工程材料网络课程 2.2 金属材料的结构 2.2.4 金属的结晶

发布日期:[13-02-13 15:38:37] 浏览人次:[]

1、纯金属的结晶

研究金属由液态转化为固态的结晶过程,可知其实质是物质内部原子重新排列的过程,即从液态下的不规则排列转变为固态下的规则排列,当然,一定条件下物质内部的原子也可以从一种规则排列转变为另一种规则排列。因此,广义上讲,物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过渡为另一种原子规则排列状态(晶态)的转变过程称为结晶。为区别起见,我们将物质从液态转变为固体晶态的过程称为一次结晶,而物质从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。研究金属结晶过程的基本规律,对改善金属材料的组织和性能,都具有重要的意义。为了揭示结晶的基本规律,本节将先从结晶的宏观现象入手,进而再去研究结晶过程的微观本质。

(1)液态金属的结构

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,而在晶体中大范围内的原子却是有序排列的,称为远程有序。所以液态金属结构的特点是,“远程无序,近程有序”。应当指出,液态金属中近程规则排列的原子集团并不是固定不动、一成不变的,而是处于不断地变化之中。这些小范围存在的近程有序的原子集团随着原子的热运动不断地消失,又不断地产生,它们始终处于瞬间出现,瞬间消失,此起彼伏,变化不定的状态之中。仿佛在液态金属中不断涌现出一些极微小的固态结构一样。这种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。

(2)纯金属的冷却曲线和过冷现象

通过热分析法实验可测得液体金属在结晶时的温度—时间曲线(称为冷却曲线)。将纯金属加热熔化成液体,然后使其缓慢冷却,在冷却过程中,每隔一段时间测量液体的温度,可得到图2-2-4-1所示的纯金属冷却曲线。由此曲线可见,液态金属从高温开始冷却时,由于周围环境的吸热,温度均匀下降,状态保持不变,当温度下降到一定温度后,金属开始结晶,放出结晶潜热,抵消了金属向四周散出的热量,因而冷却曲线上出现了“平台”。持续一段时间之后,结晶完毕,固态金属的温度继续均匀下降,直至室温。曲线上“平台”所对的温度Tm为实际结晶温度,并记录下来。这样就可获得纯金属液体在无限缓慢的冷却条件下的结晶温度称为理论结晶温度,用Tm表示。

在实际生产中,金属自液态向固态结晶时,有较快的冷却速度,使液态金属的结晶过程在低于理论结晶温度的某一温度T0下进行,金属的实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称过冷,理论结晶温度与实际结晶温度的差叫做过冷度,过冷度ΔT=Tm-T0。实际上金属总是在过冷的情况下进行结晶的,但同一种金属结晶时的过冷度不是一个恒定值,它与冷却速度有关,结晶时的冷却速度越大,过冷度就越大,金属的实际结晶温度也就越低。

一摩尔物质从一个相转变为另一个相时,伴随着放出或吸收的热量称为相变潜热。金属熔化时从固相转变为液相是吸收热量,而结晶时从液相转变为固相则放出热量,前者称为熔化潜热,后者称为结晶潜热。

(3)纯金属的结晶过程

液态金属的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个过程来实现的。液态金属结晶时,首先在液体中形成一些极微小的晶体(称为晶核),然后再以它们为核心不断长大。在这些晶体长大的同时,又出现新的晶核并逐渐长大,直至液态金属全部消失。其的结晶过程可用图2-2-4-2来表示。

图2-2-4-2金属结晶示意图

1)晶核的生成 

研究表明,在液态金属中存在两种晶核:自发形核和非自发形核。

①自发形核 在液态金属下中存在有大量尺寸不同的短程有序的原子集团。在结晶温度以上它们是不稳定的,但是当温度降低到结晶温度以下时,液体中一些超过一定短程有序原子集团,就变得比较稳定而不再消失,成为结晶的核心。这种

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