2.3.4.1　晶粒大小的概念

金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。一个晶粒是由一个晶核长成的晶体，实际金属的晶粒在显微镜下成颗粒状。晶粒大小可用晶粒的平均直径或平均面积来表示。生产中常用晶粒度来表示晶粒大小，标准晶粒度等级分为8级，晶粒度等级越高，晶粒越细小。通常在放大100倍的金相显微镜下观察分析，用标准晶粒度图谱进行比较评级。在实际生产中，一般将1～5级的晶粒视为粗晶，6～8级视为细晶，9～12级视为超细晶。

金属的晶粒大小对其力学性能有显著影响。在常温下，晶粒越细小，金属的强度、硬度、塑性及韧性都越高。

2.3.4.2　影响晶粒大小的因素

金属的结晶过程是晶核不断形成和长大的过程，晶粒的大小取决于形核率和长大速度。显然形核率N越大，单位体积形成的晶核数越多，晶体的晶粒也越细小。长大速度越大，单位体积形成的晶核数越少，晶粒越粗大。因此，晶粒度取决于形核率N和长大速度 G 之比，比值N/G越大，晶粒越细小。根据分析计算，单位体积中的晶粒数目ZV为

单位面积中的晶粒数目ZS为

由此可见，凡是能促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒；相反，凡是抑制形核、促进长大的因素，都使晶粒粗化。

2.3.4.3　细化晶粒的方法

生产中为细化晶粒，提高金属的力学性能，常采用以下方法：(www.daowen.com)

1．增大过冷度

金属结晶时的形核率N及长大速度 G 与过冷度密切相关，如图 2.33 所示。在一般过冷度下（图中实线部分），成核率与长大速度都随着过冷度的增加而增大；但当过冷度超过一定值后，形核率和长大速度都会下降（图中虚线部分）。随着过冷度的增加，形核率与长大速度均会增大，但前者的增大更快，因而比值N/G也增大，结果使晶粒细化。改变过冷度，可控制金属结晶后晶粒的大小，而过冷度可通过冷却速度来控制。在实际工业生产中，液态金属一般达不到极值时的过冷度，所以冷却速度越大，过冷度也越大，结晶后的晶粒也越细。

在铸造生产中，采用冷却能力强的金属型代替砂型、增大金属型的厚度、降低金属型的预热温度等，均可提高铸件的冷却速度，增大过冷度。此外，提高液态金属的冷却能力也是增大过冷度的有效方法。如在浇注时采用高温出炉、低温浇注的方法也能获得细小的晶粒。

图2.33　形核率、长大速度与过冷度的关系

近二三十年来，随着快速凝固（冷却速度＞104K/s ）技术的发展，人们已能得到尺寸为 0.1～1.0 μm 的超细晶粒金属材料，其性能不仅强度、韧性高，而且具有超塑性、优异的耐蚀性、抗晶粒长大性、抗辐照性等，成为具有高性能的新型金属材料。

2．变质处理

变质处理就是向液态金属中加入某些变质剂（又称孕育剂），以细化晶粒和改善组织，达到提高材料性能的目的。变质剂的作用有两种：一种是变质剂加入液态金属时，以变质剂本身或它们生成的化合物作为基底，促进非自发形核，提高形核率；另一种是加入变质剂，改变晶核的生长条件，强烈地阻碍晶核的长大，这都能达到细化晶粒的目的。如在钢水中加入钛、钒、铝，在铝合金液体中加入钛、锆等都可细化晶粒；在铁水中加入硅铁、硅钙合金，能细化石墨。

3．振动、搅拌

在金属结晶过程中，采用机械振动、超声波振动、电磁振动等方法可增加液态金属的运动，造成正在长大的枝晶破碎，从而增加晶核数量，使晶粒细化。