纯金属结晶形成机制

2.2.1.1　纯金属的冷却曲线

纯金属的结晶过程可以用冷却曲线来描述。冷却曲线是通过热分析法测定的，即首先将纯金属加热到熔化状态，然后将其以极其缓慢的速度冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测定一次温度，直到冷却至室温，然后将测量数据标注在温度—时间坐标上，便可得到纯金属的冷却曲线，如图2-11（a）所示。

由冷却曲线可知，液态金属随着时间的延长，温度不断下降。当温度降低到a点时，液态金属开始结晶。由于金属结晶时释放出结晶潜热，补偿了冷却时散失在空气中的热量，因而在结晶过程中液态金属的温度并不随着时间的延长而下降，直至b点结晶终止时才继续下降，在冷却曲线上表现为一水平线段，它所对应的温度就是纯金属的理论结晶温度T0。但在实际生产中，金属的冷却不可能极其缓慢，致使实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0，实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象。理论结晶温度与实际结晶温度之差（T0-T1）称为过冷度，用ΔT表示，如图2-11（b）所示。

图2-11　纯金属的冷却曲线与过冷度

（a）纯金属冷却曲线；（b）过冷度ΔT

过冷度不是一个恒定值，它与液态金属的冷却速度有关。冷却速度越大，金属的实际结晶温度越低，过冷度越大。过冷是结晶的必要条件。

2.2.1.2　纯金属的结晶过程

资源2-5　纯金属的结晶过程

纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的，是晶核不断形成和长大的过程。

当液态金属冷却时，随着温度的下降，原子的运动能力减弱，其活动范围变小。当温度降到T1时，某些局部原子将按照金属固有的晶格，有规则地排列成小晶体，这些小晶体称为晶核。晶核的形成过程称为形核。晶核形成以后，会吸附周围液体中的原子而长大。与此同时，又有一批新的晶核形成并长大。如此继续，直到全部液态金属转变成固态为止，结晶过程结束，最后形成由许多外形不规则、位向不同的小晶体组成的多晶体，如图2-12所示。

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图2-12　纯金属结晶过程示意图

（a）熔液；（b）形核；（c）形核与晶核长大；（d）晶核长大；（e）结晶结束

2.2.1.3　金属晶粒大小与控制

晶粒的大小是影响金属材料性能的重要因素之一。一般来说，晶粒越细，金属材料的强度、硬度越高，塑性、韧性越好，这种现象称为细晶强化。因为随着晶粒的细化，晶界越多、越曲折，晶粒与晶粒之间咬合的机会就越多，越不利于裂纹的发展和传播。因此，生产中通常希望通过使金属材料晶粒细化来提高金属的力学性能。

凡是能促进形核及抑制晶核长大的因素，都能使结晶后的晶粒数目增多、晶粒细化。生产中细化晶粒的途径有以下几种：

（1）增大过冷度

形核率N和长大速率G都随过冷度的增大而增大，但在很大范围内形核率比晶核长大速率增长的更快，如图2-13所示。所以过冷度越大，单位体积内晶粒数目越多，晶粒越细化。但当过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降低，形核的速率反而减小。通过增大过冷度来细化晶粒的方法只适用于中小型和薄壁铸件。

图2-13　形核率和长大速率与过冷度的关系

（2）变质处理

大型铸件由于散热较慢，要获得较大的过冷度很困难，而且过大的冷却速度往往导致铸件开裂而报废。因此，生产中常采用变质处理来细化晶粒，即在浇注前向液态金属中加入某些物质（称为变质剂），由它形成的微粒可起到晶核的作用，从而使晶核数目增多、结晶后晶粒数目增加，达到细化晶粒的目的。例如，向铝或铝合金中加入微量的钛或钠盐；向铸铁中加入硅铁、硅钙合金等。变质处理操作容易，效果较好，在生产中得到了广泛的应用。

（3）附加振动

在金属液结晶过程中，采用机械振动、超声波振动或电磁振动等方法，不仅可以使已经生长的小晶体破碎，而且破碎的小晶体可以起到晶核的作用，增加了形核率，从而使晶粒细化。