第二章 纯金属的结晶

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1、第二章纯金属的结晶金属由液态转变为固态的过程称为凝固。凝固后的金属有两种：晶体和非晶体。由于在工业生产中，凝固后的金属多为晶体，所以凝固又称为结晶。结晶的实质就是金属原子由液相不规则排列过渡到固相规则排列，形成晶体的过程，这是一个相变过程。所有通过熔炼和铸造得到的金属材料都必须经过结晶过程。结晶决定了金属材料的铸态结构、组织和性能。对于铸态条件下使用的铸件来说，结晶基本上决定了它的使用性能和使用寿命；而对于需要进一步加工的铸锭来说，结晶既影响到它的工艺性能，又影响到制成品的使用性能。因此，研究和控制结晶过程，已成为提高金属材

2、料性能的一个重要手段。同合金相比，纯金属的结晶过程比较简单。本章主要介绍纯金属的结晶。§2.1金属结晶的现象一.金属结晶的宏观特征金属结晶的宏观现象可以用冷却曲线来描述，冷却曲线是用热分析法在极为缓慢的冷却条件下绘制的。如图2.2是纯金属结晶过程的冷却曲线，从冷却曲线可以看出两个重要的宏观特征。1.液体金属必须具有一定的过冷度，才能结晶。本部分内容的重点问题：1）什么是过冷度？2)过冷度和冷却速度的关系3）结晶是否能在理论结晶温度进行？2.金属结晶过程中有结晶潜热的释放。本部分内容重点问题：1）什么是结晶潜热？2）纯金属结晶

3、的冷却曲线上的两个转折点分别代表什么？l这两个宏观特征是从纯金属的冷却曲线得到的，但合金的结晶同样具有这两个特征，只是合金的结晶冷却曲线上不会平台，因为合金结晶是在一定温度范围内进行的。二.金属结晶的微观过程是晶核形成和晶核长大的过程缓慢冷却条件下，小体积液态金属的结晶微观过程可用图2.3描述出来。从图中可见，液态金属在某一过冷温度下，结晶并不马上开始，而是需要一段时间才能观察出来，这段时间称为孕育期。结晶开始时，首先在液相中形成一定尺寸的微小晶体，它们被称为晶核。然后这些晶核会逐渐长大，在此过程中液相又有其它新的晶核源源不

4、断地形成、长大。这一过程一直进行到液体金属全部消失为止，结晶就结束了。结晶结束后，每个晶核长大成为一个小晶体，称为晶粒。因为各晶核的形成是随机的，空间位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，结果结晶后得到的是多晶体金属。一般条件下结晶得到的都是多晶体。如果在结晶过程中采取特殊的措施，只允许一个晶核形成和长大，则结晶后得到的是单晶体。所以，从微观上看，就一个晶粒来说，结晶是晶核形成和晶核长大的过程。l以上结晶过程的微观描述是建立在小体积的液体金属内部温度均匀一致的基础上的。关于大体积，内部温度不均匀的液体金属的结晶，例如：铸锭

5、的结晶，其晶核形成和晶核长大过程要复杂得多，这将在第三章介绍。§2.2金属结晶的热力学条件一.自由能和自由能最小原理1.自由能﹝﹞8根据热力学知识，系统的自由能﹙G﹚定义为：式中：为焓，为熵，为热力学温度。在等压条件下，系统的自由能随温度的变化可表示为：或熵是衡量原子排列混乱程度的参数，恒为正值。原子排列混乱程度越大，熵越大。随温度的升高，原子活动能力增强，排列混乱程度增大，熵增大。根据上式，在等压条件下，自由能随温度的变化是负值（因为熵为正值），而且随温度的升高，熵的正值越大，而系统自由能的负值也越大，因此，在等压条件下，

6、随温度升高，系统自由能是降低的﹝负号代表降低﹞。2.自由能最小原理。在等温等压条件下，若系统有两个状态，一个自由能高，而另一个自由能低，则从高自由能状态向低自由能状态转变能自动进行，无需外界做功。而要实现从低自由能状态向高自由能状态转变，外界必须要对系统做功。也就是说，在等温等压下，系统沿自由能降低的方向转变是自发进行的，系统自由能最小的状态是最稳定的。在热力学上，这被称为自由能最小原理。三.金属结晶的热力学条件金属结晶一般是在等压条件下进行的。固、液两相都有各自的自由能，它们的自由能在等压条件下随温度的升高同样是降低的，如

7、图2.4所示。究竟哪一条曲线是固相的？哪一条曲线是液相的？原因如下。因为液相原子排列混乱程度高于固相，因而有：；即有＜上式表示液相熵的负值比固相熵大，因此液相自由能随温度下降的速率大于固相。而在绝对零度时，因液相原子排列混乱程度大于固相而具有更高的自由能。这一关系可用图2.4来表示。图中和分别代表液相和固相的自由能随温度变化的曲线，两曲线交于温度。在温度，固、液两相自由能相等。就是理论结晶温度。所以理论结晶温度定义为固、液两相自由能相等所对应的温度，也称平衡熔点。根据自由能最小原理，要发生液相向固相的自发转变，实现结晶，固相

8、自由能必须小于液相，从图中可见：这只有在温度小于理论结晶温度时才能实现，这就是液体金属必须具有一定的过冷度，结晶才能自动进行的原因。四、金属结晶的驱动力金属结晶的驱动力从宏观上看是过冷度，从热力学上看是固、液两相自由能之差。实际上，可以证明单位体积固、液两相自由能之差和过冷度之间存在如下关