2.3.1.1　结晶过程的宏观现象

研究液态金属结晶最常用、最简单的方法是热分析法，图 2.23 所示为其装置示意图。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后缓慢冷却，并在冷却过程中每隔一定时间测量一次温度，然后将记录的数据绘制在温度-时间坐标系中，便得到金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，如图2.24所示。

图2.23　热分析装置示意图

图2.24　纯金属冷却曲线

由图2.24中冷却曲线1可知，金属液缓慢冷却时，随着热量的向外散失，温度的不断下降，当温度降到 Tm时，开始结晶。由于结晶时放出的结晶潜热补偿了其冷却时向外散失的热量，故结晶过程中温度不变，即冷却曲线上出现了水平线段，水平线段所对应的温度 Tm称为理论结晶温度或平衡结晶温度，也就是金属的熔点。在此温度时，液体金属与其晶体处于平衡状态，这时液体中的原子结晶到晶体上的速度与晶体上的原子溶入液体中的速度相等。结晶结束后，固态金属的温度继续下降，直到室温。

从宏观上看，处于平衡结晶温度时金属既不结晶也不熔化，晶体与液体处于平衡状态，只有温度低于理论结晶温度 Tm的某一温度时，才能有效地进行结晶。(www.daowen.com)

在实际生产中，金属结晶的冷却速度都很快。因此，金属液的实际结晶温度 Tn总是低于理论结晶温度 Tm，如图 2.24 中冷却曲线 2 所示。这种现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度，以ΔT表示，即

金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而与其冷却速度、金属的性质和纯度等因素有关。冷却速度越大，过冷度就越大；一般金属的纯度越高，过冷度也越大，金属的实际结晶温度就越低。

2.3.1.2　金属结晶的微观现象

研究发现，金属的结晶过程包括晶核形成和晶核长大两个基本过程。结晶时首先在液体中形成具有某一临界尺寸的晶核，然后这些晶核再不断凝聚液体中的原子继续长大。形核过程与长大过程既紧密联系又相互区别。图 2.25 示意地表示了微小体积的液态金属的结晶过程。当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即产生，而是经过一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大，与此同时，液态金属中又产生第二批晶核。依次类推，原有的晶核不断长大，同时又不断产生新的第三批、第四批……晶核就这样在液态金属中不断形核，不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，结晶过程便告结束。由一个晶核长成的晶体，就是一个晶粒。由于各个晶核是随机形成的，其位向各不相同，所以各晶粒的位向也不相同，这样就形成了一块多晶体金属。如果在结晶过程中只有一个晶核形成并长大，那么就形成了一块单晶体金属。

图2.25　金属的结晶过程示意图

总之，结晶过程是由形核和长大两个过程交错重叠在一起的，对一个晶粒来说，它严格地区分为形核和长大两个阶段，但从整体上来说，两个过程是互相重叠交织在一起的。