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物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。

1、冷却曲线与过冷现象

由冷却曲线可见，液态金属随着冷却时间的增长温度不断下降，但当冷却到某一温度时，冷却时间虽然增长但其温度并不下降，在冷却曲线上出现了一个水平线段，这个水平线段所对应的温度就是纯金属进行结晶温度。出现水平线段的原因，是由于结晶时放出的结晶潜热补偿了向外界散失的热量。结晶完成后，由于金属继续向周围散热量，故温度又重新下降。

如图所示，金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度Ｔ0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度Ｔ0以下的某一温度Ｔ1才开始进行结晶，温度Ｔ1称为实际结晶温度。实际结晶Ｔ1温度低于理论结晶温度Ｔ0的现象称为过冷现象。而Ｔ0与Ｔ1之差ΔＴ称为过冷度，即ΔＴ＝Ｔ0－Ｔ1。

过冷度并不是一个恒定值，液体金属的冷却速度越大，实际结晶的温度Ｔ1就越低，即过冷度ΔＴ就越大。

实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。

2、金属的结晶过程

纯金属的结晶过程是在冷却曲线上的水平线段内发生的。实验证明，金属结晶时，首先从液体金属中自发地形成一批结晶核心，形成自发晶核，与此同时，某些外来的难熔质点了可充当晶核，形成非自发晶核；随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，并继续产生新的晶核，直到液体金属全部消失，晶体彼此接触为止。所以结晶过程，就是不断地形核和晶核不断长大的过程。如下图所示：

结晶时由每一晶核长成的晶体就是一个晶粒。晶核在长大过程中，起初是不受约束的，能够自由生长，当互相接触后，便不能再自由生长，最后即形成由许多向位不同的晶粒组成的多晶体，由于晶界的晶粒内部凝固得迟、故便在其上面富集着较多低熔点的杂质。

实验表明，在晶核开始长大的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也是比较规则的，随着晶核长大的和晶体棱角的形成，由于棱角处散热条件优于其它部位，晶粒在棱边和顶角处就优先长大，如下图所示，由此可见，其生长方式，象树枝状一样，先生长出干枝称为一次晶轴；然后再生长出分枝称为二次晶轴。依次类推……。因此，得到的晶体称为树枝状晶体，简称为枝晶。

3、晶粒大小对金属力学性能的影响

金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，晶粒大小可以用单位体积内晶粒数目来表示。数目越多，晶粒越小。为了测量方便，常以单位截面上晶粒数目或晶粒的平均直径来表示。实验表明，在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、硬度、塑性和韧性。这是因为，晶粒越细，塑性变形越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界就越曲折；晶粒与晶粒间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。

4、细化晶粒的方法

金属结晶后单位体积中晶粒的数目Ｚ取决于结晶时的形核率Ｎ（单位时间，单位体积液态金属中生成的晶核数目）和晶核长大线速度Ｇ（单位时间内晶核长大的线长度），它们的关系如下：

由上式可知，结晶时形核率Ｎ越大，晶核长大线速度Ｇ越小，结晶后单位体积内的晶粒数目Ｚ就越大，晶粒就越细小。

因此，要控制金属结晶后晶粒大小，必须控制形核率Ｎ和长大线速度Ｇ这两个因素，主要途径如下：

① 增加过冷度

液态金属结晶的形核率Ｎ、长大线速度Ｇ与过冷度之间的关系如图所示。金属结晶时，图中实线部分所示，形核率Ｎ和长大线速度Ｇ都随过冷度的增加面增加，但Ｎ和增长率大于Ｇ的增长率，因此，增加过冷度会使Ｚ增大，晶粒变细。当过冷度较小时，形核率Ｎ低于长大线速度Ｇ，结果得到比较粗大的晶粒。

增加过冷度，就是要提高金属凝固的冷却速度。实际生产中常常是采用降低铸型温度和采用导热系数大的金属铸型来提高冷却速度。

当过冷度大到图中虚线部分时，金属液的温度已经很低，原子扩散能力极大的降低，反而使形核率Ｎ和生长线速度Ｇ下降。

② 进行变质处理

变质处理是在浇注前向液态金属中加入被称为变质剂的某种物质，发增加形核率Ｎ或降低长大线速度Ｇ，从而细化晶粒的方法。

有的变质剂加入液态金属　时，它们或它们的氧化物会形成起非自发晶核作用的杂质微粒，使形核率大大增加，细化晶粒，如往钢液中加入钛、铝等。

还有一种变质剂，能附着在晶体前面强烈阻碍晶粒长大，降低长大线速度Ｇ，如往铝硅铸造合金中加入钠盐，钠附着在硅的表面，降低硅的长大线速度Ｇ，阻碍粗大片状硅晶体形成，使合金组织细化。

③ 附加振动

金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电磁振动等方法，发既可使正在生长的晶体破碎而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作用，增大形核率Ｎ，从而细化晶粒。