纯金属的结晶过程及其温度条件

金属材料的成型通常需要经过熔炼和铸造，即经历由液态变成晶体状态的结晶过程。下面以纯金属为例，说明金属的结晶过程。

1.金属结晶的条件

金属结晶的温度和结晶过程的规律可以通过热分析法进行研究，热分析法装置如图2-5所示。将熔化为液体的纯金属缓慢冷却下来，在冷却过程中，每隔一定的时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在温度—时间的坐标图中，绘制成表示金属结晶过程的曲线，称为金属的冷却曲线，如图2-6 所示。

图2-5　热分析法装置示意图

1—热电偶； 2—金属液； 3—坩埚； 4—电炉

图2-6　纯金属冷却曲线

由冷却曲线可见，当液体金属缓慢冷却到a 点时，液体金属开始结晶，到b 点结晶终了，a～b 两点之间的水平线即为结晶阶段，它所对应的温度就是纯金属的结晶温度。纯金属在缓慢冷却条件下(即平衡条件)的结晶温度与缓慢加热条件下的熔化温度是同一温度，称为理论结晶温度，用T0表示。

在实际生产中，金属结晶时的冷却速度较快，液态金属总是冷却到理论结晶温度以下的某一温度T1才开始结晶，如图2-7 所示。金属实际结晶温度(T1)低于理论结晶温度(T0)的现象称为“过冷” 现象。理论结晶温度和实际结晶温度之差(ΔT)，称为过冷度(ΔT＝T0-T1)。过冷是金属能够自动进行结晶的必要条件，金属结晶时过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度也就越大。

2.纯金属的结晶过程(www.xing528.com)

实验证明，纯金属的结晶是晶体在液体中从无到有、由小变大的过程，即晶核的形成与长大的过程。

(1)形核

图2-7　纯金属实际结晶时的冷却曲线

当液态金属的温度下降到接近T1时，从液体中首先形成一些按一定晶格类型排列的微小晶体，这些小晶体很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失。但是，在过冷度存在的条件下，一些稍大一点的细微小晶体的稳定性较好，有可能进一步长大成为结晶的核心，称为晶核。晶核的形成过程称为形核，而这种只依靠液体本身在一定过冷度条件下形成晶核的过程叫作自发形核。在实际生产中，金属液体内常存在各种固态的杂质微粒，金属结晶时，液态金属依附于这些杂质的表面形成晶核比较容易。这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核。非自发形核在生产中所起的作用更为重要。

(2)长大

晶核形成之后，会吸附其周围液态中的原子不断长大，这时，形核与长大两个过程是同时在进行着的。晶核长大会使液态金属的相对量逐渐减少。开始时各个晶核自由生长，并保持着规则的外形，当各个生长着的小晶体彼此接触后，接触处的生长过程自然停止。因此，晶体的规则外形遭到破坏。当每个晶核长大到互相接触、液态金属耗尽时，结晶过程结束。纯金属的结晶过程如图2-8 所示。每个长大了的晶核就成为一个晶粒，晶粒与晶粒之间自然形成的界层称为晶界。金属中的夹杂物往往聚集在晶界上，晶界处的金属原子由于受相邻晶粒的影响，原子排列不是很规则。

图2-8　纯金属结晶过程示意图

为了观察金属内部晶体或晶粒的大小、方向、形状和排列状况等组成关系，通常需要把金属材料制成试样，经处理后借助于金相显微镜进行观察，即观察金属的显微组织。