金属的结晶与二元合金相图

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1、第三章金属的结晶与二元金相图金属材料的获得一般都是要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后，再凝固成铸锭或细粉。并通过各种热加工和冷加工获取成材或制件。由液态冷凝成固态是一个重要环节。金属材料通常都是多晶体材料，所以金属由液态冷凝成固态的过程也是一种结晶过程。所谓结晶就是指晶体材料的凝固。结晶之后得到的金属材料显微组织称为铸态组织。铸态的显微组织决定着铸态材料的使用性能和加工工艺性能。掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的凝固条件，从而获得性能优良的金属材料。第一节金属结晶的基础知识液态金属的冷却过程可以用热分析法测出的冷却曲线(温度-时间关系曲线)来表述，见图3-1。

2、从曲线上可以明显地见到结晶开始和结晶结束的温度。对于纯金属在结晶过程中保持恒温。也就是说纯金属的结晶温度为某一温度值。但是，对一个合金系来说，除个别成分的合金同纯金属一样有一个结晶温度之外，多数合金的结晶开始温度与结束温度是两个温度值。即结晶温度是一个温度区间。而这个温度区间的大小与合金的化学成分比有直接的关系。在测定冷却曲线时，人们发现，液态金属的冷却速度会影响结晶的开始和结束温度。当冷却速度非常慢(平衡态冷却速度)时，对于成分一定的金属都有一个固定的结晶温度或结晶温度区间。当冷却速度时增大时，则结晶温度或结晶温度区间通常都要下降，而且下降的量随冷却速度加大而增加。一、结

3、晶的温度与过冷现象在图3-1中虚线是以平衡状态的冷却速度(Vm)冷却(冷速极慢)的金属冷却曲线。实线是在某一实际冷却速度(V1)冷却的金属冷却曲线。V1〉Vm。图中T1是纯金属在冷速V1是的实际结晶温度。Tms、Tmf分别是合金在平衡状态下的结晶开始温度和结晶结束温度。T1s、T1f分别是V1冷速下合金的实际结晶开始温度和结晶结束温度。理论结晶温度与实际结晶温度之差成为过冷度(△T)。对于纯金属其过冷度△T=Tm-T1。金属的结晶都是在达到一定过冷度后才进行的，这中现象称过冷现象。金属结晶中的过冷度大小主要取决于金属液的冷却速度和金属液中杂质的含量。冷速愈大，金属纯度愈高，

4、过冷度也愈大。纯金属结晶是在恒温下完成的。即冷却曲线中有一个平台。这是因为纯金属结晶会释放出“潜热”。而着潜热刚好弥补了金属液再冷却过程中向周围环境散发的热量。从而使结晶过程处于一个温度的动平衡状态。(实际上，对于纯金属其冷却曲线出现平台之前，还有一个相应的过冷现象，它为开始结晶提供足够的动力。一旦结晶开始释放潜热，温度才回升到结晶温度平台上)。当结晶结束，潜热释放也就结束，凝固了的金属随着向环境不断散热，温度又逐渐下降。对于合金(除固定成分外)，在结晶过程虽然也释放潜热，但达不到温度的平衡，仅能使结晶过程中冷速变慢，并不出现温度平台。即结晶过程不是在恒温下进行，而是在一个

5、温度区间中完成。液态金属冷却到结晶开始温度为什么会出现液态固相的转变呢？这是有物质自由能状态函数决定的。达到了结晶开始温度，同种化学成分金属其固态的自由能就开始低于液态的，由于物质在通常条件下都是自动朝自由能低的方向转变，而且这个自由能差愈大，其转变也愈快。可见自由能差是液固转变的推动力。也就是说自由能是金属结晶的动力学条件。而自由能差是液固转变的推动力。而自由能差的大小又取决于过冷度的大小。显然，过冷度也就是金属结晶的动力学条件。金属的结晶过程是原子由不规则排列向规则排列的变化过程。这是需要原子进行迁移和扩散。一定的结晶温度就可以保证原子必要的运动、保证足够的扩散能力。足

6、够的温度是完成结晶过程的热力学条件。只有当动力学条件与热力学条件都得到保证金属就会顺利的结晶。两者缺一不可。例如：只有热力学条件而没有动力学条件金属不能凝固结晶；若只有动力学条件而没有热力学条件金属虽然可以凝固但不能结晶。若金属液的冷却速度非常大，使过冷度极大，原子来不及扩散就会出现非晶金属。目前，在工业上已据此制造出了非晶金属微粉和箔。二．金属的结晶(一)金属结晶的一般过程小体积的液态金属其结晶过程，见图3-2。当液态金属的温度降到一定的过冷度之后，在液态金属中就开始出现一些极细小的固相小晶体，这就是晶核。晶核不断地从周围的液态金属中吸附原子使之不断长大。在一些晶核长大的

7、同时，还会有新的晶核不断产生和长大，直到全部液态金属都凝固。每一个晶核都长大成为一个晶粒。最后便形成了有许多晶粒组成的金属多晶体。这些晶粒有不规则的外形、晶格位向也各异。可见，金属结晶的过程包括成核和长大两个基本过程，而且，这两个过程同时进行。(二)晶核的形成晶核的形成分为均匀(自发)成核和非均匀成核。在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程叫均匀成核，也成自发成核。在液态母相随时都存在着瞬时近程有序的原子集团(即结构起伏)。这种原子集团在没有降到结晶温度之下时是不稳定的，时生时溶。而当有了一定的过冷度时，某些进