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原圖鏈接来自文档网纯金属结晶过程示意图

纯金属的结晶：金属由原子不规则排列的液体转变为原子规则排列的固体的过程称为结晶。

了解金属的结晶过程及规律，对于控制材料内部组织和性能是十分重要的。

结晶过程是一个十分复杂的过程，尤其是金属不透明，其结晶过程不能直接观察，更给研究带来困难。为了揭示金属结晶的基本规律，这里先从结晶的现象入手，进而再去研究结晶过程的实质。

纯金属的结晶过程

(1)过冷现象。根据金属结晶过程中测得的温度曲线(见图)可知，金属在结晶之前，温度连续下降，当液态金属冷却到理论结晶温度（熔点）时，并未开始结晶，而是需要继续冷却到之下某一温度Tn，液态金属才开始结晶。金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，称为过冷度，以△T表示，△T=Tm-Tn。过冷度越大，则实际结晶温度越低。

原圖鏈接来自原创力文档纯金属结晶时的冷却曲线示意图

过冷度随金属的本性和纯度的不同，以及冷却速度的差异可以在很大的范围内变化。金属不同，过冷度的大小也不同；金属的纯度越高，则过冷度越大。当以上两因素确定之后，过冷度的大小取决于冷却速度。

冷却速度越大，则过冷度越大，即实际结晶温度越低；反之，冷却速度越慢，则过冷度越小，实际结晶温度越接近理论结晶温度。但是，不管冷却速度多么缓慢，也不可能在理论结晶温度进行结晶。对于一定的金属来说，过冷度有一最小值，若过冷度小于此值，结晶过程就不能进行。

(2)结晶潜热。物质从一个相转变为另一个相时，伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。金属熔化时从固相转变为液相要吸收热量，而结晶时从液相转变为固相则放出热量，前者称为熔化潜热，后者称为结晶潜热。它可以从图冷却曲线上反映出来。当液态金属的温度到达结晶温度Tn时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境的热量，所以在冷却曲线上出现了平台。平台延续的时间就是结晶过程所用的时间。结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷却曲线便又继续下降。冷却曲线上的第一个转折点，对应着结晶过程的开始，第二个转折点则对应着结晶过程的结束。

在结晶过程中，如果释放的结晶潜热大于向周围环境散失的热量，温度将会上升，甚至发生已经结晶的局部区域重熔的现象。因此，结晶潜热的释放和散失，是影响结晶过程的一个重要因素。

(3)金属结晶的过程。金属结晶过程是形核与长大的过程。结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核不断凝聚长大。形核过程与长大过程既紧密联系又相互区别。图所示为微小体积的液态金属的结晶过程。

当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即产生，而是经过了一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大。与此同时，液态金属中又产生第二批晶核。依此类推，原有的晶核不断长大，同时又不断产生新的晶核。

就这样，液态金属中不断形核、不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程宣告结束。由一个晶核长成的晶体，就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，这样就形成一块多晶体金属。如果在结晶过程中只有一个晶核形成并长大，那么就形成一块单晶体金属。

总之，结晶过程是形核和长大两个过程交错重叠在一起的。但对一个晶粒来说，它严格地区分为形核和长大两个阶段。 [

晶粒大小对金属力学性能的影响

一般说，细晶粒金属具有较高的综合力学性能，即强度、硬度、塑性及韧性都比较好。因此，生产上对控制金属材料的晶粒大小相当重视，采取必要的措施来细化晶粒。

细化晶粒方法:

①增加过冷度；②变质处理；③振动处理；

同素异构转变

1、同素异构转变：金属在固态下，随温度的改变由一种晶格变为另一种晶格的现象称为同素异构转变。具有同素异构转变的金属有铁、钴、钛、锡、锰等。

2、同素异晶体：以不同晶格形式存在的同一金属元素的晶体称为该金属的同素异晶体。同一金属的同素异晶体按其稳定存在的温度，由低温到高温依次用希腊字母α、β、γ、δ等表示。

3、纯铁的同素异构转变

金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程异同点

相同点

1、都有一定的转变温度，转变时有过冷现象；

2、放出和吸收潜热；

3、转变过程也是一个形核和晶核长大的过程。

不同点

1、同素异构转变时，新晶格的晶核优先在原来晶粒的晶界处形核；

2、转变需要较大的过冷度；

3、晶格的变化伴随着金属体积的变化；

4、转变时会产生较大的内应力。

例如γ-Fe转变为α-Fe时，铁的体积会膨胀约1%，这是钢热处理时引起应力，导致工件变形和开裂的重要原因。

视频

金属结晶显微过程

3-纯金属的结晶