金属结晶的结构条件

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。

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。

模块三金属的结晶（P46）一、填空题1、金属的结晶是指由原子不规则排列的近程有序，转变为原子规则排列的晶体过程。

2、纯金属的冷却曲线是用热分析法测定的。

冷却曲线的纵坐标表示温度，横坐标表示冷却时间。

3、金属的理论结晶温度和金属的实际结晶温度之差称为过冷度。

4、过冷度的大小与冷却速度有关，冷速越快，金属的实际结晶温度越，过冷度也就越大。

5、金属的结晶过程是由形核和长大两个基本过程组成的。

6、细化晶粒的根本途径是控制结晶时的形核率及长大速度。

7、纯金属结晶的特点是结晶总是在一定的温度下才能进行，并且结晶的整个过程是在恒温下进行的。

8、金属结晶时，形核率越大，晶体长大速度越小，单位体积内的晶核就越多，晶粒就越细。

二、判断题（√）1、金属的实际结晶温度均低于理论结晶温度。

（×）2、金属结晶时过冷度越大，结晶后晶粒越粗。

（√）3、一般说，晶粒越细小，金属材料的力学性能越好。

（√）4、同素异构转变过程也遵循晶核形成与长大的规律。

（×）5、金属发生同素异构转变时要放出热量，转变是在恒温下进行的。

（√）6、纯金属具有固定的熔点。

（×）7、晶粒越粗的金属材料其力学性能越好。

（×）8、工业上使用的金属材料一般都是单晶体。

（×）9、理论结晶温度总是低于实际结晶温度，这一现象称为过冷现象。

（√）10、金属的结晶过程总是先产生晶核，而后晶核长大这两个基本过程组成。

（×）11、金属在一定范围内，随着过冷度的减小所形成的晶粒越细小，故生产中可通过适当减小过冷度的方法来达到细化晶粒的目的。

（×）12、凡由液态到固态的过程都称为结晶。

（×）13、金属结晶时，过冷度越小，结晶后的晶粒也越小。

（√）14、纯金属的结晶过程总是在恒温下进行。

（×）15、液态金属结晶时，冷却速度越快，理论结晶温度越低，过冷度越大。

三、选择题1、多晶体是由许多原子排列位向不同的（ C ）组成。