機械工程材料雙語教學(xué)crystalline-imperfections-and-solidif

Crystalline

Imperfectionsand

Solidification晶體缺點和凝固1第1頁洛陽理工學(xué)院12.3金屬實際晶體結(jié)構(gòu)

1）單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致晶體稱為~。2）多晶體：由許多晶粒組成晶體結(jié)構(gòu)稱為~。3）晶粒：實際金屬材料是由許多小晶體組成，這種外形不規(guī)則小晶體稱為~。晶體分類晶粒多晶體各個晶粒位向不一樣2第2頁洛陽理工學(xué)院22.3金屬實際晶體結(jié)構(gòu)

1）PointDefects點缺點2）LinearDefects線缺點3）PlanarDefects面缺點金屬缺點1.PointDefects點缺點

Acertainpositions,therearemissingatoms(anormallyoccupiedpositionisvacant)whileinotherplacesatomsarein“wrong”positions(atomsarelocatedinnormallyunoccupiedpositions).Theformerarecalledvacanciesandthelatteraretermedinterstitials.Bothareexmplesofpointdefects.缺失圖2-14晶體中原子空位和間隙原子3第3頁洛陽理工學(xué)院32.3金屬實際晶體結(jié)構(gòu)

1）每個原子本身熱振動2）每個原子存在能量起伏3）原子克服周圍原子束縛，形成空位或間隙原子點缺點形成原因點缺點對金屬性能影響產(chǎn)生晶格畸變，造成強度和硬度增加常見點缺點有三種：空位、間隙原子、置換原子4第4頁洛陽理工學(xué)院42.3金屬實際晶體結(jié)構(gòu)2.LinearDefects線缺點1）位錯是晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律錯排現(xiàn)象2）Typesofdislocation

edgedislocationandscrewdislocation

刃型位錯和螺型位錯Fig.3A3-DrepresentationofAnedgedislocationIn1934SirGeoffreyTaylor,aBritishphysicistandmeteorologist,hypothesizedthatcrystalcouldcontaindefectsfromtheinsertionofpartofanatomsplane,asshowninFig.3.EdgeDislocationLine刃型位錯線5第5頁洛陽理工學(xué)院5

1)刃型位錯（EdgeDislocation）晶體在剪力作用下，因為右上部分相對于右下部分發(fā)生局部滑移，在上半部分擠出了一層多出原子面，如同刀刃插入到晶體之中。該多出原子面邊緣就是位錯線。在位錯線附近，因為晶格畸變產(chǎn)生應(yīng)力集中。距位錯線愈遠，晶格畸變愈小，應(yīng)力也愈小，原子排列逐步趨于正常。洛陽理工學(xué)院EdgeDislocationLine注意：位錯線垂直于滑移方向6第6頁洛陽理工學(xué)院6

2)螺型位錯（ScrewDislocation）晶體在剪力作用下，上下兩部分原子沿滑移面ABCD發(fā)生錯動，使aa'右方晶體上下層原子相對錯動一個原子間距，但在bb'和aa之間出現(xiàn)了一個過渡區(qū)。已滑移區(qū)和未滑移區(qū)邊界限，即位錯線bb'，不是垂直而是平行于滑移方向注意：位錯線平行于滑移方向7第7頁洛陽理工學(xué)院7

FreeSurfaceinCrystal晶體表面Whyarefreesurfaceconsideredtobedefects?Surfaceatomshavefewernearestneighbors,andthereforehigherenergy,thanatomsinsidethecrystal.Theextraenergyassociatedwiththefreesurfaceiscalledsurfacetension.處于晶體表面原子，同時受到晶體內(nèi)部原子和外部介質(zhì)原子作用力，內(nèi)部原子作用力大于外部原子或分子作用力，表面原子會偏離正常平衡位置，并牽連臨近幾層原子，造成表面層晶格畸變。2.

GrainBoundariesofcrystals晶界PlanarDefects面缺點GrainMosttechniquesfortheproductionofcrystallinematerialsresultintheformationoflargenumbersofsmall,randomlyorientedcrystals,calledgrain.Theboundarybetweenadjacentcrystalsiscalledagrainboundary.8第8頁洛陽理工學(xué)院8

GrainBoundariesofcrystals晶界

Theatomsinthedisorderedgrainboundariesaresignificantdisplacedfromtheirequilibriumpositions.Becauseofthisdisplacementandrelatedproblemsassociatedwithimpropercoordinationnumbers,atomsinthegrainboundaryhaveahigherenergythanthoseinthegraininterior.3.

亞晶界PlanarDefects面缺點Grain移位普通地，晶粒間位向差大都在30~40°內(nèi)，晶界大都屬于大角度晶界。亞晶間位向差則小得多，亞晶界實際上是由一系列刃型位錯組成小角度晶界。4.

其它面缺點還有：堆垛層錯、相界、孿晶界等。配位9第9頁洛陽理工學(xué)院9

Thesolidificationofmetalsandalloysisanimportantindustrialprocesssincemostmetalsaremeltedandthencastintoa

semifinishedorfinishedshape.Ingeneralthesolidificationofmetaloralloycanbedividedintothefollowingsteps:Theformationofstablenucleiinthemelt(nucleation)形核Thegrowthofnucleiintocrystals晶核生長Theformationofagrainstructure形成晶體結(jié)構(gòu)2.4SolidificationofMetals金屬結(jié)晶凝固，結(jié)晶10第10頁洛陽理工學(xué)院10

2.4SolidificationofMetals金屬結(jié)晶11第11頁晶坯晶核攪拌、振動112.4SolidificationofMetals金屬結(jié)晶12第12頁洛陽理工學(xué)院12

2.4SolidificationofMetals金屬結(jié)晶13第13頁洛陽理工學(xué)院13

1)Coolingcurve冷卻曲線Thetwobreaksinthecurvecorrespondtothebeginningandendofsolidification.Theliberatedheat(calledtheheatoftransformation)balancesthedropintemperatureassociatedwithcooling.Thus,solidificationofapuresubstanceisindicatedbyahorizontalthermalarrest.Thisresultisconsistentwithexpectation,sincefreezingofapurecomponenttakesplaceataconstanttemperature.（參見后圖）轉(zhuǎn)化熱（結(jié)晶潛熱），賠償了熱量損失，從而冷卻曲線出現(xiàn)水平線段2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬結(jié)晶轉(zhuǎn)化熱賠償了溫度降低[,h?ri‘z?ntl]水平與...一致

14第14頁洛陽理工學(xué)院14圖2-13純金屬冷卻曲線2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬結(jié)晶15第15頁洛陽理工學(xué)院15

2)過冷度

（1）理論結(jié)晶溫度每一個物質(zhì)都有一定平衡結(jié)晶溫度或者稱為理論結(jié)晶溫度。（2）實際結(jié)晶溫度實際上，液體溫度到達理論結(jié)晶溫度時并不能進行結(jié)晶，而必須在它溫度以下某一溫度（稱為實際結(jié)晶溫度）才開始結(jié)晶。（3）過冷度理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度之差△T稱為過冷度。△T=T0-T1

2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬結(jié)晶16第16頁洛陽理工學(xué)院16

3)晶粒大小與控制

（1）晶粒度單位面積或單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目或晶粒平均直徑定量表示。晶粒越細，金屬強度、塑性和韌性越高。（細晶強化）（2）細晶強化原因晶粒細化后，晶界增多，妨礙位錯經(jīng)過，即妨礙塑性變形，實現(xiàn)了高強度；晶粒越細，在一定體積內(nèi)晶粒數(shù)目多，變形分散在更多晶粒內(nèi)，變形均勻，每個晶粒中塞積位錯少，因應(yīng)力集中引發(fā)開裂機會較少，在斷裂前承受較大變形量，既表現(xiàn)出較高塑性；細晶粒中，裂紋不易萌生（應(yīng)力集中少），也不宜傳輸，因而在斷裂過程中吸收了更多能量，表現(xiàn)出較高韌性。2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬結(jié)晶17第17頁洛陽理工學(xué)院17

3)晶粒大小與控制

（3）形核速度N（形核率）單位時間內(nèi)在單位體積內(nèi)形成晶核數(shù)（4）長大速度G（長大率）單位時間內(nèi)晶核長大線速度（5）細化晶粒方法

<1>增加過冷度

過冷度大，形核率>長大率

<2>變質(zhì)處理

增加非自發(fā)晶核

<3>附加振動

使枝晶破碎，增加晶核數(shù)

2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬結(jié)晶18第18頁4)鑄錠組織18垂直19第19頁1920第20頁洛陽理工學(xué)院20

4)鑄錠組織

（1）表層細晶區(qū)與模壁接觸，冷速快，形成細小等軸晶（2）柱狀晶粒區(qū)因為垂直于模壁方向散熱最快，其它方向長大受限，形成柱狀晶（3）中心粗大等軸晶區(qū)

中心冷速慢，形核率低2.4.1SolidificationofpureMetals純金屬結(jié)晶圖2-17鑄錠組織示意圖21第21頁洛陽理工學(xué)院