文档介绍：第二章纯金属的凝固
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。绝大多数材料的生产或成形都经历
熔化、浇注、冷却过程,凝固为固态得到铸件,再经过其他加工成材。凝固过程
中由于外界条件的差异,所获得铸件的内部组织会有所不同,它们的物理、化学
和力学性能也会因之而异,对随后的加工工艺或使用带来很大的影响。
了解材料的凝固过程,掌握其有关规律。对控制铸件质量,提高制品的性能
等都是很重要的。
如果固态下,材料的结构为晶体,凝固过程是晶体从液态中的生成过程,也
称为结晶过程。结晶过程是一相变过程,了解结晶过程也为了解相变过程及相变
的普遍规律提供重要的基础。
2-1 金属结晶的现象
一、过冷现象
人们常用热分析法(thermal analysis)来研究纯金属的结晶过程,即将纯
金属加热熔化成液态,然后缓慢冷却下来,记录下如图 所示的温度随时间变
化的曲线,称为冷却曲线(cooling curve)。从冷却曲线上可以看出,纯金属自
液态缓慢冷却时,随着冷却时间的不断增加,热量不断地向外界散失,温度也连
续下降;当温度降到理论结晶温度 T0 时,液态纯金属并未开始结晶,而是需要
继续冷却到 T0 以下某一温度 Tn 时,液态金属方开始结晶,这种现象称为过冷现
象。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度(super cooling degree),即
有ΔT=T0-Tn。
溫度ΔT
T
0
Tn
時間
图 纯金属的冷却曲线
如图 所示,当液态纯金属的温度降到实际结晶温度 Tn 开始结晶后,冷
却曲线上会出现一个平台,这是由于液态纯金属在结晶时产生的结晶潜热(latent
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heat)与向外界散失的热量相等的原因,这个平台一直延续到结晶过程完毕,纯
金属全部转变为固态为止,然后再继续向外散热直至冷却到室温,相应的冷却曲
线呈连续下降。
一般来讲,实际结晶温度总是低于理论结晶温度,但是在极其缓慢的冷却速
度条件下,两者相差甚微(约 ℃左右)。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。金属种类不同,过冷度的大小也
不同;金属的纯度越高,则过冷度越大。当以上两个因素确定之后,过冷度的大
小主要取决于冷却速度。在实际工程应用中,液态金属冷却速度总是比较快,冷
却速度越快,则过冷度越大,实际结晶温度越低。
二、形核与长大过程
人们通过实验证明,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(nucleus of crystallization),然后这些晶核再不
断地凝聚液体中的原子继续长大。形核过程与长大过程既紧密联系又相互区别。
图 示意地表示了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,而需要经过一定时间以后才开始出现第
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第三批、第四批……晶核,就这样液态金属中
不断形核,形成的晶核不断长大,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,结晶过程进行完毕。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,则形成一
块单晶体金属。
(a) (b) (c) (d) (e)
图 金属结晶过程示意图
总之,结晶过程是由形核和长大这两个过程交替重叠在一起进行的,对于一
个晶粒来说,可以严格地区分其形核和长大这两个阶段,但就整个金属来说,形
核和长大是互相交替重叠进行的。
2-2 金属凝固的热力学条件
为什么液态金属在理论结晶温度还不能开始结晶,而必须在一定的过冷条件
下才能进行呢?这是由热力学条件决定的。热力学第二定律指出,在等温等压条
件下,物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。这就
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说明,对于结晶过程而言,结晶能否发生,就要看液态金属和固态金属的自由能
孰高孰低。图 是液态、固态纯金属自由能随温度变化的示意图,由图可见,
液态和固态金属的自由能都随着温度的升高而降低,液态金属自由能曲线的斜率
比固态金属的大,所以液态金属的自由能