当前课程知识点：材料科学基础 > 第五章 凝固 > 5.1 纯金属的结晶 > 纯金属的结晶
同学们好
本章呢我们开始学习凝固
我们主要学习以下几部分的内容
首先了解一下
第一 凝固与结晶的概念
第二 我们了解一下学习本章的意义
或者说是目的
第三 我们介绍一下本章的学习内容
首先来学习一下什么是凝固
什么是结晶
凝固与结晶这两个概念有什么样的差别呢
材料从液态冷却转变为固态的过程
叫做凝固
凝固后的材料可以是晶体
也可以是非晶体
如果凝固后的材料是晶体
那么这种凝固就称为结晶
结晶的过程是一个相变的过程
那么我们学习凝固有什么意义呢
我们知道金属以及合金的生产制备
一般都要经过熔炼 铸造
也就是要经过由液态转变为固态的结晶过程
除去粉末冶金或电熔铸法
制成的这些特殊金属制品以外
几乎所有的金属制品
都必须经过金属的熔炼和凝固过程
通过熔炼 能够得到要求成分的液态金属
浇筑在铸型当中
凝固以后就可以获得铸锭或者是成型的铸件
铸锭再经过冷 热变形
就会制成各种各样的型材
棒材 板材和线材
金属以及合金的结晶组织
对其性能以及随后的加工都有很大的影响
比如说铸锭的凝固组织对其热变形的性能就很大
不合理的铸锭组织
还会引起热变形当中的开裂破坏
降低成材率
而结晶组织的形成与结晶的过程密切相关
因此 了解有关金属和结晶的理论以及过程
对于控制铸态的组织
提高金属制品的性能
都有着重要的指导作用
此外
由于结晶相变是各种相变当中
最常见的一种相变
因此了解结晶过程
为研究固态金属当中的相变
会奠定一个基础
同时也有助于理解
金属及合金的固态相变过程
我们本章主要学习以下几部分的内容
主要阐述纯金属以及合金的
凝固过程当中的一些基本规律
以及如何利用这些规律来控制金属的组织
并介绍几种传统的与新兴的材料凝固技术
内容的框架如下
第一 液态金属的结构
第二节 我们学习凝固的热力学
包括凝固的热力学条件
过冷度 凝固驱动力
第三 我们来学习纯金属的凝固
包括形核 非均匀形核 均匀形核
长大 动态过冷度 长大方式和形态
第四 固溶体合金的凝固
包括平衡凝固 非平衡凝固 成分过冷
第五 我们学习共晶合金的凝固
第六 我们学习铸锭组织和铸造技术
包括铸锭的三种铸造组织
铸造的缺陷以及凝固技术
首先我们来学习纯金属的结晶
金属结晶的过程当中
会出现一些微观的现象和宏观的现象
我们看金属结晶会出现哪一些的微观现象呢
它的结晶凝固过程示意图呢
在图中表示出来了
那么将液态金属冷到理论结晶温度
Tm以下某温度T开始结晶的时候
在过冷液体内呢
首先会形成一些稳定的微小晶体
我们称为晶核
随后这些晶核逐渐长大
与此同时
在其余的液体当中
又不断的形成新的稳定的晶核并长大
这一过程一直延续到液体的金属
全部耗尽为止
形成了固态金属的晶粒组织
各晶核长大至相互接触后
形成的外形不规则的小晶体呢叫做晶粒
晶粒和晶粒之间的界面
我们称为晶界
单位时间 单位液态金属中
形成的晶核的数呢
叫做形核率
用N来表示
单位时间内晶核增长的线长度
我们叫做长大的速度
用u来表示
液态金属结晶时形成的晶核越多
则结晶后的晶粒就越细小
反之晶粒则就越粗大
我们将上述的结晶的微观的过程呢做一个小结
第一 液态金属的结晶过程
乃是由形核和长大两个基本过程所组成
并且这两个过程是同时并进的
第二 结晶终止获得的是一个多晶粒的一个组织
其中一个晶粒是由一个晶核形成
由于各个晶核是随机生成的
所以呢 位向各不相同
第三 如果结晶过程当中
只有一颗晶核形成并长大
而不出现第二个晶核
则这一颗晶核长大的金属就是单晶体
从这三点小结当中
我们可以看到有以下这么几个关键的概念
也就是形核与长大
晶粒与晶界 单晶与多晶
希望同学们一定要认真领会
我们提个小问题
给大家思考
假如我们现在想要制备一块单晶的材料
需要怎么做呢
好
接下来我们来看一下金属结晶的宏观现象
前面所述及的金属结晶的微观的过程呢
是没有办法直接看到的
但是结晶时伴随着某些热学性质的变化
比如结晶潜热 熔化熵等的变化
这些宏观特征已成为
金属进行研究结晶过程的一个手段
我们来看一下热分析实验与冷却曲线
图当中的装置呢
就是一个热分析实验的一个简要示意
我们将金属加热
使之融化成液体
然后缓慢冷却
并用 X-Y这样的记录仪
将冷却过程当中温度与时间记录下来
所获得的温度与时间的关系曲线叫做冷却曲线
如图所示
那么这种实验的方法就叫做热分析实验法
金属由液体冷凝成固体时
要放出凝固潜热
如果这一部分的热量
恰好能补偿系统向环境散失的热量
那么凝固将在恒温下进行
表现为图中的平台
实验表明
纯金属的实际凝固温度Tn总是要比其熔点
也就是理论结晶温度Tm要低
也就是说
熔体材料的冷却到理论结晶温度以下
并不是立即就形成晶体
材料会处于应该结晶的理论温度以下
还保留着原来的状态
人们把这种现象呢
称为过冷现象
为了表述材料过冷的程度
将理论结晶温度与实际的凝固温度之差
也就是 Tm与T的差值称为过冷度
不同金属的过冷倾向不同
同一种金属的过冷度
也不是一个恒定值
凝固过程总是在或大或小的过冷度下进行
过冷是凝固的必要条件
这一部分我们就先学到这里
-绪论
-绪论
-讨论1
-讨论2
-2.1 原子结构与原子轨道
--原子结构与轨道
-2.2 电子排布规律
--电子排布规律
--电子排布规律
-2.3 晶体中的结合键
--晶体中的结合键
--原子结构与键合
-2.4 晶体结构与空间点阵
-2.5 晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
--晶系与布拉菲点阵
-2.6 晶向指数与晶面指数
-2.7 晶面间距与晶面夹角
-2.8 晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
--晶体的宏观对称性
-讨论1
-讨论2
-习题-第2章
-3.1 金属的晶体结构
--金属的晶体结构
--金属的晶体结构
-3.2 金属晶体的堆垛与间隙
-3.3 合金基本概念
--合金的基本概念
--合金的基本概念
-3.4 固溶体
--固溶体
--固溶体
-3.5 化合物
--化合物
--化合物
-3.6 陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
--陶瓷的晶体结构
-3.7 高分子的基本结构
--高分子的基本结构
--高分子的基本结构
-3.8 非晶、准晶和纳米晶
-讨论1
-讨论2
-习题-第3章
-4.1 扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
--扩散的宏观规律
-4.2 扩散的微观机制
--扩散的微观机制
--扩散的微观机制
-4.3 扩散与原子的随机行走
-4.4 扩散系数与扩散激活能
-4.5 扩散的影响因素
--扩散的影响因素
--扩散的影响因素
-4.6 反应扩散
--反应扩散
--反应扩散
-讨论1
-讨论2
-习题-第4章
-5.1 纯金属的结晶
--纯金属的结晶
--纯金属的结晶
-5.2 金属结晶的基本条件
-5.3 液态金属的结构
--液态金属的结构
--液态金属的结构
-5.4 均匀形核
--均匀形核
--均匀形核
-5.5 非均匀形核
--非均匀形核
--非均匀形核
-5.6 晶体长大的动力学条件和液固界面微观结构
-5.7 阶梯的长大机制和生长形态
-讨论1
-讨论2
-习题-第5章
-6.1 匀晶相图
--匀晶相图
--匀晶相图
-6.2 共晶相图
--共晶相图
--共晶相图
-6.3 共析相图与包晶相图
-6.4 其他二元相图
--其他二元相图
--其它二元相图
-6.5 铁碳合金的组元及基本相
-6.6 Fe-Fe3C相图分析与工业纯铁结晶过程
-6.7 钢的结晶过程
--钢的结晶过程
--钢的结晶过程
-6.8 白口铸铁的结晶过程
-6.9 碳对铁碳合金平衡组织的影响
-6.10 碳对Fe-C合金机械性能的影响
-6.11 三元相图的表示方法
-6.12 直线法则与杠杆定律
-6.13 重心法则
--重心法则
--重心法则
-6.14 三元匀晶相图与等温截面图
-6.15 变温截面与投影图
--变温截面与投影图
--变温截面与投影图
-6.16 具有共晶三相平衡的三元系相图概况
-6.17 具有共晶三相平衡的三元系相图分析
-6.18 具有共晶三相平衡的三元系相图截面图与投影图
-讨论1
-讨论2
-习题-第6章
-7.1 固态相变的特点分类
-7.2 固态相变的形核与生长
-7.3 成分保持不变的(无扩散)相变
-7.4 过饱和固溶体的分解
-7.5 共析转变
--共析转变
--共析转变
-7.6 马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
--马氏体转变（一）
-7.7 马氏体转变（二）
--马氏体转变（二）
--马氏体相变（二）
-7.8 贝氏体相变
--贝氏体相变
--贝氏体转变
-讨论1
-讨论2
-习题-第7章
-8.1 点缺陷
--点缺陷
--点缺陷
-8.2 位错的基本概念
--位错的基本概念
--位错的基本概念
-8.3 柏氏矢量
--柏氏矢量
--柏氏矢量
-8.4 位错的运动
--位错的运动
--位错的运动
-8.5 位错的弹性性质
--位错的弹性性质
--位错的弹性性质
-8.6 位错的交互作用
--位错的交互作用
--位错的交互作用
-8.7 位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
--位错的生成与增殖
-8.8 实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
--实际晶体中的位错
-8.9 位错反应
--位错反应
--位错反应
-8.10 晶界与相界
--晶界与相界
--晶界与相界
-讨论1
-讨论2
-习题-第8章
-9.1 金属的应力-应变曲线
-9.2 单晶体的塑性变形-滑移
-9.3 单晶体的塑性变形-孪生
-9.4 多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
--多晶体的塑性变形
-9.5 多相合金的塑性变形
-9.6 聚合物与陶瓷的塑性变形
-9.7 变形后的组织与性能
-9.8 晶体的断裂
--晶体的断裂
--晶体的断裂
-9.9 回复和再结晶
--回复和再结晶
--回复和再结晶
-9.10 再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
--再结晶形核和长大
-9.11 再结晶组织控制
--再结晶组织控制
--再结晶组织控制
-9.12 蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
--蠕变、超塑性变形
-讨论1
-讨论2
-习题-第9章
