05508金属材料与热处理自考资料：纯金属的结晶

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纯金属的结晶

一、金属结晶的现象

1．过冷度：金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差。

2．影响过冷度大小的因素主要有：金属的本性和纯度以及冷却速度等。

3．金属和非金属结晶时遒循着相同的规律，即结晶过程是形核和长大的过程。

4．过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大。过冷度越大，金属的实陆军结晶温度越低。

5．液态金属结晶时，过冷度越大，则形核率增长越快，但生长速度增长较慢，所以晶粒越细小。

6．液态金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将越低于理论结晶温度。

7．影响过冷度的因素：

1）金属不同，过冷度的大小也不同；2）金属的纯度越高，则过冷度越大。3）过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低。冷却速度越慢，则过冷度越小。

8．金属的结晶过程包括形核和长大两个阶段。

二、金属结晶的热力学条件和结构条件

1．金属结晶的热力学条件：

1）金属结晶一定要有过冷度，即实际结晶温度低于理论结晶温度。

2）根据热力学第二定律，固态和液体两相的自由能差值是相变的驱动力。

3）只有当实际结晶温度低于理论结晶温度时，固态的自由能才低于液体的自由能值。

2．金属结晶的结构条件：只有过冷液体中出现的相起伏才有可能转变成晶坯。

3．相起伏：短程有序的原子集团总是处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏。这种不断变化着的短程有序原子集团称为结构起伏，或称为相起伏。

4．液态金属结晶时，冷却速度越快，则实际结晶温度将越低于理论结晶温度。

5．液体金属中原子的排列情况：在液体中的微小范围内，原子排列短程有序。

6．晶界能越高，则晶界是越不稳定。

三、晶核的形成

1．在过冷液体中形成晶核时，有均匀形核和非均匀形核两种方式。实际情况下，液态金属结晶时以非自发形核为主

2．均匀形核：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的几率都是相同的，这种形核方式称为均匀形核（或自发形核）。

3．非均匀形核：在过冷液体中形成固态晶核时，新相优先出现于液相中的某些区域，称为非均匀形核（或非自发形核）。实际情况下，液态金属结晶时以非自发形核（或非均匀形核）为主。

4．金属结晶时，晶核的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。

5．液态金属结晶时，过冷度越大，则形核率增长越快，但生长速度增长较慢，所以晶粒越细小。

6．金属的结晶形核的要点：

1）液态金属的过冷度必须大于临界过冷度，晶胚尺寸必须大于临界晶核半径；

2）临界晶核半径值大小与晶核的表面能成正比，与过冷度成反比；

3）均匀形核既需要结构起伏，也需要能量起伏；

4）晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行；

5）在工业生产中，液体金属的凝固总是以非均匀形核方式进行。

四、晶核的长大及晶粒大小的控制

1．晶体长大的机制有：二维晶核长大机制、螺型位错长大机制、连续长大机制。

2．决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的界面结构和界面前沿液体中的温度梯度。

3．金属晶粒大小，取决于结晶时形核率及晶核的生长速度。

4．液态金属结晶时，随过冷度增大，晶核的形核率和生长速度增大。

5．晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积和平均直径来表示

6．变质处理：是在浇注前往液态金属中加入形核剂（又称变质剂），促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒

7．细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。

8．金属结晶时，每个晶粒长大前的状态是晶核。

9．金属的晶粒越细小，则强度和刚度越高。金属的晶粒越细小，则塑性越好。

10．在生产实际中，铸锭和焊缝区的晶粒细化方法（或为了细化铸锭和焊缝区的晶粒，工业上常用的方法有）：

1)增加过冷度:提高液体金属的冷却速度，控制过冷度。过冷度越大，形核率随之增加，晶粒越细小。

2)变质处理:在浇注前往液态金属中加入形核剂（变质剂），促起家非均匀形核。

3)振动处理:振动、搅动。使成长中的晶枝破碎，增加晶核数目。

11．细化晶粒的作用：金属的晶粒大小对金属的力学性能有重要的影响。细晶粒金属具有较高的强度和韧度。故为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。细化晶粒的根本途径是控制形核率。

12．形核率：单位时间内单位体积的液相中形成的晶核数目。

13．在非均匀形核过程中，形核率的主要影响因素：

1）过冷度：非均匀形核在较小的过冷度下就开始进行；2）固体杂质结构：点阵匹配原理；3）固体杂质形貌：凹曲面的形核效能最高；4）过热度：过热度很大时，非均匀形核率降低；5）其它因素：如振动、搅动等。

五、金属铸锭的宏观组织与缺陷

1．在常见的铸造产品中，铸锭三晶区指的是：表层的细晶区、中间的柱状晶区和心部的等轴晶区。

1）细晶区：晶粒细小，组织致密，力学性能好，但厚度较薄，实际意义不大。

2）柱状晶区：组织比较致密，气泡缩孔小,但存在弱面，其性能有方向性。

3）中心等轴晶区：不存在明显的弱面，其性能也没有方向性；缺点是等轴晶的树枝晶体比较发达，分枝较多，因此显微缩孔较多，组织不够致密。经热压力加工之后，一般均可焊合，对性能影响不大。

2．等轴晶粒：枝晶在三维空间得以均衡发展，各方向上的一次晶轴近似相等，这时形成的晶粒叫做等轴晶粒。

3．柱状晶粒：如果枝晶某一个方向上的一次晶轴长得很长，而在其他方向长大时受到阻碍，这样形成的细长晶粒叫做柱状晶粒。

4．铸件中常见的缺陷有：缩孔、气孔及夹杂物。铸件中的缩孔分为集中缩孔和分散缩孔。

5．影响柱状晶生长的因素：

1）铸型的冷却能力：能力越强，有利于柱状晶生成；2）浇注温度与浇注速度：浇注温度与浇注速度提高，使温度梯度增大，有利于柱状晶生成；3）熔化温度：温度越高，过热度越大，非均匀形核数目越少，有利于柱状晶生成。

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