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。

结晶结束后，每个晶核长大成为一个小晶体，称为晶粒。因为各晶核的形成是随机的，空间位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，结果结晶后得到的是多晶体金属。一般条件下结晶得到的都是多晶体。如果在结晶过程中采取特殊的措施，只允许一个晶核形成和长大，则结晶后得到的是单晶体。所以，从微观上看，就一个晶粒来说，结晶是晶核形成和晶核长大的过程。

●以上结晶过程的微观描述是建立在小体积的液体金属内部温度均匀一致的基础上的。关于大体积，内部温度不均匀的液体金属的结晶，例如：铸锭的结晶，其晶核形成和晶核长大过程要复杂得多，这将在第三章介绍。

§2.2 金属结晶的热力学条件

一.自由能和自由能最小原理

1 . 自由能﹝G﹞

根据热力学知识，系统的自由能﹙G ﹚定义为：

TS H G -=

式中：H 为焓，S 为熵，T 为热力学温度。

在等压条件下，系统的自由能随温度的变化可表示为：

S dT

dG -=或SdT dG -= 熵是衡量原子排列混乱程度的参数，恒为正值。原子排列混乱程度越大，熵越大。随温

度的升高，原子活动能力增强，排列混乱程度增大，熵增大。根据上式，在等压条件下，自由能随温度的变化是负值（因为熵为正值），而且随温度的升高，熵的正值越大，而系统自由能的负值也越大，因此，在等压条件下，随温度升高，系统自由能是降低的﹝负号代表降低﹞。

2. 自由能最小原理。

在等温等压条件下，若系统有两个状态，一个自由能高，而另一个自由能低，则从高自

由能状态向低自由能状态转变能自动进行，无需外界做功。而要实现从低自由能状态向高自由能状态转变，外界必须要对系统做功。也就是说，在等温等压下，系统沿自由能降低的方向转变是自发进行的，系统自由能最小的状态是最稳定的。在热力学上，这被称为自由能最小原理。

三. 金属结晶的热力学条件

金属结晶一般是在等压条件下进行的。固、液两相都有各自的自由能，它们的自由能在

等压条件下随温度的升高同样是降低的，如图2.4所示。究竟哪一条曲线是固相的？哪一条曲线是液相的？原因如下。

因为液相原子排列混乱程度高于固相，因而有：

S L S L S S S S -<-→>；

即有 L L S dT dG -=＜S S S dT

dG -= 上式表示液相熵的负值比固相熵大，因此液相自由能随温度下降的速率大于固相。而

在绝对零度时，因液相原子排列混乱程度大于固相而具有更高的自由能。这一关系可用图

2.4来表示。图中L G 和S G 分别代表液相和固相的自由能随温度变化的曲线，两曲线交于温度m T 。在m T 温度，固、液两相自由能相等。m T 就是理论结晶温度。所以理论结晶温度定义为固、液两相自由能相等所对应的温度，也称平衡熔点。

根据自由能最小原理，要发生液相向固相的自发转变，实现结晶，固相自由能必须小

于液相，从图中可见：这只有在温度小于理论结晶温度时才能实现，这就是液体金属必须具有一定的过冷度，结晶才能自动进行的原因。

四、 金属结晶的驱动力

金属结晶的驱动力从宏观上看是过冷度，从热力学上看是固、液两相自由能之差。实际

上，可以证明单位体积固、液两相自由能之差V G ?和过冷度T ?之间存在如下关系：

m

m V S L T T L G G G ?=?=-

式中m L —结晶潜热。从上可以看出：要实现结晶，根据自由能最小原理， S L G G -＞0，而要保证S L G G -＞0，必须保证T ?＞0，即实际结晶温度必须低于理论结晶温度。并且，过冷度越大，固、液两相自由能之差越大，金属结晶的驱动力也越大。

结论是：金属结晶必须要过冷，过冷是金属结晶的必要条件。但对于不同的金属，过冷度多大才会发生结晶，这仍不清楚。关于这个问题，下一节讨论。

§2.3 晶核的形成

形核有两种方式：均匀形核和非均匀形核。均匀形核是指晶核不依附任何外来物形成，

形核在液相各处的形核几率是相同的；非均匀形核是指晶核依附于外来物（如容器壁和固态杂质）上形成。在工业生产中，由于容器壁和固态杂质不可避免，因此，非均匀形核在金属实际结晶过程中起主要作用。尽管如此，本节重点讨论均匀形核，因为它是全面了解形核的基础。在讨论均匀形核之前，先介绍液态金属中存在的两个现象；结构起伏和能量起伏，这对于认识晶核的来源和形成是有帮助的。

一. 液态金属的结构起伏和能量起伏

1. 结构起伏（相起伏）

研究表明：在液态金属中，存在许多结构类似晶体的原子集团，它们大小不等，时聚时

散，起伏不定，这种结构状态称为结构起伏，也称相起伏。结构类似晶体的原子集团称为晶胚，它是晶核的来源。在液相中，对应一定的温度，总存在一个最大晶胚尺寸﹝max r ﹞，它随温度的降低（即过冷度的增大）而增大。（如图2.6所示）

2. 能量起伏 教科书

二. 均匀形核

液态金属中存在晶胚，它是晶核的来源。哪什么样的晶胚可以成为晶核呢？这需要从自

由能的角度进行分析。

1. 形核时自由能的变化

在一定过冷度下，假设金属液相中形成一个圆形的固相小晶体（即晶胚），则其自由能

的变化包括两个方面：一方面液相向固相转变，使自由能降低，这是结晶的驱动力；另一方面由于在液相中生成固相，出现液固界面，产生界面能，使自由能升高，这是结晶的阻力。所以，金属自由能变化的表达式为：

σππ2343

4r G r G V +?-=? 上式中，“—”表示自由能降低，“+”表示自由能升高。

r ——固相晶胚半径。

V G ?——单位体积液、固两相自由能之差。

σ——界面能。

第一项是体积项，为负值；第二项是面积项，为正值。随晶胚半径的增大，体积项的绝对值总要大于面积项，因而自由能随晶胚半径的增大会出现极大值（如图2.7所示）。求极值的条件是求上式的一阶导数：

令：0)(=?dr

G d V 有：0842=+?-σππr G r V ；V

K G r ?=σ2。 这表明：在结晶过程中，当晶胚的半径为V

K G r ?=

σ2时，金属自由能有极大值，并且极大值为： K V V V V K A G G G G G σσσπσσπσπ312431)2(4)2(34223=????

?????

????? ???=?+??-=?（K A 为圆形晶胚的表面积），极大值为正值。

2. 临界晶核（K r ）和临界形核功（K G ?） 从图2.7中可以看出：当晶胚尺寸小于K r 时，晶胚的长大使自由能升高而不是降低，

这个过程不能自发进行，所以，这种晶胚倾向于重熔，变为液相；当晶胚尺寸大于K r 时，晶胚的长大使自由能降低，这个过程能自发进行，所以，晶胚倾向于继续长大，成为实际的晶核。我们将半径为K r 的晶胚称为临界晶核，定义为能够自发长大的最小晶核半径，而将临界晶核所对应自由能极大值称为临界形核功。临界形核功为正值，它反映了在一定过冷度下，形成晶核所必须克服的最大能垒，克服这个能垒所需要的能量由能量起伏提供。临界晶核尺寸和临界形核功越小，结晶越容易：反之，结晶越困难。 若将m m V T T L G ?=?分别代入临界晶核和临界形核功的表达式；V

K G r ?=σ2、K V K A G G σσσπ3124312=????

?????????? ???=?中，可得： T L T r m m K ?=σ2； 2231316T L T G m

m K ??=?πσ 从这两个公式可以看出：过冷度越大，结晶所需要的临界晶核半径和临界形核功越小，结晶越容易进行。

3. 临界过冷度（K T ?）

前面介绍过：金属液相中由于结构起伏存在着晶胚，最大晶胚尺寸﹝max r ﹞随温度的降低（过冷度的增大）是增大的。而结晶所需要的临界晶核尺寸k r 随过冷度的增大是减小的

（如图2.9所示）。两曲线的交点所对应的过冷度为K T ?。

● 当实际过冷度T ?＜K T ?，液相中存在的最大晶胚尺寸小于该过冷度下结晶要求的临界晶核尺寸k r r

● 当实际过冷度T ?＞K T ?，液相中存在的最大晶胚尺寸大于该过冷度下结晶要求的临界晶核尺寸k r r >max ，其长大会导致自由能降低，这种晶胚就成为实际晶核而不断长大，结晶就可以进行。

所以，我们将K T ?称临界过冷度，即形成晶核所需要的最小过冷度。这解释了为什么

对于一定的金属，过冷度有临界值，若过冷度小于临界值，结晶就不能进行。

4. 形核率（N ）

1) 形核率的定义及其内在影响因素

形核率是指单位时间单位体积液相中形成晶核的数目。它是描述结晶动力学的一个重要

参数。金属结晶时形核率越高，结晶结束后得到的晶粒越细小。以后会了解到，金属材料的晶粒越细小，其低温下的强度、硬度越高，塑性和韧性越好。因此工业生产中一般希望结晶时形核率高。

形核率受两个内在因素的影响：临界形核功和原子的扩散能力。临界形核功越小，形成

晶核所必须克服的最大能垒越小，形核越容易，形核率越大。因为形核是液相原子通过扩散聚集在一起实现的，因而原子的扩散能力越强，形核越容易，形核率越大。

2) 过冷度对形核率的影响

过冷度是通过改变临界形核功和原子扩散能力而影响形核率的。如图2.10所示。一方

面过冷度越大，临界形核功越小，形核率越大，如图2.10中1N 曲线所示；另一方面过冷度越大，实际结晶温度越低，原子扩散能力越弱，形核率越小，如图2.10中2N 曲线所示。基于以上分析，可以得到这样的结论：在熔点m T 以下的某一温度﹝Ta ﹞，形核率会出现极大值（如图所示）。实际结晶温度大于Ta ，形核率受临界形核功影响大，随过冷度的增大而增大；实际结晶温度小于Ta ，形核率受原子的扩散能力控制，随过冷度的增大而减小。如果液相的冷却速度相当大，过冷度很大，实际结晶温度很低，则液相金属原子的扩散能力被冻结，形核率为零，凝固后的金属是非晶体。这种非晶体的固态金属称为金属玻璃。金属玻璃中原子的排列是混乱无序的。

三. 非均匀形核

如前所述，结晶的阻力来自于形核时产生的固液界面的界面能。非均匀形核是依附于外

来物表面形成，结果使界面能减小，从而减小了形核的阻力，使结晶在较小的过冷度下进行。例如：铜均匀形核的过冷度为236℃，而非均匀形核的过冷度不到10℃。由于在实践生产中，固态杂质和容器壁等外来物是不可避免的，因而，形核的方式主要是非均匀形核。

1. 临界晶核和临界形核功

关于非均匀形核的临界晶核和临界形核功，可根据均匀形核的分析方法求得临界晶核半

径和临界形核功分别为：

V K G r ?=σ2/；V V K G f G G ?=????

? ??+-=?)(4cos cos 323/θθθ 从以上两式可看出：均匀形核的临界晶核半径和非均匀形核的相同。由于1)(≤θf （当

θ=180°时，f(θ)=1，此时非均匀形核就变成均匀形核），均匀形核临界形核功总是不小于非均匀形核临界形核功，即均匀形核总比非均匀形核困难。这是为什么非均匀形核可以在较小过冷度下进行的原因。

2. 形核率

关于非均匀形核的形核率，首先考虑的是外来物的数量。如果没有外来物，形核就变成

了均匀形核。

（1） 外来物的数量 外来物的数量越多，形核率越大；反之，形核率越小。此外，外来物的表面结构、形貌也会对形核率产生很大的影响。

（2） 过冷度的影响 同均匀形核一样，非均匀形核的临界形核功也受过冷度的影响。过冷度越大，临界形核功越小，形核率越高。

（3） 振动和搅拌 在结晶过程中，进行震动和搅拌，一方面可使长大的晶体破碎成几个晶核，另一方面向液相提供能量，促使晶核提前形成。

以上三个措施是工业上常用的提高非均匀形核形核率的理论基础。

本节小结：教科书

§4 一个晶核的长大

一、晶体长大的两个条件

当液相中出现大于临界尺寸的晶核后，结晶就开始了。就一个晶核而言，从宏观上看，

晶体长大是固液界面向液相中的推移；从微观上看，晶体长大是依靠原子由液相扩散至晶体表面，占据适当的阵点位置，与晶体牢固地结合起来。因此，晶体长大的条件有两个。 ● 要求原子不断地由液相扩散到晶体表面。

● 要求晶体表面能牢固地接纳原子。

通常，只要有一定的过冷度，原子由液相扩散到晶体表面很容易实现。这样晶体长大就取决于晶体表面接纳原子的能力，而这种能力又与固液界面的结构息息相关。

二、晶体结晶时固液界面的微观结构

从原子尺寸范围来看，晶体结晶时固液界面的微观结构有以下两种。

1. 光滑界面（图

2.16（a ））

从原子尺寸范围来看（下图），这种界面将固相和液相截然分开，界面是光滑的，故称

光滑界面。但从放大几百倍的显微尺寸看（上图），这种界面呈锯齿状。大多数非金属化合物结晶时的固液界面是光滑界面。

2. 粗糙界面（图2.16（b ））

从原子尺寸范围来看（下图），这种界面高低不平，存在着几个原子层厚的过渡层，因

而被称为粗糙界面。但从显微尺寸来看（上图），这种界面是平整。大多数金属和固溶体结晶时的固液界面是粗糙界面。

固液界面的微观结构不同，结晶时界面接纳原子的能力也不同。比较光滑和粗糙界面，

很显然，粗糙界面更容易接纳从液相扩撒来的原子。

三、金属（包括固溶体）晶体的长大机制

由于晶体的固液界面有光滑界面和粗糙界面之分，因此，晶体的长大机制可分为两类：

● 适用于光滑界面的晶体长大机制，主要有二维晶核长大机制、借助晶体缺陷的长大机制 等。

● 适用于粗糙界面的晶体长大机制——垂直长大机制。

由于金属和固溶体的固液界面是粗糙界面，因此这里主要讨论垂直长大机制。

1. 垂直长大机制（连续长大机制）

据测算，粗糙界面上大概有一半的阵点位置能有效地接纳从液相中扩散而来的原子。通

过原子连续地、垂直地进入界面，使界面逐步向液相推移。这种长大方式称为垂直长大方式，也称连续长大方式。只要保证有足够多的原子扩散至界面，这种长大方式的长大速度很快。

2. 垂直长大机制的驱动力

同形核一样，晶体长大的驱动力在热力学上是液固两相的自由能之差，在宏观上是过冷

度。只要维持界面温度小于理论结晶温度，原子就能不断地从液相扩散至固相，晶体就长大了。为了区别于形核时的过冷度，通常将晶体长大所需要的过冷度称为动力学过冷度。

3. 垂直长大机制晶体的长大速度

就垂直长大机制来说，晶体的长大速度v 和动力学过冷度动T ?的关系可用下式表示：

动T v ??=μ

式中μ——常数，约为100cm/(s ﹒k)。从这一数值可看出，当过冷度为1k 时，晶体的长大速度为100cm/s 。由此可见，固液界面只需要很小的过冷度，晶体就能以相当快的速度长大。因此，金属晶体长大所需要的过冷度很小，通常只需几分之一度。这和形核时所需的过冷度相差很大。

四、纯金属结晶时的固液界面形貌

所谓“固液界面形貌”是指在一个晶核长大过程中，从显微尺寸（即放大数百倍）观察

到的固液界面情况，也称固液界面形态。

结晶过程中，有结晶潜热释放。如果释放的结晶潜热向周围环境逸散的速度慢，则界面

前沿液相中的温度梯度可为正值；反之，若释放的结晶潜热向周围环境逸散的速度快，则界面前沿液相中的温度梯度可为负值。这种温度梯度的不同，会造成纯金属结晶时界面形貌有明显的差别。

1. 固液界面前沿液相温度梯度为正

正温度梯度是指液相温度随至界面距离的增加而升高的温度分布情况（如图所示）。很

明显，液相中的过冷度随至界面距离的增加而减小。在结晶过程中，若固液界面偶然有一凸起，则它将深入到过冷度较小的区域，其长大速度会放慢，等待界面其它部分的推进。所以，纯金属结晶时，在界面前沿液相温度梯度为正的情况下，界面状态是平直的。

若平直的界面状态一直维持到结晶结束，得到的是平面状晶粒,若图1.25所示。

2. 固液界面前沿液相温度梯度为负

负温度梯度是指液相温度随至界面距离的增加而降低的温度分布情况（如图所示）。很

明显，液相中的过冷度随至界面距离的增加而增大。在结晶过程中，若固液界面偶然有一凸起，则它将深入到过冷度较大的区域，其长大速度反而比界面其它地方快，凸起长成柱状晶。若柱状晶两侧的液相中也出现温度梯度为负的情况，则柱状晶会长成树枝状晶，如图 2.25所示。所以，纯金属结晶时，在界面前沿液相温度梯度为负的情况下，界面状态是树枝状的。

值得注意，如纯金属纯度很高，结晶结束后，树枝状晶很难观察到。但如果在结晶过程中倒掉剩余的液相，就可看到树枝状晶了。

五、结晶时晶粒大小的控制

1.晶粒度

晶粒度是衡量晶粒大小的参数，它既可以定义为单位面积上晶粒的个数，也可以定义为一个晶粒的平均面积和平均直径。晶粒度，即晶粒大小是属于组织范畴的一个概念，不涉及结构。

2.晶粒大小与金属材料力学性能的关系

对于常温或低温使用的金属材料，晶粒越细小，其强度和硬度越高，同时塑性和韧性越好（见表2.3）。这种利用细化晶粒来提高金属材料强度和硬度的方法，称细晶强化。细晶强化反映了组织对金属材料性能的影响。但对于高温下使用的金属材料，晶粒太细小反而会降低高温强度，因此高温使用的金属材料（如耐热钢）并不要求晶粒细小。

3.工业上结晶时细化晶粒的方法

为了提高常温和低温下使用的金属材料的强度，希望金属材料在结晶后得到晶粒细小的铸态组织，以保证在随后的加工生产结束后，也能得到细小的晶粒，提高材料的力学性能。为此，工业铸造生产中常用的细化晶粒的方法有以下三种。

1)提高冷却速度以增大过冷度

金属结晶时冷却速度快，则过冷度大。过冷度增大，晶核的形核率和晶核的长大速度都增大，但形核率增大的速率比长大速度增大的速率大。因此，过冷度增大，结晶后的晶粒细小（图2.30）。铸造生产中，通过提高冷却速度来增大过冷度的方法主要有：

●采用冷却速度快的铸型教科书

●采用低温浇注或慢浇注教科书

2)变质处理

通过提高冷却速度增大过冷度，来细化晶粒的方法，只适用于小型薄壁铸件，而不适用于大型厚壁铸件。原因是大型壁厚的铸件结晶时，外层金属液相冷却速度快而形核率高，心部冷却速度慢而形核率低。这种在形核率上的差别使得沿铸件截面上晶粒大小不均匀的。为了获得沿铸件截面上大小均匀的晶粒。工业上广泛采用变质处理。

教科书。

3)振动和搅拌

●什么是金属间化合物？其性能特点是什么？

●什么是晶体缺陷？它可分为几类？

●解释：位错、螺型位错、刃型位错、晶界、相界

●晶界有何特性？

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？

金属学与热处理课后习题答案第二章

第二章纯金属的结晶 2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2 b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？ 答： 2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。 答：

2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？ 答： 金属结晶时需过冷的原因： 如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使G s＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素： 金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因： 会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜G s，固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答： 相同点： 1、形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。

2、具有相同的临界形核半径。 3、所需形核功都等于所增加表面能的1/3。 不同点： 1、非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变 化而变化。 2、非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 3、两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的 影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答： 液相中的温度梯度分为： 正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。固液界面的微观结构分为： 光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界 面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系： 1、在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体，其显微界面-晶体学小平面与熔点等温面成一定角度，这种情况有利于形成规则几何形状的晶体，固液界面通常呈锯齿状。 粗糙界面的晶体，其显微界面平行于熔点等温面，与散热方向垂直，所以晶体长大只能随着液体冷却而均匀一致地向液相推移，呈平面长大方式，固液界面始终保持近似地平面。 2、在负温度梯度下： 具有光滑界面的晶体：如果杰克逊因子不太大，晶体则可能呈树枝状生长；当杰克逊因子很大时，即时在较大的负温度梯度下，仍可能形成规则几何形状的晶体。具有粗糙界面的晶体呈树枝状生长。 树枝晶生长过程：固液界面前沿过冷度较大，如果界面的某一局部生长较快偶有突出，此时则更加有利于此突出尖端向液体中的生长。在尖端的前方，结晶潜热散失要比横向容易，因而此尖端向前生长的速度要比横向长大的速度大，很块就长成一个细长的晶体，称为主干。这些主干即为一次晶轴或一次晶枝。在主干形成的同时，主干与周围过冷液体的界面也是不稳的的，主干上同样会出现很多凸出尖端，它们会长大成为新的枝晶，称为称为二次晶轴或二次晶枝。二次晶枝发展到一定程度，又会在它上面长出三次晶枝，如此不断地枝上生枝的方式称为树枝状生长，所形成的具有树枝状骨架的晶体称为树枝晶，简称枝晶。 2-6 简述三晶区形成的原因及每个晶区的特点。 答： 三晶区的形成原因及各晶区特点： 一、表层细晶区

第二章 纯金属的结晶答案

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形核和长大 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为凝固，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固态相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是 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。 变质处理常用于大铸件，实际效果较好。 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，所得到的具有一定形状，尺寸和性能的物件。 5．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、变质处理、振动、搅动6．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 7．液态金属的结构特点为短程有序。 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细，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细，薄铸件的晶粒比厚铸件细。 9．过冷度是金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细。 (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。N 2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。N 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。( Y ) 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。( N ) 金属玻璃---如果液体金属急速地降温，获得极大过冷度，以至没有形核就将温到原子扩散难以进行的温度，得到固体金属，它的原子排列状况与液态金属相似，这种材料称为非晶态金属，又称金属玻璃。 5．当纯金属结晶时，形核率随过冷度的增加而不断增加。( N) 过冷度过大会降低原子的扩散能力，给形核造成困难，使形核率降低。 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。Y 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Y 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。N 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。Y 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。( Y) 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 C．自发形核和非自发形核D．枝晶生长 2．液态金属结晶时， C 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B 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

第二章 纯金属的结晶(金属学与热处理崔忠圻课后答案)

金属学与热处理第二版（崔忠圻）答案 第二章纯金属的结晶 2-1 a）试证明均匀形核时，形成临界晶粒的△Gk与其体积V之间关系式为△Gk=V△Gv/2 b）当非均匀形核形成球冠状晶核时，其△Gk与V之间的关系如何？ 答：

2-2 如果临界晶核是边长为a的正方体，试求出△Gk和a之间的关系。为什么形成立方体晶核的△Gk比球形晶核要大。 答： 2-3 为什么金属结晶时一定要由过冷度？影响过冷度的因素是什么？固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？ 答： 金属结晶时需过冷的原因： 如图所示，液态金属和固态金属的吉布斯自由能随温度的增高而降低，由于液态金属原子排列混乱程度比固态高，也就是熵值比固态高，所以液相自由能下降的比固态快。当两线相交于Tm温度时，

即Gs=Gl，表示固相和液相具有相同的稳定性，可以同时存在。所以如果液态金属要结晶，必须在Tm温度以下某一温度Tn，才能使Gs＜Gl，也就是在过冷的情况下才可自发地发生结晶。把Tm-Tn的差值称为液态金属的过冷度 影响过冷度的因素： 金属材质不同，过冷度大小不同；金属纯度越高，则过冷度越大；当材质和纯度一定时，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 固态金属熔化时是否会出现过热及原因： 会。原因：与液态金属结晶需要过冷的原因相似，只有在过热的情况下，Gl＜Gs，固态金属才会发生自发地熔化。 2-4 试比较均匀形核和非均匀形核的异同点。 答： 相同点： 形核驱动力都是体积自由能的下降，形核阻力都是表面能的增加。 具有相同的临界形核半径。 所需形核功都等于所增加表面能的1/3。 不同点： 非均匀形核的△Gk小于等于均匀形核的△Gk，随晶核与基体的润湿角的变化而变化。 非均匀形核所需要的临界过冷度小于等于均匀形核的临界过冷度。 两者对形核率的影响因素不同。非均匀形核的形核率除了受过冷度和温度的影响，还受固态杂质结构、数量、形貌及其他一些物理因素的影响。 2-5 说明晶体生长形状与温度梯度的关系。 答： 液相中的温度梯度分为： 正温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而提高的温度分布情况。 负温度梯度：指液相中的温度随至固液界面距离的增加而降低的温度分布情况。 固液界面的微观结构分为： 光滑界面：从原子尺度看，界面是光滑的，液固两相被截然分开。在金相显微镜下，由曲折的若干小平面组成。 粗糙界面：从原子尺度看，界面高低不平，并存在着几个原子间距厚度的过渡层，在过渡层中，液固两相原子相互交错分布。在金相显微镜下，这类界面是平直的。 晶体生长形状与温度梯度关系： 在正温度梯度下：结晶潜热只能通过已结晶的固相和型壁散失。 光滑界面的晶体，其显微界面（显微镜下观察到的界面）-晶体学小平面与熔点等温面成一定

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N B、长大率G C、比值N/G D、比值G/N 4．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_____________。 A、相等 B、更高 C、更低 D、难以确定 6．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、自由能和温度 B、温度和自由能 C、理论结晶温度和时间 D、时间和理论结晶温度 四．判断题 1.金属由液态转变为固态的过程称为凝固，是一相变过程。（） 2.金属的纯度越高，则过冷度越大，实际结晶温度越高。（） 3.液态纯金属的温度以极慢的冷却速度连续降低到其理论结晶温度时，该金属即 开始结晶。（）

第二章 纯金属的结晶

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.当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是。 3.液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是。 4.金属冷却时的结晶过程是一个热过程。 5.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。 6.过冷度是。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越。 7.在过冷液中形成固态晶核时，可有两种形核方式：一种是 ，另一种是。 8.金属塑性变形的基本方式是和，冷变形后金属的强 度，塑性。 9.纯金属的实际开始结晶温度总是低于理论结晶温度，这种现象称为， 理论结晶温度与实际开始结晶温度之差称为。 10.液态金属凝固时，粗糙界面晶体的长大机制是_________________，光滑界面晶体的长大机制是______________和___ _____________。 11.液态固溶体合金结晶时，溶质原子重新分布，在固-液界面处形成溶质的从而产生。 12.典型的铸锭可以分为三个区，它们分别是、 和。 13.纯金属结晶应满足三个条件，必须在一定的下进行，且在液态金属中 满足起伏，起伏才能结晶。 14.根据微观结构界面可分为界面、界面。 15.纯金属凝固时，一般只有在条件下才生长成树枝晶，当金属中含有杂质或固溶体合金凝固由于发生所以在条件下也可能生长树枝晶。 二、判断题 1. 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. 液体凝固成固体的过程都是结晶过程。 ( )

第二章纯金属结晶作业答案

第二章纯金属结晶作业答 案 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII

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形核和长大。 2 在金属学中，通常把金属从液态向固态的转变称为结晶，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相变。 3．当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作用是增加非均质形核的形核率 来细化晶粒 4．液态金属结晶时，获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类 型相同的形核剂、振动、搅动 5．金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 6．液态金属的结构特点为长程无序，短程有序。 7．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细小，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小，薄铸件的晶粒比厚铸件细小。 8．过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变，即平衡 相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时，过冷度越大，则晶粒越细小。 9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。 10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。 11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏，即晶 坯。 12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。 (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。( × ) P41+7 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。 ( √ ) P53 图2-33 7．金属结晶时，冷却速度愈大，则其结晶后的晶粒愈细。( √ ) P53-12 8．所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( √ ) 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。( √ ) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。 ( √ )

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。 结晶结束后，每个晶核长大成为一个小晶体，称为晶粒。因为各晶核的形成是随机的，空间位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，结果结晶后得到的是多晶体金属。一般条件下结晶得到的都是多晶体。如果在结晶过程中采取特殊的措施，只允许一个晶核形成和长大，则结晶后得到的是单晶体。所以，从微观上看，就一个晶粒来说，结晶是晶核形成和晶核长大的过程。 ●以上结晶过程的微观描述是建立在小体积的液体金属内部温度均匀一致的基础上的。关于大体积，内部温度不均匀的液体金属的结晶，例如：铸锭的结晶，其晶核形成和晶核长大过程要复杂得多，这将在第三章介绍。 §2.2 金属结晶的热力学条件 一.自由能和自由能最小原理 1 . 自由能﹝G﹞

材料科学基础课件 2.纯金属的凝固

第二章 纯金属的凝固 物质从液态到固态的转变过程称为凝固。绝大多数材料的生产或成形都经历熔化、浇注、冷却过程，凝固为固态得到铸件，再经过其他加工成材。凝固过程中由于外界条件的差异，所获得铸件的内部组织会有所不同，它们的物理、化学和力学性能也会因之而异，对随后的加工工艺或使用带来很大的影响。 了解材料的凝固过程，掌握其有关规律。对控制铸件质量，提高制品的性能等都是很重要的。 如果固态下，材料的结构为晶体，凝固过程是晶体从液态中的生成过程，也称为结晶过程。结晶过程是一相变过程，了解结晶过程也为了解相变过程及相变的普遍规律提供重要的基础。 2-1 金属结晶的现象 一、过冷现象 人们常用热分析法（thermal analysis ）来研究纯金属的结晶过程，即将纯金属加热熔化成液态，然后缓慢冷却下来，记录下如图3.1所示的温度随时间变化的曲线，称为冷却曲线（cooling curve ）。从冷却曲线上可以看出，纯金属自液态缓慢冷却时，随着冷却时间的不断增加，热量不断地向外界散失，温度也连续下降；当温度降到理论结晶温度T 0时，液态纯金属并未开始结晶，而是需要继续冷却到T 0以下某一温度T n 时，液态金属方开始结晶，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度（super cooling degree ），即有ΔT=T 0-T n 。 如图3.1所示，当液态纯金属的温度降到实际结晶温度T n 开始结晶后，冷却曲线上会出现一个平台，这是由于液态纯金属在结晶时产生的结晶潜热（latent 溫度 時間图3.1 纯金属的冷却曲线

heat ）与向外界散失的热量相等的原因，这个平台一直延续到结晶过程完毕，纯金属全部转变为固态为止，然后再继续向外散热直至冷却到室温，相应的冷却曲线呈连续下降。 一般来讲，实际结晶温度总是低于理论结晶温度，但是在极其缓慢的冷却速度条件下，两者相差甚微（约0.02℃左右）。过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。金属种类不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。当以上两个因素确定之后，过冷度的大小主要取决于冷却速度。在实际工程应用中，液态金属冷却速度总是比较快，冷却速度越快，则过冷度越大，实际结晶温度越低。 二、形核与长大过程 人们通过实验证明，结晶过程是形核与长大的过程。结晶时，首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核（nucleus of crystallization ），然后这些晶核再不断地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。图3.3示意地表示了液态金属的结晶过程。当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即产生，而需要经过一定时间以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。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中又产生第二批晶核；依此类推，原有的晶核不断长大，同时又不断产生新的第三批、第四批……晶核，就这样液态金属中不断形核，形成的晶核不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程进行完毕。由一个晶核长成的晶体，就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，这样就形成一块多晶体金属；如果在结晶过程中只有一个晶核形成并长大，则形成一块单晶体金属。 总之，结晶过程是由形核和长大这两个过程交替重叠在一起进行的，对于一个晶粒来说，可以严格地区分其形核和长大这两个阶段，但就整个金属来说，形核和长大是互相交替重叠进行的。 2-2 金属凝固的热力学条件 为什么液态金属在理论结晶温度还不能开始结晶，而必须在一定的过冷条件下才能进行呢？这是由热力学条件决定的。热力学第二定律指出，在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。 这就(a) (b) (c) (d) (e) 图3.3 金属结晶过程示意图

02 金属材料热处理 第二章 纯金属的结晶 教案

第二章 纯金属的结晶 大多数金属材料都是经过冶炼得到液态金属，然后再经过浇铸而得到固态金属。由液态金属凝固成具有晶态结构固相金属的过程称为结晶。掌握液态金属的结晶规律，对控制铸件或铸锭的组织和性能具有重要作用。 一、本章教学目的 1 介绍金属结晶的基本概念和基本过程 2 阐明金属实际的结晶组织及其控制 二、 教学内容及要求 （1）了解金属结晶的宏观现象与微观过程, 掌握金属结晶的热力学条件, 金属结晶的结构条件； （2）掌握晶核形成的均匀形核与非均匀形核机制； （3）了解晶核的长大, 液固界面的微观结构, 晶体长大机制； （4）掌握液固界面前沿液体中的温度梯度, 晶体生长的界面形状与晶体形态, 长大速度, 晶粒大小的控制； （5）掌握金属铸锭的组织与缺陷, 铸锭三晶区的形成，铸锭组织的控制。 重点： （1）晶核的形成条件与方式； （2）晶核长大界面形状与晶体形态, 晶粒大小的控制； （2）铸锭三晶区的形成与控制 难点： （1）金属结晶的热力学条件、结构条件； （2）温度梯度与生长形态； （3）铸锭组织的控制。 §2-1 金属结晶的现象 一、冷却曲线与过冷现象 研究纯金属的结晶过程常采用热分析法，即将纯金属加热熔化成液态，然后缓慢冷却下来，记录温度随时间变化的曲线，称为冷却曲线.。从冷却曲线上可以看出，纯金属自液态缓慢冷却时，随着冷却时间的不断增加，热量不断地向外界散失，温度也连续下降；当温度降到理论结晶温度 Tm 时，液态纯金属并未开始结晶，而是需要继续冷却到 Tm以下某一温度 Tn时，液态金属才开始结晶，这种现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，即有ΔT=Tm-Tn。