金属结晶过冷现象及多晶体形成机制

1.冷却曲线与过冷度

由于金属不透明，用肉眼直接观察金属的结晶有一定的困难，因此采用热分析法来研究金属的结晶规律。热分析法是使熔化后的金属缓慢冷却，每隔一定时间记录一次温度值，将温度T和对应时间t绘制成T—t曲线，即得到图2-8所示的冷却曲线。

图2-8 冷却曲线

a）纯金属的冷却曲线 b）金属在不同冷却速度下的冷却曲线

在冷却曲线上有一个恒温的水平线段，所对应的温度就是金属的结晶温度（或熔点）。在结晶过程中，放出的结晶潜热补偿了散失的热量，使温度保持恒定不变；结晶结束后，由于金属继续散热，固态金属的温度开始下降。

在无限缓慢的冷却条件下（即平衡状态下）的结晶温度称为理论结晶温度，用T₀表示，其数值是恒定的。但在实际生产中金属都是以一定的速度冷却的，所测得的结晶温度称为实际结晶温度，用T_n表示，其数值随冷却速度的增加而降低。实验表明，金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，即T_n<T₀，这种现象称为过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度，用ΔT表示，ΔT=T₀-T_n。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越大，实际结晶温度越低，过冷度也就越大，如图2-8b所示。

2.纯金属的结晶过程

结晶过程是不断地形核与长大的过程，如图2-9所示。在结晶过程中，金属内的原子从液态无序的混乱排列转变成固态的有规律排列。(www.xing528.com)

（1）形核 金属液在过冷的条件下，某些局部微小的区域内的原子首先自发地聚集在一起，这种原子规则排列的细小聚合体称为晶核，这种形核方式称为自发形核；另一种形核方式是非自发形核，即金属液中自带或人工加入的细微固态颗粒作为结晶的核心。

（2）长大 晶核形成后，金属液中的原子不断向晶核表面迁移，使晶核不断长大，与此同时，不断有新的晶核产生并长大，直至金属液全部消失。

图2-9 纯金属的结晶过程

每个晶核成长为一颗形状不规则的小晶体，这个小晶体称为晶粒。在同一晶粒内部原子按一定位向排列，而各相邻晶粒的原子排列位向不同。晶粒与晶粒之间的交界面称为晶界。金属结晶终了，一般得到由许多个晶粒组成的多晶体。图2-10所示为在放大倍数为400的显微镜下观察到的金属的多晶体显微组织。要获得只有一个晶粒的单晶体是很困难的，只有当材料有特殊要求时才值得这样做，如通过控制结晶过程可获得半导体材料单晶硅等。

图2-10 金属中的多晶体晶粒

以上是纯金属的结晶规律，合金的结晶与纯金属的结晶有相似之处，但比纯金属的结晶要复杂，必须建立合金相图才能表达清楚，有关内容将在第三章中结合铁碳合金介绍。