第二章 纯金属的结晶
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金属学与热处理第二章
根据构成能障的界面情况的不同，可能出现两种不同的形核
方式：
均匀形核
非均匀形核
15
3.1 均匀形核
在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。均质生核在熔 体各处几率相同，晶核的全部固－液界面皆由生核过程提供。因 此，所需的驱动力也较大。理想液态金属的生核过程就是均匀形 核，又称均质形核或自发形核。
16
31
(2) 形核速率
' GA Gk GA Gk f ( ) N k1 exp[( )] k1 exp[( )] kBT kBT
根据上式可知，异质形核率与下列因素有关： (1) 过冷度(ΔT)：过冷度越大，形核率越高。
32
(2) 界面：界面由夹杂物的特性、形态和数量来决定。如夹 杂物基底与晶核润湿，则形核率大。 失配度
20
(3) 形核率 形核速率为单位时间、单位体积生成固相核心的数目。临界
尺寸r的晶核处于介稳定状态，既可溶解，也可长大。当r >rk时 才能成为稳定核心，即在rk的原子集团上附加一个或一个以上的 原子即成为稳定核心。其成核率 N 为：
N N1 N 2
Gk N1 N L exp( ) kBT
(1) 形核热力学
液相与固相体积自由能之差--相变的驱动力
由于出现了固/液界面而使系统增加了界面能--相 变的阻力
G G均 V GV 4 3 r GV 4 r 2 3
17
临界形核半径
2 Tm 2 rk Gv H f T
18
(2) 形核功
在实际金属中，由于金属原子的活动能力强，不易出现极大 点，即随着过冷度的增大，形核率急剧增加。 23
(4) 均匀生核理论的局限性 均匀形核的过冷度很大,约为0.2T m，如纯铝结晶时的过冷度
金属学与热处理第二章 纯金属的结晶
所以要发生结晶就必需有过冷度，即实际结晶温 度低于理论结晶温度。这样才能满足结晶的热力学条 件。Δ T越大，Δ G越大，结晶驱动力越大。
§2.3 金属结晶的结构条件
一. 液态金属的结构特点 近程有序，远程无序，不断变化。
大量实验表明，在液体中的微小范围内，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。然而，液态金属中近程规则排列的原子集团并不是 固定不变而是处于不断变化之中。
非均匀形核： 新相晶核是在母相中不均 匀处择优地形成。
就金属结晶而言，均匀形核不受杂质或型壁表面的影响；非 均匀形核是指在液相中依附于杂质或型壁表面形成晶核。实际金
属熔液中不可避免地存在理论对研究金属的凝固问题很有用，因此先 从均匀形核开始入手。
一. 均匀形核
dU Q W
对于可逆反应：
Q 是一定温度下，熵变引起的内能变化。
所以 Q = TdS
W
是在一定压力下，体积变化对外做的功。
所以 W = -PdV
所以，dU = TdS – PdV
将（4）式代入（3）可得：
(4)
dG = TdS - PdV + VdP + PdV– TdS –SdT = VdP–SdT
寸越大。显然，只有在过冷液体中，出现的尺寸较 大的相起伏才有可能在结晶时转变成为晶核，这些 可能在结晶时转变成为晶核的相起伏就是晶核的胚 芽，称为晶胚。
在每一温度下出现的尺寸最
大的相起伏存在一个极限值
rmax, rmax与ΔT的关系如图
§2.4 晶核的形成
均匀形核： 形核 新相晶核是在均一的 母相内均匀地形成。
实际金属晶体有：多晶性；具有各种缺陷（点、线、面） 为弄清楚这些问题就要从其结晶过程入手。
§2.3 金属结晶的结构条件
一. 液态金属的结构特点 近程有序，远程无序，不断变化。
大量实验表明，在液体中的微小范围内，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。然而，液态金属中近程规则排列的原子集团并不是 固定不变而是处于不断变化之中。
非均匀形核： 新相晶核是在母相中不均 匀处择优地形成。
就金属结晶而言，均匀形核不受杂质或型壁表面的影响；非 均匀形核是指在液相中依附于杂质或型壁表面形成晶核。实际金
属熔液中不可避免地存在理论对研究金属的凝固问题很有用，因此先 从均匀形核开始入手。
一. 均匀形核
dU Q W
对于可逆反应：
Q 是一定温度下，熵变引起的内能变化。
所以 Q = TdS
W
是在一定压力下，体积变化对外做的功。
所以 W = -PdV
所以，dU = TdS – PdV
将（4）式代入（3）可得：
(4)
dG = TdS - PdV + VdP + PdV– TdS –SdT = VdP–SdT
寸越大。显然，只有在过冷液体中，出现的尺寸较 大的相起伏才有可能在结晶时转变成为晶核，这些 可能在结晶时转变成为晶核的相起伏就是晶核的胚 芽，称为晶胚。
在每一温度下出现的尺寸最
大的相起伏存在一个极限值
rmax, rmax与ΔT的关系如图
§2.4 晶核的形成
均匀形核： 形核 新相晶核是在均一的 母相内均匀地形成。
实际金属晶体有：多晶性；具有各种缺陷（点、线、面） 为弄清楚这些问题就要从其结晶过程入手。
第二章(2)金属的结晶及二元相图
工程材料与机械制造基础
主讲教师-高丽
纯金属的结晶
1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。 3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。
结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
和韧性。为了提高金属的力学性能，希
望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度
N/G越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
过冷度对N、G的影响
提高冷却速度、增大过冷度
V冷
△T
N/G
枝晶偏析组织 平衡组织 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
2、二元共晶状态图
• 定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能 有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元 共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn
（1）状态图分析
液固相线： 液相线AEB，固相线ACEDB。 A、B分别为Pb、Sn的熔点 CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相 固溶线） DG线：Pb 在Sn中的溶解度线（β相 B A
t
1 2
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
主讲教师-高丽
纯金属的结晶
1.凝固：物质由液态转变为固态的过程。 2.结晶：物质由液态转变为晶态的过程。 3.相变：物质由一个相转变为另一个相的过程。 因而结晶过程是相变过程。
结晶的过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
温 度
理论冷却曲线 结晶平台(是由结晶潜热导致) 实际冷却曲线
和韧性。为了提高金属的力学性能，希
望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核 的数目； 长大速度（G）：晶核单位时间生长的长度
N/G越大，晶粒越细小。
细化晶粒的途径
过冷度对N、G的影响
提高冷却速度、增大过冷度
V冷
△T
N/G
枝晶偏析组织 平衡组织 Cu-Ni合金的平衡组织与枝晶偏析组织
2、二元共晶状态图
• 定义：两个组元在液态完全互溶，但固态只能 有限互溶且发生共晶反应，构成的相图为二元 共晶相图。
如：Pb-Sb、Pb-Sn
（1）状态图分析
液固相线： 液相线AEB，固相线ACEDB。 A、B分别为Pb、Sn的熔点 CF线：Sn在Pb中的溶解度线（α相 固溶线） DG线：Pb 在Sn中的溶解度线（β相 B A
t
1 2
其与液固相线交点a、b所
对应的成分x1、x2即分别
为液相和固相的成分。
② 确定两平衡相的相对重量
设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。
则 QL + Q =1 QL x1 + Q x2 =x 解方程组得
x2 x QL x 2 x1 x x1 Qα x 2 x1
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。
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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
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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
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ห้องสมุดไป่ตู้1
N2
N
图 形核率与温度及过冷度的关系
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金属学与热处理
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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。
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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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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。
2纯金属结晶
能加入原子的位置N之比）；X=NA/N
K：波尔兹曼常数。
对不同α 值作△Gs / NkTm 与X 的关系曲线： α ≤2，粗糙（金属）界面。
X=0.5 处曲线有极小点，正好 被原子占据50% 自由能最低；
α ≥5，光滑（非金属）界面。
X=0，X=1 附近曲线有两个极 小点。界面只有几个原子或极 大部分原子位置被固相原子占 据，自由能最低；
：取决于晶体与液体的性质，结晶物质一定，为定值；
σ
LB：取决于杂质与液体的性质；
Lα
在σ
一定，要使cosθ 大，θ 小，主要使σ
α B小。
点阵匹配理论：杂质和晶体要结构相似（晶格类型相同、相 近），点阵常数相当（或原子间距成整数倍）。 符合这种匹配条件的固态粒子称为“活性粒子”。有促进形 核的作用。
凝固结晶长大条件基本规律均匀形核非均匀形核热力学条件结构条件能量条件长大方式光滑界面粗糙界面连续垂直长大晶体缺陷台阶生长二维晶核凝固组织纯晶体凝固时的生长形态正温度梯度下负温度梯度下树枝状生长晶粒大小控制控制过冷度变质处理搅拌振动形核率线长大速度与过冷度
第二章 纯金属的结晶
液态金属变为固态金属的过程——结晶。
特征： （1）界面上原子排列成整齐的原子平面，即晶
体学的某一晶面；
（2）界面把液固截然分开，无过渡层。
Jackson用最近邻键模型讨论了液/固界面结构: 设原界面是平面，在平面上加入的原子随机排列，使 界面粗糙化，界面吉布斯自由能变化△GS:
α ：Jackson因子，决定于材料种类和生长晶体结构 参数。 X：表面结点占据率（界面上固相原子数NA与界面上可
3、固态粒子表面形态对形核的影响
工程材料 第2章 纯金属和合金的结晶-part1
水晶
结晶crystallization： 液体 凝固solidfication： 液体
晶体 固体
结晶
一、结晶的宏观现象
结晶过程的分析方法——热分析法（thermal analysis）
（一）
过冷现象
1.纯金属结晶时的冷却曲线
冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线
温 度 To T1
理论冷却曲线
G=H-TS 式中，H是焓，T是绝对温度，S是熵，可推得 dG＝Vdp－SdT 在等压时，dp=0，故上式简化 为：（dG/dT）P=-S
由于熵恒为正值，所以自由能 是随温度增高而减小。 熵的物理意义是表征系统中原 子排列混乱程度的参数。
交点温度（Tm）：两相自由能相等。
GL=GS 固态金属自由能与液态金 属的自由能之差ΔG构成了 金属结晶的驱动力。 由于金属在结晶前后液固 体积发生变化。因此，可 以通过液固单位体积自由 能的变化ΔGV来描述相变 过程。
二、晶核的长大机制
——指液态原子以什么方式添加到固相上去 （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 横向长大机制
（一）二维晶核长大机制 ——具有光滑界面的物质的长大机制 晶体的长大只能依靠液相中的结构起伏和能量起伏，使 一定大小的原子集团几乎同时降落到光滑界面上，形成 具有一个原子厚度并且有一定宽度的平面原子集团，使 △GS↑＜△GV↓ ，液态原子不断降落在原始原子集团周 围，自发形成了一个大于临界晶界面的稳定状态。这晶 核即为二维晶核。 晶体以这种方式长大时，其长大速度十分缓慢（单位时 间内晶体长大的线速度称为长大速度，用G表示，单位 为cm/s）。
S1 2r 2 (1 cos )
L L cos
第二章 纯金属的结晶
1.形核功及形核速率
晶胚s
基体c
LC CS cos LS
A1＝ r sin
2
面积与体 积的计算：
A2 2 r sin rd 2 r 2 1 cos
0
V
0
3 2 3cos cos r sin d r r cos r 3 2 3
临界晶核是依靠过冷熔体中的相起伏提供。各种大小的晶胚在相 起伏中出现的几率主要取决于晶胚中的原子数，而与其几何形状
无关。
2）临界生核功 非均质生核的临界生核功也是由过冷熔体的能量起伏提供。这个 能量起伏等于形成临界球冠晶核的相起伏所需的自由能增量。
过冷度越大，临界晶核半径越小，晶胚尺寸越大，其曲率半径越 大。在相同的过冷度条件下，润湿角小的晶胚，在折合成同体积 的情况下，其曲率半径更大些。
Gi LS r 2 2 3cos cos3
cos
LC SC LS
晶核形成前后体积自由能的变化：
2 3cos cos3 V GV r 3
3
GV
形核时总自由能变化：
4 r 3 2 3cos cos3 2 Ghe －V Gm Gi GV 4 r LS 3 4
液态金属的结构：
长程无序，短程有序，结构起伏。短程有序的原子集团
是形核的结构条件。 液态金属的性质： 浓度起伏，结构起伏，能量起伏 对于纯金属是没有浓度起伏
第四节 晶核的形成
均匀形核 非均匀形核 均匀形核与非均匀形核的关联
一、自发形核（均质形核）
第二章 纯金属的结晶
第二章纯金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固。
凝固后的金属有两种：晶体和非晶体。
由于在工业生产中，凝固后的金属多为晶体，所以凝固又称为结晶。
结晶的实质就是金属原子由液相不规则排列过渡到固相规则排列，形成晶体的过程，这是一个相变过程。
所有通过熔炼和铸造得到的金属材料都必须经过结晶过程。
结晶决定了金属材料的铸态结构、组织和性能。
对于铸态条件下使用的铸件来说，结晶基本上决定了它的使用性能和使用寿命；而对于需要进一步加工的铸锭来说，结晶既影响到它的工艺性能，又影响到制成品的使用性能。
因此，研究和控制结晶过程，已成为提高金属材料性能的一个重要手段。
同合金相比，纯金属的结晶过程比较简单。
本章主要介绍纯金属的结晶。
§2.1金属结晶的现象一.金属结晶的宏观特征金属结晶的宏观现象可以用冷却曲线来描述，冷却曲线是用热分析法在极为缓慢的冷却条件下绘制的。
如图2.2是纯金属结晶过程的冷却曲线，从冷却曲线可以看出两个重要的宏观特征。
1.液体金属必须具有一定的过冷度，才能结晶。
本部分内容的重点问题：1）什么是过冷度？2) 过冷度和冷却速度的关系3）结晶是否能在理论结晶温度进行？2.金属结晶过程中有结晶潜热的释放。
本部分内容重点问题：1）什么是结晶潜热？2）纯金属结晶的冷却曲线上的两个转折点分别代表什么？●这两个宏观特征是从纯金属的冷却曲线得到的，但合金的结晶同样具有这两个特征，只是合金的结晶冷却曲线上不会平台，因为合金结晶是在一定温度范围内进行的。
二.金属结晶的微观过程是晶核形成和晶核长大的过程缓慢冷却条件下，小体积液态金属的结晶微观过程可用图2.3描述出来。
从图中可见，液态金属在某一过冷温度下，结晶并不马上开始，而是需要一段时间才能观察出来，这段时间称为孕育期。
结晶开始时，首先在液相中形成一定尺寸的微小晶体，它们被称为晶核。
然后这些晶核会逐渐长大，在此过程中液相又有其它新的晶核源源不断地形成、长大。
这一过程一直进行到液体金属全部消失为止，结晶就结束了。
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4．为什么实际生产条件下，纯金属晶体常以树枝状方式进行长大?
5．为获得非晶态金属，经常将金属液滴到高速旋转的铜盘上，而玻璃则不需要采取这种措施，说明其原因。
6．当对液态金属进行变质处理时，变质剂的作用是什么?
7晶粒大小对金属性能有何影响?如何细化晶粒?
8．在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小?
三、复习自测题
(一)判断题
1．液态金属结构与固态金属结构比较接近，而与气态金属相差较远。
2．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大、小，都能保证结晶过程得以进行。
3．当纯金属结晶时，形核率总是随着过冷度的增大而增加。( )
4．金属面心立方晶格的致密度比体心立方晶格的致密度高。( )
5．金属晶体各向异性的产生，与不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度相关。( )
金属结晶的结构条件相起伏
均质形核与非均质形核的异同点
1形核功
2形核半径
3形核率
4概念
非均质形核的固体杂质形貌对形核率的影响
金属形核要点
晶体长大机制及长大形态
晶粒大小的控制
铸锭三晶区名称及形成过程（柱状晶为重点）
影响柱状晶生长的因素
铸锭缺陷类型
第二章纯金属的结晶
(一)填空题
1．金属结晶两个密切联系的基本过程是和
2在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，通常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。
3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是
4．铸锭和铸件的区别是。
铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。用铸造方法获得的金属物件，即把熔炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其他方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理，所得到的具有度对金属结晶时形核率和长大率的影响规律，并讨论之
复习重点：
1.概念
结晶
过冷度
结晶潜热
结构起伏
能量起伏：
均质形核
非均质形核
临界晶核
形核率
粗糙界面
光滑界面
正温度梯度
负温度梯度
细晶强化
变质处理
铸造织构
2.要点
33页过冷度与冷却速度的关系
35页结晶过程的总结
金属结晶的动力学条件–过冷度
C．自发形核和非自发形核D．枝晶生长
2．液态金属结晶时，越大，结晶后金属的晶粒越细小。
A．形核率N B．长大率G C．比值N／G D．比值G／N
3．过冷度越大，则
A．N增大、G减少，所以晶粒细小B．N增大、G增大，所以晶粒细小
C N增大、G增大，所以晶粒粗大D．N减少、G减少，所以晶粒细小
4．纯金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将。
(二)判断题
1凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。
2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。
3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( )
4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( )
5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( )
6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。
7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。
9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细
10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。
11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。
14．在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀
形核的结果。( )
15．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。( )
(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
6．在实际金属结晶时，往往通过控制N／G比值来控制晶粒度。在下列情况下将获得粗大晶粒。
A．N／G很大B．N／C很小C．N／G居中D．N／G＝1
(四)改错题
1．过冷度就实际结晶温度。
2．变质处理就是浇注时改变材料成分和质量的处理。
变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。钢中常用的变质剂为V,Ti,Al。
2．如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小，为什么?
①金属模浇注与砂模浇注；②高温浇注与低温浇注；
③铸成薄件与铸成厚件；④浇注时振动与不振动。
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（＜）
变质处理常用于大铸件，实际效果较好。
3．理论结晶温度低于金属的实际结晶温度。
4．凝固和结晶都是物质从液态变成固态的过程，所以凝固过程就是结晶过程。
5．冷却速度越大，理论结晶温度就越低。
(五)问答题
2．什么叫过冷度?为什么金属结晶时必须过冷?
3．试从过冷度对金属结晶时基本过程的影响，分析细化晶粒，提高金属材料常温机械性能的措施。
3．晶体中的晶界属于。
A．点缺陷且线缺陷C面缺陷0．体缺陷
5．纯金属结晶的冷却曲线中，由于结晶潜热而出现结晶平台现象。这个结晶平台对应的横坐标和纵坐标表示。
A理论结晶温度和时间B时间和实际结晶温度
C自由能和温度D．温度和自由能
（三)问答题
1．阐述液态金属结构特点并说明它为什么接近固态而与气态相差较远?
A．越高B越低C．越接近理论结晶温度D．没有变化
5．若纯金属结晶过程处在液—固两相平衡共存状态下，此时的温度将比理论结晶温度
A．更高B．更低C；相等D．高低波动
T0为金属的晶体与液体平衡共存的温度，称为理论结晶温度。显然，在这一温度时，金属的结晶速度与熔化速度相等，所以只有进一步冷却，使金属的实际结晶温度Tn低于，T。时，结晶才能进行。结晶时Tn低于T0的现象称为过冷。纯金属的冷却曲线出现一个水平线段，说明其结晶过程是一个恒温过程。这是由于放出的结晶潜热与散热损失相抵消的缘故。直到结晶完了温度才继续下降。
5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是
6．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。
7．液态金属的结构特点为。
8．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。
9．过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。
6．金属的结晶过程分为两个阶段，即先形核，形核停止之后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。
(二)选择题
1．纯金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将。
A．越高B越低C越接近理论结晶温度D．高低波动越大
2．在实际金属结晶时，往往通过控制N／G比值来控制晶粒度。当时，将获得粗大晶粒。
A．N／G很大B．N／G很小C．N／G居中，0．N／G＝1
5．为获得非晶态金属，经常将金属液滴到高速旋转的铜盘上，而玻璃则不需要采取这种措施，说明其原因。
6．当对液态金属进行变质处理时，变质剂的作用是什么?
7晶粒大小对金属性能有何影响?如何细化晶粒?
8．在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒大小?
三、复习自测题
(一)判断题
1．液态金属结构与固态金属结构比较接近，而与气态金属相差较远。
2．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大、小，都能保证结晶过程得以进行。
3．当纯金属结晶时，形核率总是随着过冷度的增大而增加。( )
4．金属面心立方晶格的致密度比体心立方晶格的致密度高。( )
5．金属晶体各向异性的产生，与不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度相关。( )
金属结晶的结构条件相起伏
均质形核与非均质形核的异同点
1形核功
2形核半径
3形核率
4概念
非均质形核的固体杂质形貌对形核率的影响
金属形核要点
晶体长大机制及长大形态
晶粒大小的控制
铸锭三晶区名称及形成过程（柱状晶为重点）
影响柱状晶生长的因素
铸锭缺陷类型
第二章纯金属的结晶
(一)填空题
1．金属结晶两个密切联系的基本过程是和
2在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为，通常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。
3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是
4．铸锭和铸件的区别是。
铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。用铸造方法获得的金属物件，即把熔炼好的液态金属，用浇注、压射、吸入或其他方法注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理，所得到的具有度对金属结晶时形核率和长大率的影响规律，并讨论之
复习重点：
1.概念
结晶
过冷度
结晶潜热
结构起伏
能量起伏：
均质形核
非均质形核
临界晶核
形核率
粗糙界面
光滑界面
正温度梯度
负温度梯度
细晶强化
变质处理
铸造织构
2.要点
33页过冷度与冷却速度的关系
35页结晶过程的总结
金属结晶的动力学条件–过冷度
C．自发形核和非自发形核D．枝晶生长
2．液态金属结晶时，越大，结晶后金属的晶粒越细小。
A．形核率N B．长大率G C．比值N／G D．比值G／N
3．过冷度越大，则
A．N增大、G减少，所以晶粒细小B．N增大、G增大，所以晶粒细小
C N增大、G增大，所以晶粒粗大D．N减少、G减少，所以晶粒细小
4．纯金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将。
(二)判断题
1凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核，形核停止以后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。
2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。
3．近代研究表明：液态金属的结构与固态金属比较接近，而与气态相差较远。( )
4．金属由液态转变成固态的过程，是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( )
5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( )
6．在结晶过程中，当晶核成长时，晶核的长大速度随过冷度的增大而增大，但当过冷度很大时，晶核的长大速度则很快减小。
7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。
9．在其它条件相同时，金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细
10．在其它条件相同时，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。
11．在其它条件相同时，铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。
14．在实际生产条件下，金属凝固时的过冷度都很小(<20℃)，其主要原因是由于非均匀
形核的结果。( )
15．过冷是结晶的必要条件，无论过冷度大小，均能保证结晶过程得以进行。( )
(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
6．在实际金属结晶时，往往通过控制N／G比值来控制晶粒度。在下列情况下将获得粗大晶粒。
A．N／G很大B．N／C很小C．N／G居中D．N／G＝1
(四)改错题
1．过冷度就实际结晶温度。
2．变质处理就是浇注时改变材料成分和质量的处理。
变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。钢中常用的变质剂为V,Ti,Al。
2．如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小，为什么?
①金属模浇注与砂模浇注；②高温浇注与低温浇注；
③铸成薄件与铸成厚件；④浇注时振动与不振动。
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（＜）
变质处理常用于大铸件，实际效果较好。
3．理论结晶温度低于金属的实际结晶温度。
4．凝固和结晶都是物质从液态变成固态的过程，所以凝固过程就是结晶过程。
5．冷却速度越大，理论结晶温度就越低。
(五)问答题
2．什么叫过冷度?为什么金属结晶时必须过冷?
3．试从过冷度对金属结晶时基本过程的影响，分析细化晶粒，提高金属材料常温机械性能的措施。
3．晶体中的晶界属于。
A．点缺陷且线缺陷C面缺陷0．体缺陷
5．纯金属结晶的冷却曲线中，由于结晶潜热而出现结晶平台现象。这个结晶平台对应的横坐标和纵坐标表示。
A理论结晶温度和时间B时间和实际结晶温度
C自由能和温度D．温度和自由能
（三)问答题
1．阐述液态金属结构特点并说明它为什么接近固态而与气态相差较远?
A．越高B越低C．越接近理论结晶温度D．没有变化
5．若纯金属结晶过程处在液—固两相平衡共存状态下，此时的温度将比理论结晶温度
A．更高B．更低C；相等D．高低波动
T0为金属的晶体与液体平衡共存的温度，称为理论结晶温度。显然，在这一温度时，金属的结晶速度与熔化速度相等，所以只有进一步冷却，使金属的实际结晶温度Tn低于，T。时，结晶才能进行。结晶时Tn低于T0的现象称为过冷。纯金属的冷却曲线出现一个水平线段，说明其结晶过程是一个恒温过程。这是由于放出的结晶潜热与散热损失相抵消的缘故。直到结晶完了温度才继续下降。
5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是
6．金属冷却时的结晶过程是一个热过程。
7．液态金属的结构特点为。
8．如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的，薄铸件的晶粒比厚铸件。
9．过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。
6．金属的结晶过程分为两个阶段，即先形核，形核停止之后，便发生长大，使晶粒充满整个容积。
(二)选择题
1．纯金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将。
A．越高B越低C越接近理论结晶温度D．高低波动越大
2．在实际金属结晶时，往往通过控制N／G比值来控制晶粒度。当时，将获得粗大晶粒。
A．N／G很大B．N／G很小C．N／G居中，0．N／G＝1