机械制造工程_2.1金属的结晶

第二章金属的组织结构

为什么不同材料具有不同性能，而且同一金属也有可能具有不同性能呢？大量研究证明：金属的性能除与金属的原子结构以及原子间的结合键有关外，还与金属原子的排列方式即组织结构有关。为此，本章将阐述金属组织结构的相关知识。

第一节金属的结晶

一、金属结晶的有关概念

金属能够以气态、液态和固态形式存在，并且在一定条件下这三种状态能够互相转变。金属由液态转变变为固态的过程叫凝固，又由于固态金属都是晶体，所以这一过程也称为结晶。

(一)晶体的概念

晶体是指原子（离子﹑分子）在三维空间呈有规则的周期性重复排列的物质。在自然界中，除了少数物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。晶体的各项性能指标在不同方向上具有不同的数值，即各向异性，而非晶体则是各向同性的。自然界有些晶体的还具有规则的外形。晶体都具有固定的熔点，而非晶体则没有固定的熔点，凝固总是在某一温度范围逐渐完成。

(二)金属结晶时的过冷现象

1.理论结晶温度

从热力学角度来看，物质状态的稳定性是由该状态的自由能高低来决定的，总是自发地从自由能较高的不稳定状态向自由能较低的稳定状态转变。那么，物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外界做功的这一部分能量就叫做“自由能（F）”。

图2-1所示的是同一金属在液态和固态时自由能随温度变化的曲线。由图可见，液态自由能FL和固态自由能FS都随温度升高而降低，但是结构不同，自由能随温度的变化是不同的，液态自由能降低得更快些，因此两条曲线交于T0温度。在T0温度，液态和固态的自由能恰好相等，两种状态具有同样的稳定性，固相和液相处于动态平衡，既不熔化，也不结晶。液态和固态自由能相等时所对应的温度T0，就是理论结晶温度或理论熔点。

2.过冷现象

如果将液态纯金属缓慢冷却，每隔一定时间测量一次温度，最后把实验数据绘在“温度－时间”坐标中，便可得到图2-2所示的冷却曲线，图中T0表示理论结晶温度。由图可见，在结晶之前，冷却曲线连续下降。当液态金属冷却到结晶温度T0时，并不开始结晶。一直冷却到T0以下的某个温度Tn时，液态金属才开始结晶，这种实际结晶过程只有在理论结晶温度以下才能进行的现象叫过冷现象。这是因为，要使液态金属进行结晶，就要使温度低于理论结晶温度，造成液相与固相间的自由能差（△F=FL-FS），即具有一定的结晶驱动力才可以。结晶发生时，由于“结晶潜热”（结晶时释放的能量）释放，补偿了冷却散失的热量，所以冷却曲线上出现“平台”，对应的温度Tn称为实际结晶温度，平台延续的时间就是结晶过程所用的时间，结晶完成以后，冷却曲线又开始连续下降。

实际结晶温度Tn与理论结晶温度T0之间的温度差，称为过冷度，用△T表示，即△T＝T0－Tn。液态金属过冷度的大小，一方面取决于液态金属的本性和纯度，另一方面取决于液态金属的冷却速度。冷却速度越大，则过冷度越大。因为冷却速度越大，要发生结晶所需结晶驱动力越大，自由能差△F要求越大，实际结晶温度越低，于是过冷度越大。

图2-1 液态和固态自由能随 图2-2 纯金属的冷却曲线

温度变化的示意图

二、金属的结晶过程

物质结晶时，首先在液体中出现一些极微小的固态质点，然后以它为核心向液体中长大，这种刚刚出现的作为结晶核心的微小固态质点，称为晶核。结晶过程就是不断形成晶核与晶核不断长大的过程。

图2-3金属结晶过程示意图

液态金属的等温结晶过程如图2-3所示。将液态金属快速冷却到T0以下某个温度等温，液态金属并不立即开始结晶，而是经过一段时间以后才出现第一批晶核。这是因为最初形成的一些不稳定原子有序排列的小集团是随后产生晶核的来源，称为“晶胚”。当液体被过冷至结晶温度

(一)形核方式

金属结晶时，由于结晶条件不同，可能出现两种不同的形核方式：一种是自发形核，另一种是非自发形核。

1.自发形核

当液态金属很纯净时，在足够大的过冷度之下，金属晶核将从液相中直接形成，这种形核方式称为自发形核。

2.非自发形核

实际金属结晶时，往往在很小过冷度下便已开始结晶，并不需要自发形核时那样大的过冷度。这是因为，在实际液态金属中，往往存在一些微小的固体微粒，晶核就优先依附于这些现成的固体表面而形成，这种形核方式称为非自发形核。当然，只有这些固体微粒与原先液态金属中晶核的特点相似，才能作为非自发形核的基底。

(二)过冷度对形核和长大的影响

金属结晶时的冷却速度愈大，过冷度便愈大，不同过冷度△T对晶核形成率N（晶核形成数目/s·mm3）和成长速率G(mm/s)的影响如图2-4所示。过冷度对于晶核形成率和成长速率的影响，主要是因为在结晶过程中有两个因素同时在起作用，其中之一是晶体与液体的自由能差（△F），是晶核形成和长大的驱动力；另一因素是液体中原子迁移能力或扩散系数（D），是晶核形成和长大的必须条件。晶体与液体的自由能差（△F）和扩散系数（D）与过冷度（△T）的关系如图2-5所示。

图2-4晶核的形成率（N）和成长速率

图2-5液体与晶体的自由能（△F）和扩散

（G）与过冷度（△T）的关系系数（D）与过冷度（△T）的关系

在图2-4中可以看出在一般工业条件下（图中曲线的前半部实线部分），结晶时的冷却速度越大或过冷度越大时，金属的晶粒便越细小。至于图2-4中曲线的后半部分，因为在工业实际中金属的结晶一般达不到这样的过冷度，故用虚线表示。

三、晶粒大小的控制

单个晶粒的大小称为晶粒度，通常采用晶粒的平均面积或平均直径来表示。

(一)晶粒度对金属性能的影响

晶粒度对性能的影响，实质是晶界面积大小的影响。对于金属的常温力学性能来说，晶粒越细小，晶界面积越大，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好，即综合机械性能好。

值得指出的是，对于在高温下工作的金属材料，晶粒应适当粗化，因为高温下原子沿晶界的扩散比晶内快，晶界对变形的阻力大大减弱所致。

(二)决定晶粒度的因素

金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的，晶粒度取决于晶核形成率N与成长速率G之比，比值N/G越大，晶粒越细小。

(三)结晶过程中控制晶粒度的方法

1.控制过冷度。

液态金属过冷度越大，比值N/G越大，晶粒越细小。

2.变质处理。

在液态金属中加入一定变质剂，促进形核，以增加晶核数目或抑制晶粒长大，从而细化晶粒。

3.机械振动法（如搅动）﹑超声波振动法等。

在液态金属凝固过程中，加以振动，一是促进形核，二是能够打碎正在长大的树枝晶，碎晶块又充当新的晶核。