当前课程知识点：工程材料 > 第2章金属材料组织和性能的控制 > 2.1纯金属的结晶 > 纯金属的结晶（1）
各位同学 大家好
今天我们开始学习
工程材料的第二章
金属材料的组织和性能控制
在前一章我们就学习了
组织和性能的概念
我们知道材料的组织
是指在显微镜下看到的微观形貌
而材料的性能又分为使用性能
和加工性能
那材料的性能
和它的组织是密切相关的
而材料的组织
它又取决于它的化学组成
和它的加工工艺
对于我们工业的零部件来讲
一旦选定材料以后
那么它的性能主要取决于
它的加工工艺
也就是说影响它组织的加工工艺
那金属材料它要经过液态
和固态的加工过程
我们常用的钢铁材料
需要经过冶炼 铸锭 锻造
轧制 机加工和热处理
等工艺过程
那这一些都会影响它的组织
最终会影响它的性能
我们先看一下
钢铁的冶炼和铸锭的加工过程
金属它经过浇铸冷却以后
液态金属它就转变成固态金属
这样就可以获得一定形状的铸锭
或者铸件
那金属材料它分为
由单元素组成的纯金属
和由两个
和两个以上元素组成的合金
我们先看一下纯金属的结晶
液态金属它的金属原子
是做不规则的运动的
在小的范围内
原子会出现规则排列
或者叫短程有序
那么短程有序的原子团
它会瞬时出现
而又瞬时消失
对于固态金属
通常它为晶体结构
它的原子存在长程的
规则有序的排列
或者叫长程有序
那么从金属
从液态到固体晶体的转变
称为一次结晶
或者叫金属的结晶
我们先看一下
纯金属它的结晶条件
我们看这张图
纵坐标为温度
横坐标为时间
也就是说我们液态金属
从高温冷却下来之后
随着时间的变化
它的温度的一个变化规律
我们先看一下
液态金属它从a这一点
开始连续的冷却
当它冷却到T_0这一点的时候
这个时候为金属的理论结晶温度
我们现在用的是纯铜
那么这里就是
纯铜的理论结晶温度
或者说熔点
但在这个时候它并没有变化
它会继续向下冷却
当冷却到T_n这一点的时候
我们看这个曲线
就发生了变化
在这个图上
当液体处于bc这一段的时候
我们把这个液体称为过冷液体
那么T_n和T_0之间的
这样一个温度差
我们把它叫做过冷度
用ΔT来表示
那到T_n这一点它就开始结晶
结晶以后它会释放结晶潜热
所以这个曲线会往上走一段
到d这一点
然后它会保持一个水平线
直至结晶完成
那么为什么这个地方
会是一个水平线呢
是因为这个时候
它的结晶会释放出潜热
而系统会有一定的速度来冷却
这样达到一个平衡
所以就保持了一个稳定的水平线
当达到e这个点的时候
那么结晶完成了 继续冷却
直到室温
变成室温的固体金属
自然界的一切的自发转变过程
总是由能量高的状态
向能量低的状态转变
在一定的条件下
只有引起体系的自由能变化
使它降低的这样一个过程
才能自发进行
那对于我们的金属材料来讲
它也是这样
我们看这张图
纵坐标是体系的自由能
横坐标是温度
从这个图上我们看到
T_0这一点它是我们的熔点
那在T_0的右边
也就是说温度更高的区域
你会发现固体的自由能
比液体的自由能要高
换句话说就这个时候
液体金属它的自由能更低
它更稳定
所以在熔点以上它就会发生熔化
变成液态的金属
但是当温度低于熔点的时候
或者说低于T_0的时候
这个时候你会发现
液态金属它的体系的自由能
比固态金属它的自由能要高
所以这个时候固态更稳定
换句话说就是会发生结晶的
这样一个过程
转变成固态的晶态金属
液态金属结晶的条件是
温度必须低于理论的结晶温度T_0
而且要有一定的过冷度
为什么呢
因为在结晶的过程中
它会形成固体
固体它会有表面
表面需要有表面能
换句话说体系的自由能降低
必须能够克服增加表面所做的功
所以这个时候
一定要有一定的过冷度
液态金属它结晶的驱动力
就是它的自由能的差
二 纯金属的结晶过程
我们看这个演示图
它先形成一些晶核
然后晶核逐渐的长大
直至整个结晶过程完成
所以结晶它包括两个基本过程
一个是形核 一个是长大
我们先看形核
所谓形核就是液态金属内部
生成一些极小的晶体
来作为结晶的核心的
这样一个过程叫形核
形成的核心叫晶核
而形核它有两种方式
一种叫自发形核
我们看这个flash图
它会在有序原子团的基础上
逐渐的长大
形成一个自发的晶核
另外一类叫非自发形核
在我们的金属中
通常会有些夹杂
会有些未熔的杂质
那这些杂质它是有表面的
原子比较容易在它表面进行聚集
而进行长大
我们看看这个图
这样就形成一个非自发的核心
而实际上在我们的金属中
通常会有各种各样的杂质
所以它的形核
通常是非自发形核
2 晶体的长大
晶体的长大有两种方式
一种是平面长大
这是在冷却速度较慢
晶体表面向前平行推移进行长大
不同晶面
它的垂直方向的长大速度
是不一样的
沿着密排面的垂直方向的
长大速度最慢
我们看一下平面长大的这个视频
我们看这是一个
铅锡铋合金的显微组织照片
这样里面有很多颗粒
它的界面平直
它是平面长大的
规则形状的晶体
这些面通常是密排面
（2）树枝状长大
当冷却速度较快
晶体的棱角
棱边的散热较快
长大较快
成为树枝状的形态
优先形成的枝晶
为一次晶轴
在一次晶轴的侧面
会长出新的晶枝
即二次晶轴
最后会长成三次 四次的晶轴
我们看看树枝状长大的视频
那我们看这个图片
这是铅锡铋合金
它的树枝状长大的
显微组织照片
从这个里面可以看出
树枝的形貌
结晶后得到的树枝状的晶体
为树枝状长大的结果
实际上绝大多数金属材料
它在结晶的时候
它都是以树枝状的方式进行长大
-0.1中华民族对材料发展的重大贡献
-0.2材料的结合键
-0.3工程材料的分类
-习题--作业
-1.1金属材料的结构与组织
-第1章材料的结构与性能特点--1.1金属材料的结构与组织
-1.2金属材料的性能特点
-第1章材料的结构与性能特点--1.2金属材料的性能特点
-2.1纯金属的结晶
-2.1纯金属的结晶--作业
-2.2合金的结晶1
-2.2合金的结晶1--作业
-2.2合金的结晶2
-2.2合金的结晶2--作业
-2.3金属的塑性加工
-2.3金属的塑性加工--作业
-2.4钢的热处理
--钢的热处理（1）
--钢的热处理（2）
--钢的热处理（3）
--钢的热处理（4）
--钢的热处理（5）
--钢的热处理（6）
--钢的热处理（7）
-第2章金属材料组织和性能的控制--2.4钢的热处理
-2.5钢的合金化
--钢的合金化（1）
--钢的合金化（2）
--钢的合金化（3）
--钢的合金化（4）
-2.5钢的合金化--作业
-2.6表面技术
--表面技术（1）
--表面技术（2）
--表面技术（3）
--表面技术（4）
-2.6表面技术--作业
-3.1碳钢
--碳钢
-3.1碳钢--作业
-3.2合金钢
--合金钢（1）
--合金钢（2）
--合金钢（3）
--合金钢（4）
--合金钢（5）
--合金钢（6）
--合金钢（7）
-第3章金属材料--3.2合金钢
-3.3铸钢与铸铁
--铸钢与铸铁（1）
--铸钢与铸铁（2）
--铸钢与铸铁（3）
-第3章金属材料--3.3铸钢与铸铁
-3.4有色金属及其合金
-第3章金属材料--3.4有色金属及其合金
-4.1工程塑料
--工程塑料（1）
--工程塑料（2）
-4.2合成纤维
--合成纤维
-4.3合成橡胶
--合成橡胶
-习题--作业
-5.1普通陶瓷
--普通陶瓷（1）
--普通陶瓷（2）
-5.2特种陶瓷
--特种陶瓷
-习题--作业
-6.1复合材料的复合原则
-6.2复合材料的性能特点
-6.3非金属基复合材料
--非金属基复合材料
-6.4金属基复合材料
--金属基复合材料
-第6章复合材料--习题
-7.1电功能与磁功能材料
-7.2热功能与光功能材料
-7.3纳米材料
--纳米材料
-第7章功能材料及新材料--习题
-8.1机械零件的失效
-8.2机械零件失效分析
--机械零件失效分析
-8.3机械零件选材原则
--机械零件选材原则
-第8章零件失效分析与选材原则--习题
-9.1齿轮选材
--齿轮选材
-9.2轴类零件选材
--轴类零件选材
-9.3弹簧选材
--弹簧选材
-9.4刃具选材
--刃具选材
-第9章典型工件的选材及工艺路线设计--习题
-10.1汽车用材
--汽车用材
-10.2热能设备用材
--热能设备用材
-10.3航空航天器用材
-第10章工程材料的应用--习题
-全课总结
--全课总结
-期末考试--试卷
