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(3)

2）晶核的长大

晶核形成以后，晶核即开始长大。晶核长大的实质是原子由液体向固体的表面的转移。由于结晶条件的不同，晶体主要是树枝状生长方式。

当过冷度较大，特别是液态金属内存在非自发晶核时，金属晶体往往以树枝状的形式长大。在晶核生长的初期，晶粒保持晶体规则的几何外形，但在晶体继续生长的过程中。由于晶体的棱边和尖角处的散热条件优于其他部位，能使结晶时放出的结晶潜热迅速逸出，此处晶体优先长大并沿一定方向生长出空间骨架，这种骨架如同树干、称为—次晶轴。在一次晶轴伸长和变粗的同时，在一次晶轴的棱边又生成二次晶轴、三次晶轴、四次晶轴…… 从而形成一个树枝状晶体，称为树枝状晶，简称枝晶。在金属结晶过程中，由于晶核是按树枝状骨架方式长大的，当其发展到与相邻的树枝状骨架相遇时，就停止扩展，但是此时的骨架仍处于液体中、故骨架内将不断长出更高次的晶轴。同时，先生长的晶轴也在逐渐加粗，使剩余的液体越来越少，直至晶轴之间的液体结晶完毕，各次晶轴互相接触形成一个充实的晶粒。实际金属的结晶多为树枝晶结构。在结晶过程中，如果液体的供应不充分。金属最后凝固的树枝晶之间的间隙不会被填满，晶体的树枝状就很容易表露出来。

(4)结晶晶粒大小及控制

晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。金属结晶时每个晶粒都是由一个晶核长大而成，其晶粒度取决于形核率Ｎ和长大速度Ｇ的相对大小。若形核率越大，而长大速度越小，单位体积中晶核数目越多，每个晶核的长大空间越小，也来不及充分长大，长成的晶粒就越细小；反之，若形核率越小，而长大速度越大，则晶粒越粗化。

晶粒大小对金属性能有重要的影响。在常温下晶粒愈小，金属的强度、硬度愈高，塑性、韧性愈好。多数情况下，工程上希望通过使金属材料的晶粒细化而提高金属的力学性能。这种用细化晶粒来提高材料强度的方法，称为细晶强化。工程上常用的控制结晶晶粒大小的方法有以下几种。

1)控制过冷度

形核率Ｎ与长大速度Ｇ一般都随过冷度△Ｔ的增大而增大，但两者的增长速率不同，形核率的增长率高于长大速度的增长率，如图3-6所示，故增加过冷度可提高Ｎ/Ｇ值，有利于晶粒细化。提高液态金属的冷却速度，可增大过冷度，有效地提高形核率。在铸造生产中为了提高铸件的冷却速度，可以采用提高铸型吸热能力和导热性能等措施；也可以采用降低浇注温度、慢浇注等。快冷方法一般只适用于小件或薄件，大件难以达到大的过冷度。

若在液态金属冷却时采用极大的过冷度，例如使冷却速度大于107℃/s，可使某些金属凝固时来不及形核而使液态金属的原子排列状态保留到室温，得到非晶态材料，也称为金属玻璃。

2)变质处理

金属的体积较大，获得大的过冷度困难时或形状复杂的铸件，不允许过多地提高冷却速度时，为了得到细晶粒铸件，多采用变质处理。

变质处理就是在浇注前向液态金属中加入某种被称为变质剂的元素或化合物，以细化晶粒和改善组织。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核的长大。有一类物质，它们或它们生成的化合物，符合于作非自发晶核的条件，当其作为变质剂加入液体金属中时，可以大大增加晶核的数目，这类变质剂有时又称为孕育剂。例如， << >>