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项目二
金属材料的结构与结晶
任务二金属的结晶
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。如果凝固后的固态物质是晶体，则这种凝固过程称为结晶。
相关知识
从广义上讲，金属从一种原子排列状态转变为另一种原子规则排列状态的过程均属于结晶过程。
把金属从一种固体晶态转变为另一种固体晶态的过程称为二次结晶或重结晶。
通常把金属从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶；
纯金属的结晶常通过热分析法进行测定，即把纯金属置于坩埚内加热成均匀液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，观察记录温度随时间变化的数据，并将其绘制成曲线，此曲线称为冷却曲线，如图2-4所示。
一、金属的冷却曲线
图2-4 纯金属结晶的冷却曲线
由图2-4可以看出，当液态金属冷却到理论结晶温度 时，结晶并未开始，而是继续冷却到 以下的某一温度 才开始结晶。这种实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷。理论结晶温度 与实际结晶温度 之差称为过冷度，用
表示，即
（2-1）
过冷度的大小与冷却速度、金属的性质和纯度等因素有关。冷却速度越大，金属越纯，过冷度越大。实验证明，金属都是在过冷情况下结晶的，所以，过冷是金属结晶的必要条件。
由于结晶是在一定的过冷度下进行的，因此，结晶开始时，结晶速度很快，会释放大量的结晶潜热。这部分热量除了补偿向外散热外，剩余部分会使液态金属的温度升高，结晶速度减慢，释放的潜热随之减少，当释放的潜热恰好等于补偿向外散失的热量时，液态金属的温度保持不变，冷却曲线上出现一个平台。直到金属结晶完毕，不再有潜热放出时，温度才继续降低。
二、金属的结晶过程
液态金属的结晶是一个形核和长大的过程。液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体，称为晶核，然后它们不断吸收周围的原子而长大。同时，液体中又会不断地产生新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部结晶。金属的结晶过程如图2-5所示。
图2-5 金属的结晶过程示意图
金属结晶包括两个基本过程：晶核的形成和长大，它们是同时进行的。
1．晶核的形成
由图2-5可知，液态金属内部存在有规则排列的原子团时聚时散，并不是完全地无规则排列。在理论结晶温度以上时，这些原子集团极不稳定，但当温度降低到结晶温度以下，且达到足够大的过冷度时，某些大于一定尺寸的原子集团可以稳定下来，成为结晶核心。这种由液态金属内部自发形成结晶核心的过程称为自发形核。
实际金属中或多或少地总会存在一些杂质，当杂质的晶体结构和晶格参数与金属的相似或相当时，金属原子就会以它们为基底形成结晶核心，这种形核方式称为非自发形核。
自发形核和非自发形核同时存在于金属液体中，但在实际金属和合金中，非自发形核往往比自发形核更为重要，起优先和主导作用。
2．晶核的长大
晶核形成后，即开始长大。晶体主要以树枝状方式长大。开始时，晶核外形比较规则。在晶体继续长大的过程中，由于晶核的尖角处散热和对流条件好，容易获得液态金属原子，所以生长速度较快，形成晶体的主干，称为一次晶轴。
在晶轴长大过程中，又会不断生出分支，随着结晶过程的发展，逐渐长出二次晶轴、三次晶轴等，如此不断生长和发展下去，最终形成树枝状晶体，简称枝晶，如图2-6所示。
图2-6 枝晶生成过程示意图
三、晶粒大小对金属力学性能的影响
实际金属结晶后，一般都会形成由许多晶粒组成的多晶体。在多晶体中，晶粒的大小对其力学性能的影响很大。
一般来说，晶粒越细小，金属的强度越高，塑性和韧性越好。所以，细化晶粒是提高金属材料力学性能的一个重要途径。
金属晶粒的大小与形核率N和长大率G有关。其中，形核率是指单位时间内在单位体积中产生的晶核数；长大率是指单位时间内晶核长大的线速度。促进形核率N，抑制长大率G，即可细化晶粒。生产中，主要采用增大过冷度、变质处理和附加振动等方法细化晶粒。
1．增大过冷度
金属结晶时，形核率N和长大率G均与过冷度有关，如图2-8所示。
图2-8 形核率和长大率与过冷度的关系
随着过冷度的增大，形核率和长大率均会增大，而且在很大范围内形核率N增大得更快，结晶时增大过冷度ΔT会使金属结晶后晶粒变细。生产中常采用散热快的金属铸型、降低金属铸型的预热温度、减小涂料层的厚度、采用水冷铸型等方法来提高冷却速度，但这种方法只适用于中、小型铸件。
对于形状复杂的铸件，为防止快速冷却使应力过大产生开裂，通常不允许过多地提高冷却速度，生产上多采用变质处理来细化晶粒。
2．变质处理
变质处理是在液体金属中加入变质剂或孕育剂，增加非自发晶核的数量或阻碍晶核的长大，从而达到细化晶粒的目的。例如，在ZA27合金中加入Ti和Zr，粗大的树枝晶粒细化后变成了更细小的花瓣状，变质处理有明显的细化晶粒效果，如图2-9所示。
（a）变质处理前 （b）变质处理后
图2-9 Ti和Zr的复合变质对ZA27合金显微组织的影响
在金属结晶过程中，对其采用机械振动、超声波振动、电磁振动及搅拌等方法，可使枝晶破碎、折断，这样不仅使已形成的晶粒因破碎而细化，而且破碎了的细小枝晶又可起到新晶核的作用，增加了结晶核心，达到晶粒细化的目的。如图2-10所示为利用超声波处理对工业纯铝进行晶粒细化。
（a）未经超声波处理 （b）超声波处理后
图2-10 经超声波处理前后纯铝的凝固组织
3．附加振动
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