金属的结晶要点

在实际金属熔液中总是存在某些未溶的杂质粒子， 这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会成 为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相 中某些现成界面而成核的过程都称为非均匀成核 (非自发成核)。非均匀成核所需的过冷度比均匀 成核的小的多。现成界面的状态 ( 表面能、浸润 角、曲率半径、晶格位向等 ) 影响着非均匀成核 的能力。 均匀成核与非均匀成核在金属结晶中是同时存在 的。非均匀成核在实际生产中比均匀成核更重要。 母相在给定的条件下产生晶核的能力可用成核率 (N)来表示。成核率是指在单位时间和单位体积 内所形成的晶核数目。成核率愈大，结晶后晶体 中的晶粒愈细小。
第一节
金属结晶的基础知识
一、结晶的温度与过冷现象
液态金属的冷却过程可以用热分析法测出的冷却曲线 (温度-时间关系曲线)来表述，见图3-1。从曲线上可以 明显地见到结晶开始和结晶结束的温度。对于纯金属在 结晶过程中保持恒温。也就是说纯金属的结晶温度为某 一温度值。但是，对一个合金系来说，除个别成分的合 金同纯金属一样有一个结晶温度之外，多数合金的结晶 开始温度与结束温度是两个温度值。即结晶温度是一个 温度区间。而这个温度区间的大小与合金的化学成分比 有直接的关系。在测定冷却曲线时，人们发现，液态金 属的冷却速度会影响结晶的开始和结束温度。当冷却速 度非常慢(平衡态冷却速度)时，对于成分一定的金属都 有一个固定的结晶温度或结晶温度区间。当冷却速度时 增大时，则结晶温度或结晶温度区间通常都要下降，而 且下降的量随冷却速度加大而增加。
Байду номын сангаас
在图 3-1 中虚线是以平衡状态的冷却速度 (Vm) 冷 却(冷速极慢)的金属冷却曲线。实线是在某一 实际冷却速度 (V1) 冷却的金属冷却曲线。 V1〉 Vm 。图中T1 是纯金属在冷速 V1 是的实际结晶温 度。Tms、Tmf分别是合金在平衡状态下的结晶开 始温度和结晶结束温度。T1s、T1f分别是V1冷速 下合金的实际结晶开始温度和结晶结束温度。 理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度 (△T) 。对于纯金属其过冷度△ T=Tm-T1 。金属 的结晶都是在达到一定过冷度后才进行的，这 中现象称过冷现象。 金属结晶中的过冷度大小主要取决于金属液的冷 却速度和金属液中杂质的含量。冷速愈大，金 属纯度愈高，过冷度也愈大。
只有当动力学条件与热力学条件都得到 保证金属就会顺利的结晶。两者缺一不 可。例如：只有热力学条件而没有动力 学条件金属不能凝固结晶；若只有动力 学条件而没有热力学条件金属虽然可以 凝固但不能结晶。若金属液的冷却速度 非常大，使过冷度极大，原子来不及扩 散就会出现非晶金属。目前，在工业上 已据此制造出了非晶金属微粉和箔。
(二)晶核的形成
晶核的形成分为均匀(自发)成核和非均匀成核。 在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程 叫均匀成核，也成自发成核。在液态母相随时都 存在着瞬时近程有序的原子集团(即结构起伏)。 这种原子集团在没有降到结晶温度之下时是不稳 定的，时生时溶。而当有了一定的过冷度时，某 些进程有序原子集团的尺寸一旦不小于该温度下 的临界晶核尺寸就会稳定下来,成为新生固相的 晶核。临界晶核尺寸是随着过冷度减小而增大的。 若过冷度为零，则临界晶核尺寸为无穷大，即不 能自发成核。相反，过冷度愈大，自发成核的临 界晶核尺寸愈小。也就是说，随着过冷度的增加 液相中自发成核所需的近程有序原子集团的尺寸 也愈小。这意味着过冷度愈大愈易自发形成晶核。
纯金属结晶是在恒温下完成的。即冷却曲线中有 一个平台。这是因为纯金属结晶会释放出“潜 热”。而着潜热刚好弥补了金属液再冷却过程 中向周围环境散发的热量。从而使结晶过程处 于一个温度的动平衡状态。(实际上，对于纯金 属其冷却曲线出现平台之前，还有一个相应的 过冷现象，它为开始结晶提供足够的动力。一 旦结晶开始释放潜热，温度才回升到结晶温度 平台上)。当结晶结束，潜热释放也就结束，凝 固了的金属随着向环境不断散热，温度又逐渐 下降。对于合金 ( 除固定成分外 ) ，在结晶过程 虽然也释放潜热，但达不到温度的平衡，仅能 使结晶过程中冷速变慢，并不出现温度平台。 即结晶过程不是在恒温下进行，而是在一个温 度区间中完成。
液态金属冷却到结晶开始温度为什么会出 现液态固相的转变呢？
这是有物质自由能状态函数决定的。达到了 结晶开始温度，同种化学成分金属其固态的自由 能就开始低于液态的，由于物质在通常条件下都 是自动朝自由能低的方向转变，而且这个自由能 差愈大，其转变也愈快。可见自由能差是液固转 变的推动力。也就是说自由能是金属结晶的动力 学条件。而自由能差是液固转变的推动力。而自 由能差的大小又取决于过冷度的大小。显然，过 冷度也就是金属结晶的动力学条件。金属的结晶 过程是原子由不规则排列向规则排列的变化过程。 这是需要原子进行迁移和扩散。一定的结晶温度 就可以保证原子必要的运动、保证足够的扩散能 力。足够的温度是完成结晶过程的热力学条件。
二．金属的结晶
(一)金属结晶的一般过程
小体积的液态金属其结晶过程，见图3-2。 当液态金属的温度降到一定的过冷度之后， 在液态金属中就开始出现一些极细小的固相小晶 体，这就是晶核。晶核不断地从周围的液态金属 中吸附原子使之不断长大。在一些晶核长大的同 时，还会有新的晶核不断产生和长大，直到全部 液态金属都凝固。每一个晶核都长大成为一个晶 粒。最后便形成了有许多晶粒组成的金属多晶体。 这些晶粒有不规则的外形、晶格位向也各异。可 见，金属结晶的过程包括成核和长大两个基本过 程，而且，这两个过程同时进行。
第三章 金属的结晶与二元金相图
金属材料的获得一般都是要经过对矿产原料 的熔炼、除渣、浇铸等作业后，再凝固成铸锭或 细粉。并通过各种热加工和冷加工获取成材或制 件。由液态冷凝成固态是一个重要环节。金属材 料通常都是多晶体材料，所以金属由液态冷凝成 固态的过程也是一种结晶过程。所谓结晶就是指 晶体材料的凝固。结晶之后得到的金属材料显微 组织称为铸态组织。铸态的显微组织决定着铸态 材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律 可以帮助我们有效地控制金属的凝固条件，从而 获得性能优良的金属材料。