四、纯金属凝固时的生长形态
纯金属凝固时的生长形态，取决于液－固界面的微观结构和界面前沿液相中的温度分布情况。
1． 正温度梯度下纯金属结晶的平面生长
正的温度梯度下，结晶潜热只能通过固相而散出，相界面的推移速度受固相传热速度所控制。晶体的生长是以接近平面状向前推移，其形态按界面的微观结构不同，有两种类型：
(1)若是光滑界面结构的晶体，其生长形态呈台阶状，组成台阶的平面（前述的小平面）是晶体的一定晶面，如图6.22(a)所示。液—固界面自左向右推移，虽与等温面平行，但小平面却与熔液等温面呈一定的角度。
(2)若是粗糙界面结构的晶体，其生长形态呈平面状，界面与液相等温而平行，如图6.22(b)所示。
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2． 负温度梯度下纯金属结晶的树枝状生长 负的温度梯度下，相界面上产生的结晶潜热即可通过固相也可通过液相而散失。相界面的推移不只由固相的传热速度所控制，在这种情况下，如果部分的相界面生长凸出到前面的液相中，则能处于温度更低(即过冷度更大)的液相中，使凸出部分的生长速度增大而进一步伸向液体中。在这种情况下液—固界面就不可能保持平面状而会形成许多伸向液体的分枝(沿一定晶向)，同时在这些晶枝上又可能会长出二次晶枝，在二次晶枝再长出三次晶枝，如图6.23所示。晶体的这种生长方式称为树枝生长或树枝状结晶。树枝状生长时，伸展的晶枝轴具有一定的晶体取向，这与其晶体结构类型有关，例如：
面心立方<100>
体心立方<100>
密排六方 <1010>
树枝状生长在具有粗糙界面的物质(如金属)中表现最为显著，而对于具有光滑界面的物质来说，在负的温度梯度下虽也出现树枝状生长的倾向，但往往不甚明显，而仍保持其小平面特征。
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2-5 凝固理论的应用—细化晶粒
一、晶粒度
实际金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体，每个晶粒的大小称为晶粒度，通常采用晶粒的平均面积或平均直径来表示。
金属材料的晶粒大小(或单位体积中的晶粒数)对材料的性能有重要的影响。例如，其强度、硬度、塑性和韧性都随着晶粒细化而提高，因此，控制材科的晶粒大小具有重要的实际意义。应用凝固理论可有效地控制结晶后的晶粒尺寸，达到使用要求。
金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的，晶粒的大小取决于形核率和长大速率的相对大小。形核率越大，则单位体积中的晶核数目越多，每个晶核的长大余地越小，因而最后长成的晶粒越细小。同时，长大速度越慢，则在长大过程中将会形成越多的晶核，因而晶粒越细小。反之，形核率越小，长大速度越快，则晶粒越粗大。因此，晶粒度取决于形核率N与长大速度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：
?N?
Zv=0.9??
?G?
1234
(3.1)
而单位面积中的晶粒数目Zs为：
?N?
Zs=1.1??
?G?
(3.2)
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因此，凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒。反之，凡能抑制形核，促进长大的因素，都使晶粒粗化。
二、控制晶粒度的方法
在工程上，为了细化晶粒度以提高铸件及焊缝的性能，可以采用以下几种方法。
(1) 控制过冷度 金属结晶时，形核率和长大速度都取决于过冷度，但是，随着过冷度的增大，两者的变化率并不相同，如图3.5所示。在一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大，则比值N/G越大，因而晶粒越细小。所以可以通过增大过冷度来细化晶粒。
图3.5 金属结晶时的形核率、长大速度
以及获得的晶粒大小与过冷度的关系
增加过冷度主要可以通过提高液体金属的冷却速度和过冷能力来达到。在铸造中可以用金属型铸造代替砂型铸造，以及改变铸造工艺，包括采用提高金属熔化温度，降低浇注温度和慢速浇注等措施，以提高铸件的冷却速度，获得较大的过冷度。
(2) 变质处理
对于厚大铸件来说，很难获得较大的冷却速度，即使可以冷却得很快，也会因各部位冷却不均匀而产生较大的内应力，导致铸件变形甚至开裂，这时就要采用变质方法或物理方法来细化晶粒。
变质处理（modification）就是在液态金属中加入某些物质（称为变质剂），使它在金属液中形成大量的固体质点，起非自发形核的作用，促进形核，抑制长大，从而达到细化晶粒，改善性能的目的。如在铝或铝合金中加入微量钛，钢中加入微量钛、铝等，就是变质处理的典型例子。
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(3) 振动、搅拌处理
在液态金属结晶时，采用机械振动、超声波振动或电磁搅拌处理等方法，可获得细小的晶粒。振动、搅拌的细化作用是通过两个方面进行的：一是使正在生长的枝晶破碎，从而增加了更多的晶核，使结晶后的晶粒变细；二是由于振动、搅拌提供了能量，促使自发晶核的形成，因而也提高了形核率，细化了晶粒。
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材料科学基础课件 2.纯金属的凝固
