文档介绍：金属的结晶与二元合金相图
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第一节金属结晶的基础知识
液态金属的冷却过程可以用热分析法测出的冷却曲线(温度-时间关系曲线)来表述，见图3-1。从曲线上可以明显地见到结晶开始和结晶结束的温度。对于纯金不能自发成核。相反，过冷度愈大，自发成核的临界晶核尺寸愈小。也就是说，随着过冷度的增加液相中自发成核所需的近程有序原子集团的尺寸也愈小。这意味着过冷度愈大愈易自发形成晶核。
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在实际金属熔液中总是存在某些未溶的杂质粒子，这些固态离子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相中某些现成界面而成核的过程都称为非均匀成核(非自发成核)。非均匀成核所需的过冷度比均匀成核的小的多。现成界面的状态(表面能、浸润角、曲率半径、晶格位向等)影响着非均匀成核的能力。
均匀成核与非均匀成核在金属结晶中是同时存在的。非均匀成核在实际生产中比均匀成核更重要。
母相在给定的条件下产生晶核的能力可用成核率(N)来表示。成核率是指在单位时间和单位体积内所形成的晶核数目。成核率愈大，结晶后晶体中的晶粒愈细小。
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(三) 晶核的长大
晶核长大的实质就是晶核的固体界面向母相内不断的推进。所需的原子由母相不断地提供，通过原子本身的迁移和扩散来完成。晶核长大的能力可用晶核长大线速度G来表示，简称为长大率。长大率是指单位时间晶核界面向母相中推进的距离。在结晶这种液固相变中，母相指的就是液相。在以后将要讲的固态相变中母相是指原来的相。
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晶核长大的方式的分类(两类)
另一类是绝大多数的纯金属及合金都是以树枝状的枝晶形式长大。枝晶长大是金属结晶的普遍方式。这是由于金属结晶时液态母相都是处于过冷状态，具有负的温度梯度。
一类是非金属晶体、少量纯金属和金属化合物(如：Si、Ge、Sb、CuAl2、Cu2Sb等)是以“生长台阶”形式长大。
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液态晶核长大过程中晶核上的凸出部分(如：棱、尖角 )都具有散热优势，将优先长大，形成象树枝生长一样，先长出干枝称为一次晶轴。在一次晶轴变粗变长的同时，在其侧面的凸出部位或晶体缺陷部位又会长出分枝称为二次晶轴，随着时间的推移，二次晶轴的见的空隙也都被填满。最后每个晶核都长大，形成一个是树枝状的晶粒——枝晶，如图3-3。金属晶体就是有这些晶粒组成。因为金属是不透明的，且晶粒又很小，所以平常难以用眼睛直接看到枝晶。但是，在某些特殊的情况下也是可以看到的。如镀锌钢板表面上的锌晶粒花纹以及水结晶成雪花等都是枝晶生长的可见实例。
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(四)金属结晶后的晶粒大小
晶粒的大小通常是指以晶粒度来表示。而晶粒度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。纯铁的晶粒大小与力学性能的关系见3-1。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称为细晶强化。
晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的影响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少耐蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。
可见，按照材料的不同用途和种类应合理的控制其晶粒大小。这就需要我们了解一些金属结晶时影响晶粒大小的因素。
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金属结晶时的成核率N和长大率G与结晶后的晶粒大小有密切关系。而成核率与长大率又与过冷度有直接关系，见图3-4。从图上可见，随过冷度的增加，N与G均增加，但成核率N的增加速度更快些。
单位面积内的晶粒数Zs与成核率和长大率G有如下的经验关系式
Zs=√N/G
显然，加大过冷度会使Zs增加，即增加过冷度会使结晶后的晶粒变小。结晶时的过冷度主要取决与液体的冷却速度，因此，结晶时冷却速度越大，得到的晶粒也越小。
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从公式中，可以看出，凡是能使成核率N增加和使长大率G减小的因素都能促进晶粒细化。增加冷却速度可以细化晶粒，但是，同时使结晶时的铸造应力增加。另外，对于大体积的铸锭与铸件提高冷速是困难的。团此，在实际铸造生产中往往采用“变质处理”，即在浇注之前向金属液中加入某些物质(变质剂)来促进晶粒细化。变质剂主要有两大类型。其一是，变质剂作为非均匀成核的晶核(人工晶核)，从而通过增加成核率来细化晶粒。如：向钢中加 Ti、Zr、B、Al；向铸铁中加St、Ca等。另一是，变质剂作为长大率的阻碍物，通过降低长大速度来细化晶粒。如：在铝硅合金中加入一些钠盐的变质处理就是通过钠来降低硅的长大速度来细化硅的晶粒。在生产工艺中，有时还采用振动的手段造成枝晶碎断，则各个枝晶碎块都可以变成一个新的晶核，从而也会使结晶后的晶粒细化。
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三、金属