導讀金屬結(jié)晶的基本概念　　一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固，如凝固后形成晶體，則稱為結(jié)晶。　　金屬在固態(tài)下通常都是晶體，所以金屬自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程....金屬結(jié)晶的基本概念

　　一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固，如凝固后形成晶體，則稱為結(jié)晶。

　　金屬在固態(tài)下通常都是晶體，所以金屬自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，稱為金屬的結(jié)晶。

液態(tài)金屬中存在許多近程有序排列的原子集團，但不穩(wěn)，定瞬時出現(xiàn)瞬時消失。在熔點以下，具有一定尺寸的、穩(wěn)定的有序原子集團轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序的狀態(tài)，即固體。

液態(tài)金屬中存在許多近程有序排列的原子集團，但不穩(wěn)，定瞬時出現(xiàn)瞬時消失

凝固： 液體 --> 固體（晶體或非晶體）

結(jié)晶： 液體 --> 晶體

液體 --> 固體（晶體或非晶體）， 液體 --> 晶體

1.實際結(jié)晶溫度的測定（冷卻曲線）

先將純金屬加熱熔化為液體，然后緩慢冷卻下來，同時每隔一定時間測一次溫度，并把記錄的數(shù)據(jù)繪在溫度－時間坐標中，得到溫度與時間的曲線，即：冷卻曲線（右圖）。

　　 可見，隨時間的增長，溫度逐漸降低，當?shù)絋0溫度時出現(xiàn)一個平臺，說明這時雖然液體金屬向外散熱，由于在這一溫度液體開始結(jié)晶向外放熱，補償了液體對外的熱量散失，這正是實際結(jié)晶溫度。

這一平臺的開始時間即結(jié)晶的開始，終了時間即結(jié)晶的終了，結(jié)晶終了后就沒有結(jié)晶潛熱來補償熱量的散失，所以溫度 又開始下降。

實際結(jié)晶溫度的測定（冷卻曲線）

冷卻曲線的測定

2. 結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象

各種純金屬如Fe、Cu等都有一定的結(jié)晶溫度。Fe：1539℃，Cu：1083℃等等，這是指理論結(jié)晶溫度，也叫平衡結(jié)晶溫度，是指液體的結(jié)晶速度與晶體的熔化速度相等時的溫度。

　　實際上的結(jié)晶溫度總是低于這一平衡結(jié)晶溫度，原因在結(jié)晶的能量條件上。

冷卻曲線

液體和固體的由能隨溫度的變化：

F代表體系的能量，當固態(tài)金屬的自由能低于液態(tài)金屬的自由能，F(xiàn)固－F液= ΔF＜0時,結(jié)晶過程進行。

從溫度坐標上看，實際結(jié)晶溫度T1低于平衡結(jié)晶溫度T0，結(jié)晶過程自發(fā)進行。

液體和固體的由能隨溫度的變化

液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷

理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差?T稱過冷度?T= T0 –T1過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷速越大，過冷度越大。

液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象稱過冷

結(jié)晶過程的基本規(guī)律

1. 形核和核長大，金屬的結(jié)晶過程從微觀的角度看，當液體金屬冷到實際結(jié)晶溫度后，開始從液體中形成一些尺寸極小的、原子呈規(guī)則排列的晶胚成為晶核，這種已形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬的其它部位也產(chǎn)生新的晶核，新晶核又不斷長大，直到液態(tài)金屬全部消失，結(jié)晶結(jié)束。

形核和晶核長大的過程

兩種形核方式 —— 自發(fā)形核 與 非自發(fā)形核

自發(fā)形核——由液體金屬內(nèi)部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。

非自發(fā)形核 ——非自發(fā)形核是液態(tài)金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核，非自發(fā)形核所需能量較少，它比自發(fā)形核容易得多，一般條件下，液態(tài)金屬結(jié)晶主要靠非自發(fā)形核。

兩種長大方式--- 平面生長 與 樹枝狀生長

樹枝晶示意圖

平面長大方式：在過冷度較小時，純金屬晶體長大須服從表面能最小的原則，沿原子密排面的垂直方向長大速度最慢，沿非原子密排面的垂直方向長大速度最快。這樣，晶體獲得表面為原子最密排面的規(guī)則形狀，當許多晶體彼此接觸后，規(guī)則形狀才被破壞。

平面長大方式

樹枝狀長大方式：在過冷度較大并存在雜質(zhì)時，晶核生長為很小的形狀規(guī)則的晶體，然后沿一定方向生長出空間骨架，此被稱為一次晶軸。在一次晶軸增長和變粗的同時，在其側(cè)面長出新的枝芽，長成枝干，此稱為二次晶軸。以此方式，二次晶軸上長出三次晶軸，三次晶軸上長出四次晶軸，直到消耗完全部液體。

樹枝狀長大方式

2. 影響晶核形成和長大的因素

1）過冷度：ΔT大，ΔF大，結(jié)晶驅(qū)動力大，形核率和長大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N與G的比值，晶粒變細。　

2）變質(zhì)處理：在液態(tài)金屬結(jié)晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成為非自發(fā)晶核的固態(tài)質(zhì)點，使結(jié)晶時的晶核數(shù)目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒的處理方法。

冷卻速度越大，則過冷度越大,晶粒越細小：

冷卻速度越大，則過冷度越大,晶粒越細小

3.形核率N 、長大速度G 與 過冷度?T 的關(guān)系：

形核率N 、長大速度G 與 過冷度?T 的關(guān)系

4.細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施

實際金屬結(jié)晶之后，獲得多晶體。晶粒的大小對于純金屬的性能影響極大。見下表：晶粒度的概念:晶粒是由一個晶核長成的，在顯微鏡下呈顆粒狀，顆粒的大小即為晶粒度，用單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度表示。

晶粒的大小對于純金屬的性能影響極大

晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8級

晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8級

表示晶粒大小，分8級

（1）提高過冷度

形核率N 、長大速度G 與 過冷度?T 的關(guān)系

（2）變質(zhì)處理

在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。

變質(zhì)劑的作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大。

（3） 振動、攪拌等：對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。

振動、攪拌等：對正在結(jié)晶的金屬進行振動或攪動，使成長中的枝晶破碎，使晶核數(shù)目顯著增加。

鑄錠結(jié)構(gòu)及其控制

1.在實際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。

2.鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對其加工和使用性能有著直接的影響。

鑄錠(件)的宏觀組織通常由三個區(qū)組成:

鑄錠(件)的宏觀組織通常 由三個區(qū)組成

⑴ 細晶等軸區(qū)：澆注時，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區(qū)。

鑄錠(件)的宏觀組織

⑵ 柱狀晶區(qū)：由于模壁溫度升高，結(jié)晶放出潛熱，使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿著與散熱相反的方向生長而形成柱狀晶區(qū)。

⑶粗等軸晶區(qū): 由于結(jié)晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導致柱狀晶生長停止，當心部液體全部冷至實際結(jié)晶溫度T1以下時，在雜質(zhì)作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。

鑄錠結(jié)晶組織

鑄錠結(jié)構(gòu)的特點：

1、柱狀晶是由外向里順序結(jié)晶的，較為致密。但柱狀晶的接觸面是低熔點雜質(zhì)和非金屬夾雜集中的地方，對于高熔點金屬和雜質(zhì)多的金屬，如鐵、鎳及其合金，在熱軋和鍛造時容易開裂。

2、柱狀晶具有明顯的方向性，其性能沿著柱向較好。

3、等軸晶區(qū)內(nèi)，晶粒彼此相嵌，結(jié)合牢固，性能均勻，無方向性.。

同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

純鐵的冷卻曲線