纯金属结晶时的过冷现象

一、纯金属结晶时的过冷现象

金属的结晶可用热分析法来研究，其装置如图2-14所示。实验时先将纯金属放入坩埚中加热至完全熔化状态，然后将液态金属以极其缓慢的速度冷却，在冷却过程中用热电偶测量其温度，并用x—y记录仪将温度随时间的变化过程记录下来，然后根据数据在温度—时间坐标平面绘制成图，便得到了图2-15所示的冷却曲线。

图2-14　热分析法装置示意图

由图2-15可见，当温度高于T₁时，金属为液态，由于液态金属散热，温度随时间连续下降;当温度下降到T₁时，金属开始结晶。在结晶过程中，液-固两相共存并保持恒温，冷却曲线上出现平台。这是由于金属开始结晶后释放出结晶潜热，结晶潜热刚好补偿了系统向环境散失的热量所致。当时间延续至平台端部时，结晶结束。此后，高温的固态金属继续散热，温度继续下降，直至室温。冷却曲线上平台所对应的温度T₁就是试验测出的金属的实际结晶温度。

图2-15　纯金属的冷却曲线

纯金属在无限缓慢冷却(平衡冷却)条件下的结晶温度称为理论结晶温度(熔点)，用T₀表示。但在上述试验及实际生产中，由于结晶时的冷却速度较快，液态金属冷却到理论结晶温度时并不能结晶，即金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度，这种现象称为过冷。金属的理论结晶温度T₀与实际结晶温度T₁之间的差值称为过冷度，用ΔT表示，ΔT=T₀－T₁。

实践证明，金属结晶总是在过冷的条件下进行的，即总是存在一定的过冷度。过冷度与金属的本质和纯度有关。金属不同，过冷度的大小不同;金属的纯度愈高，结晶时过冷度愈大。当以上两个因素确定之后，过冷度的大小则主要取决于冷却速度。一般情况下，冷却速度愈大，金属的实际结晶温度愈低，因而过冷度也就愈大。反之，则过冷度愈小。但是，无论冷却速度多么缓慢，金属也不可能在其理论结晶温度结晶，即对于一定的金属来说，存在一个过冷度的最小值，若过冷度小于这个值，结晶就不能进行，故过冷是金属结晶的必要条件。实际生产中一般常用控制冷却速度的方法来控制过冷度的大小。