金屬結晶的基本概念 一切物質從液态到固态的轉變過程稱為凝固，如凝固後形成晶體，則稱為結晶。

　　金屬在固态下通常都是晶體，所以金屬自液态冷卻轉變為固态的過程，稱為金屬的結晶。

　　液态金屬中存在許多近程有序排列的原子集團，但不穩，定瞬時出現瞬時消失。在熔點以下，具有一定尺寸的、穩定的有序原子集團轉變為長程有序的狀态，即固體。

　　液态金屬中存在許多近程有序排列的原子集團，但不穩，定瞬時出現瞬時消失

　　凝固： 液體 -- 固體（晶體或非晶體）

　　結晶： 液體 -- 晶體

　　液體 -- 固體（晶體或非晶體）， 液體 -- 晶體

　　1.實際結晶溫度的測定（冷卻曲線）

　　先将純金屬加熱熔化為液體，然後緩慢冷卻下來，同時每隔一定時間測一次溫度，并把記錄的數據繪在溫度－時間坐标中，得到溫度與時間的曲線，即：冷卻曲線（右圖）。

　　可見，随時間的增長，溫度逐漸降低，當到T0溫度時出現一個平台，說明這時雖然液體金屬向外散熱，由于在這一溫度液體開始結晶向外放熱，補償了液體對外的熱量散失，這正是實際結晶溫度。

　　這一平台的開始時間即結晶的開始，終了時間即結晶的終了，結晶終了後就沒有結晶潛熱來補償熱量的散失，所以溫度 又開始下降。

　　實際結晶溫度的測定（冷卻曲線）

　　冷卻曲線的測定

　　2. 結晶時的過冷現象

　　各種純金屬如Fe、Cu等都有一定的結晶溫度。Fe：1539℃，Cu：1083℃等等，這是指理論結晶溫度，也叫平衡結晶溫度，是指液體的結晶速度與晶體的熔化速度相等時的溫度。

　　實際上的結晶溫度總是低于這一平衡結晶溫度，原因在結晶的能量條件上。

　　冷卻曲線

　　液體和固體的由能随溫度的變化：

　　F代表體系的能量，當固态金屬的自由能低于液态金屬的自由能，F固－F液= ΔF＜0時,結晶過程進行。

　　從溫度坐标上看，實際結晶溫度T1低于平衡結晶溫度T0，結晶過程自發進行。

　　液體和固體的由能随溫度的變化

　　液态金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現象稱過冷

　　理論結晶溫度與實際結晶溫度的差T稱過冷度T= T0 –T1過冷度大小與冷卻速度有關，冷速越大，過冷度越大。

　　液态金屬在理論結晶溫度以下開始結晶的現象稱過冷

　　結晶過程的基本規律 1. 形核和核長大，金屬的結晶過程從微觀的角度看，當液體金屬冷到實際結晶溫度後，開始從液體中形成一些尺寸極小的、原子呈規則排列的晶胚成為晶核，這種已形成的晶核不斷長大，同時液态金屬的其它部位也産生新的晶核，新晶核又不斷長大，直到液态金屬全部消失，結晶結束。

　　形核和晶核長大的過程

　　兩種形核方式 —— 自發形核 與 非自發形核

　　自發形核——由液體金屬内部原子聚集尺寸超過臨界晶核尺寸後形成的結晶核心。

　　非自發形核 ——非自發形核是液态金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核，非自發形核所需能量較少，它比自發形核容易得多，一般條件下，液态金屬結晶主要靠非自發形核。

　　兩種長大方式--- 平面生長 與 樹枝狀生長

　　樹枝晶示意圖

　　平面長大方式：在過冷度較小時，純金屬晶體長大須服從表面能最小的原則，沿原子密排面的垂直方向長大速度最慢，沿非原子密排面的垂直方向長大速度最快。這樣，晶體獲得表面為原子最密排面的規則形狀，當許多晶體彼此接觸後，規則形狀才被破壞。

　　平面長大方式

　　樹枝狀長大方式：在過冷度較大并存在雜質時，晶核生長為很小的形狀規則的晶體，然後沿一定方向生長出空間骨架，此被稱為一次晶軸。在一次晶軸增長和變粗的同時，在其側面長出新的枝芽，長成枝幹，此稱為二次晶軸。以此方式，二次晶軸上長出三次晶軸，三次晶軸上長出四次晶軸，直到消耗完全部液體。

　　樹枝狀長大方式

　　2. 影響晶核形成和長大的因素

　　1）過冷度：ΔT大，ΔF大，結晶驅動力大，形核率和長大速度都大，且N的增加比G增加得快，提高了N與G的比值，晶粒變細。　

　　2）變質處理：在液态金屬結晶前，特意加入某些合金，造成大量可以成為非自發晶核的固态質點，使結晶時的晶核數目大大增加，從而提高了形核率，細化晶粒的處理方法。

　　冷卻速度越大，則過冷度越大,晶粒越細小：

　　冷卻速度越大，則過冷度越大,晶粒越細小

　　3.形核率N 、長大速度G 與 過冷度T 的關系：

　　形核率N 、長大速度G 與 過冷度T 的關系

　　4.細化鑄态金屬晶粒的措施

　　實際金屬結晶之後，獲得多晶體。晶粒的大小對于純金屬的性能影響極大。見下表：晶粒度的概念:晶粒是由一個晶核長成的，在顯微鏡下呈顆粒狀，顆粒的大小即為晶粒度，用單位面積上的晶粒數目或晶粒的平均線長度表示。

　　晶粒的大小對于純金屬的性能影響極大

　　晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8級

　　晶粒度 —— 表示晶粒大小，分8級

　　表示晶粒大小，分8級

　　（1）提高過冷度

　　形核率N 、長大速度G 與 過冷度T 的關系

　　（2）變質處理

　　在液體金屬中加入變質劑(孕育劑)，以細化晶粒和改善組織的工藝措施。

　　變質劑的作用：作為非自發形核的核心，或阻礙晶粒長大。

　　（3） 振動、攪拌等：對正在結晶的金屬進行振動或攪動，使成長中的枝晶破碎，使晶核數目顯著增加。

　　振動、攪拌等：對正在結晶的金屬進行振動或攪動，使成長中的枝晶破碎，使晶核數目顯著增加。

　　鑄錠結構及其控制 1.在實際生産中，液态金屬被澆注到錠模中便得到鑄錠，而注入到鑄型模具中成型則得到鑄件。

　　2.鑄錠(件)的組織及其存在的缺陷對其加工和使用性能有着直接的影響。

　　鑄錠(件)的宏觀組織通常由三個區組成:

　　鑄錠(件)的宏觀組織通常 由三個區組成

　　⑴ 細晶等軸區：澆注時，由于冷模壁産生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細的等軸晶粒區。

　　鑄錠(件)的宏觀組織

　　⑵ 柱狀晶區：由于模壁溫度升高，結晶放出潛熱，使細晶區前沿液體的過冷度減小，形核困難。加上模壁的定向散熱，使已有的晶體沿着與散熱相反的方向生長而形成柱狀晶區。

　　⑶粗等軸晶區: 由于結晶潛熱的不斷放出，散熱速度不斷減慢，導緻柱狀晶生長停止，當心部液體全部冷至實際結晶溫度T1以下時，在雜質作用下以非均勻形核方式形成許多尺寸較大的等軸晶粒。

　　鑄錠結晶組織

　　鑄錠結構的特點：

　　1、柱狀晶是由外向裡順序結晶的，較為緻密。但柱狀晶的接觸面是低熔點雜質和非金屬夾雜集中的地方，對于高熔點金屬和雜質多的金屬，如鐵、鎳及其合金，在熱軋和鍛造時容易開裂。

　　2、柱狀晶具有明顯的方向性，其性能沿着柱向較好。

　　3、等軸晶區内，晶粒彼此相嵌，結合牢固，性能均勻，無方向性.。

　　同素異構轉變

　　純鐵的同素異構轉變

　　純鐵的冷卻曲線

　　,

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!