第三章 液态金属的结晶

第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。

§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。

结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。

结构起伏是金属结晶的结构条件。

二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。

单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。

由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn低于理论结晶温度Tm的现象称为过冷。

液态金属过冷是结晶的必要条件。

过冷度：△T=Tm-Tn, 其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。

四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。

热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。

利用最小自由焓原理分析结晶过程。

两相自由焓差是相变的驱动力。

金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。

热力学条件与过冷条件的一致性。

§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。

一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。

第三章金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于固态金属是晶体，故又把凝固称为结晶。

§3.1 结晶的过程和条件一、液态金属的结构特点金属键：导电性，正电阻温度系数近程有序：近程规则排列的原子集团结构起伏：近程规则排列的原子集团是不稳定的，处于时聚时散，时起时伏，此起彼伏，不断变化和运动之中，称为结构起伏。

结晶的结构条件：当近程规则排列的原子集团达到一定的尺寸时，可能成为结晶核心称为晶核, 即由液态金属的结构起伏提供了结晶核心。

结构起伏是金属结晶的结构条件。

二、结晶过程形核：液相中出现结晶核心即晶核；晶核长大：晶核形成后不断长大，同时新晶核不断形成并长大；不断形核、不断长大；晶体形成：各晶核相互碰撞，形成取向各异、大小不等的等轴晶粒组成的多晶体形核与长大是晶体形成的一般规律。

单晶体与多晶体三、结晶的过冷现象用热分析法获得液态金属在缓慢冷却时温度随时间的变化关系，即冷却曲线。

由冷却曲线可知，结晶时有过冷现象：实际结晶温度Tn 低于理论结晶温度Tm 的现象称为过冷。

液态金属过冷是结晶的必要条件。

过冷度：△ T=Tm -Tn ,其大小除与金属的性质和纯度有关外，主要决定于冷却速度，一般冷却速度愈大，实际结晶温度愈低，过冷度愈大。

四、结晶的热力学条件热力学：研究热现象中物态转变和能量转换规律的学科，主要研究平衡状态的物理、化学过程。

热力学第二定律：在等温等压下，自发过程自动进行的方向是体系自由焓降低的方向，这个过程一直进行到自由焓具有最低值为止，称为最小自由焓原理。

利用最小自由焓原理分析结晶过程。

两相自由焓差是相变的驱动力。

金属结晶的热力学条件：固相自由焓必须低于液相自由焓。

热力学条件与过冷条件的一致性。

§3.2 形核的规律形核方式：均匀形核（自发形核）与非均匀形核（非自发形核）。

一、均匀形核均匀形核：当液态金属很纯净时，在相当大的过冷度下，固态晶核依靠液相内部的结构起伏直接从液相中自发形成。

第三章金属与合金的结晶习题解答3-1解释下列名词结晶过冷现象过冷度变质处理晶核同素异构转变枝晶偏析共晶转变答：结晶一一是液态金属凝固为固态的过程。

过冷现象一一是指实际结晶温度总是低于理论结晶温度的现象。

过冷度一一理论结晶温度与实际结晶温度的差值。

变质处理一一在液态金属结晶前加入变质剂，以增加可形核率或降低长大速率，从而细化晶粒的方法。

晶核一一最先形成的、作为结晶核心的微小晶体称为晶核。

同素异构转变一一金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的变化过程。

枝晶偏析——在一个晶粒内部化学成分不均匀的现象，叫枝晶偏析。

共晶转变一一一定成分的液相同时结晶出两种不同固相的转变过程。

3-2晶粒大小对金属的力学性能有何影响？生产中有哪些细化晶粒的方法？答:在常温下，细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。

生产中细化晶粒的方法有：增加过冷度、变质处理、附加振动和降低浇注速度。

3-3如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：(1) 金属型铸造与砂型铸造；(2) 高温浇注与低温浇注；(3) 浇注时采用振动与不采用振动；(4) 厚大铸件的表面部分与中心部分。

答：(1)金属型铸造晶粒较细小；(2)高温浇注晶粒较细小；(3) 浇注时采用振动晶粒较细小；(4)厚大铸件表面晶粒较细小。

3-4试分析比较纯金属、共晶体、固溶体三者在结晶过程和显微组织上的异同之处。

3-5金属的同素异构转变与液态金属结晶有何异同之处？答：金属同素异构转变和结晶过程都有固定的温度、有结晶潜热释放、都有形核、长大过程；但同素异构转变是固相间的转变而结晶是由液相向固相转变；同素异构转变过冷度更大，会产生更大的内应力。

3-6根据Pb-Sn相图，分析w sn = 40%和w sn = 80%的两种Pb-Sn合金的结晶过程及室温下的组织。

答：w sn = 40%的Pb-Sn合金的结晶过程如下：题3-6图中的合金I为w sn = 40 %的Pb-Sn合金。