金属学与热处理 相隔开的晶体界面而消耗能量A。所以,只有当液体的过冷度达到一定的程度,使结晶 的动力ΔF大于建立小晶体界面所需要的表面能A时,结晶才能进行。 2.纯金属结晶的一般过程 液态金属结晶是通过形核和长大这两个密切联系的基本过程来实现的。金属结晶可 用图24来描述,将液态金属冷却到某一温度,在一定的过冷度下,经过一段时间的孕育 阶段,晶核以一定的速率M1/(cm3s)生成,并随之以一定的线速度Gmm/s)长大。同时剩 余液体金属中还不断产生新晶核并同时不断长大,当液体结晶速度达到50%左右时,各个 晶粒开始相互接触,液体中可供结晶的空间随即减小,经过一段时间之后液体全部凝固 结晶结束,最后得到了多晶体的金属结构。 口- 图24金属结晶过程示意图 概括起来,液体金属结晶分形核和长大两个过程,下面分别讨论形核和长大的规律 1)晶核的形成 晶核的形成有两种方式:自发形核和非自发形核 液态金属中存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团,这些原子集团称为晶坯,在理 论结晶温度以上时,它们是不稳定的。当温度降低到T以下并且过冷度达到一定程度后, 液体具备了结晶条件,液体中那些超过一定尺寸(大于临界尺寸)的短程有序的原子集团不 再消失,成为结晶的核心。这种从液体内部自发生成结晶核心的方式叫自发形核 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,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,形核的速率反而减小,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,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,于是晶核就依附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。 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,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,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,有利于形成非自发形核,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,也可以成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·32· 金属学与热处理 ·32· 相隔开的晶体界面而消耗能量 A。所以，只有当液体的过冷度达到一定的程度，使结晶 的动力 Δ F 大于建立小晶体界面所需要的表面能 A 时，结晶才能进行。 2. 纯金属结晶的一般过程 液态金属结晶是通过形核和长大这两个密切联系的基本过程来实现的。金属结晶可 用图 2.4 来描述，将液态金属冷却到某一温度，在一定的过冷度下，经过一段时间的孕育 阶段，晶核以一定的速率 N[1/(cm3 ⋅ s)]生成，并随之以一定的线速度 G(mm/s)长大。同时剩 余液体金属中还不断产生新晶核并同时不断长大，当液体结晶速度达到 50%左右时，各个 晶粒开始相互接触，液体中可供结晶的空间随即减小，经过一段时间之后液体全部凝固， 结晶结束，最后得到了多晶体的金属结构。 图 2.4 金属结晶过程示意图 概括起来，液体金属结晶分形核和长大两个过程，下面分别讨论形核和长大的规律。 1) 晶核的形成 晶核的形成有两种方式：自发形核和非自发形核。 液态金属中存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团，这些原子集团称为晶坯，在理 论结晶温度以上时，它们是不稳定的。当温度降低到 T0以下并且过冷度达到一定程度后， 液体具备了结晶条件，液体中那些超过一定尺寸(大于临界尺寸)的短程有序的原子集团不 再消失，成为结晶的核心。这种从液体内部自发生成结晶核心的方式叫自发形核。 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，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，形核的速率反而减小，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，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，于是晶核就依附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。 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，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，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，有利于形成非自发形核，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，也可以成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