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二、纯金属的结晶

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金属学及热处理第2章 纯金属的结晶(曾娣平)

金属学及热处理第2章 纯金属的结晶(曾娣平)
实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度，原因在结 实际上的结晶温度总是低于这一平衡结晶温度， 晶的能量条件上。在自然界中，任何物质都具有一定的能量， 晶的能量条件上。在自然界中，任何物质都具有一定的能量， 而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变， 而且一切物质都是自发地由能量高的状态向能量低的状态转变， 结晶过程也同样遵循这一规律。 结晶过程也同样遵循这一规律。
本章小结
本章重点 1）金属结晶的条件 2）金属结晶过程 3）细化铸态晶粒的措施 4）金属铸锭宏观组织
作业
1名词解释：结晶 过冷度 过冷现象，细 名词解释： 过冷现象， 晶强化 2 晶体在结晶时，晶核形成种类有哪几种？ 晶体在结晶时，晶核形成种类有哪几种？ 什么是变质处理？ 什么是变质处理？ 3、在铸造生产中，采用哪些措施控制晶粒 在铸造生产中， 大小？在生产中如何应用变质处理？ 大小？在生产中如何应用变质处理？
2.5.3 钢中的杂质元素
一、Si 脱氧剂，（且强化F,提高淬透性） 但SiO2易成为非金属夹 杂, ∴Si%<0.5% Si+O2→SiO2 二、Mn 脱氧剂，除硫剂，（且强化F,提高淬透性），但MnO、MnS 易成为非金属夹杂物, ∴Mn%<0.8% 三、S
M n+S→MnO
Mn+S→MnS
不 利 作 用 ： 引 起 热 脆 ,S ％ <0.050%. < 原 因 ： FeS （ Tm=1190℃ ） ； (Fe+FeS) （ Tm=989℃ ） ； (Fe+FeS +FeO) （Tm=940℃）;锻造温度：1150-1250℃> 有利作用： 有利作用：提高切削加工性
晶粒大小对金属机械性能影响较大，在常温下工作的金 晶粒大小对金属机械性能影响较大， 属其强度、硬度、塑性和韧性， 属其强度、硬度、塑性和韧性，一般是随晶粒细化而有所 提高的。 提高的。 细晶强化：利用细化晶粒来提高材料强度的方法。 细晶强化：利用细化晶粒来提高材料强度的方法。 表1-2 晶粒大小对纯铁力学性能的影响

第二章 纯金属的结晶答案

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。

N2．凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。

N3．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。

二、纯金属的结晶

二、纯金属的结晶
▪粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度 的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。
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图 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观和宏观结构示意图
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二、晶体长大机制
1.二维晶核长大机制
光滑界面每向液相中长大一层都是由一个二维晶核（一个原子 厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长， 如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这 种机制的晶体长大速率很慢。
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▪形成临界晶核时自由能的变化为正值，恰好等于临界晶核表面能的1/3。 ▪形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的2/3，还有1/3的表 面能没有得到补偿，需要另外供给，即需要对形核作功，故ΔGK 称为形核 功。 ▪形核功来源于液体内部的能量起伏。能量起伏是指在液体内部，各微区 自由能不相同的现象。 ▪形核功的大小也随过冷度的增加而降低。
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GV GS GL Lm T Tm
△GV表示单位体积的液体与固体的自由能之差； 负号表示由液态转变为固态自由能降低； Lm为熔化潜热; ΔT = Tm-Tn, 称为过冷度； 过冷度越大，结晶的驱动力也就越大； 过冷度等于0，ΔGv也等于0，没有驱动力结晶不能进行。
结论：结晶的热力学条件就是必须有一定的过冷度。
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ห้องสมุดไป่ตู้1
N2
N
图 形核率与温度及过冷度的关系
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二、非均匀形核
1.临界晶核半径和形核功 在固相质点表面上形成的晶核可能有各种不同的形状，为了 便于计算，设晶核为球冠形。

第二章纯金属的结晶要点

第二章纯金属的结晶要点

图 金属结晶过程示意图
第二节 金属结晶的热力学条件
结晶的热力学条件：
热力学指出，金属的状态不同，则其自由能也不同。
G H TS
压力可视为常数，dp=0
dG Vdp SdT
温度升高，原子活动能力提高，因而原子排列的混乱程度
dG S dT
增加，即熵值增加，系统的自由能随温度的升高而降低。
第四节 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。
第二章 纯金属的结晶
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。
GV H S TS S ( H L TS L ) H S H L T ( S S S L ) ( H L H S ) TS
H L H S H f 为熔化潜热， T Tm时，GV 0，S H f Tm Tm T T H（ ） H f f Tm Tm
时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。 熔化潜热：金属熔化时从固相转变为液相所吸 收的热量。 结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相所放 出的热量。

2纯金属结晶

2纯金属结晶

能加入原子的位置N之比）；X=NA/N
K：波尔兹曼常数。

对不同α 值作△Gs / NkTm 与X 的关系曲线： α ≤2，粗糙（金属）界面。

X=0.5 处曲线有极小点，正好 被原子占据50% 自由能最低；

α ≥5，光滑（非金属）界面。
X=0，X=1 附近曲线有两个极 小点。界面只有几个原子或极 大部分原子位置被固相原子占 据，自由能最低；
：取决于晶体与液体的性质，结晶物质一定，为定值；
σ
LB：取决于杂质与液体的性质；
Lα
在σ
一定，要使cosθ 大，θ 小，主要使σ
α B小。
点阵匹配理论：杂质和晶体要结构相似（晶格类型相同、相 近），点阵常数相当（或原子间距成整数倍）。 符合这种匹配条件的固态粒子称为“活性粒子”。有促进形 核的作用。
凝固结晶长大条件基本规律均匀形核非均匀形核热力学条件结构条件能量条件长大方式光滑界面粗糙界面连续垂直长大晶体缺陷台阶生长二维晶核凝固组织纯晶体凝固时的生长形态正温度梯度下负温度梯度下树枝状生长晶粒大小控制控制过冷度变质处理搅拌振动形核率线长大速度与过冷度
第二章 纯金属的结晶

液态金属变为固态金属的过程——结晶。
特征： （1）界面上原子排列成整齐的原子平面，即晶
体学的某一晶面；
（2）界面把液固截然分开，无过渡层。
Jackson用最近邻键模型讨论了液/固界面结构: 设原界面是平面，在平面上加入的原子随机排列，使 界面粗糙化，界面吉布斯自由能变化△GS:
α ：Jackson因子，决定于材料种类和生长晶体结构 参数。 X：表面结点占据率（界面上固相原子数NA与界面上可


3、固态粒子表面形态对形核的影响

第二章 纯金属的结晶 金属学及热处理课件

第二章 纯金属的结晶 金属学及热处理课件
上一级
四、金属结晶后的晶粒大小 ㈠ 概念 1、 晶粒度——衡量晶粒大小的尺度，常
以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径 来表示。
2、 形核率——指单位时间、单位体积中
所形成的晶核数目。
3、 长大速度——指单位时间内晶核向周
围长大的平均线速度。
上一级
㈡ 影响晶粒大小的因素
晶粒大小对金属的力学性能、物理性能和化学 性能均有很大的影响。
三、纯金属的结晶过程
结晶的过程是不断形核和长大的过程。
1、 形核
液体中存在着许多类似于晶体的小集团，当低 于理论结晶温度时，这些小集团中的一部分就 成为稳定的结晶核心，称为晶核。
2、 长大
晶体的长大过程是液体中原子迁移到固体表面， 使液—固界面向液体中推移的过程。
上一级
上一级
晶体长大的方式：
⑴ 平面状长大
1、形核率的影响
形核率越大，晶粒越细。
2、长大速率的影响
长大速率越小，晶粒越细。
上一级
㈢ 细化晶粒的方法
1、 增加过冷度（图）
形核率N，长大速率G都随过冷度△T的增加而 增大。△T越大，N∕G越大。使单位体积中的晶 粒数目越多，故晶粒越细化。
2、 变质处理 在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂， 使结晶时的形核率N增加或降低长大速率G，这 种方法称为变质处理。
解释：正温度梯度下，界面上局部微小区域有偶尔冒出 而伸入到过冷度较小的L中时，它的长大会减慢，甚至 停止，周围部分会赶上，冒出部分消失，L∕S界面始终保 持平面状。
⑵ 树枝状长大
解释：负温度梯度下，界面上局部微小区域有偶尔冒出 而伸入到L中时，△T增加凸出部分生长加快，形成晶轴， 同时这些晶轴还可产生二次晶轴形成树枝状形态。上一级Fra bibliotek温度梯度

第二章 纯金属的结晶

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。

第二章 纯金属的结晶

第二章 纯金属的结晶
以在上面直接结晶长大.
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。

第二章 纯金属的结晶

第二章 纯金属的结晶

均匀形核时的能量变化
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成 假设过冷液体中出现一个半径为 r 的球形晶胚，它所引起的自由能变 化为： 4 3 G r GV 4r 2 3 在开始时，表面能项占优势，当r增加 到某一临界尺寸后，体积自由能的减 少将占优势。于是在ΔG与r的关系曲 线上有一个极大值ΔGK，与之对应的r 值为rK。 对上式进行处理，得到临界晶核半径 rK为：
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
临界晶核半径rK为：
2Tm 2 rK GV HT
晶核的临界半径rK与过冷度ΔT成反比，过冷度 越大，则临界半径rK越小。另外已经知道，相 起伏的最大尺寸rmax与温度有关，温度越低， 过冷度越大，相起伏的最大尺寸rmax越大。 rmax = rK 所对应的过冷度ΔT K称为临界过冷度。
第二章 纯金属的结晶 2.4 晶核的形成
在过冷液体中形成固态晶核时，若液相中各个区域出 现新相晶核的几率都是相同的，这种形核方式为均匀形核， 又称为均质形核或自发形核；
若新相优先出现在液相中某些区域，则称为非均匀形 核，又称为异质形核或非自发形核。 均匀形核是指液态金属绝对纯净，无任何杂质，也不 和型壁接触，只是依靠液态金属的能量变化，由晶胚直接 形核的理想情况。实际的液态中，总是或多或少地含有某 些杂质，晶胚常常依附于这些固态杂质质点（包括型壁） 上形核，所以，实际金属的结晶主要是按非均匀形核方式 进行。
液体
晶体
液体中的相起伏
第二章 纯金属的结晶 2.3 金属结晶的结构条件 在液态金属中，每一瞬间都涌 现出大量的尺寸不等的近程有序 原子集团。
相起伏的最大尺寸rmax与温度 有关，温度越高，尺寸越小；温 度越低，尺寸越大，越容易达到 临界晶核尺寸。 根据结晶的热力学条件，只 有在过冷液体中出现的尺寸较大 的相起伏才能在结晶时转变为晶 核，称为晶胚。 最大相起伏尺寸与 过冷度的关系

第二章-纯金属的结晶

第二章-纯金属的结晶
分开，没有过渡层。 光学显微镜下，光滑界面由了若
干曲折的小平面构成，所以又称小平面界面。
b. 粗糙界面 (Rough interface)：原子尺度下，界面两侧有几
个原子层厚度的过渡层，固液原子犬牙交错排列。光学
显微镜下，这类界面是平直的，所以又称非小平面界面。
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2.5 晶核的长大
界面结构
光滑界面
→局部区域出现重熔现象。
因此结晶潜热的释放和重熔，是影响结晶的重要因素。
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2.1 金属结晶的现象
金属结晶的微观过程
无论金属还是非金属，在结晶时都遵循相同的规律，即结晶
过程是形核和长大的过程。
结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这
些晶核再不断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。
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2.2 金属结晶的热力学条件
过冷度与结晶驱动力有什么关系？
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2.2 金属结晶的热力学条件
液固两相Gibbs自由能差ΔGv为：
ΔGv= -ΔHf ΔT/Tm
• 当T＝Tm时，过冷度ΔT = 0， ΔGv= 0, 没有结晶驱动力，
不能凝固。
• 实际结晶温度必须低于理论结晶温度，这样才能满足结
晶的热力学条件。
粗糙界面
微观
结构
宏观
结构
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2.5 晶核的长大
晶体长大机制
界大时将有不同机制。
a. 二维晶核长大机制 （光滑界面、长大速度慢）
b. 螺型位错长大机制 （光滑界面，长大速度较快）
c. 连续或垂直长大机制（粗糙界面，长大速度快，大部分金属晶体以此方
金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。
曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度。

第二章纯金属的结晶

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NB、长大率GC、比值N/GD、比值G/N4．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_____________。

第二章 纯金属的结晶

第二章 纯金属的结晶
1）光滑界面： 以原子尺寸观察时，表现为固 相界面上原子排列的光滑、平 整，固液两相以界面分开，界 面以上，所有原子处于液体状 态；在界面以下，所有原子处 于固体状态。 显微尺度：参差不齐的锯齿状。
界面-密排面
小平面界面
2） 粗糙界面：
以原子尺寸观察时，固相界 面上的原子高低不平，犬牙 交错分布。 微观上：平整
第二章
纯金属的结晶
第一节 金属的结晶现象
1、概念：
由液态转变为固态的过程，称凝固。如果转变成的固态是 晶体，这个过程就是结晶。
特点：(2个) 1）存在过冷现象和过冷度： 过冷现象：由热分析法测得纯金属的冷却曲线

看出：金属结晶前，温度连续下降，冷却到理论结晶温度 Tm（熔点）时，并未结晶，需继续冷却到Tm之下某一温度 Tn（实际结晶温度）时，才开始结晶，此过程称过冷现象。



N2：受原子扩散能力影响的形核率因子。温度越 高，原子的扩散能力越大，则N2越大。
N、N1、N2与温度关系的示意图如下：

由图ａ：△Ｔ↗→Ｔ↘→Ｎ１↗，△Ｔ↘→Ｔ↗→Ｎ2↗， 即结晶刚开始，Ｎ随△Ｔ的增大而增大；超过极大值时，Ｎ 又随△Ｔ的增大而减小 大多数金属的形核率总是随过冷度的增大而增大，如图ｂ。 在开始一段过冷度范围内，几乎不产生晶核；当降低到某一 温度，形核率急剧增加，对应温度称有效成核温度。
过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，
称过冷度，以△T表示。△T=Tm－Tn；


结晶的必要条件：有一定过冷度
影响过冷度的因素：


金属的本性：金属不同，过冷度不同；
金属的纯度：纯度越高，过冷度越大； 冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低；

第二章-纯金属的结晶

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？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③结晶必须在一定温度下进行。

第2章 纯金属的结晶

第2章 纯金属的结晶
（二）粗糙界面
在液-固界面上，接近50%的位置被固相原子占据，这种界面称粗糙界面。
与光滑界面比较，粗糙界面有一定的宽度，称过度层。在过度层内只有约50%的位置被固相原子占据，另50%的位置被液相原子占据。在光学显微镜下，粗糙界面反而显得较平直，见P46图19。
液-固界面的微观结构取决于界面的能量。即液-固界面的微观结构应该是界面能最低的结构。若在光滑界面上任意添加原子，其自由能的变化为：
上式作图，见P38图9。对应的半径为。当时，不能成为晶核。当时，可成为晶核。称临界晶核半径。
当时，，为什么还能成为晶核呢？这是因为液态金属中存在能量不均匀现象，称能量起伏。计算表明
即形成临界晶核时，体积自由能的降低只能抵消三分之二的界面能，另三分之一界面能需通过能量起伏来提供。称形核功。
（三）形核率
形核率表示形核的速度，用单位时间单位体积液相中形核的数目表示。虽然，形核率越高，凝固后晶粒数量越多，即晶粒越细小。
形核率受过冷度的影响。对金属来说，形核率与过冷度的关系如P41图13。可见，当小于某临界值时，几乎不形核。当达到时，形核率突然增大，。
二、非均匀形核
理论和实验都证明，均匀形核需要很大的过冷度。例如，纯铁的过冷度高达295℃，但实际上过冷度不超过20℃。研究发现，过冷熔液可借助熔液中的固相杂质或器壁形核，这种形核方式称非均匀形核。
式中，α为杰克逊因子；N为界面上原子位置总数；x为被固相原子占据的百分数。将上式作图，P46图20。可见
1）当时，在处，界面能最小，为粗糙界面。
2）当时，在或处，界面能最小，为光滑界面。
通常金属的，为粗糙界面。典型非金属相的，为光滑界面。
二、晶体长大的机制
（一）光滑界面

1-2纯金属的结晶

1-2纯金属的结晶

二、晶粒大小对金属的影响

金属的晶粒大小对金属材料的机械性能、 化学性能和物理性能影响很大。 一般情况下，晶粒越细小，金属材料的 强度和硬度越高，塑性和韧性越好。 因为晶粒越小，晶界越多。晶界处的晶体 排列是非常不规则的，晶面犬牙交错，互 相咬合，因而加强了金属间的结合力。工 业中常用细化晶粒的方法来提高金属材料 的机械性能，称为细晶强化。
液态金属的结晶是在一定过冷度的条件
下，从液体中首先形成一些微小而稳定 的小晶体，然后以它为核心逐渐长大。 这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。 在晶核长大的同时，液体中又不断产生 新的晶核并不断长大，直到它们互相接 触，液体完全消失为止。因此，结晶过 程是晶核的形成与长大的过程。
图是金属的结晶过程示意图。结晶开始时， 液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶 格类型排列成微小的晶核，以后晶核向着不 同位向按树枝生长方式长大，当成长的枝晶 与相邻晶体的枝晶互相接触时，晶体就向着 尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液 全部凝固为止。最后形成了许多互相接触而 外形不规则的晶体。这些外形不规则而内部 原子排列规则的小晶体称为晶粒。由于每个 晶粒的位向不同，使它们相遇时不能合为一 体，这些晶粒与晶粒之间的分界面称为晶界。

2. 变质处理

变质处理就是在液体金属中加入孕育 剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织。 变质剂的作用在于增加晶核的数量或者 阻碍晶核的长大。例如，在铝合金液体 中加入钛、锆；钢水中加入钛、钒、铝， 铸铁中加入硅铁、硅钙、硅钙钡合金， 都可使晶粒细化。

3. 振动
在金属结晶的过程中采用机械振动、 超声波振动等方法，可以破碎正在生长 中的树枝状晶体，形成更多的结晶核心， 获得细小的晶粒。 4. 电磁搅拌 将正在结晶的金属置于一个交变电磁 场中，由于电磁感应现象，液态金属会 翻滚起来，冲断正在结晶的树枝状晶体 的晶枝，增加结晶核心，从而可细化晶 粒。

纯金属的结晶ppt课件

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第二节 纯金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件与结晶过程 二、形核规律：均质形核和非均质形核 三、长大规律 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织 小结
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
1.
纯金属结晶的条
纯 金
件就是应当有一 定的过冷度
过冷度
属T
T= T0 - Tn
晶粒和改善组织的工艺措施。
变质剂的作用：作为非自发形 核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电 磁搅拌等。
振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数 增大过冷度 增加，晶粒细化。
（4）降低浇注速度
在慢速浇注时，液态金属不是在静止状态 下进行结晶，先形成的晶粒可能被流动的 冲击碎化而成为新的晶核，增加了形核率。
.
15
小结
重点要求 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 铸锭组织。
1. 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的，
它们是：
形核和晶核长大
2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作 用是 增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。
3) 过冷度是指为：理论结晶温度 - 开始结晶温度
其表示符号为： T 4) 固溶体的强度和硬度比溶剂：高
(4) 浇注时振动与不振动 <
2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ No ） 2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将：
a. 越高
b√. 越低
c. 越接近理论结晶温度
2) 为细化晶粒，可采用：

纯金属的结晶课件

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金属晶体结构的形成
金属原子通过相互作用形成稳定的晶 格结构，这种晶格结构决定了金属的 力学、电学和热学等性质。
晶体结构的测定方法
X射线衍射法
利用X射线在晶体中的衍射现象 ，通过分析衍射图谱确定晶体结
构。
中子衍射法
利用中子在晶体中的散射现象， 通过分析散射图谱确定晶体结构
。
电子显微镜法
利用电子显微镜观察晶体表面或 薄片的形貌和电子衍射花样，从
而确定晶体结构。
03
纯金属的结晶缺陷
点缺陷
定义
点缺陷是指晶体中一个或几个原子、分子或原子 团缺失或添加，导致周围晶格发生畸变。
形成原因
在结晶过程中，由于温度下降过快或杂质元素掺 入，导致晶格结构中原子排列不规整。
影响
点缺陷的存在会对金属的物理、化学性能产生影 响，如导电性、热导率等。
线缺陷
定义
科研领域中的应用
金属晶体结构研究
通过纯金属的结晶技术可以研究金属的晶体结构，深入了解金属材料的原子排列和晶体缺 陷等微观结构特征。
金属相变研究
结晶过程中金属会发生相变，通过纯金属的结晶技术可以研究金属相变的规律和机制，为 金属材料的性能优化提供理论支持。
金属材料热力学研究
利用纯金属的结晶技术可以研究金属材料的热力学性质，如熔点、沸点、熵等，为金属材 料的热处理和加工提供理论依据。
形成原因
02
在结晶过程中，由于温度变化或杂质元素分布不均导致晶格在
某一平面内的排列出现偏差。
影响
03
面缺陷的存在会对金属的物理性能产生影响，如电导率、热导
பைடு நூலகம்
率等。
04
纯金属的结晶性能
热学性能
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1.负温度梯度 负的温度梯度是指液相中温度 随至界面的距离的增加而降低 的温度分布状况。
在负温度梯度下，界面处的结 晶潜热可以通过固相传导出去， 也可以通过尚未结晶的液相消 失。
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四、晶体生长的 界面形状——晶体形态
1.在正的温度梯度下生长的界面形态 界面处的结晶潜热只能通过固相传导出去，所以界面的推 进速度受到固相传热速度的控制。由于界面处的液体具有 最大的过冷度，当界面上偶尔发生晶体凸起，就会进入温 度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止。因此 固-液界面保持为稳定的平面状，晶体生长以平面状态向前 推进。宏观上为锯齿（或称为台阶）状的光滑界面，也是 如此，界面保持着原状向前平面式推进。
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3．形核率
形核率是指在单位时间单位体积液体中形成的晶核数目，用N表示。 形核率受两个方面因素的控制：一方面是随着过冷度的增加，晶核的
临界半径和形核功都随之减小，结果使晶核易于形成，形核率增加；
另一方面无论是临界晶核的形成．还是临界晶核的长大，都必须伴随 着液态原子向晶核的扩散迁移，没有液态原子向晶核上的迁移，临界 晶核就不可能形成，即使形成了也不可能长大成为稳定晶核。但是增 加液态金属的过冷度，就势必降低原子的扩散能力，结果给形核造成 困难，使形核率减少。 N=N1× N2 N1为受形核功影响的形核率因子； N2为原子扩散能力影响的形核率因子。
结论：非均匀形核的临界晶核半径与均匀形核相同，但形核功 小于均匀形核的形核功。
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2.形核率 （1）过冷度的影响
非均匀形核所需要的过冷度小于均匀形核所需要的过冷度。
（2）固体杂质结构的影响 晶核与杂质的结构相似、尺寸相当时，可以显著提高形核率（点阵匹配
原理）。
（3）固体杂质的形貌 在曲率半径、接触角相同的情况下，晶核体积随界面曲率的不同而改变。 凹曲面的形核效能最高，平面的效能居中，凸曲而的效能最低。在凹曲 面上形核所需过冷度比在平而、凸面上形核所需过冷度都要小。 （4）过热度的影响 （5）其他影响因素
3
2
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G
4 3
r G V 4 r
临界晶核半径
3
2
微分令其等于零，可求 rk 2 GV T Tm
GV Lm rK 2 T m Lm T
当r<rk时，晶胚的长大使系统自由能增加，这样的晶胚不能长大。 当r>rk时，晶胚的长大使系统自由能下降，这样的晶胚可以长大。 r=rk时，晶胚的长大趋势等于消失趋势。这样的晶胚称为临界晶
振动、搅动
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图 非均匀形核率与均匀形核率随过冷度变化而变化的比较
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2.5 晶核长大
晶体的长大从宏观上看，是晶体的界面向液相逐渐推 移的结果。 从微观看，是原子逐个从液相中扩散到晶体表面，并 按晶体点阵规律的要求，占据适当的位置与晶体牢固 连接的过程。 晶体长大的条件：要求液相不断地向晶体扩散供应原 子；二是晶体表面能够不断地牢固地接纳这些原子。
0
时间
图 纯金属结晶时冷却曲线示意图
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二、金属结晶的微观过程
即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，然后这些晶核再不断凝聚液体中的原子而长大。 当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即出生， 而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。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。液态金属中不断 形核、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，结晶过程便告结束。
2.4 晶核的形成
均匀形核（自发形核）：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。 非均匀形核（非自发形核）：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，
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2.形核功 形成临界晶核时自由能的变化ΔGk > 0，这说明形成临界晶核是需要能量 的。形成临界晶核所需的能量ΔGk称 为临界形核功。
G K 4 3 4 3
rK G V 4 rK
2 GV ) G V 4 (
'
2
L
GV 1 3

2
L
Tm
Lm T
L
rk
3
Gk
'
rk
'
2
(
2 3 cos cos 4

)
0 , G k 0 0 ' 180 , G Gk k 0 ' 0 ~ 180 , G k G k
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三、固液界面前沿液体中的温度梯度
1.正温度梯度 正的温度梯度是指液相中温 度随至界面的距离的增加而
提高的温度分布状况。
在正温度梯度下，界面处的 结晶潜热只能通过固相传导 出去，所以界面的推进速度 受到固相传热速度的控制。
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胚，rc称为临界晶核半径。
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rk/nm
rmax，rk/nm
rmax
0
ΔT /℃
ΔTk
ΔT /℃
图
临界晶核半径与过冷度的关系
临界晶核半径和最大晶胚尺寸与过冷度的关系
临界晶核半径随过冷度的增加而减小，而最大晶核半径随过冷度的增 加而增加。 ΔT<ΔTk时， rmax<rk ，不能转变为晶核； ΔT =ΔTk时， rmax=rk ，最大晶核刚好能够转变为晶核； ΔT>ΔTk时， rmax>rk ，液态金属的结晶易于进行。
这个过程叫非自发形核。
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一、均匀形核
1.均匀形核时的能量变化 当过冷液体中出现晶胚时，一方面由于在这个区域中原子由液态的聚集状 态转变为晶态的排列状态，使体系内的自由能降低ΔGv＜0，是相变的驱动 力； 另一方面，由于晶胚构成新的表面，又会引起表面自由能的增加，这构成 相变的阻力。
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
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温 度 Tm △T Tn
1.过冷现温度 Tm(熔点)时，并 未开始结晶，而是需要继续冷却到Tm之 下某一温度Tn ，液态金属才开始结晶。 金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差， 称为过冷度。 2.结晶潜热 一摩尔物质从一个相转变为另一个相时， 随着放出或吸收的热量称为相变潜热。 当液态金属的温度到达结晶温度时，由 于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围 环境的热量，所以在冷却曲线上出现了 平台，平台延续的时间就是结晶过程所 用的时间。
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2.2 金属结晶的热力学条件
热力学第二定律（自由能最低原理）：物质的稳定状态一定是其自由能 最低的状态。
△ G=GS-GL T>Tm，△ G=GS-GL>0,液态； T=Tm，△ G=GS-GL=0,两相共存； T<Tm，△ G=GS-GL<0,固态。
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开。 液态结构的最重要特征是原子排列为长程无序，短程有序，并且短
程有序原子集团不是固定不变的，它是一种此消彼长，瞬息万变，尺
寸不稳定的结构，这种现象称为结构起伏或相起伏。 温度越低，结构起伏尺寸越大。
Rmax/nm
0
ΔT /℃
图 最大相起伏尺寸与过冷度的关系 2018/3/29 金属学与热处理 11
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一、固液界面的微观结构
固-液界面(Solid-liquid interface)按微观结构可以分为光 滑界面(Smooth interface)和粗糙界面(Rough interface)两 种。 所谓光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面， 固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从 宏观来看，界面呈锯齿状的折线。 粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度 的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。
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图
正温度梯度下两种界面形态
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图 光滑界面（a）和粗糙界面（b）的微观和宏观结构示意图
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二、晶体长大机制
1.二维晶核长大机制
光滑界面每向液相中长大一层都是由一个二维晶核（一个原子 厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长， 如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这 种机制的晶体长大速率很慢。
在过冷的条件下，晶胚形成时，系统自由能的变化包括转变为固态的那部
分体积引起的自由能下降和形成晶胚与液相之间的界面引起的自由能(表面 能)的增加。
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G V G V S V 4 3
r
2
3
S 4 r
G
4 3
r G V 4 r
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GV G S G L Lm T Tm