第二讲钢液结晶.ppt

第二讲钢液的结晶
第一节钢液结晶的基本规律
第二节钢液结晶的基本条件
第三节均质形核
第四节非均质形核
第五节晶核长大
第六节凝固理论的应用
预备知识
1、晶体crystal:原子(离子、分子)在三维空间作有规则的周期性重复排列所构成的物体。即:远程有序(long-range order)。
2、空间点阵(Space lattice): 将晶体中原子或离子抽象为纯几何点(阵点 lattice point),即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列—空间点阵(晶格)。
3、晶胞(Unite cells ):从晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列形式的特征,这种最基本的几何单元称为晶胞。(代表原子排列特征的最基本几何单元)。
晶体
晶格
晶胞
4、三种典型的金属晶格
体心立方晶格
晶格常数:a=b=c, α=β=γ=900 晶胞中原子位于立方体的八个顶角和中心 晶胞原子数:1/8×8+1=2  原子半径:r= a/4  属于这种晶格的金属有:
α-Fe,Cr,W,Mo,V,Nb 等。
面心立方晶格
晶格常数:a=b=c, α=β=γ=90晶胞中原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心晶胞原子数:1/8×8+1/2×6=4原子半径: r = a/2属于这种晶格的金属有:γ-Fe,Al, Cu, Ag, Au, Pb 等
密排六方晶格
晶格常数:a=b≠c,α=β=90,γ=120;
a—六方柱体底边长,c—上下底面的距离;
六方晶格晶胞中,原子位于六方柱体的十二个顶角,
上下底面中心,六方柱体中还有三个原子。
晶胞原子数:1/6×12+1/2×2+3=6 原子半径:r = a/2 属于这种晶格的金属有:Mg, Zn, Cd(镉),Be等
δ-Fe→γ-Fe→α-Fe
固态下,一种元素的晶体结构随温度发生变化的现象——同素异构转变
纯铁的结晶过程
5、晶胚
根据液态金属结构模型,液态金属中有大量
大小不一、近程有序排列的原子小集团,即晶胚。
6、晶核
当温度高于结晶温度Tm时,它们是不稳定
的,当液态金属具有一定过冷度以后,某些较大
的原子集团借助结构起伏使其尺寸大于某一临界
尺寸才能称为一个结晶核心,即晶核。
7、玻璃
----非晶态固体,其原子不像晶体那样在空间具有长程有序排列,而近似于液体那样具有短程有序。
(1)各向同性:玻璃的原子排列是无规则的,其原子在空间中具有统计上的均匀性。在理想状态下,均质玻璃的物理、化学性质在各方向都是相同的。
(2)无固定熔点:玻璃由固体转变为液体是一定温度区域(即软化温度范围)内进行的,它与结晶物质不同,没有固定的熔点。
(3)介稳性:玻璃态物质一般是由熔融体快速冷却而得到,从熔融态向玻璃态转变时,冷却过程中黏度急剧增大,质点来不及做有规则排列而形成晶体,没有释出结晶潜热,因此,玻璃态物质比结晶态物质含有较高的内能,其能量介于熔融态和结晶态之间,属于亚稳状态。从力学观点看,玻璃是一种不稳定的高能状态,比如存在低能量状态转化的趋势,即有析晶倾向,所以,玻璃是一种亚稳态固体材料。
(4)渐变性与可逆性:玻璃态物质从熔融态到固体状态的过程是渐变的,其物理、化学性质的变化也是连续的和渐变的。这与熔体的结晶过程明显不同,结晶过程必然出现新相,在结晶温度点附近,许多性质会发生突变。而玻璃态物质从熔融状态到固体状态是在较宽温度范围内完成的,随着温度逐渐降低,玻璃熔体黏度逐渐增大,最后形成固态玻璃,但是过程中没有新相形成。相反玻璃加热变为熔体的过程也是渐变的。