金属发黑后有白色结晶

任务3　金属的结晶

一、理论结晶温度与过冷度

制造机器零件的金属材料通常要经过冶炼、注锭、轧制、机加工和热处理等工艺过程。其中注锭是金属材料从液态到固态的凝固过程，因固态金属材料是晶体，故此过程称为结晶。金属材料结晶时，由于结晶条件的变化产生了不同的铸态组织，影响了铸件性能。

研究证实，液态金属接近凝固点时，并非像气体原子般杂乱无章地做无规则运动，而是在短距离范围内，原子呈近似固态结构的规则排列，即近程有序的原子团。这种原子团是不稳定的，具有瞬时存在和瞬时消失的特性。因而金属的结晶从理论上来看就是从原子的近程有序排列到远程有序排列的过程。每种金属都有一个从原子近程有序排列到远程有序排列时共存的固定温度，该温度称为理论结晶温度。也就是说，在理论结晶温度时，金属液态和固态共存。

图2－9　纯金属的冷却曲线

用热分析法绘出金属的冷却曲线可以测出它的结晶温度，如图2－9所示。由于液态金属向周围环境散热，温度均匀下降，当温度降到T₁后，金属开始结晶，放出结晶潜热抵消了散热，使温度保持不变，在冷却曲线中出现水平“平台”，结晶完毕后温度继续下降。“平台”所对应的温度就是实际结晶温度，实际结晶温度与理论结晶温度T₀的差就是过冷度。过冷度与冷却速度有关，当冷却速度极其缓慢时，过冷度就接近于零。实际金属的过冷度常在10～30℃。

二、结晶过程

观察有机晶体的结晶过程后发现，结晶过程中有两个密切联系的基本过程，首先是在液体内部形成一批极小但能持续长大的结晶中心或晶核，然后这些晶核逐步长大直至结晶完毕。由于各晶粒的位向不同，得到的是多晶体，如图2－10所示。凡是结晶过程，对每个晶粒都有形核和长大两个过程，就整体金属来说，形核和长大是同时进行的。

图2－10　结晶过程示意图

实验证明，当金属结晶时过冷度较大，特别是有杂质存在时，晶体往往以树枝状的方式长大。晶核开始长大时，其外形较规则，但继续长大时，由于晶粒的突出部分（如顶角和棱边）散热较快，缺陷较多，所以结晶后表面积最大，容易吸收到液体中的原子，像树枝一样长大，先长出被称为一次晶轴，树干继而长出枝干，称为二次晶轴，随着晶粒的长大，还可长出三次晶轴、四次晶轴等，这种晶体称为树枝状晶体，简称枝晶，如图2－11所示。

图2－11　枝晶长大示意图

1—一次晶轴；2—二次晶轴；3—三次晶轴

三、晶粒大小

1．晶粒度

晶粒的大小称为晶粒度，它用单位面积上的晶粒数目或晶粒的平均线长度（或直径）表示。工程上常把金相组织放大100倍后与标准晶粒度图比较来评级。标准晶粒度分为8级，1级最粗，8级最细。

金属的晶粒度与其性能有密切关系。一般情况下，晶粒越细，金属的强度和塑性、韧性就越好。

2．晶粒度的控制

金属晶体的晶粒度与形核率N及长大速度ν有关。凡是提高形核率或减慢长大速度都可以细化晶粒，其中影响较大的是过冷度和液体中的不溶杂质。

（1）提高过冷度。根据实验，绘制出不同过冷度对形核率和长大速度的关系曲线，如图2－12所示。在实际工业生产中，过冷度越大，形核率和长大速度都随之提高和加快，但形核率较长大速度快，因而过冷度越大，得到的晶粒就越细。

当液态金属的冷却速度大于10⁷℃／s时，可得到非晶态金属。非晶态金属具有一些较突出的性能，包括特别高的强度和韧性，优异的导磁性能，较高的电阻率及良好的抗腐蚀性等，具有广阔的发展前景。

图2－12　过冷度对形核率和长大速度的影响

（2）进行变质处理。在工业生产中，过大的过冷度往往不能实现，有的体积较大不易过冷，有的形状复杂，过冷度过大则会产生缺陷，因而需要采用变质处理来获得细晶粒，即在液体中加入形成结晶核心的变质剂，“人工晶核”大大提高了形核率。例如，在铝液中加入钛、钒、锆，或者在钢液中加入钛、锆、铝等脱氧剂都可以细化晶粒，在铁液中加入硅铁、硅钙合金则能使石墨变细。

（3）附加振动。在金属结晶过程中，机械、超声波、电磁搅拌等各种振动，可使在长大中的晶粒破碎，增加晶核数目，以细化晶粒。

应该指出，即使在金属结晶成固态后，还可通过压力加工和热处理等方法来进一步细化晶粒。

四、金属的同素异晶转变

有少数金属在结晶终了后，随温度或压力的变化，晶格类型也将发生转变。这种金属在固态范围内，由一种晶体结构转变为另一种晶格类型的现象称为同素异晶转变或同素异构转变。例如，铁、锰、钴、钛、锡等金属均有同素异晶转变的性质。

纯铁的冷却曲线如图2－13所示。铁在1 538℃结晶成体心立方晶格的δ－Fe，冷却到1 394℃转变成面心立方晶格的γ－Fe，冷却到912℃又转变成体心立方晶格的α－Fe。加热时则发生相反的转变过程。这些转变温度称为临界转变温度或临界点。

金属的同素异晶转变与液态结晶相似，同样遵循结晶过程的一般规律，即有形核和长大的过程（恒温完成结晶过程和释放出结晶潜热等）。为与液态结晶区别，把它称为“重结晶”或“二次结晶”。正是由于某些金属具有同素异晶转变的特性，工业上可以采用各种热处理来改变金属的组织和性能。

同素异晶转变是在固态范围内进行的，晶格转变需要较大的过冷度，因而组织较细。由于晶格转变致使密度改变，也会引起体积变化，如γ－Fe转变为α－Fe，体积膨胀了1%左右，产生了较大的内应力。

图2－13　纯铁的冷却曲线

770℃是铁的磁性转变点，磁性转变不是同素异晶转变，这种转变无结晶潜热和体积上的变化。