纯金属的结晶

时间：2023-10-05 百科知识版权反馈

【摘要】：纯金属通过热分析法测得液态金属结晶时温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线，如图2-9所示。过冷现象就是液态金属冷却到理论结晶温度以下还不出现结晶的现象，直到实际结晶温度才会结晶。纯金属在结晶过程中，温度保持不变，因为液体原子由无序状态变为有序状态时会放出结晶潜热，和外界吸收的热量刚好抵消掉了。在冷却非常缓慢时，纯金属的实际结晶温度与理论结晶温度相差甚小。

凝固是指物质由液态变成固态，而结晶是物质由液态变成晶态。金属材料冶炼后浇铸到铁模或锭模中，冷却后金属由液态变成固态，获得一定形状的铸件或铸锭。而固态金属一般是晶体结构，因此金属从液态变为晶态是结晶过程。

材料史话

中国是世界上生产铸铁件最早的国家之一，根据《左传》记载，昭公二十九年（公元前513年）晋国铸出铸铁刑鼎，重达270kg，鼎上铸出刑律全文，这是中国大型铸件的最早记载。中国在春秋末战国初期铁业生产发展迅速，当时铸铁农具的生产尤为突出，中国于战国中期就已迈入铁器时代。隋唐以后，大型铸件的生产越来越多，五代时周广顺三年（953年），铸造出沧州大铁狮。

纯金属的结晶条件

纯金属通过热分析法测得液态金属结晶时温度与时间的关系曲线，称为冷却曲线，如图2-9所示。图中T0为理论结晶温度，T1为实际结晶温度。过冷度就是理论结晶温度减去实际结晶温度，用ΔT表示，即ΔT＝T0-T1，过冷度与冷却速度有关，冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大。

金属在一般情况下聚集状态时的自由能随着温度的降低而升高，而且液态金属和固态金属的自由能随着温度的变化有所不同，液态自由能比固态自由能变化明显。在理论结晶温度（熔点）时，液态自由能和固态自由能相等，此时液态和固态可长期共存，处于动平衡状态。当温度高于理论结晶温度时，固态的自由能要比液态自由能高，液态金属是稳定的；当温度低于理论结晶温度时，液态的自由能比固态的自由能高，则固态金属是稳定的。因此只有温度低于理论结晶温度时液态金属才会结晶，即金属要过冷。过冷现象就是液态金属冷却到理论结晶温度以下还不出现结晶的现象，直到实际结晶温度才会结晶。温度达到实际结晶温度时，固态的自由能和液态的自由能存在一个能量差。当自由能差大于同液体相隔开的晶界所耗的能量时，液体就会开始结晶。纯金属在结晶过程中，温度保持不变，因为液体原子由无序状态变为有序状态时会放出结晶潜热，和外界吸收的热量刚好抵消掉了。在冷却非常缓慢时，纯金属的实际结晶温度与理论结晶温度相差甚小。

图2-9 冷却曲线

纯金属的结晶过程

金属的结晶过程包括晶核的形成和晶体的长大两个基本过程（图2-10）。液态金属结晶时，首先在液体中形成极小的晶核，晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生，晶核又不断形成和长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。

图2-10 金属结晶过程

1.晶核的形成

晶核的形成方式有两种：均匀形核（自发形核）和非均匀形核（非自发形核）。

1）均匀形核

均匀形核是指由液体中排列规则的原子团形成晶核。金属液体中存在大量不同尺寸的短程有序的原子团，特别是在高于结晶温度时不稳定，但当温度降低到结晶温度以下，存在一定的过冷度时，液体中一些大于临界晶核尺寸的短程有序的原子团开始变得稳定，最后成为晶核。过冷度越大，临界晶核尺寸就越小。

2）非均匀形核

实际金属都是非均匀形核较多，因为实际金属往往含有一些杂质，液体中的固态杂质常常促进晶核的形成。以液体中存在的固态杂质为核心而进行形核，称为非均匀形核，固态杂质一般都要与金属具有 “结构相似、尺寸相近”的特点才易在其表面生出晶核，如图2-11所示。一些难溶杂质不满足上述要求，但是因为其表面微小坑有时能残留一些未熔金属，也能促进非均匀形核。

均匀形核和非均匀形核在金属结晶时同时存在，而且非均匀形核比均匀形核更能起主导作用。

图2-11 非均匀形核

2.晶体的长大

晶核的长大方式有均匀长大和树枝状长大两种。

1）均匀长大

在正温度（温度变大）梯度下（图2-12），即过冷度较小的时候，晶体生长以平面状态向前推进。

图2-12 正温度梯度

2）树枝状长大

实际金属结晶主要以树枝状长大，包括柱状树枝晶和胞状树枝晶。因为存在负温度梯度（图2-13），且晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成一次轴，在一次轴上又生长出二次轴……树枝间最后被填充，如图2-14和图2-15所示。

图2-13 负温度梯度

图2-14 树枝状长大

图2-15 树枝晶