第2章 2.2金属的结晶与同素异构转变.pdf

第1章 材料的力学性能第1章 材料的力学性能材料的力学性能：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1.2 其它载荷时材料的力学性能1.1 静载时材料的力学性能1.2 其它载荷时材料的力学性能强度：强度：e、s、0.2、b塑性:、刚度(弹性):塑性:、刚度(弹性):E 硬度：硬度：HB、HR冲击韧性:冲击韧性:k 断裂韧性：断裂韧性：KIC 疲劳强度:疲劳强度:-11.3 材料的高温力学性能1.3 材料的高温力学性能蠕变强度：蠕变强度：6000.1/1000bselFsdF0.20.2%l0第1章 材料的力学性能第1章 材料的力学性能第2章 金属的组织结构与塑性变形第2章 金属的组织结构与塑性变形?理想晶体的晶体学抽象理想晶体的晶体学抽象晶体晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列非晶体非晶体：原子无规则堆积，也称“过冷液体”：原子无规则堆积，也称“过冷液体”2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构钢球模型钢球模型：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。：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。晶格晶格(点阵点阵)：将原子抽象为质点并用直线连接构成的三维空间格架。：将原子抽象为质点并用直线连接构成的三维空间格架。晶胞晶胞：晶格中选取的能够完全反映晶格特征的最小几何单元。：晶格中选取的能够完全反映晶格特征的最小几何单元。2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶格常数晶格常数：晶胞的棱边长度：晶胞的棱边长度棱边夹角棱边夹角：，：，晶胞的描述晶胞的描述晶体结构的描述晶体结构的描述原子半径：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：晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。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：致密度：是指晶胞中原子所占体积分数。是指晶胞中原子所占体积分数。晶面：晶面：通过原子中心的平面通过原子中心的平面晶向：晶向：通过原子中心的直线所指的方向通过原子中心的直线所指的方向2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构Body-Centered Cube Face-Centered Cube Hexagonal Close-Packed晶体缺陷：晶体缺陷：实际金属晶体结构与理想结构实际金属晶体结构与理想结构的偏离的偏离2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构单晶体：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。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：多晶体：由许多位向不同的由许多位向不同的晶粒晶粒构成的晶体。构成的晶体。（1）点缺陷：）点缺陷：空位、间隙原子、置换原子空位、间隙原子、置换原子（2）线缺陷：）线缺陷：位错位错(刃型位错、螺型位错刃型位错、螺型位错)（3）面缺陷：）面缺陷：晶界与亚晶界晶界与亚晶界2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构间隙原子间隙原子晶格空位晶格空位置换原子置换原子2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构1.纯金属的结晶条件纯金属的结晶条件2.纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程3.晶粒大小的控制晶粒大小的控制2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变金属的结晶金属的结晶同素异构转变同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变1.1.纯金属的纯金属的结晶条件结晶条件晶体晶体液体液体结晶结晶结晶：结晶：液体-晶体液体-晶体凝固：凝固：液体-固体（晶体 或 非晶体）液体-固体（晶体 或 非晶体）2.2 金属的结晶金属的结晶结晶结晶：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：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冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度理论结晶温度开始结晶温度 T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 金属的结晶金属的结晶1.1.纯金属的纯金属的结晶条件结晶条件结晶驱动力G0结晶驱动力G02.2 金属的结晶金属的结晶自然界的自发过程进行的热力学条件都是自然界的自发过程进行的热力学条件都是自由能0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！物质的稳定状态为其自由能最低状态！液、固两相的液、固两相的自由能随温度自由能随温度变化示意图变化示意图2.2 2.2 金属的结晶金属的结晶金属的结晶金属的结晶?纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件就是要使实际结晶温度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低于理论结晶温度，也就是应当有一定的过冷度！过冷度！冷却曲线冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度理论结晶温度开始结晶温度 T过冷度：过冷度：T=Tm -TnTmTn2.2 金属的结晶金属的结晶过冷度：过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度的差值，称为过冷度金属的实际结晶温度与理论结晶温度的差值，称为过冷度?冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变2.2.纯金属的纯金属的结晶过程结晶过程液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大形成多晶体形成多晶体形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变（1 1）形核过程）形核过程两种形核方式两种形核方式 自发形核自发形核 与与 非自发形核非自发形核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。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。非自发形核非自发形核是依附于外来杂质上生成的晶核。是依附于外来杂质上生成的晶核。2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变两种形核方式两种形核方式 均匀形核均匀形核 与与 非均匀形核均匀形核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.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.2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变非均匀形核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.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）晶核长大过程）晶核长大过程两种长大方式两种长大方式 平面生长平面生长 与与 树枝状生长。树枝状生长。平面生长平面生长树枝状树枝状生长生长2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变（2 2）晶核长大过程）晶核长大过程(A)(A)(A)(A)在正的在正的在正的在正的温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变（temperature gradienttemperature gradienttemperature gradienttemperature gradient）（2 2）晶核长大过程）晶核长大过程(B)(B)(B)(B)负的温度梯度负的温度梯度负的温度梯度负的温度梯度2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变（2 2）晶核长大过程）晶核长大过程(B)(B)(B)(B)负的温度梯度负的温度梯度负的温度梯度负的温度梯度2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变Constitutional Constitutional UnderrcoolingUnderrcooling)(0*CCmTLlc=为什么在负的温度梯度下会以树枝状生长为什么在负的温度梯度下会以树枝状生长为什么在负的温度梯度下会以树枝状生长为什么在负的温度梯度下会以树枝状生长?2.2 金属的结晶与同素异构转变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金属的结晶与同素异构转变3.3.晶粒大小的控制晶粒大小的控制晶 粒 度:晶 粒 度:表 示 晶粒 大 小，分8级表 示 晶粒 大 小，分8级2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变3.3.晶粒大小的控制晶粒大小的控制(细化金属晶粒的措细化金属晶粒的措施施)晶粒度 晶粒度 表示晶粒大小，分8级表示晶粒大小，分8级（p111)（p111)。晶粒度晶粒度晶粒度晶粒度1 1 1 12 2 2 23 3 3 34 4 4 45 5 5 56 6 6 67 7 7 78 8 8 8单位面积晶单位面积晶单位面积晶单位面积晶粒数粒数粒数粒数（个（个（个（个/mmmmmmmm2 2 2 2）1616161632323232646464641281281281282562562562565125125125121024102410241024 2048204820482048晶粒平均直晶粒平均直晶粒平均直晶粒平均直径径径径（m mm m）2502502502501771771771771251251251258888888862626262444444443131313122222222细晶强化细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象晶粒细化使金属机械性能提高的现象比较：细晶强化比较：细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性-强度、硬度、塑性、韧性固溶强化固溶强化-强度、硬度，塑性、韧性-强度、硬度，塑性、韧性2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变晶粒大小的控制措施：晶粒大小的控制措施：1.控制过冷度控制过冷度2.变质处理变质处理3.振动结晶振动结晶2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变细晶强化：细晶强化：获得细小的晶粒以提高材料强度。获得细小的晶粒以提高材料强度。课本课本P42.FF结果：小鸡蛋不易碎，大鸡蛋容易碎结果：小鸡蛋不易碎，大鸡蛋容易碎举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况举例：两组大小不同的鸡蛋受力情况晶粒尺寸越小，强度越高。晶粒尺寸越小，强度越高。（1 1）提高过冷度（增大冷却速度）提高过冷度（增大冷却速度）形核率形核率N、长大速度、长大速度G与 过冷度与 过冷度T的关系的关系TG，NGN形核率形核率单位时间单位体积液相中形成的晶核数目单位时间单位体积液相中形成的晶核数目2.2 金属的结晶与同素异构转变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金属的结晶与同素异构转变（2 2）变质处理）变质处理在液体金属中加入在液体金属中加入变质剂变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。变质剂的作用变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。（3）振动结晶：）振动结晶：机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。振动的作用：振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。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金属的结晶与同素异构转变?纯铁的同素异晶纯铁的同素异晶纯铁的同素异晶纯铁的同素异晶转变反应式转变反应式转变反应式转变反应式:1394 C912 Cbccfccbcc Fe -Fe -Fe同素异构转变同素异构转变2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与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1394153410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912-Fe-Fe-Fe2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变2.2 2.2 金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变金属的结晶与同素异构转变?同素异构转变在同素异构转变在同素异构转变在同素异构转变在“同素异形体同素异形体同素异形体同素异形体”之间进行；之间进行；之间进行；之间进行；?同素异构转变有时被称为同素异构转变有时被称为同素异构转变有时被称为同素异构转变有时被称为“重结晶重结晶重结晶重结晶”；?同素异构转变也有形核与长大的过程，也同素异构转变也有形核与长大的过程，也同素异构转变也有形核与长大的过程，也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；有结晶潜热的放出和过冷现象；有结晶潜热的放出和过冷现象；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铁的同素异构转变是钢铁材料能进行热处铁的同素异构转变是钢铁材料能进行热处铁的同素异构转变是钢铁材料能进行热处理的重要依据。理的重要依据。理的重要依据。理的重要依据。小结小结重点重点1.纯金属结晶的必要条件纯金属结晶的必要条件;2.过冷度的概念过冷度的概念;3.晶核的形成方式与长大过程晶核的形成方式与长大过程;4.晶粒大小（晶粒度）的控制与细晶强化晶粒大小（晶粒度）的控制与细晶强化