【干货资源】细化晶粒这个重要的考点你懂了吗？

实习生小姐姐材子考研 2022-06-09

简述今天我们分析一下金属的长大过程和典型铸锭组织的结构及形成原因。

形核长大

晶核形成后，立即开始长大。晶体长大就是液相原子向固相转移（扩散）的过程，即通过液体中单个原子或若干个原子同时依附（吸附）到晶体的表面上，并按照晶面原子排列的要求与晶体表面原子结合起来。

不同的长大方式？？？结晶的必要条件？？？结晶组织的形貌？？？听小编慢慢分解。

固液界面结构及晶体长大方式

粗糙界面

约有 50% 的结晶位置空着，液相原子可以直接进入这些位置，从而使整个固-液界面垂直地向液相中推进，即晶体沿界面的法线方向向液相中生长。这种长大方式叫做垂直长大vertical growth，或连续长大，这样的晶体生长速率很快。

光滑界面

方式一：每向液相中长大一层都是由一个二维晶核（一个原子厚度的晶体小片）先在界面上形成，接着这个二维晶核侧向生长，如此反复进行，直至结晶完成。由于形成二维晶核需要形核功，这种机制的晶体长大速率很慢。

方式二：液相原子可以直接添加到界面上由于晶体缺陷而形成的台阶上，从而使晶体不断长大。如螺型位错在界面露头就可以提供台阶。由于界面上台阶数量有限，这种机制下晶体生长速率也很小。

纯金属的生长形态

纯金属凝固时，晶体的生长形态取决于固-液界面的微观结构和界面前沿液相中的温度梯度dT/dx.

正温度梯度

界面处的结晶潜热只能通过固相传导出去，所以界面的推进速度受到固相传热速度的控制，由于界面处的液体具有最大的过冷度，当界面上偶尔发生晶体凸起，就会进入温度较高的液体中，晶体生长速度立即减慢甚至停止，晶体成平面型长大。

负温度梯度

界面处温度高是由于结晶潜热所致，在负的温度梯度下，界面前方的液体具有更大的过冷度，因此，当界面某处固相偶然伸入液相，便能够以更大的速率生长，伸入液相的晶体形成一个晶轴，称为一次晶轴，由于一次晶轴生长时也会放出结晶潜热，其侧面周围的液相中又产生负的温度梯度。这样，一次晶轴上又会产生二次晶轴，同理，二次晶轴上也会长出三次晶轴，由于这样生长的结果很像树枝，所以被称为树枝状生长 dendrite growth。

铸锭组织表层细晶区

在浇注时，由于铸型模壁温度较低，有强烈地吸热和散热作用，使靠近模壁的一层液体产生很大的过冷度，加上模壁的表面可以作为非均匀形核的核心，因此，在此表层液体中立即产生大量的晶核，并同时向各个方向生长，而形成表面很细的等轴晶粒区。

柱状晶区

在表层细晶区形成后，型壁被熔液加热至很高温度，使剩余液体的冷却变慢，并且由于细晶区结晶时释放潜热，故细晶区前沿液体的过冷度减小，使继续形核变得困难，只有己形成的晶体向液体中生长。但是，此时热量的散失垂直于型壁，故只有沿垂直于型壁的方向晶体才能得到优先生长，即已有的晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。

中心等轴晶区

柱状晶区形成时也释放大量潜热，使已结晶的固相层温度继续升高，散热速度进一步减慢，导致柱状晶体也停止长大。当中心部液体全部冷至实际结晶温度Tm以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。

铸锭组织控制

1有利于柱状晶区发展的因素：快的冷却速度、高的浇注温度、定向的散热等。

2有利于等轴晶区发展的因素：慢的冷却速度、低的浇注温度、均匀散热、变质处理以及一些物理方法（如机械或电磁的搅拌、超声波振动等）。

细化晶粒的方法【重要】

增大过冷度

晶粒越细小，晶粒数就应越多。显然，晶粒数与形核率成正比，而与晶体生长速率成反比。增大过冷度虽然也会提高晶体生长速率，但对提高形核率更为显著。也就是说，增大过冷度可以提高形核率与生长速率的比值，从而使晶粒数增大，晶粒细化。增大过冷度，实际上是提高金属凝固时的冷却速度，这可以通过采用吸热能力强、导热性能好的铸型（如金属型），以及降低熔液的浇注温度等措施来实现。这种方法对于小型铸件或薄壁铸件效果较好，但对于大型铸件就不合适了。

变质处理

变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），作为非均匀形核的基底，从而使晶核数大量增加，晶粒显著细化。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法。例如，在铝或铝合金中加入少量的钛、锆；往钢中加入钛、锆、钒等元素就可以细化晶粒向金属或合金液体中加入同种固体颗粒，一来可以增加大量直接作为结晶核心的固相，二来可以提高冷却速度、增大过冷度。因此是一种非常好的细化晶粒的方法，工业生产中已经采用向铝硅合金中加入的钠盐虽然不起形核作用，却可以阻止硅晶体的长大，从而起到细化合金组织的作用。

震动、搅拌

在浇注和结晶过程中进行机械振动或搅拌，也可以显著细化晶粒。这是因为振动和搅拌能够向金属液体中输入额外能量、增大能量起伏，从而更加有效地提供形核所需要的形核功；另一方面，振动和搅拌可以使枝晶碎断，增大晶核数量方法有机械法、电磁法、超声波法等。

今天的细化晶粒相关知识点就整理到这里啦！你学会了吗~

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