金属结晶的现象

第一节金属结晶的现象
金属结晶过程不能直接观察
一，金属结晶的宏观现象
热分析法获得冷却曲线：
1.纯金属放入坩埚中加热熔化成液态
2.插入热电偶测量温度
3.液态金属缓慢均匀冷却
4.X-Y记录仪将温度和时间记录下来
从冷却曲线可以看出两个宏观特征：
金属在结晶过程中的过冷现象：
过冷度：正的
影响过冷度的因素：金属本性，纯度，过冷度，最小过冷度
相变潜热：
熔化潜热和结晶潜热：
结晶潜热可以在冷却曲线上反映出来：所以在冷却曲线上出现了平台
结晶过程所用的时间和冷却曲线上的两个转折点：平台延续的时间
结晶重熔现象：
二，金属结晶的微观过程
无论是金属还是非金属在结晶时均遵循着相同的规律即结晶过程是形核与长大的过程：
1.首先临界尺寸的形核，然后不断凝聚液体中的原子而长大
2.既紧密联系又相互区别
3.总之结晶过程是由形核和长大两个过程交错重叠在一起的：对于一个晶粒来
说严格的区分为形核与两大两个阶段，整体来说两者互相重叠交织在一起图2.3示意的表示了微小体积的液态金属的结晶过程：
图2.4为氯化铵形核与长大过程的照片
1.孕育期
2.随时间推移，原有晶核长大，同时形成第二批第三批晶核
3.液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程结束由一个晶核长成的晶体就是一个晶粒
多晶体金属：
1.晶核随机形成位向不同
2.晶粒位向不同
单晶体金属：如果结晶过程中只有一个晶核形成并长大。

第四讲金属结晶的现象及条件第一节金属结晶的现象一、主要内容：金属结晶的宏观现象金属结晶的微观现象二、要点：金属结晶的热分析曲线，热分析法，过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的热分析曲线分析，金属结晶的微观过程分析，形核，晶核长大。

三、方法说明：首先介绍热分析法，说明热分析曲线，介绍金属的热分析曲线的特征，说明过冷现象，过冷度，结晶潜热，金属结晶的微观现象，可举例说明晶核的形成和长大的过程，如窗花，盐，冰，植物等增加学生的感性认识和对形核、长大的理解。

授课内容：物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。

凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。

若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶。

一、金属结晶过程中的宏观现象热分析法：将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶测量温度，让液态金属缓慢而均匀的冷却，用X－Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，获得冷却曲线，这种实验方法叫热分析法。

如图图1 热分析实验装置示意图图2 纯金属的冷却曲线2、热分析曲线：纯金属的冷却曲线，即温度随时间的变化曲线。

3、过冷现象：金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固温度Tm的现象。

4、过冷度：理论凝固温度与实际开始凝固温度之差,即Δ T＝Tm-Tn。

结晶潜热：金属熔化时从固态转变为液态需要吸收热量，而结晶时从液态转化为固态要放出热量，前者叫熔化潜热，后者叫结晶潜热。

二、金属结晶的微观过程金属的结晶是一个晶核的形成和晶核的长大过程。

第二节金属结晶的热力学条件第三节金属结晶的结构条件一、主要内容：金属结晶的驱动力和热力学条件结构起伏的概念二、要点：热力学第二定律，物质系统，自发过程，熵的概念，金属结晶过程液固两相自由能之差的推导，液相、固相自由能随温度变化示意图晶胚，晶核，近程有序，远程有序，液态金属的结构，液态金属中不同尺寸结构起伏出现的几率，最大结构起伏尺寸与过冷度的关系三、方法说明：熵，物质系统，自发过程等概念较抽象，打比方形象的说明有利于学生的理解。

金属结晶的现象一、晶体结晶过程的宏观现象（过冷度和结晶潜热）。

1)过冷度（ΔT=T m-T n）2)过冷度和金属的属性和冷却速度有关。

3)金属不同，过冷度不同；金属的纯度越高，过冷度越大；冷却速度越快，过冷度越大。

4)相变潜热1摩尔物资从一个相转变为另一个相时，伴随着吸收或放出的热量。

金属由固态变为液态，需要吸热；由液态变为固态需要放热。

前者称为融化潜热，后者称为结晶潜热。

二、从微观上说，金属的结晶过程就是形核和长大的过程。

1)当金属液体冷却到实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经过一段时间才出现第一批晶核。

结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。

2)晶核由晶胚形成。

3)由一个晶核长成的晶体就是一个晶粒。

4)一个晶粒内存在很多晶胞，并且晶胞位向一致。

5)因此单晶体表现出各向异性。

6)由两个以上晶粒组成的晶体称为多晶体。

7)一般的金属都是多晶体。

并且由无数个晶粒组成。

8)各晶粒位向各异，相互抵消。

9)所以一般金属不表现出各向异性。

金属结晶的热力学条件1、热力学第二定律:在等温等压条件下，物质系统总是自发的从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。

2、自由能之差是促进金属相变的热力学条件，即相变驱动力。

3、4、由上图可知：过冷度越大，自由能之差越大，且液相和固相自由能之差与过冷度成正比。

在过冷度等于0时，自由能之差也为0。

5、过冷度越大，自由能之差越大，相变驱动力越大，结晶速度越快。

金属结晶的结构条件1、液态金属的一个重要特点就是相起伏。

只有在过冷液中相起伏才能形成晶胚。

但不是所有晶胚都可以转化成晶核。

下节将讨论晶胚转化成晶核的条件。

2、晶核的形成1、在过冷液中形成晶核的方式有两种：均匀形核和非均匀形核。

2、实际金属的结晶主要是按非均匀形核方式进行的。

3、在过冷液中并不是所有晶胚都可以形成晶核。

只有那些尺寸等于大于某一临界尺寸的晶胚才能稳定的存在，并自发长大。

4、过冷度越大，临界尺寸越小。

5、从第三节2中可知：过冷度越大，最大相起伏尺寸越大。

名词解释金属的结晶现象金属的结晶现象是指在一定条件下，金属元素的原子以一定的方式排列组合形成晶体结构的过程。

这一过程可以通过熔化后再冷却的方法来观察和研究。

在金属的结晶过程中，最基本的单位是晶胞，它是一个由原子组成的三维空间结构。

晶胞中的原子排列方式称为晶格，不同的金属具有不同的晶格结构，例如面心立方、体心立方和六方最密堆积等。

金属的结晶过程受到多种因素的影响，其中最重要的是温度和冷却速率。

当金属熔化时，原子会失去原来的规则排列，形成液态金属。

当温度降低到一定程度时，原子开始重新排列，形成有序的晶体结构。

冷却速率越快，结晶过程越快，产生的晶体大小越小。

除了温度和冷却速率，金属的成分也会影响其结晶过程。

不同的金属合金具有不同的成分，这些成分会影响金属元素原子的排列方式和晶体结构。

因此，合金的结晶现象往往更为复杂，其中包含了多种晶格和晶界。

金属的结晶现象对其物理和化学性质具有重要影响。

首先，晶体结构决定了金属的密度、热胀冷缩等热学性质。

其次，晶体结构的不同会导致金属具有不同的电导率、磁性等电学性质。

此外，金属晶体中的位错和晶界对金属的力学性能、腐蚀性能等也有重要影响。

为了研究金属的结晶现象，科学家们使用了多种方法和工具。

例如，X射线衍射是一种常用的方法，通过测量晶体衍射的特征可以确定晶体的晶格结构。

电镜技术则可以观察到晶体的微观结构和晶界。

此外，原子力显微镜等现代仪器的发展也为对金属结晶现象的研究提供了强大的工具。

金属的结晶现象不仅仅是对金属物质本身的研究，也有助于了解其他材料的结晶过程。

例如，聚合物与金属不同，其结晶过程更加复杂，但也可以通过类似的方法进行研究。

同时，对金属的结晶现象的深入了解可以为材料的设计和工程应用提供指导和依据。

总之，金属的结晶现象是金属元素在特定条件下重新排列形成晶体结构的过程。

温度、冷却速率和成分等因素会影响金属结晶的方式和性质。

金属的结晶现象对其物理和化学性质具有重要影响，并为材料研究和应用提供了基础。