第一 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

1、第一章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第一章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 金屬的特性和金屬鍵；金屬的特性和金屬鍵； 金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一；金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一； 實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其是力學(xué)性能有著重大的影響；是力學(xué)性能有著重大的影響； 純金屬結(jié)晶過程；純金屬結(jié)晶過程； 晶粒細(xì)化對提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時(shí)細(xì)晶粒細(xì)化對提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時(shí)細(xì)化晶粒的途徑和方法。化晶粒的途徑和方法。晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化11.1 金屬的特征金屬的特征 1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.3

2、實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程 1.5 晶粒大小控制晶粒大小控制第一章 金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶2與非金屬相比，固態(tài)金屬具有它獨(dú)特的性能，如良與非金屬相比，固態(tài)金屬具有它獨(dú)特的性能，如良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性（塑性變形能力）好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性（塑性變形能力）和金屬光澤。和金屬光澤。1.1 金屬的特征金屬的特征1.1 金屬的特征金屬的特征31. 1. 有的非金屬也可能表現(xiàn)出上述某些特性有的非金屬也可能表現(xiàn)出上述某些特性：如：石墨能導(dǎo)電 金剛石導(dǎo)熱 無機(jī)化合物的金屬光澤；2. 2. 各種金屬晶體之間，這些特征的差別也很大各種金屬晶體之間，這些特征的差別也

3、很大：钚、錳的導(dǎo)電能力比銀、銅相差近百倍銻、鉻、釩等金屬是一種“脆性”金屬。 因此，只根據(jù)以上的一些特性來區(qū)分金屬和非金屬因此，只根據(jù)以上的一些特性來區(qū)分金屬和非金屬是不夠充分的。是不夠充分的。 3. 3. 金屬的特征：金屬的特征：正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)1.1 金屬的特征金屬的特征4主要是與金屬原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及原子間的結(jié)合方式有關(guān)金屬為何具有上述這些特性呢？金屬為何具有上述這些特性呢？金屬鍵金屬鍵金屬鍵是金屬原子之間的結(jié)合鍵，它是大量金屬原子結(jié)合成固體時(shí)，彼此失去最外層子電子（過渡族元素也失去少數(shù)次外層電子），成為正離子，而失去的外層電子穿梭于正離子之間，成為公有化的自由電子云或電

4、子氣，而金屬正離子與自由電子云之間的強(qiáng)烈靜電吸引力（庫倉引力），這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。1.1 金屬的特征金屬的特征5金屬材料金屬材料 以金屬鍵方式結(jié)合，從而使金屬材料具有以下特征：u良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性： 自由電子定向運(yùn)動（在電場作用下）導(dǎo)電、（在熱場作用下）導(dǎo)熱。u正的電阻溫度系數(shù)： 金屬正離子隨溫度的升高，振幅增大，阻礙自由電子的定向運(yùn)動，從而使電阻升高。u不透明，有光澤： 自由電子容易吸收可見光，使金屬不透明。自由電子吸收可見光后由低能軌道跳到高能軌道，當(dāng)其從高能軌道跳回低能軌道時(shí)，將吸收的可見光能量輻射出來，產(chǎn)生金屬光澤。u具有延展性： 金屬鍵沒有方向性和飽和性，所以當(dāng)金屬的兩部分發(fā)生

5、相對位移時(shí)，其結(jié)合鍵不會被破壞，從而具有延展性。 1.1 金屬的特征金屬的特征返回返回61.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶體與非晶體晶體與非晶體金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶面和晶向及其表示方法晶面和晶向及其表示方法金屬晶體的特點(diǎn)金屬晶體的特點(diǎn)1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)7 晶體：晶體：材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列長程有序。 非晶體：非晶體：原子無規(guī)則堆積，也稱為 “過冷液體”短程有序。晶體晶體金剛石、NaCl、冰 等。液體液體非晶體非晶體 石蠟、玻璃等。1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)8 微晶：微晶：快速凝固的晶態(tài)金屬或合金的顆粒尺寸要小

6、得多，僅為微米納米級尺度，高強(qiáng)度高硬度； 準(zhǔn)晶：準(zhǔn)晶：在晶體內(nèi)部的原子長程有序，介于晶體和非晶體之間； 液晶：液晶：二維長程有序,介于晶體狀態(tài)和液態(tài)狀態(tài)之間的中間物質(zhì)。1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回91.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)a 原子堆垛模型b 空間點(diǎn)陣c 晶格zxy a ab bc cd 晶胞101.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣 將晶體內(nèi)部的原子（離子）或原子群（離子群）抽象為無數(shù)質(zhì)點(diǎn)按一定的方式在空間做有規(guī)則的周期性分布，這些幾何質(zhì)點(diǎn)的總體稱為空間點(diǎn)陣，這些點(diǎn)稱為陣點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。晶格晶格 用一系列假想的平行直線將空間點(diǎn)陣

7、的陣點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來，形成的空間網(wǎng)絡(luò)稱為空間格子，也稱晶格。晶胞晶胞 為了研究空間點(diǎn)陣的排列特點(diǎn)，從點(diǎn)陣中取出一個(gè)反映點(diǎn)陣特征的基本單元（通常是一個(gè)平行六面體）作為其組成單元，這個(gè)平行六面體稱為晶胞。111.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)七大晶系，十四個(gè)空間點(diǎn)陣：七大晶系，十四個(gè)空間點(diǎn)陣：簡單三斜簡單單斜底心單斜簡單正交體心正交面心正交底心正交簡單六方簡單菱方簡單正方體心正方簡單立方體心立方面心立方12描述金屬晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念描述金屬晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 一個(gè)晶胞內(nèi)所含的原子數(shù)目。注意相鄰晶胞的共有原子的計(jì)算方法。原子半徑原子半徑 晶胞中最近鄰的兩個(gè)原子之間（

8、平衡）距離的一半。配位數(shù)配位數(shù) 晶格中和某一原子相鄰的原子數(shù)目稱為配位數(shù)致密度致密度 晶胞中原子本身所占的體積與晶胞體積之比131.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上常用的金屬絕大多數(shù)具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，工業(yè)上常用的金屬絕大多數(shù)具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最典型的為以下三種：其中最典型的為以下三種： （1 1）體心立方晶格體心立方晶格bccbcc （2 2）面心立方晶格面心立方晶格fccfcc （3 3）密排六方晶格密排六方晶格hcphcp14體心立方晶格體心立方晶格在立方晶胞的八個(gè)頂角上各有一個(gè)原子，在體中心有一個(gè)原子，每個(gè)原子與空間點(diǎn)陣

9、中的一個(gè)陣點(diǎn)相對應(yīng)。屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有-Fe, Cr, Mo, W, V等。 1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)15體心立方體心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2 2r r2 2r raa21.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回16面心立方晶格面心立方晶格1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)17面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向41.2 1.

10、2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回18C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常數(shù)晶格常數(shù) 底面邊長a 底面間距c 側(cè)面間角120 側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0. 74密排六方晶格密排六方晶格1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)19面心立方面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)都為最緊密排列結(jié)構(gòu)，為何卻具有不同的結(jié)構(gòu)？ABCABCABC，面心立方結(jié)構(gòu)ABAB，密排六方結(jié)構(gòu)1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)202.2.4 2.2.4 間隙間隙 intersticesinterstices 八面體間隙八面體間隙：位于：位于6 6個(gè)原子所組成的八面體中間

11、的間隙個(gè)原子所組成的八面體中間的間隙 (octahedral interstice)(octahedral interstice)；四面體間隙四面體間隙：位于：位于4 4個(gè)原子所組成的四面體中間的間隙個(gè)原子所組成的四面體中間的間隙 (tetrahedral interstice)(tetrahedral interstice)。 設(shè)金屬原子半徑為設(shè)金屬原子半徑為R RA A，間隙半徑為，間隙半徑為R RB B，R RB B代表能代表能放入間隙內(nèi)的小球的最大半徑放入間隙內(nèi)的小球的最大半徑 octahedral intersticeoctahedral intersticetetrahedral

12、intersticetetrahedral intersticeR RA AR RB BBCCBCC中的間隙中的間隙數(shù)量數(shù)量: (1/2): (1/2)* *6+(1/4)6+(1/4)* *12=612=6數(shù)量數(shù)量: (1/2): (1/2)* *24=1224=12注：體心立方結(jié)構(gòu)的四面體和八面體間隙不對稱注：體心立方結(jié)構(gòu)的四面體和八面體間隙不對稱( (其棱邊長度不全相等其棱邊長度不全相等) )，這會對間，這會對間隙原子的固溶及其產(chǎn)生的畸變有明顯的影響。隙原子的固溶及其產(chǎn)生的畸變有明顯的影響。R RB B / R / RA A = 0.154 = 0.154 0.633 0.633 R R

13、B B / R / RA A = 0.291 = 0.291八面體間隙八面體間隙四面體間隙四面體間隙數(shù)量數(shù)量: 1+(1/4): 1+(1/4)* *12=412=4數(shù)量數(shù)量: 8: 8R RB B/R/RA A = 0.414 = 0.414R RB B/R/RA A = 0.225 = 0.225八面體間隙八面體間隙四面體間隙四面體間隙FCCFCC中的間隙中的間隙八面體間隙八面體間隙四面體間隙四面體間隙數(shù)量數(shù)量: 6: 6數(shù)量數(shù)量: (1/3): (1/3)* *2 2* *6+8=126+8=12R RB B/R/RA A = 0.414 = 0.414R RB B/R/RA A = 0

14、.225 = 0.225HCPHCP中的間隙中的間隙BCC, FCC BCC, FCC 和和 HCP HCP的結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)特征XYZabc晶面晶面通過原子中心的平面晶向晶向通過原子中心的直線所指的方向XYZabc1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)26 a.a.晶向指數(shù)的確定方法晶向指數(shù)的確定方法 1) 以晶胞中的某原子為原點(diǎn)確定三維晶軸坐標(biāo)系，通過原點(diǎn)作平行于所求晶向的直線。 2) 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值。 3) 將所求坐標(biāo)值化為最簡整數(shù)，并用方括號括起，即為所求的晶向指數(shù)，例如101。 具體晶向指數(shù)如圖所示，其形式為uvw。立方晶系的晶面、晶向表

15、示方法立方晶系的晶面、晶向表示方法 1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)27 b.b.晶面指數(shù)的確定方法晶面指數(shù)的確定方法 1) 選坐標(biāo)，以晶格中某一原子為原點(diǎn)（注意不要把原點(diǎn)放在所求的晶面上），以晶胞的三個(gè)棱邊作為三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸。 2) 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸的截距。 3) 求三個(gè)截距值的倒數(shù)。 4) 將所得數(shù)值化為最簡單的整數(shù)，并用圓括號括起，即為晶面指數(shù)，如圖所示，其形式為（hkl）。 1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)28 1) 每一個(gè)晶面指數(shù)(或晶向指數(shù))泛指晶格中一系列與之相平行的一組晶面（或晶向）。 2) 立方晶系中，凡是指數(shù)相同

16、的晶面與晶向是相互垂直的。 3) 原子排列情況相同但空間位向不同的晶面（或晶向）統(tǒng)稱為一個(gè)晶面（或晶向）族。 1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回29（1 1）有確定的熔點(diǎn)）有確定的熔點(diǎn)熔點(diǎn)晶體非晶體時(shí)間溫度晶體和非晶體的熔化曲線1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)30（2 2）各向異性）各向異性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ1.2 1.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回31p 理想晶體：理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個(gè)晶格結(jié)點(diǎn)上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。

17、p 實(shí)際晶體：實(shí)際晶體：多晶體+晶體缺陷p 晶體缺陷：晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷32一、一、 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷1. 1. 點(diǎn)缺陷的概念點(diǎn)缺陷的概念 是晶體中在X,Y,Z三維方向上尺寸都很小的晶體缺陷。2. 2. 點(diǎn)缺陷的類型點(diǎn)缺陷的類型 主要有四類，即空位；間隙原子（有同類和異類之分）；置換原子（有大小之分）；復(fù)合空位。 置換原子空位復(fù)合空位間隙原子置換原子1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷33二、二、 線缺陷線缺陷線缺

18、陷的概念線缺陷的概念: :晶體中在一維方向上尺寸很大，而在另外二維方向上的尺寸很小的晶體缺陷，它的主要形式是位錯(cuò)。位錯(cuò)位錯(cuò)是晶體中一列或若干列原子，發(fā)生某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。 位錯(cuò)的類型位錯(cuò)的類型: :刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷34刃位錯(cuò) 刃位錯(cuò) 刃型位錯(cuò)示意圖1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷35螺型位錯(cuò)示意圖1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷36371.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷位錯(cuò)密度位錯(cuò)密度 ：單位體積中位錯(cuò)線的總長度, 或單位面積上位錯(cuò)線的根數(shù),單位cm2位錯(cuò)線附近的原子偏離了平衡位

19、置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明:晶體的強(qiáng)度和位錯(cuò)密度有如圖的對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)晶體中位錯(cuò)密度很低時(shí),晶體強(qiáng)度很高；相反在晶體中位錯(cuò)密度很高時(shí),其強(qiáng)度很高。但目前的技術(shù),僅能制造出直徑為幾微米的晶須,不能滿足使用上的要求。而位錯(cuò)密度很高易實(shí)現(xiàn),如劇烈的冷加工可使密度大大提高,這為材料強(qiáng)度的提高提供途徑。1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷38三、三、 面缺陷面缺陷概念：概念：是指晶體中在二維方向上尺寸很大，而在另一維方向上尺寸很小的晶體缺陷。類型：類型：主要包括晶體的外表面、堆垛層錯(cuò)、晶界、亞晶界、孿晶界和相界面等。1. 1. 晶界晶界 晶界是多晶體中晶

20、粒與晶粒之間的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是體心立方），只是晶格位向不同，因此晶界實(shí)際上是不同位向晶粒之間的過渡層。該過渡層有一定的厚度，為了同時(shí)適應(yīng)兩側(cè)不同位向晶粒的過渡，而使過渡層處的原子總是不能規(guī)則排列，產(chǎn)生晶格畸變，所以它是晶體中的一種重要的面缺陷根據(jù)晶體中各晶粒之間的位向差不同，又可將晶界分為大角度晶界（10）和小角度晶界（10）兩類。1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷39對稱傾對稱傾側(cè)側(cè)晶界晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷402.2.亞晶界亞晶界 亞晶界亞晶界是亞晶粒與亞晶粒之間的晶界，位向差一般為幾十分到幾度。大晶粒

21、中的小晶粒稱為亞晶粒。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界亞晶界1.3 1.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷返回返回41液體 固體（晶體 或 非晶體）- 液體 晶體 - 晶體晶體液體液體結(jié)晶結(jié)晶1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程42 金屬制品都必須經(jīng)過熔煉、鑄造、焊接過程，金屬制品都必須經(jīng)過熔煉、鑄造、焊接過程，即液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶過程；即液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶過程； 結(jié)晶過程影響固態(tài)金屬的組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響結(jié)晶過程影響固態(tài)金屬的組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響金屬制品的性能；金屬制品的性能； 控制結(jié)晶過程，獲得所需要的組織、性能?？刂平Y(jié)晶過程，獲得所需要的組織、性能。1.4 1.4

22、金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程43一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu) 1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在略高于熔點(diǎn)時(shí)，液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)：是近程有序、遠(yuǎn)程無序結(jié)構(gòu)，見右圖；存在著結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏。局部的近程有序局部的近程有序液態(tài)金屬中存在的不斷變化著的短程有序原子集團(tuán)稱為結(jié)結(jié)構(gòu)起伏構(gòu)起伏，也稱相起伏。瞬間出現(xiàn)、瞬間消失、此起彼伏、變化不定晶坯晶坯微區(qū)能量偏離液態(tài)金屬平均能量的現(xiàn)象。44二、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象二、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象 研究液態(tài)金屬結(jié)晶的最常用、最簡單的方法是熱分析法。它是將金屬放入坩堝中，加熱熔化后切斷電源，用熱電偶測量液態(tài)金屬的溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線

23、，該曲線稱為冷卻曲線或熱分析曲線，見右圖。TmTT理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度T = Tm - T時(shí)間時(shí)間溫溫度度純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程45 液態(tài)金屬必須冷卻到理論結(jié)晶溫度Tm以下某一個(gè)溫度T時(shí)才開始結(jié)晶，這個(gè)現(xiàn)象稱為過冷。1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程結(jié)晶潛熱的釋放與系統(tǒng)向環(huán)境的散熱決定了平臺的走向！結(jié)晶潛熱的釋放與系統(tǒng)向環(huán)境的散熱決定了平臺的走向！46三三. . 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件 過冷后，液固相自由能之差G就是金屬結(jié)晶的驅(qū)動力，過冷度越大，驅(qū)動力越大。1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金

24、屬的結(jié)晶過程四、金屬結(jié)晶的微觀基本過程四、金屬結(jié)晶的微觀基本過程 形核長大過程形核長大過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶47結(jié)晶過程示意圖1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程48一、形核一、形核 液態(tài)金屬在結(jié)晶時(shí)，其形核方式一般認(rèn)為主要有兩種：即均質(zhì)形核均質(zhì)形核（對稱均勻形核）和異質(zhì)形核異質(zhì)形核（又稱非均勻形核）。1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程1 1）均質(zhì)形核）均質(zhì)形核概念概念：從過冷液態(tài)金屬中自發(fā)形成晶核的過程；條件：條件：理想情況下無雜質(zhì)、無型壁接觸49（1 1）形核時(shí)的能量變化和臨界形核半徑）形核時(shí)的能量變化和臨界形核半徑形核過程中系統(tǒng)的自由能降低結(jié)晶的驅(qū)動力驅(qū)動力，

25、 VGV 新產(chǎn)生液固相界面（表面能）的增加結(jié)晶的阻力，阻力，SG表面自由能體積自由能GKrKr0n 總自由能變化：總自由能變化： G = VGV +S = 4/3r3 GV + 4r2 n 晶坯能穩(wěn)定存在并形成晶核的晶坯能穩(wěn)定存在并形成晶核的條件是隨著尺寸的增加，自由能條件是隨著尺寸的增加，自由能降低，臨界點(diǎn)降低，臨界點(diǎn)rK1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程50n 計(jì)算表明：計(jì)算表明：n 臨界形核半徑與過冷度臨界形核半徑與過冷度T成反比，過冷度越大，臨界晶核成反比，過冷度越大，臨界晶核半徑越小。半徑越小。THTGrfmVK22rTrKrmaxTKn 存在臨界過冷度存在臨界過冷度TK使

26、晶坯使晶坯的最大尺寸達(dá)到臨界形核半徑的最大尺寸達(dá)到臨界形核半徑n T TK ， T 0.2Tm。1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程51（2 2）形核功）形核功G表面自由能體積自由能GKrKr0 rrK時(shí)，隨r的增加，自由能降低，過程能自發(fā)進(jìn)行； 但在rK與r0之間時(shí)，G仍為正值，即表面能的增加大于體積自由能的降低，阻力驅(qū)動力； 但在rK與r0之間時(shí)，Gmax記為GK，形核功，這部分能量需要周圍液體提供 。 臨界形核功與過冷度的平方成反比，過冷度增大，臨界形核功顯著降低，結(jié)晶過程易于進(jìn)行。能量起伏能量起伏1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程52（3 3）形核率）形核率概念概念：

27、單位時(shí)間、單位體積液相中形成的晶核數(shù)目（ ）形核率高，結(jié)晶速率大，單位體積內(nèi)的數(shù)目多，晶粒細(xì)小N影響因素影響因素過冷度、原子擴(kuò)散能力 1）溫度降低，過冷度增加，形核率增加 2）溫度降低，原子擴(kuò)散能力弱，形核率降低矛盾體矛盾體形核率隨溫度的關(guān)系形核率隨溫度的關(guān)系溫度較高，過冷度低，基本不形核過冷度達(dá)到臨界過冷度，形核率急劇增加，有效形核溫度過冷度極大，原子難以擴(kuò)散，未經(jīng)形核就得到固體金屬1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程53 液態(tài)金屬原子，依附于模壁或液相中未熔固相質(zhì)點(diǎn)表面，優(yōu)先形成晶核的過程，稱為異質(zhì)形核異質(zhì)形核。2 2）異質(zhì)形核）異質(zhì)形核 實(shí)際生產(chǎn)中多為異質(zhì)形核（存在異質(zhì)體、過冷度

28、低）。（1 1）形核功）形核功晶核依附于固相質(zhì)點(diǎn)的表面上形核，可降低表面能，使形核在較小的過冷度下進(jìn)行完全浸潤GK = 0部分浸潤GK 低于均值形核完全不浸潤GK 與均質(zhì)形核相同1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程54（2 2） 形核率形核率異質(zhì)形核的形核率除了受過冷度、溫度影響之外還受到異質(zhì)體的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形貌等的影響。n 當(dāng)T 0.02Tm時(shí)，異質(zhì)形核的形核率達(dá)到極值，此時(shí)均質(zhì)形核的形核率基本為零；n 當(dāng)可利用的異質(zhì)體表面被晶核所完全覆蓋時(shí)，異質(zhì)形核中止；n 活性質(zhì)點(diǎn)可降低表面能，可促進(jìn)形核，細(xì)化晶粒；p 鋯促進(jìn)鎂的異質(zhì)形核；p 鐵促進(jìn)銅的異質(zhì)形核；p 鈦促進(jìn)鋁的異質(zhì)形核；n 凹面形核效能最高，凸面形核效能最低；n 振動或攪動可提高形核率；1.4 1.4 金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程55二、晶體的長大二、晶體的長大 晶核形成以后就會立刻長大，微觀上就是液態(tài)金屬原子向晶核表面堆砌的過程，宏觀上是固液界面向液體中遷移的過程。影響因素：影響因素：界面結(jié)構(gòu)和界面前沿液體中的溫度梯度1.1.固液界面的微觀結(jié)構(gòu)固液界面的微觀結(jié)構(gòu)1 1）光滑界面：）光滑界面：原子尺度上界面是光滑平整的（密排面），光學(xué)顯微鏡下，若干曲折的小平面構(gòu)成的界面，粗糙的；2