第2章 純金屬結晶

1、金屬學原理14第2章純金屬的結晶金屬制品都要經(jīng)歷熔煉和鑄造，即都要經(jīng)歷由液態(tài)到固態(tài)的凝固過程，也叫結晶。不同的結晶條件對組織和性能有很大影響。另外，結晶是相變過程，掌握結晶過程的基本規(guī)律為研究相變奠定基礎。11金屬結晶的現(xiàn)象一、宏觀現(xiàn)象（過冷液體）→過冷度的大小與金屬的本性和冷卻條件有關。冷卻條件一定時，不同的金屬?T不同，金屬的純度越高，?T越大；金屬一定時，冷卻速度越快，?T越大。但是，無論冷卻速度多慢，?T也不會為0，即，結晶必須

2、過冷。這是因為理論凝固溫度是指液、固兩相自由能相等時對應的溫度，由于結晶產(chǎn)生界面能，使能量增加，要抵消這一能量必須過冷。但是，金屬熔化時不需要過熱。證明：因為，熔化時表面SLLVSVγγγ??自由能變化為：。0)(???????SVSLLVγγγAGGG始始始始二、微觀過程研究發(fā)現(xiàn)，結晶的微觀過程包括形核和晶核長大（P33圖3、4）。研究還發(fā)現(xiàn)，當液態(tài)金屬冷卻到Tm以下實際結晶溫度等溫時，晶核并未立即產(chǎn)生，而是停留一定時間后才開始出現(xiàn)第

3、一批晶核。這一停留時間稱孕育期。隨著時間的推移，不斷的產(chǎn)生形核和晶核長大，直到液相消失。結晶后，每個晶核生長成一個晶粒，成為多晶體?？梢韵胂?，若結晶過程只有一個晶核并長大，就形成單晶體金屬。22金屬結晶的熱力學條件金屬的結晶可認為是在等溫等壓條件下進行的。熱力學第二定律指出，在等溫等壓條件下，自發(fā)進行的方向是＜0。G?在等溫等壓條件下，由熱力學公式可導出（P35）：?TTmTntTγLVγSVγSLLTmTGLSTmTGLS金屬學原理1

4、6二、非均勻形核理論和實驗都證明，均勻形核需要很大的過冷度。例如，純mKTT2.0??鐵的過冷度高達295℃，但實際上過冷度不超過20℃。研究發(fā)現(xiàn)，過冷熔液可借助熔液中的固相雜質(zhì)或器壁形核，這種形核方式稱非均勻形核。（一）形核功P42圖14。設晶坯借助雜質(zhì)平面形核，為了計算方便，假設張力平衡時形成球冠狀晶坯。則：（θ稱潤濕角）θσσσLαBαLBcos??晶坯與液體的界面積：)cos1(22θrπSLα??晶坯與基底的界面積：θrπSB

5、α22sin?晶坯的體積：)coscos32(3133θθrπV???在基底上形成晶坯時，自由能變化為：)(LBBαBαBαLαLαVσSσSσSGVG???????將上面的公式代入，得?????????????????????4coscos32434323θθσrπGrπGLαV求得臨界晶核半徑：KVLαKrGσr?????2形核功：???????????????4coscos3243132θθσrπGLαKK與均勻形核比較可看出，非