第2章-金属结晶的基本规律(3)教学内容
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第2章 金属结晶的基本规律(3)
低合金铸钢：钛铁粉、金属化合物； 奥氏体钢：氮化铬、金属粉；
根据点阵匹配原则：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂
3、振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或
搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一 方面也可使成长中的枝晶破碎， 使晶核数目显著增加。 方法：机械振动、电磁振动、超声振动
电磁搅拌细化晶粒示意图
第四节 铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭，而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件)
铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响
一、铸锭(件)的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:
1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的 过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
根据点阵匹配原则：液态金属本身是理想的变质剂或孕育剂
3、振动、搅拌等：对正在结晶的金属进行振动或
搅动，一方面可靠外部输入的能量来促进形核，另一 方面也可使成长中的枝晶破碎， 使晶核数目显著增加。 方法：机械振动、电磁振动、超声振动
电磁搅拌细化晶粒示意图
第四节 铸锭(件)组织与缺陷
在实际生产中，液态 金属被浇注到锭模中 得到铸锭，而注入到 铸模中成型则得到铸 件。铸锭(件)
铸锭(件)的组织及其 存在的缺陷对其加工 和使用性能有着直接 的影响
一、铸锭(件)的组织
铸锭(件)的宏观组织通常由三个区组成:
1、表层细晶区：浇注时，由于冷模壁产生很大的 过冷度（激冷）及非均匀形核作用，使表面形成 一层很细的等轴晶粒区（几mm厚）。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变
化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
第二章 纯金属的结晶
第二章纯金属的结晶一、名词：结晶：金属由液态转变为固态晶体的转变过程.结晶潜热：金属结晶时从液相转变为固相放出的热量。
孕育期：当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并末立即出生，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。
近程有序：液态金属中微小范围内存在的紧密接触规则排列的原子集团。
远程有序：固态晶体中存在的大范围内的原子有序排列集团。
结构起伏(相起伏)：液态金属中不断变化着的近程有序原子集团。
晶胚：过冷液体中存在的有可能在结晶时转变为晶核的尺寸较大的相起伏。
形核率：单位时间单位体积液体中形成的晶核数目。
过冷度：金属的实际结晶温度与理论结晶温度之差。
均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率都相同的形核方式。
非均匀形核：新相优先出现于液相中的某些区域的形核方式。
变质处理：在浇注前向液态金属中加入形核剂以促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒的液态金属处理方法。
能量起伏：液态金属中各微观区的能量此起彼伏、变化不定偏离平衡能量的现象。
正温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而提高的温度分布状况。
负温度梯度：液相中的温度随至界面距离的增加而降低的温度分布状况细晶强化：用细化晶粒来提高材料强度的方法。
晶粒度：晶粒的大小。
缩孔：液态金属凝固，体积收缩，不再能填满原来铸型，如没有液态金属继续补充而出现的收缩孔洞。
二、简答：1. 热分析曲线表征了结晶过程的哪两个重要宏观特征？答：过冷现象、结晶潜热释放现象2. 影响过冷度的因素有那些？如何影响的？答：金属的本性、纯度和冷却速度。
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；冷却速度越大，则过冷度越大。
3. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素？1）界面结构；2）界面附近的温度分布；4. 晶体长大机制有哪几种？1）二维晶核长大机制；2）螺型位错长大机制；3）垂直长大机制5、结晶过程的普遍规律是什么？答：结晶是形核和晶核长大的过程6、均匀形核的条件是什么？答：①要有结构起伏与能量起伏；②液态金属要过冷，且过冷度必须大于临界过冷度；③结晶必须在一定温度下进行。
金属学与热处理课件 02金属的结晶
1.10
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。
第2章 金属的结晶 2.1 纯金属的结晶与铸锭
过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大， 过冷度越大，金属由液态转变为固态的推动力越大，能稳定存在的短程有 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是， 序的原子集团的尺寸越小，因此生成的自发晶核越多。但是，当过冷度过大或 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻， 温度过低时，由于原子的活动能力太低，生成晶核所需的原子的扩散受阻，形 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 核的速率反而减小，故形核率与过冷度有关。 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 在实际金属结晶中，往往不需要自发形核那么大的过冷度就已开始形核， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质， 因为实际液态金属中总是不可避免地含有一些杂质，杂质的存在常常促使金属 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触， 原子在其表面形核。此外，液态金属总是与锭模内壁相接触，于是晶核就依附 于这些现成的固体表面形成。 于这些现成的固体表面形成。这种依靠外来质点作为结晶核心的方式称为非自 发形核。 发形核。 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近， 按照结晶时能量的条件，基底与晶体结构以及点阵常数越相近，它们的原 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小， 子在接触面上越容易吻合，基底与晶核之间的界面能越小，从而可以减少形核 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此， 时体系自由焓的增值，这样的基底促进非自发形核形成的效果较好，因此，当 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时， 杂质的晶体结构和晶格常数与金属的结构相似或相当时，有利于形成非自发形 晶核就优先依附于这些现成的表面而形成， 核，晶核就优先依附于这些现成的表面而形成，也有些难熔金属的晶体结构与 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属， 金属的结构相差甚远，但是其表面的凹孔或裂缝有时残留未熔金属，也可以成 为非自发形核的核心。在生产实际中， 为非自发形核的核心。在生产实际中，液态金属结晶时形核方式主要是非自发 形核。 形核。
2纯金属结晶
能加入原子的位置N之比）；X=NA/N
K：波尔兹曼常数。
对不同α 值作△Gs / NkTm 与X 的关系曲线： α ≤2，粗糙（金属）界面。
X=0.5 处曲线有极小点，正好 被原子占据50% 自由能最低；
α ≥5，光滑（非金属）界面。
X=0，X=1 附近曲线有两个极 小点。界面只有几个原子或极 大部分原子位置被固相原子占 据，自由能最低；
：取决于晶体与液体的性质，结晶物质一定，为定值；
σ
LB：取决于杂质与液体的性质；
Lα
在σ
一定，要使cosθ 大，θ 小，主要使σ
α B小。
点阵匹配理论：杂质和晶体要结构相似（晶格类型相同、相 近），点阵常数相当（或原子间距成整数倍）。 符合这种匹配条件的固态粒子称为“活性粒子”。有促进形 核的作用。
凝固结晶长大条件基本规律均匀形核非均匀形核热力学条件结构条件能量条件长大方式光滑界面粗糙界面连续垂直长大晶体缺陷台阶生长二维晶核凝固组织纯晶体凝固时的生长形态正温度梯度下负温度梯度下树枝状生长晶粒大小控制控制过冷度变质处理搅拌振动形核率线长大速度与过冷度
第二章 纯金属的结晶
液态金属变为固态金属的过程——结晶。
特征： （1）界面上原子排列成整齐的原子平面，即晶
体学的某一晶面；
（2）界面把液固截然分开，无过渡层。
Jackson用最近邻键模型讨论了液/固界面结构: 设原界面是平面，在平面上加入的原子随机排列，使 界面粗糙化，界面吉布斯自由能变化△GS:
α ：Jackson因子，决定于材料种类和生长晶体结构 参数。 X：表面结点占据率（界面上固相原子数NA与界面上可
3、固态粒子表面形态对形核的影响
第二章 晶体结构与结晶
α-Fe
γ-Fe
2、固态转变的特点 ⑴形核一般在某些特定部 位发生（如晶界、 位发生（如晶界、晶内 缺陷、特定晶面等）。 缺陷、特定晶面等）。
锡 疫
固态相变的晶界形核
⑵由于固态下扩散困难，因 由于固态下扩散困难， 而过冷倾向大。 而过冷倾向大。 ⑶固态转变伴随着体积变化， 固态转变伴随着体积变化，
（2）细化晶粒的方法 ）细化晶粒的方法
1）增大过冷度——提高液体金属的冷却速 增大过冷度 过冷度——提高液体金属的冷却速 度。 2）变质处理——在金属中加入能非自发形 变质处理——在金属中加入能非自发形 核的物质，增加晶核的数量或者阻碍晶核长 核的物质， 大。 3）振动或搅拌——造成枝晶破碎细化（增 振动或搅拌——造成枝晶破碎细化 造成枝晶破碎细化（ 加新生晶核）。 加新生晶核）。
(2)晶核长大 (2)晶核长大
晶核长大：即金属结晶时， 晶核长大：即金属结晶时，晶粒长大成为 晶体的过程。 晶体的过程。 两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长 树枝 状生 长 平面生长
树枝状结晶
金 属 的 树 枝 晶 金 属 的 树 枝 晶 冰 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
枝晶形成的原因： 枝晶形成的原因：
式中 ΔT——过冷度（℃）； ΔT——过冷度 过冷度（ ——金属的理论结晶温度 金属的理论结晶温度（ T0 ——金属的理论结晶温度（℃）； ——金属的实际结晶温度 金属的实际结晶温度（ Tn ——金属的实际结晶温度（℃）。
金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。 金属的过冷度不是恒定值，它与冷却速度有关。
（4）铸锭的缺陷 ）
1、缩孔（集中缩孔） 、缩孔（集中缩孔） --最后凝固的地方 最后凝固的地方 2、缩松（分散缩孔） 、缩松（分散缩孔） --枝晶间和枝晶内 枝晶间和枝晶内 3、气孔（皮下气孔） 、气孔（皮下气孔）
第二章 纯金属的结晶
以在上面直接结晶长大.
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。
•=180o, GK’= GK. 均匀形核与非均匀形核所需要的能量起伏相同. •0< < 180o, GK’< GK. 越小, 非均匀形核越容易, 需要的过冷度也越
小.
第四节晶核的形成
(二)形核率
1. 过冷度的影响 2. 固体杂质结构的影响 3. 固体杂质形貌的影响 4. 过热度的影响 5. 其他因素的影响
G V Gv S
结晶的驱动力
结晶的阻力
V:晶胚的体积; S: 表面积; GV：液固两相单位体积自由能差; σ: 单位面积的表面能.
第四节晶核的形成
假设晶胚为球体，半径为r，则：
G
4 3
r 3
Gv
4r 2
令 dG 0 dr
得rk
2
G vBiblioteka rk2TmH f T
T:过冷度; Tm 理论结晶温度; ΔHf 熔化潜热.
第五节晶核长大
液-固界面的微观结构
假设界面上可能的原子位置数为N，其中NA个位置为固相原子所占 据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x= NA/N。 如果x=50%，即界面上有50%的位置为固相原子所占据，这样的截 面为粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置为固相原子所占 据，这样的截面为光滑界面。 界面的平衡结构应该是界面能最低的结构，在光滑界面上任意添加 原子时，其界面自由能的变化：
理论结晶温度：纯金属液体在无 限缓慢冷却条件下结晶的温度。 过冷现象：实际的结晶过程冷速都 很快，液态金属在理论结晶温度以 下开始结晶的现象。 过冷度T ：理论结晶温度与实际 结晶温度的差值。
T= T0 –T1
第一节金属结晶的现象
影响过冷度的因素
过冷度随金属的本性、纯度以及冷却速度的差异 而不同。金属不同，过冷度的大小不同；金属纯度 越高，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大， 实际结晶温度越低。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
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均匀形核
非均匀形核
点阵匹配原则：晶格类型相似，原子间距相等两方面
晶界的形成
晶核长大→晶粒，最后形成晶界：
五、晶体的长大
1 晶体长大影响 因素
液－固界面的结构 界面前沿液相的温度梯度
2 动态过冷度：使晶核表面能够向液相中推进而在 晶面上所具有的过冷度。
1、液－固界面的结构
液固界面结构
光滑界面 粗糙界面
2 非均匀形核：晶胚依附在其它固态杂质表面上成核，
称为非均匀形核（或非均质形核）
1、均匀形核
界面自由能
1）临界晶核
自 由 能 晶胚
晶核
当r ＝ rc时，该晶胚既
变 化 ΔG*
可能消散，也可能成为 ΔG
晶核存在。称半径为rc的
rc
r
晶胚为临界晶核
体积自由能
r＜rc时：表面自由能占优势，ΔG增大，晶胚消失；
正温度梯度：随液－固界面距离增加，在液相内
温度升高，这种温度分布称为正的 温度梯度。
热量和结晶潜 热，只能通过 固相散逸
液固界面前沿 过冷度减小
正温度梯度
界面向液相推进速率：在正的温度梯度下，受到固 相传热能力控制；
平面状生长形态：光滑 界面、粗糙界面结构的 金属，其界面生长方式 都以平面的方式，向液 相推进。
称非均匀形核。
非均匀形核比 均匀形核的界 面能较低。即 相变阻力减小
均匀与非均匀形核的区别：
非均匀形核可以降低形核功
固态界面：随润湿角θ的 减小（点阵匹配） ，促进 形核，形核功减小。
σ比表面能
过冷度大大降低
表面自由能大大降低了， 相变时所需的固液自由能 差减小。
非均匀形核示意图
实际生产中，非均匀形核过冷度一般不超过20℃； 在实际金属凝固条件下，几乎全部是非均匀形核； 加入“形核剂”或“细化剂”，达到细化晶粒目的。
形核功：由体系内部能量起伏来提供的；
能量起伏：体系内部能量偏离平均值的动态
变化现象称为能量起伏。
过冷度愈大，形核功愈小
界面自由能
自
由 能
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
晶胚
变化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
3）过冷度对形核的影响
临界过冷度
液态金属过冷度越大， 最大晶胚半径rmax也越大， 临界晶核半径 rc越小
当过冷度达一定值时， rmax＝ rc，结晶开始，这个过冷度称为临界过冷度
●规则排列的小晶团 ●紊乱排列原子
晶胚：液态金属中存在着原子排列规则的小原子
团它们时聚时散，称为晶坯。
●规则排列的小晶团 ●紊乱排列原子
结构起伏→晶胚→是液态金属产生晶核的基础
四、晶核的形成
晶胚
均匀形核
形核
非均匀形核
核长大
1 均匀形核：在过冷液态金属中，液态金属本身具有的
晶胚，形成晶核的过程，称为均匀形核 （或均质形核）
理论冷却曲线与实际冷却曲线：
结晶条件之一：过冷度
在理论结晶温度(熔点 或平衡结晶温度)下， 液体和晶体处于动平衡 状态；
结晶只有在熔点以下 的实际结晶温度下才 能进行。
雾 凇
三、过冷现象与过冷度
过冷：金属实际开始结晶温度总是低于理论结晶温
度（即熔点） 。这种液态金属在熔点以下仍保 持液态的现象称为过冷。
对于具有粗糙界面结构 的金属，在负温度梯度 下，生成的枝晶突出； 对于光滑界面，枝晶不 发达。
r＞rc时：体积自由能中占优势，ΔG下降，晶胚长大
→形成晶核
r＝rc时：晶胚可能消散或
形成晶核
rc——称为临界晶核半径。 过冷度愈大，rc愈小。
界面自由能
自
由 能
晶胚
变化ΔG*
晶核
ΔG
rc
r
体积自由能
2) 形核功的概念
当r＞rc，晶胚形成晶核时，液体转变固 态，金属体积自由能的降低部分，只能补偿其 表面能增高部分的三分之二，其余能量升高， 需要由液相来提供。这部分能量称为形核功。
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——这种生长方式，称为平面状生长形态
负温度梯度：随液－固界面距离增加，在液相内
温度降低，这种温度分布，称为负 的温度梯度。
热量和结晶潜热， 可以通过固相和 液相两个方向逸散
液固界面 前沿过冷 度增大
负温度梯度
实际金属的结晶主要以树枝状长大： 这是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散 热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又 会产生二次轴…，树枝间最后被填充。
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在负的温度梯度下，会形成一次 晶轴、二次晶轴、三次晶轴等。 以这种方式生长的界面，称为树 枝状生长形态（枝晶）；
在负的温度梯度下，金属液固界面附近，越深入液 相中，过冷度越大，生长越快；
枝晶的形成过程：
结晶过程中，各枝晶不断 伸长变粗，存在于枝晶间 的剩余液体，不断被消 耗，液体耗尽时，枝晶粗 化至相互接触，形成树枝 状晶粒。
有效过冷度——金属液体大量形核所需的过冷度
液体金属均匀结晶的三个条件：
过冷度 结构起伏→晶胚→晶核 能量起伏→形核功→形核
过冷度增大
有利于形核→核长大
晶胚半径越大 临界晶核变小 形核功也变小
例如： 纯Sn均匀形核过冷度为183℃； 纯Al为160℃，很大
2、非均匀形核
非均匀形核：液体中存在的固态杂质为核心形核
原子排列规则， 一般为密排晶面
原子处于混乱状 态排列
光滑界面
粗糙界面
• 同族的密排面
有一定的夹角
• 在客观上，光 滑界面由若干 小平面组成；
称为小平面界面 或结晶学界面
光滑界面
粗糙界面
• 液固界面存在粗糙、光滑界面的原因：要求界面自由能保持 最低的缘故。这与晶体结构中原子配位数等因素有关。
2、液－固界面温度梯度
时间的关系曲线
实际结晶温度T1 ：曲线上水平
阶段所对应的温度
纯金属的冷却曲线
结晶潜热：曲线上水平段是由于结晶时结晶潜热引起的
冷却曲线的各个阶段：
1 孕育阶段：形核及核长 大不明显；
2 结晶开始阶段，结晶潜热， 温度回升；
3 继续结晶阶段 温度保持恒定； 4 液态金属全部结晶完毕，
固态金属的降温阶段。
第2章-金属结晶的基本规律(3)
结晶过程：
在熔点以下，液态金属形成具有随机位向的晶核 按金属本身固有晶格的原子排列方式晶核不断长大 形核、核长大是同时进行的过程，晶核数目越多，形 成的小晶体（即晶粒）越多； 晶粒互相接触后，形成整块金属。
二、金属结晶的宏观现象
1、冷却曲线
冷却曲线－金属结晶时温度与
过冷度：理论结晶温度和实际
开始结晶温度之差。
过冷度值：与金属性质、冷却
速度有关；冷速越大， 过冷度越大
纯金属的冷却曲线
金属结晶热力学条件
过冷度越大ΔT 液固自由能差ΔG愈大 结晶驱动力也愈大
结晶的结构条件
结构起伏：液态金属的结构模型认为：原子排列的
“时聚时散、此起彼伏”的近程有序现象 称为结构起伏或相起伏。