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。
第三章 材料的凝固与结晶
本章授课学时： 4 学时
本章重点内容： 1 、结晶的基本规律； 2 、金属结晶后晶粒大小与性能的关系； 3 、晶粒大小的控制；4 、二元合金相图的基本类型、结晶过程，以及合金相图与性能间的关系。
本章难点内容： 1 、二元合金相图的基本类型、二元合金相图的识别与相图的分析；2 、合金中“相”和“组织”的联系与区别。
第一节 凝固的概念
目的要求： 通过讲授晶体与非晶体的凝固，使学生掌握物质从液态转变为固态所遵循的基本规律。
重点：晶体结晶时过冷现象及热力学条件。
难点：晶体与非晶体凝固的不同点。
教学方法：课堂讲授并结合多媒体演示。
授课内容：
一、晶体的凝固
物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为“晶体”。凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”（即理论结晶温度Ｔ ０ ），高于此温度（即实际结晶温度Ｔ １ ）才能进行结晶；两者之差 Δ Ｔ＝Ｔ ０
－Ｔ １ 称为过冷度，处于平衡结晶温度时，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡。
为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？这是因为它们的液体与晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。这一能量叫做“自由能（Ｆ）”。同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的, 如图所示。
由此可见，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论温度，造成液体与晶体间的自由能差：（ Δ F=F 液 － F 晶 ），即具有一定的结晶驱动力才行。
二、非晶体的凝固
若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固。
非晶体的凝固与晶体的晶体，都是由液体转化为固体，但本质上又有区别。非晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成，即非晶体固态可看作粘滞系数很大的”熔体”，需在一个温度范围内逐渐完成凝固。
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。
Chap 3 Thermodynamics and kinetic of Metal Solidification
——金属凝固热力学与动力学
1、 在液态金属中，凡是涌现出的小于临界晶核半径的晶胚都不能成核。但如果有足够的能量起伏，是否可以成核？
答：不能。在一定的过冷度条件下，液相向固相转变的过程中系统自由能的总变化为：G=VVG+S=23434rGrV，由曲线可知，自由能G与半径r的关系是: 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G与r的关系曲线上出现了一个极大值Gk，与之相对应的r为kr。当rkr时，随着r的增大，系统的自由能下降，凝固过程能够自动进行，即晶坯能够转变为晶核。但kr
Gk=2324234VVVGGG =22431VG=2431Kr=kS31；
故，当r< kr时，不能形核；
当kr
当r> 0r时，晶坯能成为稳定的晶核，不需要能量起伏。
即，过冷熔体中形成的晶核是结构起伏和能量起伏的共同作用，即使有足够的能量起伏，但未达到临界形核半径也是不能成核的。
2、 液态金属凝固时需要过冷度，那么固态金属熔化时是否需要过热？为什么？
答：需要。同液态金属凝固的过程一样，凝固时需过冷度提供相变的驱动力，固态金属熔化也必须克服热力学障碍，即是一个体系自由能降低的过程。液态金属在理论结晶温度mT时是仍保持液态，只有当自由能低于固态自由能时，熔化过程才能进行。对熔化过程进行如下分析：
单位物质自由能的变化为：STLSSTHHTSHTSHGGGLSLSLLSSLSV)()()()(
其中，L为结晶潜热（正值），S为熔化熵。
平衡状态时，不能提供熔化的驱动力，此时mTT,0STLGm，解得mTLS，代入上式得：
