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第二章金属材料组织与性能的控制第一节纯金属的结晶一、纯金属的结晶1.纯金属结晶的条件纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶温度)。在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态。结晶只有在T0以下的实际结晶温度下才能进行。液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。(1)晶核的形成结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成.液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下,经一段时间后(即孕育期),一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。T0T1ΔT液体和晶体自由能随温度变化晶核半径与ΔG关系2.纯金属的结晶过程2、晶核的形成方式形核有两种方式，即自发形核和非自发形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称自发形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非自发形核。非自发形核更为普遍。自发形核非自发形核示意图3、晶核的长大方式晶核的长大方式有两种，即均匀长大和树枝状长大。均匀长大树枝状长大在正温度梯度下，晶体生长以平面状态向前推进。正温度梯度实际金属结晶主要以树枝状长大.这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。负温度梯度树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶二、同素异构转变构转变。同素异构转变属于相变之一—固态相变。1、铁的同素异构转变铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：1394℃912℃-Fe⇄-Fe⇄-Fe物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异纯铁的同素异构转变-Fe、-Fe为体心立方结构(BCC)，-Fe为面心立方结构(FCC)。都是铁的同素异构体。-Fe-Fe三、铸锭结构及其控制在实际生产中，液态金属被浇注到锭模中便得到铸锭，而注入到铸型模具中成型则得到铸件。铸锭(件)的组织及其存在的缺陷对其加工和使用性能有着直接的影响。⑴细晶等轴区：浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。1、铸锭结构铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:⑵柱状晶区：由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。⑶粗等轴晶区:由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度T1以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。2、铸锭晶粒形状的影响因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。过冷度对N、G的影响单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度叫长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小.因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒.3、细化铸态金属晶粒的措施⑴增大过冷度：随过冷度增加，N/G值增加，晶粒变细。⑵变质处理：又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。Al-Si合金组织缓冷快冷未变质变质铸铁变质处理前后的组织变质处理前变质处理后变质处理使组织细化。变质剂为硅铁或硅钙合金。电磁搅拌细化晶粒示意图超声振动细化晶粒示意图⑶振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。四、单晶的制取单晶是电子元件和激光元件的重要材料。制备单晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。五、快速凝固技术与应用1.非晶态合金2.微晶合金3.纳米级超细微晶