纯金属结晶的形成过程

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-12亚晶界结构示意图金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称为结晶。金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差，称为过冷度，以ΔT表示。这种金属结晶时，从液相转变为固相时放出的热量称为结晶潜热。

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图2-12　亚晶界结构示意图

金属由液态转变为固态的过程称为凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称为结晶。

金属的性能与结晶后所形成的组织有密切的关系，因此，研究和控制金属的结晶过程，已成为提高金属力学性能和工艺性能的一个重要手段。

2.1.3.1　金属结晶的宏观现象

利用图2-13所示的试验装置，先将纯金属放入坩埚中加热熔化成液态，然后插入热电偶以测量温度，让液态金属缓慢而均匀地冷却，并用X-Y记录仪将冷却过程中的温度与时间记录下来，便获得了图2-14所示的冷却曲线。这一试验方法称为热分析法，冷却曲线又称热分析曲线。从热分析曲线可以看出结晶过程的两个十分重要的宏观特征。

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图2-13　热分析装置示意图

1—电源；2—热电偶；3—坩埚；4—金属；5—冰水（0 °C）；6—恒温器；7—电炉。

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图2-14　纯金属结晶时的冷却曲线示意图

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纯金属的冷却曲线及结晶过程

1. 过冷现象

从图2-14可以看出，金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度Tm（熔点）时，并未开始结晶，而是需要冷却到Tm之下的某一温度Tn，液态金属才开始结晶。金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差，称为过冷度，以ΔT表示。过冷度越大，则实际结晶温度越低。

过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。当以上两因素确定之后，过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，即实际结晶温度越低。反之，冷却速度越慢，则过冷度越小，实际结晶温度越接近理论结晶温度。但是，不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶，即对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于这个值，结晶过程就不能进行。

2. 结晶潜热

从图2-14可以看出，当液态金属冷却到实际结晶温度Tn时，金属开始结晶，在此后一段时间内，温度不再降低而是保持恒温一段时间，这是由于金属在由液相变为固相时，放出一定的热量，这部分热量补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台。这种金属结晶时，从液相转变为固相时放出的热量称为结晶潜热。结晶潜热释放完毕的时间即为结晶的终了时间。结晶潜热的释放和散失，是影响结晶过程的一个重要因素，应在研究金属结晶时予以重视。

2.1.3.2　金属结晶的微观现象

在20世纪20年代，人们为了搞清楚结晶的微观过程进行了大量的研究，后来发现，无论是金属还是非金属，结晶时都遵循着相同的规律，即结晶过程是形核与长大的过程，如图2-15所示。液态金属在冷却到某一温度时，首先在液体中形成一些稳定的微小晶体，称为晶核，随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在其余液体中又不断形成新的稳定晶核并长大，就这样液态金属中不断形核并长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程便结束。由一个晶核长大的晶体就是一个晶粒，晶粒间的界面称为晶界。

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图2-15　纯金属结晶过程示意图

纯金属结晶的形成过程

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