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第一章 金属学基础 2.晶体缺陷 实际金属晶体内部，由于铸造、变形等一系列原因，其局部区域原子的规则排列往往受到干扰和破坏，不象理想晶体那样规则和完整，存在大量的晶体缺陷，从而影响到金属的许多性能。 实际晶体中排列不规则的区域称为晶体缺陷。 （3）面缺陷 （2）线缺陷 （1）点缺陷 （1）点缺陷 晶格发生 靠拢或撑开 晶格空位 间隙原子 置换原子 晶格畸变 点缺陷的存在，使晶格产生畸变，材料的硬度和强度提高了，材料的塑性和韧性降低了。 结论： （2）线缺陷 线缺陷即晶格中的位错。位错是指晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。 最简单直观的一种为刃型位错。 刃型位错示意图 由于右上部分相对于右下部分的局部滑移，结果在晶格的上半部挤出了一层多余的原子面，好像在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘EF便为位错线。 不锈钢中的位错线 （用透射电镜可观察） 在金属晶体中，位错线往往大量存在。 通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度。一般退火态金属的位错密度约为105～108cm/cm3；冷变形后的金属可达1012cm/cm3。 位错的存在对金属的强度有着重要的影响。从图中可见，增加或降低位错密度，都能有效地提高金属强度。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度，当位错大量产生后，强度又提高。由于没有缺陷 的晶体很难得到，所以 生产中一般依靠增加位 错密度来提高金属强度， 但塑性随之降低。 线缺陷的存在，产生晶格畸变，位错密度达到一定程度，产生位错强化。 结论： （3）面缺陷 晶界 亚晶界 晶粒内部也不是完全理想的晶体，而是由位向差很小的亚晶粒(或嵌镶块) 组成的。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距。 亚晶界 亚晶粒 （嵌镶块） Au-Ni合金的电镜照片 结论： 面缺陷能提高金属材料的强度和塑性。细化晶粒是改善金属机械性能的有效手段。 二、金属的结晶过程 图3-1 纯金属的冷却曲线 1.金属结晶的宏观现象 （1）过冷现象 实际开始结晶温度T0低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷现象。 Tm―理论结晶温度（熔点） T0―实际结晶温度 过冷度: △T＝Tm－T0 冷却速度越快，实际结晶温度 T0 越低，△T也越大 。 （2）结晶潜热 热力学定律：自然界的一切自发转变过程，总是由 一种较高能量状态趋向于能量最低的稳定状态。 自由能F ：物质能够对外作功的能量。 Tm 时， F液 ＝ F固 　　　（液固共存）T0 时， F液 F固　　　 （液→固） 液体与固体间的自由能差ΔF为结晶驱动力。 过冷度是一切物质结晶的必要条件。 液体和固体自由能随温度的变化 所以欲使液体结晶，就必须具有一定过冷度，以提供结晶驱动力。 ΔT越大，ΔF 越大，结晶驱动力大，结晶倾向愈大。 （2）结晶潜热 曲线上出现一个平台，表示结晶时温度保持不变，为恒温过程。这是由于结晶潜热释放，抵消了向外界散发的热量，而保持结晶过程温度不变。 金属熔化：固相→液相 吸收热量→ 熔化潜热 结晶时：液相→固相 放出热量→ 结晶潜热 1 mol物质：1个相→另一个相时 吸收或放出热量→ 相变潜热 2.金属结晶的微观过程 （1）晶核的形成 结晶过程示意图 （2）晶核的长大 液体中最初形成的一些作为结晶中心的稳定的微小晶体 a）自发形核 在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。 由液态金属内部金属原子自发形成的晶核。 b）非自发形核 实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，这些杂质能够促进晶核在其表面形成，这个过程叫非自发形核。 依附于杂质而形成的晶核。 非自发形核在实际金属的结晶中，起优先和主导作用。 （1）晶核的形成 晶核形成后，继续冷却，晶核吸收周围的原子而长大，同时，新的晶核不断地形核和长大，直至相邻晶体彼此接触，液态金属完全消失，最后得到由许多小晶粒组成的多晶体。 （2）晶核的长大 纯铁晶体结构 枝状晶长大 结晶完毕 等轴晶 实际金属的结晶主要以树枝状长大 金属的树枝晶 冰的树枝晶 特别提示：结晶的一般过程（基本规律） 形核与长大 三、晶粒大小的控制 1.晶粒度 标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小