2.纯金属的结晶
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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。
第二章 纯金属的结晶
二、 金属结晶的微观过程 当液态金属冷却到熔点Tm以下的某一温度开始结晶时， 在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随后 这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些 新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗 尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。 单位时间、单位液态金属中形成的晶核数叫做形核率， 用N表示，单位为cm-3·s-1。单位时间内晶核增长的线长度 叫做长大速度，用u表示，单位为cm·s-1。 液态金属的结晶过程乃是由形核和长大两个基本过程所 组成，并且这两个过程是同时并进的。
图 均匀形核 图 非均匀形核
第二章 纯金属的结晶
一、均质形核
（一)均匀形核的能量变化和临界晶核半径 在液态金属中，时聚时散的近程有序的原子集团是形 成晶核的胚芽，叫晶胚。
1、能量条件 在过冷条件下，晶胚形成时，系统自由能变化包括体 积自由能的下降和表面能的增加。
G GV V A
G
4 3
r
3GV
第二章 纯金属的结晶
液态金属的结构
图2-6 金属气态、液态和固态的原子排列示意图
第二章 纯金属的结晶
金属结晶的结构的条件——液态金属的结构特征
1、液态金属的热化学特性 金属熔化时其体积变化仅为3%～5%左右，金属的熔
化潜热远小于汽化潜热，金属在熔点温度由固态转 变为液态时的熵变值（熔化熵）相对固态时由室温 至熔点之间的熵变值，实际上有较大的增加。 2、液态金属结构的衍射分析结果 液态金属不存在长程有序的原子分布结构，熔点附近， 小范围内，具有固态晶体规则排列的特征。 3、液态金属中的结构起伏 结构起伏（相起伏）：液态金属中，时聚时散，起伏 不定的近程规则排列的原子集团称为结构起伏。
第二章 纯金属的结晶
金属结晶过程示意图
第二章 纯金属的结晶
§2-2 、金属结晶的热力学条件
G H TS dG Vdp SdT
压力可视为常数，dp=0
dG S dT
温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度 增加，即熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。
第二章 纯金属的结晶
T>Tm,GL<GS, 处于液态； T=Tm,GL=GS, 两相共存； T<Tm,GL>GS, 处于固相。
§2-3金属结晶的结构条件
由X射线分析结果表明，在熔点Tm附近的液 态金属中的原子平均间距比固态稍大些；原子 配位数比密排结构的晶体稍小些，通常在8～11 之间。 由以上研究结果推断，液态金属具有与固态 金属相近似的结构。
第二章 纯金属的结晶
1963巴克提出了准晶体结构模型，即认为在略高于熔点的 液态金属中，存在着许许多多与固态金属中原子排列近似的 微小原子集团。由于液态金属中原子热运动比较激烈，这些 近程规则排列的原子集团不稳定，时聚时散，此起彼伏。 1965～1970年，伯纳尔等人提出了随机密堆模型(非晶体 模型)来描述液体结构。这个模型的基本点是认为液态结构 属非晶态，假设把许多相同的刚性小球倒入一具有不规则的 光滑表面的容器中，用力晃动容器，使刚球彼此紧密接触， 这就是液态金属中原子排列的图象。
图 吉布斯自由能随温度变化的关系
第二章 纯金属的结晶
GV GL GS G H TS
GV HL TSL (HS TSS )
HL HS T (SL SS )
H L H S Lm为熔化潜热， T Tm时，GV 0
GV
Lm
T
Lm Tm
L（ m TmTm T ）
Lm
T Tm
第二章 纯金属的结晶
4r 2
第二章 纯金属的结晶
2、临界晶核
❖r＜rc，其进一步长大将导致体系 总自由能增加，因此这种晶胚不能
成为晶核，会重新熔化；
❖r> rc ，其进一步长大将导致体系 自由能减小，因此半径大于r*的晶 胚能够成为晶核；
❖r=rc ， 其 长 大 的 趋 势 和 熔 化 的 趋 势相等。
❖把 半 径 恰 为 rc 的 晶 核 称 为 临 界 晶 核，而rc称为晶核的临界半径。
第二章 纯金属的结晶
金属的结晶
熔化
电弧炉炼钢
金属的结晶
金属的结晶
金属的结晶
金属的结晶
热连轧钢板
钢 带
钢管
• 铸铁 • 制造承受压力和震动的零件,
如机床床身、各种箱体、壳 体、泵体、缸体。
变速箱体
重型机床床身(HT-250)
大型船用柴油机汽缸体(HT-300)wk.baidu.com
第二章 纯金属的结晶
图 纯铁的冷却曲线
第二章 纯金属的结晶
不同金属的过冷倾向不同，同一种金属的过冷度 也不是恒定值，它将随实验条件而变。冷却速度增 大，会使金属凝固时的过冷度增大。 过冷是金属凝固的必要条件。 （二）结晶潜热 金属由液体冷凝成固体时要放出凝固潜热，如果 这一部分热量恰好能补偿系统向环境散失的热量， 凝固将在恒温下进行。 纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷和恒温。
第二章 纯金属的结晶
第二章 纯金属的结晶
雾 凇
第二章 纯金属的结晶
第二章 纯金属的结晶
§2-1金属结晶的现象
一、结晶过程的宏观现象
图 热分析设备示意图
第二章 纯金属的结晶
（一）过冷现象
从温度—时间曲线（冷却 曲线）可见，纯金属结晶 有两个宏观现象：过冷和 恒温。 纯金属的实际凝固温度Tn 总比其熔点Tm低，这种现 象叫做过冷。 Tm与Tn的差值⊿T叫做过 冷度。
第二章 纯金属的结晶
§2-4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。
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。
第二章 纯金属的结晶
二、 金属结晶的微观过程 当液态金属冷却到熔点Tm以下的某一温度开始结晶时， 在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核。随后 这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些 新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗 尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。 单位时间、单位液态金属中形成的晶核数叫做形核率， 用N表示，单位为cm-3·s-1。单位时间内晶核增长的线长度 叫做长大速度，用u表示，单位为cm·s-1。 液态金属的结晶过程乃是由形核和长大两个基本过程所 组成，并且这两个过程是同时并进的。
图 均匀形核 图 非均匀形核
第二章 纯金属的结晶
一、均质形核
（一)均匀形核的能量变化和临界晶核半径 在液态金属中，时聚时散的近程有序的原子集团是形 成晶核的胚芽，叫晶胚。
1、能量条件 在过冷条件下，晶胚形成时，系统自由能变化包括体 积自由能的下降和表面能的增加。
G GV V A
G
4 3
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3GV
第二章 纯金属的结晶
液态金属的结构
图2-6 金属气态、液态和固态的原子排列示意图
第二章 纯金属的结晶
金属结晶的结构的条件——液态金属的结构特征
1、液态金属的热化学特性 金属熔化时其体积变化仅为3%～5%左右，金属的熔
化潜热远小于汽化潜热，金属在熔点温度由固态转 变为液态时的熵变值（熔化熵）相对固态时由室温 至熔点之间的熵变值，实际上有较大的增加。 2、液态金属结构的衍射分析结果 液态金属不存在长程有序的原子分布结构，熔点附近， 小范围内，具有固态晶体规则排列的特征。 3、液态金属中的结构起伏 结构起伏（相起伏）：液态金属中，时聚时散，起伏 不定的近程规则排列的原子集团称为结构起伏。
第二章 纯金属的结晶
金属结晶过程示意图
第二章 纯金属的结晶
§2-2 、金属结晶的热力学条件
G H TS dG Vdp SdT
压力可视为常数，dp=0
dG S dT
温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度 增加，即熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。
第二章 纯金属的结晶
T>Tm,GL<GS, 处于液态； T=Tm,GL=GS, 两相共存； T<Tm,GL>GS, 处于固相。
§2-3金属结晶的结构条件
由X射线分析结果表明，在熔点Tm附近的液 态金属中的原子平均间距比固态稍大些；原子 配位数比密排结构的晶体稍小些，通常在8～11 之间。 由以上研究结果推断，液态金属具有与固态 金属相近似的结构。
第二章 纯金属的结晶
1963巴克提出了准晶体结构模型，即认为在略高于熔点的 液态金属中，存在着许许多多与固态金属中原子排列近似的 微小原子集团。由于液态金属中原子热运动比较激烈，这些 近程规则排列的原子集团不稳定，时聚时散，此起彼伏。 1965～1970年，伯纳尔等人提出了随机密堆模型(非晶体 模型)来描述液体结构。这个模型的基本点是认为液态结构 属非晶态，假设把许多相同的刚性小球倒入一具有不规则的 光滑表面的容器中，用力晃动容器，使刚球彼此紧密接触， 这就是液态金属中原子排列的图象。
图 吉布斯自由能随温度变化的关系
第二章 纯金属的结晶
GV GL GS G H TS
GV HL TSL (HS TSS )
HL HS T (SL SS )
H L H S Lm为熔化潜热， T Tm时，GV 0
GV
Lm
T
Lm Tm
L（ m TmTm T ）
Lm
T Tm
第二章 纯金属的结晶
4r 2
第二章 纯金属的结晶
2、临界晶核
❖r＜rc，其进一步长大将导致体系 总自由能增加，因此这种晶胚不能
成为晶核，会重新熔化；
❖r> rc ，其进一步长大将导致体系 自由能减小，因此半径大于r*的晶 胚能够成为晶核；
❖r=rc ， 其 长 大 的 趋 势 和 熔 化 的 趋 势相等。
❖把 半 径 恰 为 rc 的 晶 核 称 为 临 界 晶 核，而rc称为晶核的临界半径。
第二章 纯金属的结晶
金属的结晶
熔化
电弧炉炼钢
金属的结晶
金属的结晶
金属的结晶
金属的结晶
热连轧钢板
钢 带
钢管
• 铸铁 • 制造承受压力和震动的零件,
如机床床身、各种箱体、壳 体、泵体、缸体。
变速箱体
重型机床床身(HT-250)
大型船用柴油机汽缸体(HT-300)wk.baidu.com
第二章 纯金属的结晶
图 纯铁的冷却曲线
第二章 纯金属的结晶
不同金属的过冷倾向不同，同一种金属的过冷度 也不是恒定值，它将随实验条件而变。冷却速度增 大，会使金属凝固时的过冷度增大。 过冷是金属凝固的必要条件。 （二）结晶潜热 金属由液体冷凝成固体时要放出凝固潜热，如果 这一部分热量恰好能补偿系统向环境散失的热量， 凝固将在恒温下进行。 纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷和恒温。
第二章 纯金属的结晶
第二章 纯金属的结晶
雾 凇
第二章 纯金属的结晶
第二章 纯金属的结晶
§2-1金属结晶的现象
一、结晶过程的宏观现象
图 热分析设备示意图
第二章 纯金属的结晶
（一）过冷现象
从温度—时间曲线（冷却 曲线）可见，纯金属结晶 有两个宏观现象：过冷和 恒温。 纯金属的实际凝固温度Tn 总比其熔点Tm低，这种现 象叫做过冷。 Tm与Tn的差值⊿T叫做过 冷度。
第二章 纯金属的结晶
§2-4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。