金属的结晶与凝固
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简述金属的结晶过程
简述金属的结晶过程金属的结晶是指金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程是一个复杂而精细的物理过程，涉及到许多因素，如温度、压力、合金成分等。
本文将从金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面，简述金属的结晶过程。
一、金属的熔化金属的结晶过程首先是金属的熔化过程。
当金属受到加热时，金属内部的原子开始变得活跃起来，原子之间的距离逐渐增大，金属内部的结构逐渐变得无序。
当温度升高到金属的熔点时，金属开始从固态转变为液态。
在液态状态下，金属原子之间的结构无序，原子之间可以自由移动。
金属的熔化过程是金属结晶的第一步。
二、金属的凝固当金属从液态冷却到一定温度时，金属开始凝固。
凝固是指金属从液态到固态的过程。
在凝固过程中，金属原子重新排列，逐渐形成有序的晶体结构。
凝固的过程中，金属原子逐渐聚集在一起，形成晶体的晶粒。
晶粒是金属结晶的基本单位，每个晶粒内部的结构有序而紧密，不同晶粒之间的结构则不同。
晶粒的大小和形状取决于凝固过程中的温度变化、冷却速率和合金成分等因素。
三、晶体的生长金属的凝固过程会伴随着晶体的生长。
晶体的生长是指晶粒在凝固过程中逐渐增大和扩展的过程。
在凝固过程中，金属原子会不断地从熔融的金属中扩散到已经凝固的晶粒中，使晶粒逐渐增大。
晶体的生长速率取决于金属的冷却速率和金属原子的扩散速率。
如果冷却速率较快，金属原子的扩散速率较慢，晶体的生长速率就会减慢，晶粒就会变小。
反之，如果冷却速率较慢，金属原子的扩散速率较快，晶体的生长速率就会加快，晶粒就会变大。
晶体的生长过程中，晶粒之间会出现界面，界面上的结构也会随着晶体的生长而改变。
金属的结晶是一个复杂而精细的过程，涉及到金属的熔化、凝固和晶体生长三个方面。
金属的结晶过程是金属从液态到固态的过程，也是金属形成晶体的过程。
金属的结晶过程受到多种因素的影响，如温度、压力、合金成分等。
理解金属的结晶过程有助于我们深入了解金属的性质和应用，并为金属材料的制备和加工提供理论基础。
5 第四章 金属的凝固与固态相变
晶核形成： 自发形核（均匀形核）； 非自发形核（非均匀形核）。 晶核长大： 平面状长大； 树枝状长大。
9
4.1纯金属的结晶
形核与长大：
10
4.1纯金属的结晶
树枝状长大
11
4.1纯金属的结晶
影响形核和长大的因素：
过冷度 难熔杂质
12
4.1纯金属的结晶
晶粒度：单位体积或单位面积上的晶粒 数目/晶粒尺寸。晶粒 平衡结晶过程：
ＬＬ＋
25
1.匀晶相图
杠杆定律：结晶过程中的成分变化和两 相相对量的变化。 两相区中Q/QＬ＝ab/bc
26
1.匀晶相图
原因：固相中原子扩散速 度慢，跟不上结晶速度
晶内偏析（属于微观偏析）
枝晶偏析
消除办法：高温扩散退火
27
2.共晶相图
亚共晶合金
44
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M L
L+
(M+N )+ M 冷却 曲线
45
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M
( M+ N )
46
2.共晶相图
亚共晶合金L L+ (M+N )+ M 过共晶合金L L+ (M+N )+ N
液相线与固相线之间为 两相区，液相与固相平 衡共存
22
4.2.1二元合金相图与凝固（结晶）
相图的分类： 匀晶相图 共晶相图 包晶相图 其它相图
第四讲 金属的结晶与凝固
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan
§5-2 成分过冷对凝固过程的影响
纯金属在正温度梯度下,为平面生长方式 在负温度梯度 纯金属在正温度梯度下 为平面生长方式,在负温度梯度 为平面生长方式 下为枝晶生长方式 . 对合金,在正温度梯度下且无成分过冷时，同纯金属一样， 对合金 在正温度梯度下且无成分过冷时，同纯金属一样， 在正温度梯度下且无成分过冷时 界面为平界面形态；在负温度梯度下，也与纯金属一样, 界面为平界面形态；在负温度梯度下，也与纯金属一样 为树技状。但合金的树枝状生长还与溶质再分配有关。 为树技状。但合金的树枝状生长还与溶质再分配有关。 但合金在正的温度梯度时， 但合金在正的温度梯度时，合金晶体的生长方式还会由于 溶质再分配而产生多样性： 溶质再分配而产生多样性：当稍有成分过冷时为胞状生长 随着成分过冷的增大（即温度梯度的减小）， ），晶体由胞 ，随着成分过冷的增大（即温度梯度的减小），晶体由胞 状晶变为柱状晶、柱状枝晶和自由树枝晶（等轴枝晶）。 状晶变为柱状晶、柱状枝晶和自由树枝晶（等轴枝晶）。
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan
2、窄成分过冷区的胞状生长 、
T1 dTL(x)/dx x=0 GL TL(x)
GL mC0 1 − K 0 ≤ ⋅ v DL K0
(a) GS T2 ΔTK
S
L
(b)
溶质汇集区
∆TC = Tx − (T1 + Gx)
产生“成分过冷”必须具备两个条件： 一是固-液界面前沿溶质的富集引起成分再分配； 二是固-液界面前方液相的实际温度分布，或温度分布梯度GL必须 达到一定的值。 UCSD MAE-1 Fluid Dynamics
纯金属的结晶
纯金属的结晶
冶
结晶：金属从液态转变为固态（晶态）的过程 一次结晶：液态→固体晶态 二次结晶（重结晶）：固体晶态→另一种固体晶态
1
纯金属的结晶
结晶： 液体 → 晶体 凝固： 液体 → 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
短程有序
长程有序
2
纯金属结晶的条件
1）热力学条件（必须过冷）
T
理论结晶温 度 开始结晶温度
G G
G G
液、固态金属的自由能-温度曲线
过冷度ΔT 越大，结晶的驱动力也越大。
7
问题：
固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？
不一定出现过热。 熔化时，液相若与汽相接触，当有 少量液体金属在固相表面形成时， 就会很快复盖在整个表面(液体金 属总是润湿同一种固体金属)， 表面张力平衡： 实验指出 熔化时表面能之间的关系 说明在熔化时，自由能的变化Δγ (表面)<0，即不存 在表面能障碍，也就不必过热。实际金属多属于这种情 况。 如果固体金属熔化时液相不与汽相接触，则有可能使固 体金属过热，然而，这在实际上是难以做到的。
8
2）结构条件（结构起伏）
在液态金属中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的 原子集团，称为近程有序。但在大范围内原子是无序分布 的。 液态金属结构的特点是，“远程无序，近程有序”。 在晶体中大范围内的原子却是有序排列的，称为远程有序。 不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或称为相 起伏，这是金属结晶重要的结构条件。
结构起伏的尺寸大小与温度有关，温度越低，结构起伏的 尺寸愈大。凝固时的晶核就是在结构起伏的基础上形成， 故又将其称为“晶胚”。在液体中的晶胚为形核准备了结 构上的条件。
冶
结晶：金属从液态转变为固态（晶态）的过程 一次结晶：液态→固体晶态 二次结晶（重结晶）：固体晶态→另一种固体晶态
1
纯金属的结晶
结晶： 液体 → 晶体 凝固： 液体 → 固体（晶体 或 非晶体）
液体
晶体
短程有序
长程有序
2
纯金属结晶的条件
1）热力学条件（必须过冷）
T
理论结晶温 度 开始结晶温度
G G
G G
液、固态金属的自由能-温度曲线
过冷度ΔT 越大，结晶的驱动力也越大。
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问题：
固态金属熔化时是否会出现过热？为什么？
不一定出现过热。 熔化时，液相若与汽相接触，当有 少量液体金属在固相表面形成时， 就会很快复盖在整个表面(液体金 属总是润湿同一种固体金属)， 表面张力平衡： 实验指出 熔化时表面能之间的关系 说明在熔化时，自由能的变化Δγ (表面)<0，即不存 在表面能障碍，也就不必过热。实际金属多属于这种情 况。 如果固体金属熔化时液相不与汽相接触，则有可能使固 体金属过热，然而，这在实际上是难以做到的。
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2）结构条件（结构起伏）
在液态金属中的微小范围内，存在着紧密接触规则排列的 原子集团，称为近程有序。但在大范围内原子是无序分布 的。 液态金属结构的特点是，“远程无序，近程有序”。 在晶体中大范围内的原子却是有序排列的，称为远程有序。 不断变化着的近程有序原子集团称为结构起伏，或称为相 起伏，这是金属结晶重要的结构条件。
结构起伏的尺寸大小与温度有关，温度越低，结构起伏的 尺寸愈大。凝固时的晶核就是在结构起伏的基础上形成， 故又将其称为“晶胚”。在液体中的晶胚为形核准备了结 构上的条件。
纯金属的结晶
第二节
纯金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件与结晶过程 二、形核规律：均质形核和非均质形核 三、长大规律 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织 小结
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体 晶体
1. 纯 金 属 的 结 晶 条 件
纯金属结晶的条 件就是应当有一 定的过冷度
小结
重点要求 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 铸锭组织。
1. 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的， 它们是： 形核和晶核长大 2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作 用是 增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。 3) 过冷度是指为：理论结晶温度 - 开始结晶温度 其表示符号为： T 4) 固溶体的强度和硬度比溶剂：高 2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ No ） 2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小： (1) 金属型与砂型浇注 < (2) 变质处理与不变质处理 < (3) 铸成薄件与厚件 (4) 浇注时振动与不振动 < <
（2）变质处理
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化 晶粒和改善组织的工艺措施。
变质剂的作用：作为非均质形 核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电 磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数 增加，晶粒细化。
五、铸锭组织
表面细晶粒层 中间柱状晶粒层
中心等轴晶粒层
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
纯金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件与结晶过程 二、形核规律：均质形核和非均质形核 三、长大规律 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织 小结
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体 晶体
1. 纯 金 属 的 结 晶 条 件
纯金属结晶的条 件就是应当有一 定的过冷度
小结
重点要求 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 铸锭组织。
1. 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的， 它们是： 形核和晶核长大 2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作 用是 增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。 3) 过冷度是指为：理论结晶温度 - 开始结晶温度 其表示符号为： T 4) 固溶体的强度和硬度比溶剂：高 2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ No ） 2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小： (1) 金属型与砂型浇注 < (2) 变质处理与不变质处理 < (3) 铸成薄件与厚件 (4) 浇注时振动与不振动 < <
（2）变质处理
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化 晶粒和改善组织的工艺措施。
变质剂的作用：作为非均质形 核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电 磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数 增加，晶粒细化。
五、铸锭组织
表面细晶粒层 中间柱状晶粒层
中心等轴晶粒层
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
金属的结晶与凝固
-Fe
-Fe
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
杂质：碳钢在冶炼和加工过程中，由原材料、 冶炼方法、工艺操作等原因，而残留或带入钢中 的其他金属和非金属元素以及化合物等。
锰Mn
在碳钢中的含量一般小于0.8%, 是有益元素。 可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 主要作用： ①溶于铁素体, 起固溶强化作用； ②使硫的有害作用减弱； ③MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发 生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧 的 树 枝 晶
2.1 结晶过程
铸锭（件）的组织： 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）的宏观组织通 常由三个区域组成。
2.1 结晶过程
表层细晶区： 浇注时，由于冷模壁产 生很大的过冷度及异质形 核作用，使表面形成一层 很细的等轴晶粒区。 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。
2.1 结晶过程
晶核长大是具有方向性的渐进过程。一般沿过 冷度大的方向生长，直到液相消耗完毕。 在正温度梯度下，晶核长大以平面状态推进， 称为均匀长大。在负温度梯度下，由于晶核棱角 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…，称为树枝状长大。
2.1 结晶过程
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶
溶化 结晶
T1
T0
2.1 结晶过程
自发形核：液态金属中的原子排列不规则，但 也存在着一些原子排列规则的极小原子团，时聚 时散，称为晶坯。在实际结晶温度下，经孕育期 时间后，有些晶坯开始稳定并长大，形成晶核。 异质形核：更为普遍的是液体中存在的高熔点 固态杂质形成的晶核。 晶核形成后便向各个方 向生长，同时又有新的晶 核生成。直到液体完全消 失。每个晶核最终长成一 个晶粒，晶粒相接触后形 成晶界。
结晶及其条件(精)
职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库金属材料与热处理课程结晶及其条件主讲教师：张琳西安航空职业技术学院结晶及其条件一、结晶与凝固的区别一切物质从液态到固态的转变过程统称为凝固。
如果通过凝固能形成晶体结构，则称为结晶。
凡是纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”，高于此温度便发生熔化处于液态，低于此温度才能进行结晶；在平衡结晶温度，液体与已结晶的晶体同时存在，达到可逆平衡。
而一切非晶体物质则无此明显的平衡结晶温度，且无晶体形成，凝固总是在某一温度范围逐渐完成。
二、金属的结晶条件自然界的一切自发转变过程，总是由较高能量状态趋向能量较低的状态。
物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外做功的这一部分能量叫做自由能（F ）。
同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，在不同温度下的自由能变化是不同的，如图1所示。
可见，两条曲线的交点即液、固态的能量平衡点，对应的温度0T 即理论结晶温度或熔点。
温度低于0T 时，由于液相的自由能高于固相，液体向晶体的转变伴随着能量降低，因而有可能发生结晶。
换句话说，要使液态金属进行结晶，就必须使其实际结晶温度低于理论结晶温度，造成液体与晶体间的自由能差0〉-=∆晶液F F F ，即具有一定的结晶驱动力才行。
实际结晶温度与理论结晶温度之差叫“过冷度”，即10T T T -=∆。
实际上，金属都是在过冷度情况下结晶的，过冷是金属结晶的必要条件。
过冷度的大小主要受冷却速度的影响，金属的冷却速度越快，过冷度也就越大，液态和固态之间的自由能差也越大，即其所具有的结晶驱动力越大，结晶倾向越大。
其次，金属种类不同过冷度大小也不同，金属纯度越高，过冷度越大。
图1 液体和晶体在不同温度下的自由能变化。
材料科学基础I 第四章 (凝固与结晶)
本章应掌握以下内容： 本章应掌握以下内容： 1. 金属凝固的过程和现象 2. 凝固和结晶的热力学条件 3. 几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功， 几个重要概念：过冷度，临界晶核半径，临界形核功， 形核率，均匀形核，非均匀形核， 形核率，均匀形核，非均匀形核，成分过冷 4. 冷却速度、过冷度对凝固过程和凝固组织的影响 冷却速度、 5. 液—固界面的结构及晶体生长形态 固界面的结构及晶体生长形态 6. 成分过冷对晶体生长形态的影响 7. 单相固溶体的长大 8. 两相共晶体的长大
三、近程有序(Short range order) 近程有序
由于有序原子集团的尺寸很小， 由于有序原子集团的尺寸很小，所以把液态金属结构的特点 概括为近程有序 温度降低，这些近程有序的原子集团（ 近程有序。 概括为近程有序。温度降低，这些近程有序的原子集团（又称 晶胚Embryo）尺寸会增大；当具备结晶条件时，大于一定尺 为晶胚 ）尺寸会增大；当具备结晶条件时， 寸的晶胚就会成为晶核 晶核(Nucleus)。晶核的出现就意味着结晶开 寸的晶胚就会成为晶核 。 始了。 始了。 综上所述，接近熔点的液态金属是由许多“原子集团”组成， 综上所述，接近熔点的液态金属是由许多“原子集团”组成， 其中原子呈规律排列，结构与原固体相似（近程有序）；但是 其中原子呈规律排列，结构与原固体相似（近程有序）；但是 ）； 金属液体中存在很大的能量起伏，热运动激烈。 金属液体中存在很大的能量起伏，热运动激烈。原子集团的大 小不等，存在时间很短，时聚时散，空位较多。 小不等，存在时间很短，时聚时散，空位较多。原子集团之间 存在“空穴”和一些排列无序的原子。 存在“空穴”和一些排列无序的原子。
三、结晶的驱动力
∆G=GS‒GL<0，符合热力学第二定律。 ，符合热力学第二定律。 单位体积金属结晶时自由能的变化： 单位体积金属结晶时自由能的变化： ∆Gv=GS‒GL=(HS‒TSS) ‒(HL‒ TSL)= (HS‒ HL) ‒T (SS ‒ SL) = ‒∆Hm+ T∆S = ‒∆Hm+T(∆Hm/Tm) = ‒∆Hm(Tm‒T)/Tm =(‒∆Hm/Tm) ∆T ‒ ∆T=Tm‒T，称为过冷度 ，称为过冷度 ∆Hm，即结晶潜热 m 即结晶潜热L ∆Gv(<0)就是结晶的驱动力，∆T越大，结晶的驱动力越大。 就是结晶的驱动力， 越大 结晶的驱动力越大。 越大， 就是结晶的驱动力
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雾 松
2.1 结晶过程
冷却曲线：金属结晶时温 度与时间的关系曲线。 T0--理论结晶温度 T1--实际结晶温度 T--过冷度 曲线上水平阶段是由于结 晶时放出结晶潜热引起的。 过冷度的大小与冷却速度 有关，冷却速度越快，过冷 度越大。
纯金属的冷却曲线
2.1 结晶过程
液态和固态金属，在不 同温度下自由能的变化， 总是朝着能量降低的方向 进行。低于熔点时液态能 比固态高，因而结晶。 结晶过程是金属原子重 新排列的过程，包括晶核 的形成和长大。
2.4 碳钢中杂质
氧O
是有害杂质气体元素。 在钢中以氧化物的形 式存在，形成硅酸盐 2MnO•SiO2、MnO•SiO2或 复合氧化物MgO•Al2O3、 MnO•Al2O3，它们与基体 结合力弱，不易变形， 易成为疲劳裂纹源。
2.4 碳钢中杂质
氢H
是有害杂质气体元素。 常温下氢在钢中的溶解 度也很低。当氢在钢中以 原子态溶解时，与应力共 同作用将降低韧性，引起 氢脆。 当氢在缺陷处以分子态 析出时，会产生很高的内 压，形成微裂纹，其内壁 为白色，称白点。
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
2.1 结晶过程
铸锭（件）的组织： 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）的宏观组织通 常由三个区域组成。
2.1 结晶过程
表层细晶区： 浇注时，由于冷模壁产 生很大的过冷度及异质形 核作用，使表面形成一层 很细的等轴晶粒区。 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。
2.4 合金元素
合金元素： 特别添加到钢中 为了保证获得所要 求的组织结构、物 理、化学和机械性 能的化学元素。 Mn、Si、Cr、V、 Ti、W等。
2.4 合金元素
2.4 合金元素
碳C
主要强化元素，随着碳含量的增高，淬火回火后 的硬度和热硬性都增高。 若碳和碳化物形成元素满足碳化物分子式中的定 比关系，可以获得最大的二次硬化效应。 C%=0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr 若碳含量很高，碳化物总量增多，碳化物不均匀 性增加；淬火后残余奥氏体量增多，需多次回火； 使固相线温度降低，淬火温度下降。 对W-Mo系，增加碳含量将使钢的抗弯强度和韧性 明显下降。
2.5 合金元素存在形式
形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相 ①钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、 Al2O3、Cr2O3、MgO〃Al2O3、MnO〃Al2O3、MnS、 FeS、2MnO〃SiO2、CaO〃SiO2等。 非金属夹杂物一般都是有害的。 ②AlN和一些稀土氧化物弥散质点，可用来强化 钢或其它有色金属合金。 ③在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些 金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作 用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。
2.5 合金元素存在形式
形成铁基置换固溶体 ①Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固 溶体。其中Ni、Co和Mn形成以γ -Fe为基的无限固 溶体，Cr和V形成以α-Fe为基的无限固溶体。 ②Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如 α-Fe(Mo)和α-Fe(W)等。 ③Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固 溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度。
-Fe
-Fe
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
2.3 碳钢中杂质
杂质：碳钢在冶炼和加工过程中，由原材料、 冶炼方法、工艺操作等原因，而残留或带入钢中 的其他金属和非金属元素以及化合物等。
锰Mn
在碳钢中的含量一般小于0.8%, 是有益元素。 可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。 主要作用： ①溶于铁素体, 起固溶强化作用； ②使硫的有害作用减弱； ③MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发 生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。
2.1 结晶过程
中心粗等轴晶区： 由于结晶潜热的不断 放出，散热速度不断减 慢，导致柱状晶停止生 长。当芯部液体全部冷 却到实际结晶温度以下 时，在杂质作用下以异 质形核方式形成许多尺 寸较大的等轴晶粒。 铸造缺陷： 常见的有缩孔、气孔、疏松、偏析、夹渣、白点 等，它们对性能是有害的.
2.2 同素异晶转变
溶化 结晶
T1
T0
2.1 结晶过程
自发形核：液态金属中的原子排列不规则，但 也存在着一些原子排列规则的极小原子团，时聚 时散，称为晶坯。在实际结晶温度下，经孕育期 时间后，有些晶坯开始稳定并长大，形成晶核。 异质形核：更为普遍的是液体中存在的高熔点 固态杂质形成的晶核。 晶核形成后便向各个方 向生长，同时又有新的晶 核生成。直到液体完全消 失。每个晶核最终长成一 个晶粒，晶粒相接触后形 成晶界。
2.4 合金元素
铬Cr
提高淬透性，也增加耐蚀性和抗氧化能力。 在钢中主要存在于M23C6中，也溶于M6C和MC型碳化 物中。淬火加热时，Cr几乎全部溶于奥氏体中，主 要提高淬透性。
钒V
细化晶粒，提高回火稳定性和热硬性。 在钢中主要以VC存在，也溶于其他类型碳化物。 淬火加热时，VC部分溶于奥氏体中，未溶部分阻碍 奥氏体晶粒长大，溶解部分使马氏体回火稳定性提 高；回火时析出弥散VC产生二次硬化，提高热硬性 和耐磨性。因此高速钢耐磨钢中含V量较多。
2.5 合金元素存在形式
形成金属间化合物 ①金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电 子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅 指电子化合物。 ②在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合 金中较为重要的金属间化合物是： σ(Cr46Fe54)、η(TiFe2)、χ(Cr21Mo17Fe62)、 μ(Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、δ(TiAl3)、γ(TiAl)、 NiAl、NiTi、FeAl、α2(Ti3Al)等。
2.4 碳钢中杂质
磷P
是有害杂质元素。一般控制在0.045%以下。 可全部固溶入α- 铁素体中，使钢在常温下硬度 提高，但剧烈地降低钢 的韧性和塑性，特别是 低温韧性，称冷脆性。 可提高钢在大气中的 抗腐蚀性能。 可改善钢的切削加工 性能。
2.4 碳钢中杂质
氮N
是有害杂质气体元素。 室温下N在α-铁素体中溶解度很低。钢中的过 饱和N，在常温放置过程中以FeN、Fe4N氮化物的 形式析出，使钢变脆, 称时效脆化。 可以与V、Ti、Nb等元素 形成稳定的氮化物，使N固 定，消除时效倾向。 有细化晶粒和提高表面硬 度、疲劳强度的作用。
物质在固态下，晶体结构随温度变化而改变的 现象称为同素异晶转变。它属于固态相变。 多数金属结晶后的晶体结构保持不变，但有些 金属如铁、锰、钴、钛、锡等，在固态下就会随 温度变化，而由一种晶格转变为另一种晶格。 同素异晶转变的特点： ①形核一般在某些特定部位发生（如晶界、晶 内缺陷、特定晶面等）。 ②由于固态下扩散困难，因而过冷倾向大。 ③伴随着体积的变化，易造成很大内应力。
2.5 合金元素存在形式
形成铁基间隙固溶体 ①对α-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体 间隙。 ②对γ-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体 或四面体间隙。 ③间隙原子的溶解度，随间隙原子尺寸的减小而 增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加。 形成合金渗碳体 ①合金渗碳体（碳化物）、氮化物和碳、氮化物 间隙化合物相，是钢中的基本强化相。
2.2 同素异晶转变
纯铁在固态冷却 过程中发生两次晶 体结构的转变。 由于纯铁能够发 生同素异晶转变， 生产中才有可能使 用热处理等方法， 来改变钢的组织和 性能。所以它具有 重要的实际意义。
2.2 同素异晶转变
-Fe为体心立方晶体结构，-Fe为高温体心 立方晶体结构，-Fe为面心立方晶体结构。都 是铁的同素异晶体。
2.4 碳钢中杂质
硅Si
在碳钢中的含量一般小于0.5%，是有益元素。 可固溶，也可形成SiO2夹杂物。主要作用为： ①溶于铁素体, 起固溶强化作用； ②增加钢液的流动性； ③对强度、硬度提高显著； ④夹杂物SiO2将使钢的疲劳强度、塑性下降。 ⑤能升高扩散激活能，降低扩散系数。原因是 由于Si虽提高C的活度，但同时降低了Fe原子的 活动性，即增加了Fe在固溶体中的结合能。
2.4 合金、增大脱碳 倾向。 淬火加热时溶于奥氏体中，提高马氏体的回火稳 定性。Co与W和Mo原子间结合力强，可减轻W和Mo原 子扩散速率，减慢合金碳化物析出和聚集长大，增 加热硬性。
稀土元素
提高钢在900-1150℃间的热塑性。 加入稀土元素降低硫在晶界的偏聚，从而提高热 塑性。
2.4 碳钢中杂质
硫S
是有害杂质元素。应控制 在0.045%以下。 S常以和Fe形成的FeS形式 存在，并易于Fe在晶界上形 成低熔点共晶(985℃)。 当在1150～1200℃热加工 时，FeS的熔化导致开裂， 称为热脆性。 Mn可消除S的有害作用： FeS+Mn→Fe+MnS MnS熔点高(1600℃)。
2.5 合金元素存在形式
形成合金渗碳体 ②过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化 物的强度（或稳定性）按下列规律递减： Hf、Zr、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe ③Ⅳ、Ⅴ族金属的碳化物与氮化物具有简单的点 阵结构，如TiC、VC、TiN、TaC等。 ④Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ金属的碳化物与氮化物具有复杂的 点阵结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、 Fe)6C等。 ⑤在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最 不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素 的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等。
2.1 结晶过程
晶核长大是具有方向性的渐进过程。一般沿过 冷度大的方向生长，直到液相消耗完毕。 在正温度梯度下，晶核长大以平面状态推进， 称为均匀长大。在负温度梯度下，由于晶核棱角 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…，称为树枝状长大。