纯金属结晶：完美结晶的艺术

结晶是金属由液态转变为固态的凝固过程，液相向固相的转变是一个相变过程。结晶过程基本上决定了铸件和焊接件的使用性能和使用寿命。

1.结晶过程与过冷度

金属的结晶过程是形核与长大的过程。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而长大。直到各个晶体相互接触，液态金属耗尽，最终完成结晶过程，见图1-12。

图1-12 纯金属结晶过程示意图

a）金属液体 b）晶核形成 c）、d）晶核长大 e）晶体

金属在结晶之前，当液态金属缓慢冷却到理论结晶温度T₀（熔点）时，晶核并未立即出现和结晶，而是需要继续冷却到T₀之下某一温度T₁，液态金属才开始结晶。金属的实际结晶温度T₁与理论结晶温度T₀之差，称为过冷度，以ΔT表示（见图1-13），ΔT=T₀-T₁。过冷度越大，则实际结晶温度越低。金属结晶时从液相转变为固相则放出热量，称为结晶潜热，在冷却曲线就是平台阶段，平台延续的时间就是结晶过程所用的时间，结晶过程结束，结晶潜热释放完毕，冷却曲线便又继续下降。

图1-13 纯金属的冷却曲线图(www.xing528.com)

a）理论结晶温度 b）实际结晶温度

2.同素异构转变

金属在固态时，多数金属只有一种晶格，结晶以后的晶体结构不再发生变化，例如铝、铜等；少数金属有两种或两种以上的晶格形式，可以产生晶格转变。金属在固态下随温度的改变，由一种晶格类型转变为另一种晶格类型的现象，称为金属的同素异构转变。具有同素异构转变的只有铁、锡、钛、锰等少数几种金属。

同素异构转变是金属材料能否通过热处理方法强化的重要前提，即只有具有同素异构转变的金属材料，才能借助于热处理方法达到强化的目的。

根据铁碳相图，纯铁在1538℃结晶后，同素异构转变为

由于铁具有这一特性，生产中才有可能对钢和铸铁进行热处理，以改变其内部组织，从而改善其性能。因此，同素异构转变是钢材能否进行热处理的主要根据。