純金屬的結晶檢視原始碼討論檢視歷史

原圖鏈接來自文檔網純金屬結晶過程示意圖

純金屬的結晶：金屬由原子不規則排列的液體轉變為原子規則排列的固體的過程稱為結晶。

了解金屬的結晶過程及規律，對於控制材料內部組織和性能是十分重要的。

結晶過程是一個十分複雜的過程，尤其是金屬不透明，其結晶過程不能直接觀察，更給研究帶來困難。為了揭示金屬結晶的基本規律，這裡先從結晶的現象入手，進而再去研究結晶過程的實質。

純金屬的結晶過程

(1)過冷現象。根據金屬結晶過程中測得的溫度曲線(見圖)可知，金屬在結晶之前，溫度連續下降，當液態金屬冷卻到理論結晶溫度（熔點）時，並未開始結晶，而是需要繼續冷卻到之下某一溫度Tn，液態金屬才開始結晶。金屬的實際結晶溫度Tn與理論結晶溫度Tm之差，稱為過冷度，以△T表示，△T=Tm-Tn。過冷度越大，則實際結晶溫度越低。

原圖鏈接來自原創力文檔純金屬結晶時的冷卻曲線示意圖

過冷度隨金屬的本性和純度的不同，以及冷卻速度的差異可以在很大的範圍內變化。金屬不同，過冷度的大小也不同；金屬的純度越高，則過冷度越大。當以上兩因素確定之後，過冷度的大小取決於冷卻速度。

冷卻速度越大，則過冷度越大，即實際結晶溫度越低；反之，冷卻速度越慢，則過冷度越小，實際結晶溫度越接近理論結晶溫度。但是，不管冷卻速度多麼緩慢，也不可能在理論結晶溫度進行結晶。對於一定的金屬來說，過冷度有一最小值，若過冷度小於此值，結晶過程就不能進行。

(2)結晶潛熱。物質從一個相轉變為另一個相時，伴隨着放出或吸收的熱量稱為相變潛熱。金屬熔化時從固相轉變為液相要吸收熱量，而結晶時從液相轉變為固相則放出熱量，前者稱為熔化潛熱，後者稱為結晶潛熱。它可以從圖冷卻曲線上反映出來。當液態金屬的溫度到達結晶溫度Tn時，由於結晶潛熱的釋放，補償了散失到周圍環境的熱量，所以在冷卻曲線上出現了平台。平台延續的時間就是結晶過程所用的時間。結晶過程結束，結晶潛熱釋放完畢，冷卻曲線便又繼續下降。冷卻曲線上的第一個轉折點，對應着結晶過程的開始，第二個轉折點則對應着結晶過程的結束。

在結晶過程中，如果釋放的結晶潛熱大於向周圍環境散失的熱量，溫度將會上升，甚至發生已經結晶的局部區域重熔的現象。因此，結晶潛熱的釋放和散失，是影響結晶過程的一個重要因素。

(3)金屬結晶的過程。金屬結晶過程是形核與長大的過程。結晶時首先在液體中形成具有某一臨界尺寸的晶核，然後這些晶核不斷凝聚長大。形核過程與長大過程既緊密聯繫又相互區別。圖所示為微小體積的液態金屬的結晶過程。

當液態金屬過冷至理論結晶溫度以下的實際結晶溫度時，晶核並未立即產生，而是經過了一定時間後才開始出現第一批晶核。結晶開始前的這段停留時間稱為孕育期。隨着時間的推移，已形成的晶核不斷長大。與此同時，液態金屬中又產生第二批晶核。依此類推，原有的晶核不斷長大，同時又不斷產生新的晶核。

就這樣，液態金屬中不斷形核、不斷長大，使液態金屬越來越少，直到各個晶體相互接觸，液態金屬耗盡，結晶過程宣告結束。由一個晶核長成的晶體，就是一個晶粒。由於各個晶核是隨機形成的，其位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，這樣就形成一塊多晶體金屬。如果在結晶過程中只有一個晶核形成並長大，那麼就形成一塊單晶體金屬。

總之，結晶過程是形核和長大兩個過程交錯重疊在一起的。但對一個晶粒來說，它嚴格地區分為形核和長大兩個階段。 [

晶粒大小對金屬力學性能的影響

一般說，細晶粒金屬具有較高的綜合力學性能，即強度、硬度、塑性及韌性都比較好。因此，生產上對控制金屬材料的晶粒大小相當重視，採取必要的措施來細化晶粒。

細化晶粒方法:

①增加過冷度；②變質處理；③振動處理；

同素異構轉變

1、同素異構轉變：金屬在固態下，隨溫度的改變由一種晶格變為另一種晶格的現象稱為同素異構轉變。具有同素異構轉變的金屬有鐵、鈷、鈦、錫、錳等。

2、同素異晶體：以不同晶格形式存在的同一金屬元素的晶體稱為該金屬的同素異晶體。同一金屬的同素異晶體按其穩定存在的溫度，由低溫到高溫依次用希臘字母α、β、γ、δ等表示。

3、純鐵的同素異構轉變

金屬的同素異構轉變與液態金屬的結晶過程異同點

相同點

1、都有一定的轉變溫度，轉變時有過冷現象；

2、放出和吸收潛熱；

3、轉變過程也是一個形核和晶核長大的過程。

不同點

1、同素異構轉變時，新晶格的晶核優先在原來晶粒的晶界處形核；

2、轉變需要較大的過冷度；

3、晶格的變化伴隨着金屬體積的變化；

4、轉變時會產生較大的內應力。

例如γ-Fe轉變為α-Fe時，鐵的體積會膨脹約1%，這是鋼熱處理時引起應力，導致工件變形和開裂的重要原因。

視頻

金屬結晶顯微過程

3-純金屬的結晶