纯金属的结晶
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二、纯金属的结晶
▪粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度 的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。
2021/3/22
金属学与热处理
28
图 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观和宏观结构示意图
2021/3/22
金属学与热处理
29
二、晶体长大机制
1.二维晶核长大机制
光滑界面每向液相中长大一层都是由一个二维晶核（一个原子 厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长， 如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这 种机制的晶体长大速率很慢。
金属学与热处理
18
▪形成临界晶核时自由能的变化为正值，恰好等于临界晶核表面能的1/3。 ▪形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表 面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，故ΔGK 称为形核 功。 ▪形核功来源于液体内部的能量起伏。能量起伏是指在液体内部，各微区 自由能不相同的现象。 ▪形核功的大小也随过冷度的增加而降低。
金属学与热处理
7
GV GS GL Lm T Tm
△GV表示单位体积的液体与固体的自由能之差； 负号表示由液态转变为固态自由能降低； Lm为熔化潜热; ΔT = Tm-Tn, 称为过冷度； 过冷度越大，结晶的驱动力也就越大； 过冷度等于0，ΔGv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。
结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度。
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金属学与热处理
20
ห้องสมุดไป่ตู้1
N2
N
图 形核率与温度及过冷度的关系
2021/3/22
金属学与热处理
21
二、非均匀形核
1.临界晶核半径和形核功 在固相质点表面上形成的晶核可能有各种不同的形状，为了 便于计算，设晶核为球冠形。
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金属学与热处理
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图 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观和宏观结构示意图
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二、晶体长大机制
1.二维晶核长大机制
光滑界面每向液相中长大一层都是由一个二维晶核（一个原子 厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长， 如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这 种机制的晶体长大速率很慢。
金属学与热处理
18
▪形成临界晶核时自由能的变化为正值，恰好等于临界晶核表面能的1/3。 ▪形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表 面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，故ΔGK 称为形核 功。 ▪形核功来源于液体内部的能量起伏。能量起伏是指在液体内部，各微区 自由能不相同的现象。 ▪形核功的大小也随过冷度的增加而降低。
金属学与热处理
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GV GS GL Lm T Tm
△GV表示单位体积的液体与固体的自由能之差； 负号表示由液态转变为固态自由能降低； Lm为熔化潜热; ΔT = Tm-Tn, 称为过冷度； 过冷度越大，结晶的驱动力也就越大； 过冷度等于0，ΔGv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。
结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度。
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N2
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图 形核率与温度及过冷度的关系
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二、非均匀形核
1.临界晶核半径和形核功 在固相质点表面上形成的晶核可能有各种不同的形状，为了 便于计算，设晶核为球冠形。
第二章纯金属的结晶要点
图 金属结晶过程示意图
第二节 金属结晶的热力学条件
结晶的热力学条件：
热力学指出，金属的状态不同，则其自由能也不同。
G H TS
压力可视为常数，dp=0
dG Vdp SdT
温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度
dG S dT
增加，即熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。
第四节 晶核的形成
自发形核(均匀形核)：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。这个过程叫自发形核。 非自发形核（非均匀形核）：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，有些杂质可附着金 属原子，成为结晶核心，这个过程叫非 自发形核。
第二章 纯金属的结晶
物质由液态到固态的转变过程称为凝固。 如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶。 金属及合金的生产、制备一般都要经过熔炼与铸造，通过 熔炼，得到要求成分的液态金属，浇注在铸型中，凝固后 获得铸锭或成型的铸件，铸锭再经过冷热变形以制成各种 型材、棒材、板材和线材。 金属及合金的结晶组织对其性能以及随后的加工有很大的 影响，而结晶组织的形成与结晶过程密切相关。
GV H S TS S ( H L TS L ) H S H L T ( S S S L ) ( H L H S ) TS
H L H S H f 为熔化潜热， T Tm时，GV 0，S H f Tm Tm T T H（ ） H f f Tm Tm
时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。 熔化潜热：金属熔化时从固相转变为液相所吸 收的热量。 结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相所放 出的热量。
纯金属的结晶
纯金属的结晶
冶
结晶：金属从液态转变为固态（晶态）的过程 一次结晶：液态→固体晶态 二次结晶（重结晶）：固体晶态→另一种固体晶态
1
纯金属的结晶
结晶： 液体 → 晶体 凝固： 液体 → 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
短程有序
长程有序
2
纯金属结晶的条件
1）热力学条件（必须过冷）
T
理论结晶温 度 开始结晶温度
G G
G G
液、固态金属的自由能-温度曲线
过冷度ΔT 越大，结晶的驱动力也越大。
7
问题：
固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？
不一定出现过热。 熔化时，液相若与汽相接触，当有 少量液体金属在固相表面形成时， 就会很快复盖在整个表面(液体金 属总是润湿同一种固体金属)， 表面张力平衡： 实验指出 熔化时表面能之间的关系 说明在熔化时，自由能的变化Δγ (表面)<0，即不存 在表面能障碍，也就不必过热。实际金属多属于这种情 况。 如果固体金属熔化时液相不与汽相接触，则有可能使固 体金属过热，然而，这在实际上是难以做到的。
8
2）结构条件（结构起伏）
在液态金属中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的 原子集团，称为近程有序。但在大范围内原子是无序分布 的。 液态金属结构的特点是，“远程无序，近程有序”。 在晶体中大范围内的原子却是有序排列的，称为远程有序。 不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或称为相 起伏，这是金属结晶重要的结构条件。
结构起伏的尺寸大小与温度有关，温度越低，结构起伏的 尺寸愈大。凝固时的晶核就是在结构起伏的基础上形成， 故又将其称为“晶胚”。在液体中的晶胚为形核准备了结 构上的条件。
冶
结晶：金属从液态转变为固态（晶态）的过程 一次结晶：液态→固体晶态 二次结晶（重结晶）：固体晶态→另一种固体晶态
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纯金属的结晶
结晶： 液体 → 晶体 凝固： 液体 → 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
短程有序
长程有序
2
纯金属结晶的条件
1）热力学条件（必须过冷）
T
理论结晶温 度 开始结晶温度
G G
G G
液、固态金属的自由能-温度曲线
过冷度ΔT 越大，结晶的驱动力也越大。
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问题：
固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？
不一定出现过热。 熔化时，液相若与汽相接触，当有 少量液体金属在固相表面形成时， 就会很快复盖在整个表面(液体金 属总是润湿同一种固体金属)， 表面张力平衡： 实验指出 熔化时表面能之间的关系 说明在熔化时，自由能的变化Δγ (表面)<0，即不存 在表面能障碍，也就不必过热。实际金属多属于这种情 况。 如果固体金属熔化时液相不与汽相接触，则有可能使固 体金属过热，然而，这在实际上是难以做到的。
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2）结构条件（结构起伏）
在液态金属中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的 原子集团，称为近程有序。但在大范围内原子是无序分布 的。 液态金属结构的特点是，“远程无序，近程有序”。 在晶体中大范围内的原子却是有序排列的，称为远程有序。 不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或称为相 起伏，这是金属结晶重要的结构条件。
结构起伏的尺寸大小与温度有关，温度越低，结构起伏的 尺寸愈大。凝固时的晶核就是在结构起伏的基础上形成， 故又将其称为“晶胚”。在液体中的晶胚为形核准备了结 构上的条件。
纯金属的结晶
❖ 结晶的必要条件：有一定过冷度 ❖ 影响过冷度的因素： ➢ 金属的本性：金属不同，过冷度不同； ➢ 金属的纯度：纯度越高，过冷度越大；
➢ 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低；
2）结晶潜热：
金属在结晶时，从液态转变为固态时会 放出能量，此能量称为结晶潜热。
从图中可以看出：当液态金属的温度达 到结晶温度T1时，由于结晶潜热的释放， 补偿了散失到周围环境中的热量，所以 在冷却平曲线上出现了平台，平台延续 的时间就是结晶过程所需的时间。
交点处的温度用T0 （Tm)表示： 当T= Tm时，GS=GL，两相可以同时共存，具有 同样的稳定性，既不熔化也不结晶，处于热力 学平衡状态，所以Tm就是理论结晶温度，即熔 点。
当T＜Tm时，GS＜GL ，所以液态金属可以自发 地转变为固态金属，而两相的自由能差△G就构 成了金属结晶的驱动力。
当T＞Tm时，GS＞GL ，所以固态金属可以自发 的熔化为液态。
②结r晶＞自rK动时进，行晶。胚长大， △G降低，
③ r＝rK时，晶胚可能长大，也可 能胚消称失为。 界晶核半径rK：
No Image
❖过冷度对形核的影响：
➢ 增大过冷度，可减小临界晶核半径，使形核数 量增多。
➢ △Tk ：临界过冷度 ➢ 实际过冷度△T△Tk时，rmax rk，不能形核
综度上 时所 ，述 液， 态只 金有属当才能T＜结T晶0时。，即存在一定的过冷
dT0，离界面越远，温液度相越中低的，T过。冷度 dx 形成5：潜热释过放冷、。成分
❖ 过冷度与结晶驱动力（ △G ）的关系：
其中,Ｌm：熔化潜热，△Ｔ：过冷度；Ｔm：熔点；
❖看出： △G 与△Ｔ成正比； ❖结论：要获得结晶过程所需的驱动力△G ，一
纯金属的结晶
第二节
纯金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件与结晶过程 二、形核规律：均质形核和非均质形核 三、长大规律 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织 小结
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体 晶体
1. 纯 金 属 的 结 晶 条 件
纯金属结晶的条 件就是应当有一 定的过冷度
小结
重点要求 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 铸锭组织。
1. 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的， 它们是： 形核和晶核长大 2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作 用是 增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。 3) 过冷度是指为：理论结晶温度 - 开始结晶温度 其表示符号为： T 4) 固溶体的强度和硬度比溶剂：高 2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ No ） 2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小： (1) 金属型与砂型浇注 < (2) 变质处理与不变质处理 < (3) 铸成薄件与厚件 (4) 浇注时振动与不振动 < <
（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：作为非均质形 核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电 磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数 增加，晶粒细化。
五、铸锭组织
表面细晶粒层 中间柱状晶粒层
中心等轴晶粒层
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
纯金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件与结晶过程 二、形核规律：均质形核和非均质形核 三、长大规律 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织 小结
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体 晶体
1. 纯 金 属 的 结 晶 条 件
纯金属结晶的条 件就是应当有一 定的过冷度
小结
重点要求 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 铸锭组织。
1. 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的， 它们是： 形核和晶核长大 2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作 用是 增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。 3) 过冷度是指为：理论结晶温度 - 开始结晶温度 其表示符号为： T 4) 固溶体的强度和硬度比溶剂：高 2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ No ） 2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小： (1) 金属型与砂型浇注 < (2) 变质处理与不变质处理 < (3) 铸成薄件与厚件 (4) 浇注时振动与不振动 < <
（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：作为非均质形 核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电 磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数 增加，晶粒细化。
五、铸锭组织
表面细晶粒层 中间柱状晶粒层
中心等轴晶粒层
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
第三章 纯金属的结晶
粗 糙 界 NkTm [αx(1 − x ) + x ln x + (1 − x ) ln (1 − x )]
x = ΝΑ Ν → 界面上固态原子占据位 置的比例
• 当a≤2时，在x=0.5处有一个 时 处有一个 极小值。 极小值。实际界面结构应使 最小， △GS最小，在这种情况下的 • 这类界面称为粗糙（Rough） 这类界面称为粗糙（ ） 或非光滑（ 或非光滑（Non-Faceted）界 ） 大多数金属和合金的液/ 面。大多数金属和合金的液 固相界面是粗糙型的。 固相界面是粗糙型的。 • 当a>5时，x在接近 和1处出 在接近0和 处出 时 在接近 现极小值。 现极小值。 • 这类界面称光滑（Faceted） 这类界面称光滑（ ） 界面。 界面。多数无机化合物及某 些类金属如Bi、 、 的界 些类金属如 、Sb、Si的界 面是光滑型的。 面是光滑型的。
2.晶粒长大 晶粒长大
晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 液体中原子迁移到固体表面 使液－固界面向液体中不断推移的过程 。 使液－固界面向液体中不断推移的过程
晶粒生长的形态包括平面状、 树枝状。 晶粒生长的形态包括平面状、胞状 、树枝状。 平面状
• （一）固液界面的微观结构
• 固液界面微观结构有两种类型 光滑界面；粗糙界面 固液界面微观结构有两种类型：光滑界面； 光滑界面 • 光滑界面 界面微观光滑 宏观为小平面界面 光滑界面：界面微观光滑 宏观为小平面界面 界面微观光滑，宏观为小平面界面。 • 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 平直。 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 粗糙
Jackson因子（a）与界面状态 因子
• （二）晶粒长大机制
x = ΝΑ Ν → 界面上固态原子占据位 置的比例
• 当a≤2时，在x=0.5处有一个 时 处有一个 极小值。 极小值。实际界面结构应使 最小， △GS最小，在这种情况下的 • 这类界面称为粗糙（Rough） 这类界面称为粗糙（ ） 或非光滑（ 或非光滑（Non-Faceted）界 ） 大多数金属和合金的液/ 面。大多数金属和合金的液 固相界面是粗糙型的。 固相界面是粗糙型的。 • 当a>5时，x在接近 和1处出 在接近0和 处出 时 在接近 现极小值。 现极小值。 • 这类界面称光滑（Faceted） 这类界面称光滑（ ） 界面。 界面。多数无机化合物及某 些类金属如Bi、 、 的界 些类金属如 、Sb、Si的界 面是光滑型的。 面是光滑型的。
2.晶粒长大 晶粒长大
晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 晶粒长大过程实质是液体中原子迁移到固体表面， 液体中原子迁移到固体表面 使液－固界面向液体中不断推移的过程 。 使液－固界面向液体中不断推移的过程
晶粒生长的形态包括平面状、 树枝状。 晶粒生长的形态包括平面状、胞状 、树枝状。 平面状
• （一）固液界面的微观结构
• 固液界面微观结构有两种类型 光滑界面；粗糙界面 固液界面微观结构有两种类型：光滑界面； 光滑界面 • 光滑界面 界面微观光滑 宏观为小平面界面 光滑界面：界面微观光滑 宏观为小平面界面 界面微观光滑，宏观为小平面界面。 • 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 平直。 粗糙界面：微观界面粗糙，宏观界面平直 粗糙
Jackson因子（a）与界面状态 因子
• （二）晶粒长大机制
第二章 纯金属的结晶
以在上面直接结晶长大.
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。
第二章 纯金属的结晶
均匀形核时的能量变化
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成 假设过冷液体中出现一个半径为 r 的球形晶胚，它所引起的自由能变 化为： 4 3 G r GV 4r 2 3 在开始时，表面能项占优势，当r增加 到某一临界尺寸后，体积自由能的减 少将占优势。于是在ΔG与r的关系曲 线上有一个极大值ΔGK，与之对应的r 值为rK。 对上式进行处理，得到临界晶核半径 rK为：
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
临界晶核半径rK为：
2Tm 2 rK GV HT
晶核的临界半径rK与过冷度ΔT成反比，过冷度 越大，则临界半径rK越小。另外已经知道，相 起伏的最大尺寸rmax与温度有关，温度越低， 过冷度越大，相起伏的最大尺寸rmax越大。 rmax = rK 所对应的过冷度ΔT K称为临界过冷度。
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
在过冷液体中形成固态晶核时，若液相中各个区域出 现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式为均匀形核， 又称为均质形核或自发形核；
若新相优先出现在液相中某些区域，则称为非均匀形 核，又称为异质形核或非自发形核。 均匀形核是指液态金属绝对纯净，无任何杂质，也不 和型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接 形核的理想情况。实际的液态中，总是或多或少地含有某 些杂质，晶胚常常依附于这些固态杂质质点（包括型壁） 上形核，所以，实际金属的结晶主要是按非均匀形核方式 进行。
液体
晶体
液体中的相起伏
第二章 纯金属的结晶 2.3 金属结晶的结构条件 在液态金属中，每一瞬间都涌 现出大量的尺寸不等的近程有序 原子集团。
相起伏的最大尺寸rmax与温度 有关，温度越高，尺寸越小；温 度越低，尺寸越大，越容易达到 临界晶核尺寸。 根据结晶的热力学条件，只 有在过冷液体中出现的尺寸较大 的相起伏才能在结晶时转变为晶 核，称为晶胚。 最大相起伏尺寸与 过冷度的关系
第二章-纯金属的结晶
分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
43
2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
→局部区域出现重熔现象。
因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。
12
2.1 金属结晶的现象
金属结晶的微观过程
无论金属还是非金属，在结晶时都遵循相同的规律，即结晶
过程是形核和长大的过程。
结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这
些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。形核过程与长大
过程既紧密联系又相互区别。
17
2.2 金属结晶的热力学条件
过冷度与结晶驱动力有什么关系？
18
2.2 金属结晶的热力学条件
液固两相Gibbs自由能差ΔGv为：
ΔGv= -ΔHf ΔT/Tm
• 当T＝Tm时，过冷度ΔT = 0， ΔGv= 0, 没有结晶驱动力，
不能凝固。
• 实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结
晶的热力学条件。
粗糙界面
微观
结构
宏观
结构
44
2.5 晶核的长大
晶体长大机制
界大时将有不同机制。
a. 二维晶核长大机制 （光滑界面、长大速度慢）
b. 螺型位错长大机制 （光滑界面，长大速度较快）
c. 连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，大部分金属晶体以此方
金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。
曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度。
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
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2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
→局部区域出现重熔现象。
因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。
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2.1 金属结晶的现象
金属结晶的微观过程
无论金属还是非金属，在结晶时都遵循相同的规律，即结晶
过程是形核和长大的过程。
结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这
些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。形核过程与长大
过程既紧密联系又相互区别。
17
2.2 金属结晶的热力学条件
过冷度与结晶驱动力有什么关系？
18
2.2 金属结晶的热力学条件
液固两相Gibbs自由能差ΔGv为：
ΔGv= -ΔHf ΔT/Tm
• 当T＝Tm时，过冷度ΔT = 0， ΔGv= 0, 没有结晶驱动力，
不能凝固。
• 实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结
晶的热力学条件。
粗糙界面
微观
结构
宏观
结构
44
2.5 晶核的长大
晶体长大机制
界大时将有不同机制。
a. 二维晶核长大机制 （光滑界面、长大速度慢）
b. 螺型位错长大机制 （光滑界面，长大速度较快）
c. 连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，大部分金属晶体以此方
金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。
曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度。
纯金属的凝固(结晶)
纯金属的凝固（结晶）
2非均匀形核 浸润角对形核影响
G非*
G均* ( 2
3cos
4
cos3
)
纯金属的凝固（结晶）
2非均匀形核 浸润角对形核影响
0o
G非*
G均* ( 2
3cos
4
cos3
)
G非 * 0 晶核在固相质点上直接长大。
180o G非 * G均 * 固相质点不起作用。
越小，G非 * 越小，临界晶核体积越小，N越高。
特点： ①所需过冷度低。 ②在ΔT相同时，形核率高，结晶后晶粒细小。
纯金属的凝固（结晶）
2非均匀形核 1.临界晶核半径与形核功。
ΔG=V•ΔGV +A•σ
假设在平面基底（W）上形成球冠晶核α,晶核 形成时，增加的表面能为：
GS =AL L +AW W AW LW L、W、 LW：分别为晶核与液相、晶核与
纯金属的凝固（结晶） 结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。 金属原子由短程有序变为长程有序的过程。 为何研究结晶:
结晶时，希望获得均匀细小的晶粒→ 强度、硬度高，塑性、韧性好。
纯金属的凝固（结晶） 结晶概念：金属由液态转变为固态的过程。 为何研究结晶:
a.金属生产： 熔炼—浇注—结晶—其它加工。
S Lm Tm
在T≠Tm 时
GV =
-Lm
TS
=
-L m
+
T
Lm Tm
=-L m
Tm Tm
T
=
-Lm
T Tm
GV
LmT Tm
纯金属的凝固（结晶）
2金属结晶的热力学条件
GV
LmT Tm
当ΔT=0时，ΔGV=0 即不结晶也不熔化
第二章纯金属的结晶
第二章纯金属的结晶一．名词解释结晶、过冷度、临界过冷度、结晶潜热、结构起伏、能量起伏、晶胚、晶核、枝晶、晶粒度、均匀形核、非均匀形核、形核功、形核率、光滑界面、粗糙界面、正温度梯度、负温度梯度、变质处理二．填空题1．在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，而把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为。
2．金属实际结晶温度与理论结晶温度之差称为。
3．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。
4．过冷是金属结晶的条件。
5．过冷度是。
一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。
6．液态金属结晶时，结晶过程的推动力是，阻力是。
7．金属结晶两个密切联系的基本过程是和。
8．纯金属结晶必须满足的热力学条件为__________ _ 。
9．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是和。
液态金属的结构特点为。
10．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是。
11．如果其它条件相同，则金属模浇注铸件的晶粒比砂模浇注的__________，高温浇注铸件的晶粒比低温浇注的_____________，采用振动浇注铸件的晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。
12．影响非晶体凝固的主要因素是和。
三．选择题1．液态金属结晶的基本过程是_____________。
A、边形核边长大B、先形核后长大C、自发形核和非自发形核D、突发相变2．金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将____________。
A、比理论结晶温度越低B、比理论结晶温度越高C、越接近理论结晶温度D、同理论结晶温度相等3．液态金属结晶时，___________越大，结晶后金属的晶粒越细小。
A、形核率NB、长大率GC、比值N/GD、比值G/N4．纯金属结晶过程中，过冷度越大，则_____________。
A、形核率增大、长大率减少，所以晶粒细小B、形核率增大、长大率增大，所以晶粒细小C、形核率增大、长大率增大，所以晶粒粗大D、形核率减少、长大率减少，所以晶粒细小5．若纯金属结晶过程处在液－固相平衡共存状态下，此时的温度同理论结晶温度相比_____________。
第二章-纯金属的结晶
第二章纯金属的结晶一、名词：结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程.结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。
孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。
结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。
近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。
远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。
结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。
晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。
形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。
过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。
均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。
非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。
变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。
能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。
正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。
负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。
晶粒度：晶粒的大小。
缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。
二、简答：1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？答：过冷现象、结晶潜热释放现象2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？答：金属的本性、纯度和冷却速度。
金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大；冷却速度越大，则过冷度越大。
3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？1）界面结构；2）界面附近的温度分布；4. 晶体长大机制有哪几种？1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制5、结晶过程的普遍规律是什么？答：结晶是形核和晶核长大的过程6、均匀形核的条件是什么？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③结晶必须在一定温度下进行。
纯金属的结晶
答：所求合金在1280 时 相的相对质量为1/4。
Cu
18 30
20
40
66 60 80
Ni 100
Ni%
铅-锡合金共晶相图
T,C
L
L+
L+
+
Pb
Sn
Sn%
液相线 固相线 固溶线 固溶线
T,C
共晶反应线 表示从c点到e点范围的合金， 在该温度上都要发生不同程 度上的共晶反应。
2.2.1. 二元合金的结晶 2.2.2 合金的性能与相图的关系
2.2.3 铁碳合金的结晶
1．匀晶相图 2．共晶相图 3．包晶相图 4．共析相图
相图（平衡图、状态图）
平衡条件下，合金的相状态与温度、成份间关系的图形。
T,C
1500 1400 1300 1200 1100 1000 1083
L L+
L
L+
L+
c
d
e
+
共晶点 表示d点成分的合金冷却到
此温度上发生完全的共晶转
变。
Pb
Sn
+ Ld c e
• 共晶转变在恒温下进行。 • 转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。 • 存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。 • 成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。
T,C
纯铁的同素异构转变 1394 C
912 C
-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc
912 C
-Fe，fcc
-Fe，bcc
T 1538
1394
}-Fe，bcc
} 912 -Fe，fcc
} 770
纯金属的结晶课件
纯金属的结晶课件
目录
• 纯金属的结晶概述 • 纯金属的结晶结构 • 纯金属的结晶形态 • 纯金属的结晶性能 • 纯金属的结晶应用 • 纯金属的结晶研究展望
01
纯金属的结晶概述
Chapter
纯金属的结晶定义
纯金属的结晶是指金属从液态冷却转变为固态晶体的过 程。
在结晶过程中，原子或分子的排列从无序状态转变为有 序的晶体结构。
例如，利用纯金属的定向结晶技术可以制备出高性能的单晶材料，在航空航天、能源等领域 具有重要应用价值。此外，通过控制纯金属的结晶形态和结构，还可以开发出具有特殊光学 、电学和磁学性能的新型功能材料。
06
纯金属的结晶研究展望
Chapter
晶体生长机制研究
总结词
深入理解晶体生长机制有助于优化纯金属的结晶过程，提高产品质量。
磁学性能
顺磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的磁化现象，称为顺磁性。
铁磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出强磁化现象，称为铁磁性。
抗磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的反磁化现象，称为抗磁性 。
力学性能
弹性模量
纯金属在受力作用下的弹性变形能力，主要取决于金属的原Biblioteka 间相 互作用力和晶格结构。硬度
纯金属抵抗外力刻划或压入的能力，与金属内部的晶格结构密切相 关。
03
体心立方结构
一些纯金属具有体心 立方晶体结构，如钠 、钾、铁等。
04
六方密排结构
镁、锌等纯金属具有 六方密排晶体结构。
晶体结构的测定方法
X射线衍射分析
利用X射线在晶体中的衍射现象， 可以测定晶体的晶格常数、晶面 间距等参数，从而确定晶体的结 构。
电子显微镜
目录
• 纯金属的结晶概述 • 纯金属的结晶结构 • 纯金属的结晶形态 • 纯金属的结晶性能 • 纯金属的结晶应用 • 纯金属的结晶研究展望
01
纯金属的结晶概述
Chapter
纯金属的结晶定义
纯金属的结晶是指金属从液态冷却转变为固态晶体的过 程。
在结晶过程中，原子或分子的排列从无序状态转变为有 序的晶体结构。
例如，利用纯金属的定向结晶技术可以制备出高性能的单晶材料，在航空航天、能源等领域 具有重要应用价值。此外，通过控制纯金属的结晶形态和结构，还可以开发出具有特殊光学 、电学和磁学性能的新型功能材料。
06
纯金属的结晶研究展望
Chapter
晶体生长机制研究
总结词
深入理解晶体生长机制有助于优化纯金属的结晶过程，提高产品质量。
磁学性能
顺磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的磁化现象，称为顺磁性。
铁磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出强磁化现象，称为铁磁性。
抗磁性
某些纯金属在磁场作用下表现出微弱的反磁化现象，称为抗磁性 。
力学性能
弹性模量
纯金属在受力作用下的弹性变形能力，主要取决于金属的原Biblioteka 间相 互作用力和晶格结构。硬度
纯金属抵抗外力刻划或压入的能力，与金属内部的晶格结构密切相 关。
03
体心立方结构
一些纯金属具有体心 立方晶体结构，如钠 、钾、铁等。
04
六方密排结构
镁、锌等纯金属具有 六方密排晶体结构。
晶体结构的测定方法
X射线衍射分析
利用X射线在晶体中的衍射现象， 可以测定晶体的晶格常数、晶面 间距等参数，从而确定晶体的结 构。
电子显微镜
纯金属的结晶课件
金属晶体结构的形成
金属原子通过相互作用形成稳定的晶 格结构，这种晶格结构决定了金属的 力学、电学和热学等性质。
晶体结构的测定方法
X射线衍射法
利用X射线在晶体中的衍射现象 ，通过分析衍射图谱确定晶体结
构。
中子衍射法
利用中子在晶体中的散射现象， 通过分析散射图谱确定晶体结构
。
电子显微镜法
利用电子显微镜观察晶体表面或 薄片的形貌和电子衍射花样，从
而确定晶体结构。
03
纯金属的结晶缺陷
点缺陷
定义
点缺陷是指晶体中一个或几个原子、分子或原子 团缺失或添加，导致周围晶格发生畸变。
形成原因
在结晶过程中，由于温度下降过快或杂质元素掺 入，导致晶格结构中原子排列不规整。
影响
点缺陷的存在会对金属的物理、化学性能产生影 响，如导电性、热导率等。
线缺陷
定义
科研领域中的应用
金属晶体结构研究
通过纯金属的结晶技术可以研究金属的晶体结构，深入了解金属材料的原子排列和晶体缺 陷等微观结构特征。
金属相变研究
结晶过程中金属会发生相变，通过纯金属的结晶技术可以研究金属相变的规律和机制，为 金属材料的性能优化提供理论支持。
金属材料热力学研究
利用纯金属的结晶技术可以研究金属材料的热力学性质，如熔点、沸点、熵等，为金属材 料的热处理和加工提供理论依据。
形成原因
02
在结晶过程中，由于温度变化或杂质元素分布不均导致晶格在
某一平面内的排列出现偏差。
影响
03
面缺陷的存在会对金属的物理性能产生影响，如电导率、热导
பைடு நூலகம்
率等。
04
纯金属的结晶性能
热学性能
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纯金属的结晶
2.结晶过程
（1）形核
自发形核： 只依靠液体本身在一定过冷条件下形成晶核的过程。 非自发形核： 实际生产中，金属液体内常存在各种固体的杂质微粒，依 附于杂质表面形成晶核的过程。
纯金属的结晶
2.结晶过程
（2）晶核长大 晶核的长大是液态金属中的原子向晶核表面转移，被晶核 不断吸附的过程。当过冷度非常小时，晶核在长大过程中可 以保持规则的外形。过冷度稍大一些，晶核只在生长的初期 可以具有规则外形，随即以树枝状方式长大。
（2）细化晶粒的途径 ①增大过冷度 当过冷度增大时，生核率大大增加，而生长率 增大较慢，因而可细化晶粒。
纯金属的结晶
3.晶粒的细化 （1）晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。
（2）细化晶粒的途径 ②变质处理 又称孕育处理，即在浇注前向金属液体中加入少 量高熔点微粒，以增加结晶时非自发晶核的核心。
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象
④过冷度
由于结晶时放出了结晶潜热，补偿了此时向环 境散发的热量，使温度保持恒定，结晶完成后， 温度继续下降。 冷却速度越大，过冷度越大，即金属的结晶温 度越低。
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固 ②结晶 ③结晶温度 ④过冷度 （2）结晶的能量条件
纯金属的结晶
4.金属铸锭的组织特征
（3）中心等轴晶区 结晶接近铸锭中心，剩下 的液体散热速度慢，过冷度小，
但被流动金属液带进中心的未熔
质点和被冲断的细晶块可以作为 晶核向各方向均匀生长而形成较
粗大的等轴晶粒。
纯金属的结晶
5.金属的同素异构转变
同一种元素在不同固态 温度下，其晶格类型会发生 转变称为同素异构转变。
3.晶粒的细化 （1）晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。
（2）细化晶粒的途径 晶核生长的形核率叫生长率（G）。 单位时间在单位体积内所形成的晶核数目称形 核率（N）。
纯金属的结晶
3.晶粒的细化 （1）晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。
纯铁具有同素异构转变，可以形成体心立方晶格和面心立 方晶格的同素异构体。
体心立方晶格
面心立方晶格
体心立方晶格
（1）表层细晶粒区 当金属液注入锭模后， 表层金属液受到模壁的
强烈过冷，形成大量晶核，
模壁又促进非自发形核， 因而形成细晶区。
纯金属的结晶
4.金属铸锭的组织特征
（2）柱状晶区 细晶粒区形成后，模壁 温度升高，金属液冷却变慢， 形核率下降。由于垂直于模 壁方向散热最快，晶核便沿 着垂直于模壁方向的液体中 长大，形成柱状晶粒。
纯金属的结晶
3.晶粒的细化 （1）晶粒大小对金属性能的影响
晶粒越细小，金属的强度、塑性和韧性都越高。
（2）细化晶粒的途径 ③附加振动 结晶时，采用机械振动、超声波振动或电磁搅 拌等措施，使液态金属在铸型中运动，造成枝晶 破碎，且碎晶块又起晶核作用，从而细化晶粒。
纯金属的结晶
4.金属铸锭的组织特征
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固 ②结晶 ③结晶温度 ④过冷度 （2）结晶的能量条件 金属的结晶只有出现过冷现象，结晶过程才能 自发进行。过冷度越大，结晶的驱动力越大，结 晶越容易进行。
纯金属的结晶
2.结晶过程
金属的结晶过程实际上是原子由不规则排列的液态转 变为原子呈规则排列的固态。 金属结晶包括形核和核的长大两过程。
纯金属的结晶
1、教学目标
通过教学使学生掌握结晶的基本概念，金属的
结晶过程，晶粒的细化，金属铸锭的组织特征。
2、教学重点
金属的结晶过程，晶粒的细化。
3、教学难点
金属的结晶过程，晶粒的细化。
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固 物质由液态转变为固态的过程称为凝固。
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固 ②结晶
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固 ②结晶 物质凝固后获得晶体称为结晶。
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固 ②结晶 ③结晶温度
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象 ①凝固 ②结晶 ③结晶温度 液固转变温度称为结晶温度。
纯金属的结晶
2.结晶过程
（2）晶核长大 晶核形成后，液态金属原子就以此为中心，按一定的几何规 律堆积而形成晶体。在晶核的棱角处，由于散热速度较快优先 生长，形成晶轴，再在晶轴的棱角处以同样原因长出分枝，如 此不断生长和分枝，逐渐发展成为树枝状，称为枝晶，最后树 枝间的空隙被填满，便成为一颗晶粒。
纯金属的结晶
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象
④过冷度
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象
④过冷度
金属的实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0的 现象称为过冷，其温度差△T=T0-T1叫做过冷度。
纯金属的结晶
1.结晶的基本概念 （1）结晶温度和过冷现象
④过冷度
纯金属的结晶