漂亮的化学金属（金属的漂亮结晶）

金属结晶的基本概念

　　一切物质从液态到固态的转变过程称为凝固，如凝固后形成晶体，则称为结晶。

　　金属在固态下通常都是晶体，所以金属自液态冷却转变为固态的过程，称为金属的结晶。

液态金属中存在许多近程有序排列的原子集团，但不稳，定瞬时出现瞬时消失。在熔点以下，具有一定尺寸的、稳定的有序原子集团转变为长程有序的状态，即固体。

液态金属中存在许多近程有序排列的原子集团，但不稳，定瞬时出现瞬时消失

凝固： 液体 --> 固体（晶体或非晶体）

结晶： 液体 --> 晶体

液体 --> 固体（晶体或非晶体）， 液体 --> 晶体

1.实际结晶温度的测定（冷却曲线）

先将纯金属加热熔化为液体，然后缓慢冷却下来，同时每隔一定时间测一次温度，并把记录的数据绘在温度－时间坐标中，得到温度与时间的曲线，即：冷却曲线（右图）。

　　 可见，随时间的增长，温度逐渐降低，当到T0温度时出现一个平台，说明这时虽然液体金属向外散热，由于在这一温度液体开始结晶向外放热，补偿了液体对外的热量散失，这正是实际结晶温度。

这一平台的开始时间即结晶的开始，终了时间即结晶的终了，结晶终了后就没有结晶潜热来补偿热量的散失，所以温度 又开始下降。

实际结晶温度的测定（冷却曲线）

冷却曲线的测定

2. 结晶时的过冷现象

各种纯金属如Fe、Cu等都有一定的结晶温度。Fe：1539℃，Cu：1083℃等等，这是指理论结晶温度，也叫平衡结晶温度，是指液体的结晶速度与晶体的熔化速度相等时的温度。

　　实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结晶的能量条件上。

冷却曲线

液体和固体的由能随温度的变化：

F代表体系的能量，当固态金属的自由能低于液态金属的自由能，F固－F液= ΔF＜0时,结晶过程进行。

从温度坐标上看，实际结晶温度T1低于平衡结晶温度T0，结晶过程自发进行。

液体和固体的由能随温度的变化

液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷

理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T= T0 –T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。

液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷

结晶过程的基本规律

1. 形核和核长大，金属的结晶过程从微观的角度看，当液体金属冷到实际结晶温度后，开始从液体中形成一些尺寸极小的、原子呈规则排列的晶胚成为晶核，这种已形成的晶核不断长大，同时液态金属的其它部位也产生新的晶核，新晶核又不断长大，直到液态金属全部消失，结晶结束。

形核和晶核长大的过程

两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核

自发形核——由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。

非自发形核 ——非自发形核是液态金属依附在一些未溶颗粒表面所形成的晶核，非自发形核所需能量较少，它比自发形核容易得多，一般条件下，液态金属结晶主要靠非自发形核。

两种长大方式--- 平面生长 与 树枝状生长

树枝晶示意图

平面长大方式：在过冷度较小时，纯金属晶体长大须服从表面能最小的原则，沿原子密排面的垂直方向长大速度最慢，沿非原子密排面的垂直方向长大速度最快。这样，晶体获得表面为原子最密排面的规则形状，当许多晶体彼此接触后，规则形状才被破坏。

平面长大方式

树枝状长大方式：在过冷度较大并存在杂质时，晶核生长为很小的形状规则的晶体，然后沿一定方向生长出空间骨架，此被称为一次晶轴。在一次晶轴增长和变粗的同时，在其侧面长出新的枝芽，长成枝干，此称为二次晶轴。以此方式，二次晶轴上长出三次晶轴，三次晶轴上长出四次晶轴，直到消耗完全部液体。

树枝状长大方式

2. 影响晶核形成和长大的因素

1）过冷度：ΔT大，ΔF大，结晶驱动力大，形核率和长大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N与G的比值，晶粒变细。　

2）变质处理：在液态金属结晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成为非自发晶核的固态质点，使结晶时的晶核数目大大增加，从而提高了形核率，细化晶粒的处理方法。

冷却速度越大，则过冷度越大,晶粒越细小：

冷却速度越大，则过冷度越大,晶粒越细小

3.形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系：

形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系

4.细化铸态金属晶粒的措施

实际金属结晶之后，获得多晶体。晶粒的大小对于纯金属的性能影响极大。见下表：晶粒度的概念:晶粒是由一个晶核长成的，在显微镜下呈颗粒状，颗粒的大小即为晶粒度，用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度表示。

晶粒的大小对于纯金属的性能影响极大

晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级

晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8级

表示晶粒大小，分8级

（1）提高过冷度

形核率N 、长大速度G 与 过冷度T 的关系

（2）变质处理

在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。

变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大。

（3） 振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。

振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。

铸锭结构及其控制

1.在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。

2.铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。

铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:

铸锭(件)的宏观组织通常 由三个区组成

⑴ 细晶等轴区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。

铸锭(件)的宏观组织

⑵ 柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。

⑶粗等轴晶区: 由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。

铸锭结晶组织

铸锭结构的特点：

1、柱状晶是由外向里顺序结晶的，较为致密。但柱状晶的接触面是低熔点杂质和非金属夹杂集中的地方，对于高熔点金属和杂质多的金属，如铁、镍及其合金，在热轧和锻造时容易开裂。

2、柱状晶具有明显的方向性，其性能沿着柱向较好。

3、等轴晶区内，晶粒彼此相嵌，结合牢固，性能均匀，无方向性.。

同素异构转变

纯铁的同素异构转变

纯铁的冷却曲线

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