【正文】 們的自由能分別用Ｇ固（Ｇ固＝ U固 TS固）和Ｇ液（Ｇ液＝ U液 TS液）來表示。由于液體與晶體的結(jié)構(gòu)不同，同一物質(zhì)中它們在不同溫度下的自由能變化是不同的，如圖，因此它們便會在一定的溫度下出現(xiàn)一個平衡點(diǎn)，即理論結(jié)晶溫度（ T0）。低于理論結(jié)晶溫度時，由于液相的自由能（Ｇ液）高于固相晶體的自由能（Ｇ固），液體向晶體的轉(zhuǎn)變便會使能量降低，于是便發(fā)生結(jié)晶；高于理論結(jié)晶溫度時，由于液相的自由能（Ｇ液）低于固相晶體的自由能（Ｇ固），晶體將要熔化。換句話說，要使液體進(jìn)行結(jié)晶，就必須使其溫度低于理論結(jié)晶溫度，造成液體與晶體間的自由能差（△Ｇ＝Ｇ液－Ｇ固＞０），即具有一定的結(jié)晶推動力才行 ?可見過冷度是金屬結(jié)晶的必要條件。 化工學(xué)院 167。 24 金屬的結(jié)晶 三、金屬的結(jié)晶過程 ?液態(tài)金屬的結(jié)晶過程分為 晶核形成 和 晶核的成長 兩個階段 ?晶核的形成，一是由液態(tài)金屬中一些原子自發(fā)地聚集在一起，按金屬晶體的固有規(guī)律排列起來稱為自發(fā)晶核。二是由液態(tài)金屬中一些外來的微細(xì)固態(tài)質(zhì)點(diǎn)而形成的，稱為外來晶核 ?當(dāng)液體冷卻到結(jié)晶溫度后，一些短程有序的原子團(tuán)開始變得穩(wěn)定，成為極細(xì)小的晶體，稱之為 晶核 。隨后，液態(tài)金屬的原子就以它為中心，按一定的幾何形狀不斷地排列起來，形成 晶體 。晶體在各個方向生長的速度是不一致的，在長大初期，小晶體保持規(guī)則的幾何外形，但隨著晶核的長大，晶體逐漸形成棱角，由于棱角處散熱條件比其它部位好，晶體將沿棱角方向長大，從而形成 晶軸 ，稱為一次晶軸；晶軸繼續(xù)長大，且長出許多小晶軸，二次晶軸、三次晶軸、 … ，成樹枝狀，當(dāng)金屬液體消耗完時，就形成 晶粒 。 金屬結(jié)晶過程示意圖 化工學(xué)院 167。 24 金屬的結(jié)晶 ?由每個晶核長成的晶體稱為晶粒，晶粒之間的接觸面稱為晶界。晶粒的外形是不規(guī)則的。因此，金屬實際上是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的晶粒所組成的多晶體 ?晶粒的大小對金屬的性能影響很大。因為晶粒小則晶界就多，而晶界增強(qiáng)了金屬的結(jié)合力。因此， 一般金屬的晶粒越小，強(qiáng)度、塑性和韌性就越好 。生產(chǎn)上常用增加冷卻速度或向液態(tài)金屬加入某些難熔質(zhì)點(diǎn)，以增加晶核數(shù)目，而細(xì)化晶粒 四、影響晶核的形成和成長速率的因素 影響晶核的形成率和成長率的最重要因素是結(jié)晶時的 過冷度 和液體中的 不熔雜質(zhì) 1) 過冷度的影響 金屬結(jié)晶時的冷卻速度愈大，其過冷度便愈大，不同過冷度 ⊿ T對晶核的形成率 N（晶核形成數(shù)目 /s?mm3）和成長率 G（ mm/s）的影響如圖所示 化工學(xué)院 167。 24 金屬的結(jié)晶 ?過冷度對晶核的形成率和成長率的這些影響，主要是因為在結(jié)晶過程中有兩個相反的因素同時在起作用 ?其中之一即如前所述的晶體與液體的自由能差（ ⊿ Ｇ），它是晶核的形成和成長的推動力 ?另一相反因素便是液體中原子遷移能力或擴(kuò)散系數(shù)（ D），這是形成晶核及其成長的必需條件，因為原子的擴(kuò)散系數(shù)太小的話，晶核的形成和成長同樣也是難以進(jìn)行的。 ?在圖中，我們還從晶核的形成率與成長率之間的相對關(guān)系示意地表達(dá)出了幾種不同過冷度下所得到的晶粒度的對比，從中可以得到一個十分重要的結(jié)論即在一般工業(yè)條件下（圖中曲線的前半部實線部分），結(jié)晶時的冷卻速度愈大或過冷度愈大時，金屬的晶粒度便愈細(xì) ?圖中曲線的后半部分，因為在工業(yè)實際中金屬的結(jié)晶一般達(dá)不到這樣的過冷度，故用虛線表示，但近年來通過對金屬液滴施以每秒上萬度的高速冷卻發(fā)現(xiàn)，在高度過冷的情況下，其晶核的形成率和成長率確能再度減小為零，此時金屬將不再通過結(jié)晶的方式發(fā)生凝固，而是形成非晶質(zhì)的固態(tài)金屬 化工學(xué)院 167。 24 金屬的結(jié)晶 2)未熔雜質(zhì)的影響 ?任何金屬中總不免含有或多或少的雜質(zhì)，有的可與金屬一起熔化，有的則不能，而是呈未熔的固體質(zhì)點(diǎn)懸浮于金屬液體中。這些未熔的雜質(zhì)，當(dāng)其晶體結(jié)構(gòu)在某種程度上與金屬相近時，常可顯著地加速晶核的形成，使金屬的晶粒細(xì)化。因為當(dāng)液體中有這種未熔雜質(zhì)存在時，金屬可以沿著這些現(xiàn)成的固體質(zhì)點(diǎn)表面產(chǎn)生晶核，減小它暴露于液體中的表面積，使表面能降低，其作用甚至?xí)h(yuǎn)大于加速冷卻增大過冷度的影響 ?在金屬結(jié)晶時，從為向液態(tài)金屬中加入某種難溶雜質(zhì)來有效地細(xì)化金屬的晶粒，以達(dá)到提高其力學(xué)性能的目的，這種細(xì)化晶粒的方法叫做“ 變質(zhì)處理 ” ，所加入的難溶雜質(zhì)叫 “ 變質(zhì)劑 ” 或 “ 人工晶核 ” 。 3)晶粒的大小及控制 晶粒度：晶粒大小的量度，用單位體積中晶粒的數(shù)目 Zv或單位面積上晶粒的數(shù)目 Zs表示，也可以用晶粒的平均線長度（或直徑）表示。 化工學(xué)院 167。 24 金屬的結(jié)晶 影響晶粒度主要因素是形核率 N和長大速度 G。形核率愈大，則結(jié)晶后的晶粒愈多，晶粒就越細(xì)小。若形核率不變，晶核的長大 速度愈小，則結(jié)晶所需的時間愈長，能生成的核心愈多，晶粒就愈細(xì)。 3 / 41 / 2Z =0 .9( N /G ) ( / )ZvsvsZ N GZ???單 位 體 積 中 晶 粒 的 數(shù) 目單 位 面 積 上 晶 粒 的 數(shù) 目N 形 核 率G 長 大 速 度2. 晶粒大小的控制 增大過冷度： 晶粒的大小取決于形核率和長大速度的比值，而形核率和長大速度又取決于過冷度，因此晶粒的大小可以用過冷度來控制。 總結(jié)：一般情況下，晶粒愈小，則金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性愈好。 化工學(xué)院 167。 24 金屬的結(jié)晶 過冷度愈大，形核率和長大速度愈大，但形核率的增加速度更大，一次比值 N/G(形核率和長大速度 )愈大，晶粒就愈細(xì)。 提高液態(tài)金屬的冷卻速度是增大過冷度的主要方式。例如鑄造中，用金屬型代替砂型，增大金屬型的厚度，降低金屬型的預(yù)熱溫度，均可提高鑄件的冷卻速度。 提高液態(tài)金屬的過冷能力也是增大過冷度的有效方法。例如在澆注時采用高溫熔化并低溫澆注的方法可以獲得較細(xì)的晶粒。 采用超高速急冷技術(shù)。 化工學(xué)院 167。 24 金屬的結(jié)晶 三、金屬的同素異構(gòu)性 ?某些金屬在不同溫度和壓力下呈不同的晶體結(jié)構(gòu)，同一種固態(tài)的純金屬（或其他單相物質(zhì)），在加熱或冷卻時發(fā)生由一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變成另一種晶體結(jié)構(gòu)不同的穩(wěn)定狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，稱為 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 。此時除體積變化和熱效應(yīng)外還會發(fā)生其他性質(zhì)改變。例如 Fe、 Co、 Sn、 Mn等元素都具有同素異構(gòu)特性。 ?鐵在結(jié)晶后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，將發(fā)生兩次晶格轉(zhuǎn)變，其轉(zhuǎn)變過程如圖所示。鐵在 1394℃ 以上時具有體心立方晶格 ，稱為 ? Fe；冷卻至1394~912℃ 之間，轉(zhuǎn)變?yōu)?面心立方晶格 稱為 ? Fe；繼續(xù)冷卻至 912℃ 以下又轉(zhuǎn)變?yōu)?體心立方晶格 ，稱為 ? Fe。 純鐵的冷卻曲線 化工學(xué)院 167。 12 動載荷時材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。 12 動載荷時材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。 12 動載荷時材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。 12 動載荷時材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。 12 動載荷時材料的力學(xué)性能 化工學(xué)院 167。 12 動載荷時材料的力學(xué)性能