纯金属结晶的过程

二、纯金属结晶的过程

大量的研究表明，纯金属的结晶是依靠两个密切联系的基本过程来进行的。结晶开始时，首先是在液态金属内部形成一些极其微小的晶体颗粒作为结晶核心，这些最初形成的晶体颗粒称为晶核;然后晶核再通过不断凝聚液体中的原子而逐渐长大。结晶的过程就是不断地形成晶核和晶核不断长大的过程。小块体积金属结晶的过程如图2-16所示。

图2-16　纯金属的结晶过程

由图2-16可见，在一定的过冷条件下，开始时液态金属中并没有晶核生成，液体处于过冷状态下的结晶孕育阶段，这一段时间称为孕育期。过一段时间以后，晶核开始以一定的速率生成，并随之长大。但在结晶的初期阶段，总体结晶速度是非常缓慢的;随着时间的推移，在已有晶核不断长大的同时，又有新的晶核形成并开始长大，结晶速度迅速增大。结晶速度大约在晶体量增加至50%时达到最大值。此后，由于液体的减少，各自独立生长的小晶体开始互相接触，液体中可供晶体形核和生长的空间持续减少，结晶速度随之减慢。最后液体消失，结晶结束。由一个晶核长成的晶体，就是一个晶粒。由于各个晶核是随机生成的，所以各晶粒的空间位向也就不同，这样就形成了具有多晶体结构的固态金属。

(一)晶核的形成

研究表明，晶核的生成主要有两种方式。

1．自发形核

在液态金属内部，由于大量金属原子时刻都处于不断的运动和碰撞之中，因此必然会出现一些尺寸大小不等、时聚时散、瞬间呈规则排列的原子小集团。当液态金属的温度降低到理论结晶温度以下，过冷度达到一定大小之后，那些尺寸较大的原子小集团就被稳定下来而成为结晶的核心。这种从液态金属内部自发生长出结晶核心的过程叫做自发形核。结晶温度愈低，过冷度愈大，金属由液态向固态转变的驱动力就愈大，这时则更有利于尺寸较小的原子团成为稳定的晶核，所以生成的晶核数目就愈多。但当过冷度过大或温度过低时，由于原子的动能降低而使其扩散受阻，生核的速率反而减小。

2．非自发形核

实际金属往往是不纯净的，内部总存在一些杂质。结晶时有些难熔杂质在液态金属中常常以固体小微粒的形式存在，这些未熔杂质在结晶时常常能充当形核的基底，促使液态中的金属原子依附在其表面上形成晶核。这种依靠外来质点而形成晶核的方式称为非自发形核(异质形核)。

在液态金属中，大多数情况下自发形核和非自发形核是同时存在的。但在实际金属的结晶过程中，非自发形核比自发形核更为重要，它往往起优先和主导的作用。故生产中常常往液态金属中人为地加入一些难熔的金属或合金粉末，以增加结晶时的晶核数量。

(二)晶核的长大

晶核形成以后，随即开始长大。晶核长大的过程就是原子由液体中不断向固体表面迁移，使液-固界面向液体中推移的过程。

图2-17　树枝晶示意图

在晶核开始成长的初期，由于其内部原子规则排列的特点，其外形也大多是比较规则的，往往呈多面体形状。但在随后继续生长的过程中，由于多面体棱边和尖角处的散热条件优于其他部位而容易获得较大的过冷度，此处很快优先成长，如树枝一样长出细长的晶体主干，称为一次晶轴。在一次晶轴伸长和变粗的同时，其侧面又会生长出新的分枝，分枝长大发展成侧枝，此为二次晶轴。随着时间的推移，二次晶轴生长的同时又可在其上长出三次晶轴等。如此不断成长和分枝，以致形成如树枝状的骨架，故称为树枝晶，简称枝晶，如图2-17所示。

实际金属多为树枝晶结构。在结晶过程中，每一个枝晶将长成一个晶粒，如图2-18(a)所示。但当所有的枝晶都严密合缝地对接起来，液相也同时消失时就分不出树枝的形态了，只能看到各个晶粒的边界，如图2-18(b)所示。如果结晶过程中金属凝固收缩得不到充分的液体补充，最后凝固的枝晶间隙就很难被填满，晶体的树枝状形态就很容易显露出来。例如，在许多金属的铸锭表面常能直接观察到如化石般树枝状的浮雕。图2-19为锑锭表面的树枝状晶体。有人曾在百吨大铸锭的缩管中获得过长达39cm的非常完整的树枝状晶体。

图2-18　由树枝长成晶粒示意图

图2-19　锑锭表面的树枝状晶体