材料科学基础 金属的凝固（1）基本介绍

一  名词解释

液态：介于固态和气态之间的一种状态，具有一定体积，不易被压缩，具有流动性和各向同性

凝固：物质从液态冷却转变为固态的过程

结晶：液态金属转变为晶体金属的过程（由不稳定的具有近程有序排列的原子集团的液相结构转变为稳定的长程有序的晶体结构）

熔化潜热：是指当物质加热到熔点后，从固态变为液态或由液态变为固态时吸收或放出的热量。

 结构起伏：液态金属结构的主要特征是长程无序，但在微小区域内存在有序、规则的排列，因此可以认为液态金属是由近程有序排列的原子集团组成，这些原子集团都是不稳定的，时而消失，时而产生，且这些原子集团的尺寸也不同，形成了结构上的起伏。

二   研究凝固和结晶的意义

1.工业上金属材科的生产、制备的一个最重要的途径就是熔炼和凝固，除去粉末冶金制备的特殊金属制品以外，几乎所有的金属制品都必须要经过熔炼和凝固。

 2.无论是成型铸件还是铸锭经过变形后得到的各种型材，其性能都会受到铸件或者铸锭凝固组织的决定性影响。比如说铸锭的凝固组织会影响其热变形性能，而不合理的铸锭组织则会引起热变形过程中发生开裂、破坏，降低成材率；虽然热加工可改善铸锭组织和性能，但铸造过程中产生的宏观缺陷却会残留在制品中，造成制品性能严重受破坏。

  3.铸锭或铸件的凝固组织与其结晶、凝固过程极其密切，凝固过程中的参数（形核率、长大速度、温度梯度）决定了凝固组织的特征。因此，控制凝固过程，保证铸锭或铸件质量，形成合理的凝固组织，对提高工程金属材料的性能以及发挥材料潜力具有重要的意义。

 4.通过研究凝固过程和铸锭组织的形成，可以掌握结晶过程规律，并控制铸锭或铸件凝固组织的形成、成分分布和组织的变化，为获得高质量铸件或铸锭提高理论依据。

三  液态金属与固体金属的比较

1.体积的变化

金属熔化时体积增大，变化在2.5%到5%中间

变化的原因：一部分是质点距离增大，另一部分是形成了大量空位

2.热容的变化

存在一些小的热容突变

3.熔化热和熔化熵的变化

熔化热包含内能的变化以及体积变化引起的膨胀功两部分。

  金属熔化时体积变化不大，故膨胀功不大

  内能包括动能和势能     

   其中固态和液态质点的动能由于在熔点时温度相等，可以认为是接近的

   内能的变化主要反映了势能和质点间相互作用力的变化

熔化时候熵增长较大，金属无序程度大为增加

四  金属结晶的基本规律

结晶的一般过程：

   1.驱动力：△G=GS-GL<0;（阻力是表面自由能）

    2.△G=LV·△T/Tm;这表明过冷度越大，驱动力越大。（△T为理论结晶温度与实际结晶温度的差值）

    3.在一定过冷度下发生的结晶凝固过程包括形核和晶核长大的基本过程，但这两个过程不是分开的，而是同时进行的。

    4.存在最大过冷度，当过冷度大于最大过冷度（也就是冷却速度极大时），来不及结晶而得到非晶；或过冷至某一温度时，无法继续形核，已经完成凝固。

    5.结晶存在平台期。

微观过程：

（a）孕育期：将液态金属冷却到熔点以下一温度等温停留，液态金属并不马上结晶，一段时间后才开始出现第一批晶核

（b）形核，晶核不断长大

（c）晶核长大，新的晶核不断生产和长大，形成晶粒，液态金属越来越少

（d）结晶完毕，正在长大的晶粒彼此相遇，长大停止，所以晶体彼此相遇

宏观现象

1.过冷                                                                                                                                        金属结晶的实际温度总是低于理论结晶温度，这个现象称为过冷。过冷是结晶的必要条件。    过冷度越大，实际开始结晶温度越低。

                                            过冷度     △T= Tm-Tn      

2.形核

  过冷液态金属中短程规则排列的晶态小集团就是晶胚，几何尺寸达到一定程度后形成晶核。

  液体金属有均匀形核和非均匀形核两种形式。

  均匀形核：在金属液体中依靠自身的结构均匀自发地形成核心（液体结构中不稳定的近程有序排列的原子集团（晶胚）在一定条件下转变为稳定的固相晶核的过程）。

  非均匀形核：依靠外来夹杂所提供的异相界面非自发不均匀形核。

  下一个专栏将主要讨论这两种形核形式和影响形核的因素