第02章金属的晶体结构与结晶电子教案.ppt

(a) 晶界的过渡(guòdù)结构示意图 (b) 亚晶界的面缺陷(quēxiàn)示意图 图2-10 晶体(jīngtǐ)的面缺陷示意图 第十九页，共28页。 2.4 金属(jīnshǔ)的结晶 2.4.1 金属(jīnshǔ)的结晶 在某一温度下，物体由液态转变为固态的过程称为凝固；金属(jīnshǔ)由液态转变为固体晶态的转变过程，称为金属(jīnshǔ)的结晶。 2.4.1.1 液态金属(jīnshǔ)的结构特点 对液态金属(jīnshǔ)进行X射线分析表明，液态金属(jīnshǔ)原子总体看来呈无规则排列，但有少量的原子构成排列规则的、时聚时散的原子团，液态金属(jīnshǔ)的这种结构特征称为“短程有序”。而固态金属(jīnshǔ)是晶体，其内部原子在很长距离内呈规则排列，并以一定的平横位置为中心不停地作热振动。固态金属(jīnshǔ)的这种结构特征称为“长程有序”。 第二十页，共28页。 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。 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(xiànduàn)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(xiànduàn)对应的温度就是纯金属的结晶温度。 第二十一页，共28页。 图2-11 热分析(fēnxī)装置示意图 图2-12 纯金属的冷却(lěngquè)曲线 第二十二页，共28页。 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(fànwéi)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。 2.4.1.4 过冷现象和过冷度 理论上金属冷却时的结晶温度与加热时的熔化温度是同一温度，即金属的理论结晶温度(TO)。实际上液态金属总是冷却到理论结晶温度以下才开始结晶，如图2-12所示。实际结晶温度(TN)低于理论结晶温度(TO)，这一现象称为“过冷现象”。过冷是液态金属结晶的必要条件。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为“过冷度”，即ΔT=TO-TN。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度就越大。 第二十三页，共28页。 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(bùwèi)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(bùwèi)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2-13 金属的结晶(jiéjīng)过程示意图 第二十四页，共28页。 2.4.2 晶粒大小对金属(jīnshǔ)力学性能的影响 晶粒的大小对金属的力学性能有很大的影响，一般情况下，细晶粒金属比粗晶粒金属在常温下具有更高的硬度、强度、塑性和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表2-1。人们常用细化晶粒的方法(fāngfǎ)来改善金属的力学性能。常用的细化晶粒的方法(fāngfǎ)有以下几种。 晶粒平均直径/ mm /MPa /MPa /% 单晶体 140～150 30～40 30～50 多晶体 7.0 180 38 31 2.5 211 44 40 0.2 263 57 49 0.16 264 65 51 0.1 278 116 50 第二十五页，共28页。 2.4.2.1 增加过冷度 如图2-14所示，金属的形核率和长大速度均随过冷度而变化，但两者变化速率并不相同，当过冷度达到一定值后，形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。 过冷度与冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度就越大，金属结晶后其晶粒就越细小。在铸造中，由砂模铸造改为金属模铸造，就是利用这个道理来细化晶粒的。这种方法只适用于中、小型铸件。对于大型铸件，提高冷却速度又容易(róngyì)使铸件产生裂纹或变形等缺陷，则需要用其他方法来细化晶粒。 图2-14 形核率和长大(chánɡ dà)速度 第二十六页，共28页。 2.4.