金屬的性能與其組織有關(guān)，而組織與結(jié)晶過程有關(guān)，因而要了解金屬的結(jié)晶規(guī)律，以便控制結(jié)晶過程，形成希望得到的組織和性能。

2.2.1　純金屬的結(jié)晶

（1）結(jié)晶的概念

除少數(shù)粉末冶金制品外，絕大多數(shù)金屬制件都是經(jīng)過熔化、冶煉和澆注而獲得的，這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。如果凝固的固態(tài)物質(zhì)是晶體，則這種凝固又稱為結(jié)晶。一般金屬固態(tài)下都是晶體，因而金屬凝固過程可稱為結(jié)晶。

（2）純金屬的冷卻曲線

純金屬都有一個(gè)固定的熔點(diǎn)（或結(jié)晶溫度），高于此溫度熔化，低于此溫度才能結(jié)晶成為晶體。金屬的結(jié)晶溫度通常用熱分析等實(shí)驗(yàn)方法來測(cè)定。圖1．2．6所示為純金屬的冷卻曲線，其原理是在液態(tài)金屬的緩慢冷卻的過程中，每隔一定時(shí)間測(cè)量一次溫度，直到冷卻至室溫。然后將測(cè)量的結(jié)果繪制在溫度-時(shí)間的坐標(biāo)上，就可得到純金屬的冷卻曲線。

由冷卻曲線可見，液態(tài)金屬隨時(shí)間的延長，它所含的熱量不斷散失，其溫度也不斷下降，但當(dāng)冷卻到某一溫度時(shí)，冷卻的時(shí)間雖然增加，但溫度并不下降，在冷卻曲線上出現(xiàn)了一個(gè)水平線段，這個(gè)水平線段所對(duì)應(yīng)的溫度就是純金屬進(jìn)行結(jié)晶的溫度。出現(xiàn)水平線段的原因，是由于結(jié)晶時(shí)放出的結(jié)晶潛熱補(bǔ)償了金屬向外界散失的熱量。結(jié)晶完成后，由于金屬繼續(xù)向周圍環(huán)境散熱，故溫度又重新下降。

純金屬在極其緩慢的冷卻條件下測(cè)得的結(jié)晶溫度稱為理論結(jié)晶溫度To。但在實(shí)際生產(chǎn)中，金屬由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)都有較大的冷卻速度，此時(shí)金屬要在理論結(jié)晶溫度以下某一溫度才開始進(jìn)行結(jié)晶，這一溫度稱為實(shí)際結(jié)晶溫度T n。金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。而理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度之差稱為過冷度，用ΔT表示，即ΔT= T n- T o。金屬結(jié)晶時(shí)的過冷度大小與冷卻速度有關(guān)，冷卻速度越大，過冷度就越大，即金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度越低。

圖1．2．6　純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線

2.2.2　純金屬的結(jié)晶過程

金屬結(jié)晶時(shí)，首先從液態(tài)金屬中形成一些極細(xì)小的晶體，這些極細(xì)小的晶體稱為晶核，它不斷吸附周圍液體中的原子而長大。與此同時(shí)，在液體中又不斷產(chǎn)生新的晶核并相繼長大，直到全部液體凝固為止，最后金屬便由許多外形不規(guī)則的小晶體（晶粒）所組成，如圖1．2．7所示。因此，液體金屬的結(jié)晶過程包括晶核的形成和晶核的長大兩個(gè)基本過程，而且這兩個(gè)過程是同時(shí)進(jìn)行的。

圖1．2．7　純金屬結(jié)晶過程示意圖

（1）晶核的形成

當(dāng)液態(tài)金屬冷至結(jié)晶溫度以下時(shí)，某些近似晶體原子排列的小原子集團(tuán)便成為結(jié)晶核心，這種由液態(tài)金屬內(nèi)部自發(fā)形成結(jié)晶核心的過程稱為自發(fā)形核。但在實(shí)際金屬中常有雜質(zhì)存在，這些雜質(zhì)固態(tài)質(zhì)點(diǎn)的存在能夠促進(jìn)在其表面上形成晶核。這種依附于雜質(zhì)而形成的晶核稱為非自發(fā)形核。自發(fā)形核和非自發(fā)形核在金屬結(jié)晶時(shí)同時(shí)進(jìn)行的，但非自發(fā)形核比自發(fā)形核更為重要，在金屬結(jié)晶過程中起優(yōu)先和主導(dǎo)作用。

（2）晶核的長大

晶核形成后，當(dāng)過冷度較大或金屬液體中存在雜質(zhì)時(shí)，金屬晶體常以樹枝狀的形式生長，在晶核開始長大初期，因其內(nèi)部原子規(guī)則排列的特點(diǎn)，故外形也是比較規(guī)則的。但隨著晶核的繼續(xù)長大，形成了晶體的尖角和棱邊，由于尖角和棱邊處的散熱條件優(yōu)于其他部位，并易于存在晶體缺陷等原因，晶體在頂角和棱邊處優(yōu)先長大，其生長方式像樹枝一樣，先長出干枝，稱為一次晶軸，然后在一次晶軸伸長和變粗的同時(shí)，在其側(cè)面棱角和缺陷處又長出分枝，稱為二次晶軸。隨著時(shí)間的延長，二次晶軸長成的同時(shí)又長出三次晶軸等，如此不斷成長和分枝下去，直至液體全部消失，最后得到的晶體稱為樹枝狀晶體（簡稱枝晶），每一枝晶將成長為一個(gè)晶粒。

2.2.3　金屬結(jié)晶后晶粒的大小

晶粒大小對(duì)金屬力學(xué)性能的影響

金屬結(jié)晶后是由許多晶粒組成的多晶體。晶粒的大小對(duì)金屬的力學(xué)性能有很大的影響。一般情況下，晶粒越細(xì)小，金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性越好。為了提高金屬的力學(xué)性能，希望得到細(xì)晶組織，因此必須了解影響晶粒大小的因素及其控制方法。

結(jié)晶后的晶粒大小主要取決于形核率N（單位時(shí)間、單位體積內(nèi)所形成的晶核數(shù)目）與晶核的長大速率G（單位時(shí)間內(nèi)晶核向周圍長大的平均線速度）。顯然，凡能促進(jìn)形核率N，抑制長大速率G的因素，均能細(xì)化晶粒。

在生產(chǎn)中，為了獲得細(xì)晶粒組織，常采用以下方法：

1）增加過冷度

形核率和長大速率都隨過冷度增大而增大，但在很大的范圍內(nèi)形核率比晶核長大速率增長得更快。故過冷度越大，單位體積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。這種生產(chǎn)方法適用于中、小型鑄件的生產(chǎn)。

2）變質(zhì)處理

對(duì)于一些大型鑄件，由于散熱較慢，要獲得較大的過冷度很困難，且較大的過冷度往往導(dǎo)致鑄件開裂而造成廢品。為了獲得細(xì)晶粒組織，通常在澆注前向液態(tài)金屬中人為地加入一些細(xì)小的變質(zhì)劑，使其大量增加非自發(fā)晶核，從而得到細(xì)晶粒組織。這種細(xì)化晶粒的方法稱為變質(zhì)處理。例如，向鋼液中加入鋁、釩、硼；向鑄鐵中加入Si-Fe；向鋁液中加入鈦、鋯等。變質(zhì)處理在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

3）振動(dòng)

機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、電磁振動(dòng)使枝晶折斷、破碎，也能使晶核數(shù)目增多，從而細(xì)化晶粒。