相优先在母相中存在的异质处形核，即 依附于液相中的杂质或外来表面形核。
实际熔液凝固方式主要是非均匀形核。但 非均匀形核原理是建立在均匀形核基础上的。 除在特殊的实验室条件下，液态金属中不 会出现均匀形核。 液态金属或易流动的化合物均匀形核所需 过冷度很大，约⊿Tmax≈0.2Tm(150~300℃)。
Gc kT
) exp(
Qc kT
)
N N 1 N 2 K exp(
Gc kT
) exp(
Qc kT
)
式中： K－比例常数
△Gc－形核功
Qc－扩散激活能
k－玻尔兹曼常数
T－绝对温度
金属材料结晶的N-△T关系曲线只有随 △T增大而升高的部分，没有下降的部分。
材料科学基础第6章 习题课
材料科学基础
第六章 习题课
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一、主要内容
基本要求： 明确结晶相变的热力学、动力学、能量及结构条件； 了解过冷度在结晶过程中的意义； 均匀形核与非均匀形核的成因及在生产中的应用；均匀形核时临 界晶核半径和形核功的计算； 明确晶体的长大条件与长大机制； 界面的生长形态取决于液/固界面的结构及界面前沿相中的温度 梯度； 能用结晶理论说明生产实际问题，如晶粒细化工艺、单晶体的制 取原理及工艺、定向凝固技术等。 基本概念及术语：结晶与凝固、近程有序、远程有序、结构起伏、 能量起伏、过冷度、理论结晶温度、实际结晶温度、均匀形核、 非均匀形核、晶胚、晶核、临界晶核、临界形核功、形核率、生 长速率、光滑界面、粗糙界面、正温度梯度、负温度梯度、平面 状长大、树枝状长大
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7. 若液固界面粗糙界面时，晶体长大的方式是：( )
A、 垂直长大
B 、晶体缺陷处长大 C 、二维晶核长大 8. 金属液体在凝固时产生临界晶核半径的大小主要取决于： ( ) A、 表面能 B 、凝固释放热 C 、过冷度
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9. 冷却曲线上的平台温度是系统向外界散失热量与结晶潜热 补偿温度热量相等的温度，因此：( ) A、平台温度就是金属熔点，为一常数 B 、平台温度与冷却速度有关，冷速越大，平台温度越低
1.什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如
何？ 根据自由能与晶坯半径的变化关系，可以知道r<r*的晶胚 不能成核；r>r*的晶胚才有可能成核；
界晶核。其物理意义是，过冷液体中涌现出来的短程有序
的原子团，当其尺寸r>r*时，这样的原子团便可成为晶核 而长大。临界晶核半径r*，其大小与过冷度有关。
材料科学基础知识点总结
金属学与热处理总结上坡扩散；溶质原子从低浓度向高浓度处扩散的过程称为上坡扩散。
表明扩散的驱动力是化学位梯度而非浓度梯度。
金属键:自由电子与原子核之间静电作用产生的键合力。
滑移系:晶体中一个滑移面及该面上一个滑移方向的组合称一个滑移系。
形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。
用N表示。
过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm) 与其实际温度之差反应扩散:伴随有化学反应而形成新相的扩散称为反应扩散。
相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。
（如单相、两相、多相合金。
过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。
细化晶粒的方法：增加过冷度、变质处理、振动与搅拌。
塑性变形的方式：以滑移和孪晶为主。
滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面和晶向相对另一部分作相对的滑动。
滑移的本质是位错的移动。
体心结构的滑移系个数为12，滑移面：{110}，方向<111>。
面心结构的滑移系个数为12，滑移面：{111}，方向<110>。
金属塑性变形后的组织与性能：显微组织出现纤维组织，杂质沿变形方向拉长为细带状或粉碎成链状，光学显微镜分辨不清晶粒和杂质。
亚结构细化，出现形变织构。
性能：材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降；比电阻增加，导电系数和电阻温度系数下降，抗腐蚀能力降低等。
七、金属及合金的回复与再结晶影响再结晶的主要因素：①再结晶退火温度：退火温度越高（保温时间一定时），再结晶后的晶粒越粗大；②冷变形量：一般冷变形量越大，完成再结晶的温度越低，变形量达到一定程度后，完成再结晶的温度趋于恒定；③原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶晶粒也越细；④微量溶质与杂质原子，一般均起细化晶粒的作用；⑤第二相粒子，粗大的第二相粒子有利于再结晶，弥散分布的细小的第二相粒子不利于再结晶；⑥形变温度，形变温度越高，再结晶温度越高，晶粒粗化；⑦加热速度，加热速度过快或过慢，都可能使再结晶温度升高。
性影响扩散的因素：①温度：温度越高，扩散速度越大；②晶体结构：体心结构的扩散系数大于面心结构的扩散系数；③固溶体类型：间隙原子的扩散速度大于置换原子的扩散速度；④晶体缺陷：晶体缺陷越多，原子的扩散速度越快；⑤化学成分：有些元素可以加快原子的扩散速度，有些可以减慢扩散速度。
材料科学基础第一节晶核的形成和成长
即T Gk形核功小，易于形核。
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rk
2
GV
Ak(rk)2
16GV22
Gk
163Tm2
3(LmT)2
1Ak
3
说明
L-S的体积自由能差可补偿临界 晶核所需表面能的2/3，而另外1/3 则依靠液体中存在的能量起伏来 补偿
才能生长沿着台阶侧向生长的方向。当原子
铺满了这一单原子层时生长即暂时停止，等
到表面再产生新台阶再继续生长；但当晶体
表面存在有螺型位错便能源源不断地提供生
长台阶。
（3）
ΔHƒ kTe
≈10
生长速度很慢只能靠在液固界面上不断地
二维形成才得以生长，这类材料的凝固过程， 很大程度地取决于形核速度而不是生长速度。
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铸态组织，提高金属制品的性能有重要 的指导作用，而且也有助于理解金属及 合金的固态相变过程。
合金在极快冷速下可呈非晶态； 玻璃的凝固为非晶态；热固性塑料、橡 胶冷凝后为非晶态；热塑性塑料有些为 非晶态，有些为部分晶态。材料的凝固 与气相沉积是目前制备材料的两种主要 类型。
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●纯金属的凝固
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保持平面状而会形成许多伸向液 体的结晶轴。
（1）对于粗糙界面结构的金属 晶体，以树枝状方式生长。
（2）对于光滑界面结构的晶体， 仍以平面生长为主，某些具有小 平面的树枝状结晶特征。
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第三节 固溶体合金的凝固
一、合金凝固的三种典型情况 1、平衡凝固
平衡分配系数：
K0
CS CL
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●所有原子集团都处于瞬息万变状态，时 聚时散，此起彼伏。