第02章金属的晶体结构与结晶.ppt

第第2章章金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构金属的晶体结构2.1.1金属及其特性金属及其特性金属金属是指由金属原子或金属原子与其他非金属原子组合是指由金属原子或金属原子与其他非金属原子组合起来具有金属特性的物质。如金、银、铜、铁、锡、钢起来具有金属特性的物质。如金、银、铜、铁、锡、钢和黄铜等都属于金属。如果某一物质含有金属原子但无和黄铜等都属于金属。如果某一物质含有金属原子但无金属特性，则不能称为金属。金属特性，则不能称为金属。金属特性包括导电性、导热性、可塑性、光泽性、不透金属特性包括导电性、导热性、可塑性、光泽性、不透明性、电阻和正的电阻温度系数等性能。这些性能是金明性、电阻和正的电阻温度系数等性能。这些性能是金属所固有的性能，而其他材料属所固有的性能，而其他材料(如塑料、木头和石头等如塑料、木头和石头等)却不具备上述所有性能。却不具备上述所有性能。2.1.2结合键结合键组成物质的质点组成物质的质点(原子、分子、或离子原子、分子、或离子)之间通过某种相之间通过某种相互作用而联系在一起，这种作用力称为互作用而联系在一起，这种作用力称为“键键”。结合键。结合键对物质的性能有重大影响。通常结合键分为结合力较强对物质的性能有重大影响。通常结合键分为结合力较强的离子键、共价键、金属键和结合力较弱的分子键与氢的离子键、共价键、金属键和结合力较弱的分子键与氢键。键。绝大多数金属元素是以金属键结合的。金属原子结构的绝大多数金属元素是以金属键结合的。金属原子结构的特点是外层电子数不饱和，容易失去电子，变成正离子，特点是外层电子数不饱和，容易失去电子，变成正离子，而脱离的电子变成自由电子，为整个金属所共有，并在而脱离的电子变成自由电子，为整个金属所共有，并在整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和整个金属内部运动，形成电子气。这种由金属正离子和公有的自由电子之间相互作用而结合的方式称为公有的自由电子之间相互作用而结合的方式称为“金属金属键键”。除铋、锑、锗和镓等金属为共价键结合外，其余。除铋、锑、锗和镓等金属为共价键结合外，其余的固态金属主要是金属键结合。的固态金属主要是金属键结合。2.1.3晶体与非晶体晶体与非晶体自然界中的一切固态物质，按其内部原子自然界中的一切固态物质，按其内部原子(或分子或分子)排列排列状况，可分为晶体和非晶体两大类。所谓状况，可分为晶体和非晶体两大类。所谓“晶体晶体”，就，就是原子呈规则排列的物体，如固态金属、雪花和食盐等。是原子呈规则排列的物体，如固态金属、雪花和食盐等。晶体具有固定熔点和各向异性等特性；而固态下原子排晶体具有固定熔点和各向异性等特性；而固态下原子排列不规则的物体叫做列不规则的物体叫做“非晶体非晶体”，如普通玻璃、松香，如普通玻璃、松香，石蜡等均为非晶体。非晶体材料的共同特点是：结构无石蜡等均为非晶体。非晶体材料的共同特点是：结构无序、物理性能表现为各向同性；没有固定的熔点；导热序、物理性能表现为各向同性；没有固定的熔点；导热率和热膨胀性均小。率和热膨胀性均小。应当指出，晶体与非晶体之间并非是一成不变的，在一应当指出，晶体与非晶体之间并非是一成不变的，在一定条件下可以互相转化。如有些金属液体在高速冷却下定条件下可以互相转化。如有些金属液体在高速冷却下可以得到非晶体金属，原有非晶体的普通玻璃适当热处可以得到非晶体金属，原有非晶体的普通玻璃适当热处理后可以形成晶体玻璃，即钢化玻璃。有些物质可以看理后可以形成晶体玻璃，即钢化玻璃。有些物质可以看成是有序和无序的中间状态，如塑料和液晶等。成是有序和无序的中间状态，如塑料和液晶等。2.1.4晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念2.1.4.1晶格晶格晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理晶体内部原子是按一定的几何规律排列的，为了便于理解，通常把原子当成一个刚性小球，并用假想的直线把解，通常把原子当成一个刚性小球，并用假想的直线把原子振动中心连接起来，就形成了一个空间格子。这种原子振动中心连接起来，就形成了一个空间格子。这种描述原子排列方式的空间格架叫描述原子排列方式的空间格架叫“晶格晶格”，如图，如图2-1(a)所示。所示。(a)晶格晶格 (b)晶胞晶胞图图2-1 晶格和晶胞示意图晶格和晶胞示意图2.1.4.2晶胞晶胞根据晶体中原子排列有周期性这一特点，通常从晶格中根据晶体中原子排列有周期性这一特点，通常从晶格中选取一个能代表晶格特征的最小几何单元来研究晶体结选取一个能代表晶格特征的最小几何单元来研究晶体结构，这个最小几何单元叫做构，这个最小几何单元叫做“晶胞晶胞”，如图，如图2-1(b)所示。所示。2.1.4.3晶格常数晶格常数晶胞的大小和形状可用晶胞的棱边长度晶胞的大小和形状可用晶胞的棱边长度a、b、c和三棱和三棱边之间的夹角边之间的夹角、等参数来描述，称为晶格常数。等参数来描述，称为晶格常数。2.1.53种常见的金属晶格类型种常见的金属晶格类型2.1.5.1体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格的晶胞如图体心立方晶格的晶胞如图2-2所示。它是一个立方体，所示。它是一个立方体，其原子排列的特点是立方体的其原子排列的特点是立方体的8个顶角和立方体的中心个顶角和立方体的中心各有一个原子，晶格常数为各有一个原子，晶格常数为a=b=c，=90，一，一个晶胞中所占的完整原子数为两个。属于这种晶格类型个晶胞中所占的完整原子数为两个。属于这种晶格类型的金属有的金属有 -Fe、Cr、W、Mo、V和和Nb等约等约30种，占金种，占金属元素的一半。属元素的一半。这种晶格类型金属的性能特点为强度高、塑性低。这种晶格类型金属的性能特点为强度高、塑性低。图图2-2 体心立方晶格的晶胞体心立方晶格的晶胞2.1.5.2面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图面心立方晶格的晶胞如图2-3所示。它也是一个立方体，所示。它也是一个立方体，其原子排列的特点是立方体的其原子排列的特点是立方体的8个顶角和立方体个顶角和立方体6个面的个面的中心各有一个原子，晶格常数为中心各有一个原子，晶格常数为a=b=c，=90，一个晶胞中所占的完整原子数为，一个晶胞中所占的完整原子数为4个。属于这种晶格个。属于这种晶格类型的金属有类型的金属有-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pd和和Ni等约等约20种。种。这种晶格类型金属的性能特点为强度低、塑性好。这种晶格类型金属的性能特点为强度低、塑性好。图图2-3 面心立方晶面心立方晶格的晶胞格的晶胞2.1.5.3密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的晶胞如图密排六方晶格的晶胞如图2-4所示。它是一个正六棱柱所示。它是一个正六棱柱体，其原子排列的特点是六棱柱体的体，其原子排列的特点是六棱柱体的12个顶角和上下两个顶角和上下两个底面的面心上各有一个原子，六棱柱体中间还有个底面的面心上各有一个原子，六棱柱体中间还有3个个原子，晶格常数为原子，晶格常数为a=b c，=90，=120，一个，一个晶胞中所占的完整原子数为晶胞中所占的完整原子数为6个。属于这种晶格类型的个。属于这种晶格类型的金属有金属有Mg、Zn、Cd和和Be等。它是原子排列最密集的晶等。它是原子排列最密集的晶体结构之一。体结构之一。这种晶格类型金属的性能特点为强度不高、塑性最差。这种晶格类型金属的性能特点为强度不高、塑性最差。图图2-4 密排六方晶格的晶胞密排六方晶格的晶胞2.2金属的同素异构转变金属的同素异构转变2.2.1同素异构转变同素异构转变许多金属在固态下只有一种晶体结构，无论温度高低与否，许多金属在固态下只有一种晶体结构，无论温度高低与否，始终保持其晶体结构。如铜、铝和银等金属在任何温度下始终保持其晶体结构。如铜、铝和银等金属在任何温度下均为面心立方晶格。但有些金属在固态下，却存在着两种均为面心立方晶格。但有些金属在固态下，却存在着两种或两种以上的晶格形式。如铁、钴和钛等金属，在不同的或两种以上的晶格形式。如铁、钴和钛等金属，在不同的温度阶段往往表现出不同的晶格形式。同一种金属的不同温度阶段往往表现出不同的晶格形式。同一种金属的不同晶体结构的晶体，称为该金属的同素异构体。晶体结构的晶体，称为该金属的同素异构体。金属在固态下，随温度的改变由一种晶格类型转变为另一金属在固态下，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叫做种晶格类型的现象叫做“同素异构转变同素异构转变”。如铁、钴和钛。如铁、钴和钛等金属都能进行同素异构转变。等金属都能进行同素异构转变。2.2.2纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变如图如图2-5所示为纯铁的冷却曲线。由图可见，液态金属所示为纯铁的冷却曲线。由图可见，液态金属在在1538结晶，得到具有体心立方晶格的结晶，得到具有体心立方晶格的-Fe，继，继续冷却到续冷却到1394时发生同素异构转变，转变为面心立时发生同素异构转变，转变为面心立方晶格的方晶格的-Fe，再冷却到，再冷却到912时又发生同素异构转变，时又发生同素异构转变，转变为体心立方晶格的转变为体心立方晶格的 -Fe，如再继续冷却到室温，如再继续冷却到室温，晶格的类型不再发生变化。其同素异构转变式为：晶格的类型不再发生变化。其同素异构转变式为：由于纯铁具有同素异构转变的特点，因而才有可能对铁由于纯铁具有同素异构转变的特点，因而才有可能对铁碳合金进行各种热处理，以改变其组织和性能。但同素碳合金进行各种热处理，以改变其组织和性能。但同素异构转变时均伴随着体积变化，产生较大内应力，如异构转变时均伴随着体积变化，产生较大内应力，如-Fe转变为转变为 -Fe时，铁的体积会膨胀时，铁的体积会膨胀1%，这可引起钢热，这可引起钢热处理时产生内应力，严重时导致工件变形和开裂。处理时产生内应力，严重时导致工件变形和开裂。图图2-5 纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线2.3实际金属的晶体结构及其对性实际金属的晶体结构及其对性能的影响能的影响2.3.1金属的显微组织金属的显微组织如果取一小块金属，从中锯开，将其截面磨平、抛光，如果取一小块金属，从中锯开，将其截面磨平、抛光，使之亮如镜面，再用配置好的腐蚀液涂于镜面上，稍后使之亮如镜面，再用配置好的腐蚀液涂于镜面上，稍后用水洗净吹干，就可在放大用水洗净吹干，就可在放大1001500倍的金相显微镜倍的金相显微镜上观察其显微组织，如图上观察其显微组织，如图2-6所示。所示。金属的显微组织金属的显微组织，是指金属在显微镜下所表现出来的特，是指金属在显微镜下所表现出来的特征和形貌。图征和形貌。图2-6中的显微组织是由许多类似多边形的中的显微组织是由许多类似多边形的颗粒组成，把每一个外形不规则的小晶体称为颗粒组成，把每一个外形不规则的小晶体称为“晶粒晶粒”。晶粒之间的界面称为晶粒之间的界面称为“晶界晶界”。如上所述，实际金属是由许多晶粒组成的，这种由许多如上所述，实际金属是由许多晶粒组成的，这种由许多晶粒组成的晶体叫做晶粒组成的晶体叫做“多晶体多晶体”。若一块金属仅由一个。若一块金属仅由一个晶粒构成，则叫做晶粒构成，则叫做“单晶体单晶体”。单晶体只是在人为创造。单晶体只是在人为创造的特定条件下才能制作出来，如单晶硅材料。单晶体呈的特定条件下才能制作出来，如单晶硅材料。单晶体呈各向异性，多晶体呈各向同性。各向异性，多晶体呈各向同性。图图2-6 纯铁的显微组织纯铁的显微组织2.3.2实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构晶体中原子严格地作周期性规则排列只是一种理想状态，晶体中原子严格地作周期性规则排列只是一种理想状态，现代的科学研究表明，在实际晶体中会存在原子排列的现代的科学研究表明，在实际晶体中会存在原子排列的某些不规则性，这些晶体中原子排列的不规则性称为某些不规则性，这些晶体中原子排列的不规则性称为晶晶体缺陷体缺陷，它们的存在对金属性能影响很大。根据晶体缺，它们的存在对金属性能影响很大。根据晶体缺陷的几何特征，可分为以下陷的几何特征，可分为以下3种情况。种情况。2.3.2.1点缺陷点缺陷常见的点缺陷有空位、间隙原子和置代原子。常见的点缺陷有空位、间隙原子和置代原子。空位空位是指是指原子离开平衡位置而留下的未被原子占据的结点；原子离开平衡位置而留下的未被原子占据的结点；间隙间隙原子原子是指在晶格的某些空隙处出现多余的原子；是指在晶格的某些空隙处出现多余的原子；置代原置代原子子是指异类原子占据晶格的结点位置，如图是指异类原子占据晶格的结点位置，如图2-7所示。所示。在这些点缺陷附近，由于原子间的作用力失去了平衡，在这些点缺陷附近，由于原子间的作用力失去了平衡，使这些原子周围的晶格出现了紧缩或膨胀的趋势，产生使这些原子周围的晶格出现了紧缩或膨胀的趋势，产生了晶格畸变。晶格畸变使金属性能发生了改变，如强度、了晶格畸变。晶格畸变使金属性能发生了改变，如强度、硬度、电阻增加。硬度、电阻增加。应当指出，晶体中的点缺陷都处于不断的运动变化之中。应当指出，晶体中的点缺陷都处于不断的运动变化之中。它们的热运动是金属中原子扩散的主要方式之一，钢的它们的热运动是金属中原子扩散的主要方式之一，钢的化学热处理就是依靠原子的扩散来完成的。化学热处理就是依靠原子的扩散来完成的。图图2-7 晶格空位、间隙原子和晶格空位、间隙原子和 置代原子示意图置代原子示意图图图2-8 刃型位错示意图刃型位错示意图图图2-9 螺螺型位错型位错示意图示意图2.3.2.2线缺陷线缺陷线缺陷是晶格中的各种位错。所谓线缺陷是晶格中的各种位错。所谓“位错位错”，是指晶体，是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。位错的种类很多，常见的类型有子有规律的错排现象。位错的种类很多，常见的类型有两种，即刃型位错和螺型位错，如图两种，即刃型位错和螺型位错，如图2-8和图和图2-9所示。所示。在位错的附近，晶格也发生了畸变，使金属性能发生了在位错的附近，晶格也发生了畸变，使金属性能发生了改变。位错在晶体中的存在及密度的变化，对金属性能改变。位错在晶体中的存在及密度的变化，对金属性能及原子的扩散和相变等都将起着重要的影响。冷变形后及原子的扩散和相变等都将起着重要的影响。冷变形后的金属，由于位错密度的增加，使金属的强度、硬度提的金属，由于位错密度的增加，使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，这种现象叫做高，塑性、韧性下降，这种现象叫做形变强化形变强化。晶体中的位错也不是固定不变的，当晶体受外力作用而晶体中的位错也不是固定不变的，当晶体受外力作用而发生塑性变形时，位错就会在晶体内运动，并使位错密发生塑性变形时，位错就会在晶体内运动，并使位错密度出现变化。金属材料的塑性变形便是通过位错运动来度出现变化。金属材料的塑性变形便是通过位错运动来实现的。实现的。2.3.2.3面缺陷面缺陷面缺陷主要是指面缺陷主要是指晶界晶界和和亚晶界亚晶界，如图，如图2-10(a)、(b)所示。所示。实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。实际金属一般为多晶体，即由许多位向不同的晶粒组成。因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排因此在实际金属中有很多晶界存在。由于晶界处原子排列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。列不规律，偏离平衡位置较多，因此晶格畸变程度较大。晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能晶界处的抗腐蚀能力较差、熔点较低，且抗塑性变形能力较强。力较强。除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶除晶界外，晶粒内部是由一些小晶块组成的，它们的晶格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒，格位向有微小的差异，人们把这些小晶块叫做亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界处的原子排列不规则，也存在着晶格畸变。规则，也存在着晶格畸变。凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会凡晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和力学性引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和力学性能发生显著的变化。能发生显著的变化。(a)晶界的过渡结构示意图晶界的过渡结构示意图(b)亚晶界的面缺陷示意图亚晶界的面缺陷示意图图图2-10 晶体的面缺陷示意图晶体的面缺陷示意图2.4金属的结晶金属的结晶2.4.1金属的结晶金属的结晶在某一温度下，物体由液态转变为固态的过程称为凝固；在某一温度下，物体由液态转变为固态的过程称为凝固；金属由液态转变为固体晶态的转变过程，称为金属由液态转变为固体晶态的转变过程，称为金属的结金属的结晶晶。2.4.1.1液态金属的结构特点液态金属的结构特点对液态金属进行对液态金属进行X射线分析表明，液态金属原子总体看射线分析表明，液态金属原子总体看来呈无规则排列，但有少量的原子构成排列规则的、时来呈无规则排列，但有少量的原子构成排列规则的、时聚时散的原子团，液态金属的这种结构特征称为聚时散的原子团，液态金属的这种结构特征称为“短程短程有序有序”。而固态金属是晶体，其内部原子在很长距离内。而固态金属是晶体，其内部原子在很长距离内呈规则排列，并以一定的平横位置为中心不停地作热振呈规则排列，并以一定的平横位置为中心不停地作热振动。固态金属的这种结构特征称为动。固态金属的这种结构特征称为“长程有序长程有序”。2.4.1.2纯金属的结晶纯金属的结晶用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。用热分析实验来分析纯金属的结晶过程和冷却曲线。目前，人们多用热分析法配合目前，人们多用热分析法配合X射线等手段来研究金属射线等手段来研究金属的结晶过程。热分析实验装置如图的结晶过程。热分析实验装置如图2-11所示。用该装置所示。用该装置将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一将纯金属熔化，然后缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间定时间测量一次温度，将记录下来的数据描绘在时间-温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图温度坐标图中，便得到纯金属的冷却曲线，如图2-12所所示。示。冷却曲线是表示金属冷却时，温度随时间变化的关系曲冷却曲线是表示金属冷却时，温度随时间变化的关系曲线。如图线。如图2-12曲线中的水平线段表明，液态金属凝固时曲线中的水平线段表明，液态金属凝固时释放出的结晶潜热，恰好抵偿了向周围空气中散失的热释放出的结晶潜热，恰好抵偿了向周围空气中散失的热量。水平线段对应的温度就是纯金属的结晶温度。量。水平线段对应的温度就是纯金属的结晶温度。图图2-11 热分析装置示意图热分析装置示意图图图2-12 纯金属的冷却曲线纯金属的冷却曲线2.4.1.3合金的结晶合金的结晶合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结合金的结晶过程与纯金属有相似之处，结晶过程都有结晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一晶潜热放出。不同之处是纯金属的结晶过程总是在某一恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内恒定温度下进行的，而大多数合金是在某一温度范围内进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所进行结晶，在结晶过程中各相的成分还会发生变化。所以二者的冷却曲线是不相同的。以二者的冷却曲线是不相同的。2.4.1.4过冷现象和过冷度过冷现象和过冷度理论上金属冷却时的结晶温度与加热时的熔化温度是同理论上金属冷却时的结晶温度与加热时的熔化温度是同一温度，即金属的理论结晶温度一温度，即金属的理论结晶温度(TO)。实际上液态金属。实际上液态金属总是冷却到理论结晶温度以下才开始结晶，如图总是冷却到理论结晶温度以下才开始结晶，如图2-12所所示。实际结晶温度示。实际结晶温度(TN)低于理论结晶温度低于理论结晶温度(TO)，这一现，这一现象称为象称为“过冷现象过冷现象”。过冷是液态金属结晶的必要条件。过冷是液态金属结晶的必要条件。理论结晶温度与实际结晶温度之差称为理论结晶温度与实际结晶温度之差称为“过冷度过冷度”，即，即T=TO-TN。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度。过冷度的大小与冷却速度有关，冷却速度越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度就越大。越快，金属的实际结晶温度越低，过冷度就越大。2.4.1.5金属的结晶过程金属的结晶过程金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶金属的结晶是由两个基本过程组成的，即生出微小的晶体核心体核心(简称生核简称生核)和晶核进行长大和晶核进行长大(简称为核长大简称为核长大)。如图如图2-13所示为金属的结晶过程示意图。结晶开始时，所示为金属的结晶过程示意图。结晶开始时，液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列液体中某些部位的原子集团先后按一定的晶格类型排列成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方成微小的晶核，以后晶核向着不同位向按树枝生长的方式长大，当成长的枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝式长大，当成长的枝晶相互接触时，晶体就向着尚未凝固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最固的部位生长，直到枝晶间的金属液全部凝固为止，最后形成了许多小晶粒。后形成了许多小晶粒。图图2-13 金属的结晶过程示金属的结晶过程示意图意图2.4.2晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒大小对金属力学性能的影响晶粒的大小对金属的力学性能有很大的影响，一般情况晶粒的大小对金属的力学性能有很大的影响，一般情况下，细晶粒金属比粗晶粒金属在常温下具有更高的硬度、下，细晶粒金属比粗晶粒金属在常温下具有更高的硬度、强度、塑性和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见强度、塑性和韧性。晶粒大小对纯铁力学性能的影响见表表2-1。人们常用细化晶粒的方法来改善金属的力学性。人们常用细化晶粒的方法来改善金属的力学性能。常用的细化晶粒的方法有以下几种。能。常用的细化晶粒的方法有以下几种。晶粒平均直径晶粒平均直径/mm/MPa/MPa/%单晶体单晶体14015030403050多晶体多晶体7.018038312.521144400.226357490.1626465510.1278116502.4.2.1增加过冷度增加过冷度如图如图2-14所示，金属的形核率和长大所示，金属的形核率和长大速度均随过冷度而变化，但两者变化速度均随过冷度而变化，但两者变化速率并不相同，当过冷度达到一定值速率并不相同，当过冷度达到一定值后，形核率比晶核长大速度增长更快，后，形核率比晶核长大速度增长更快，因此，增加过冷度能使晶粒细化。因此，增加过冷度能使晶粒细化。过冷度与冷却速度有关，冷却速度越过冷度与冷却速度有关，冷却速度越快，过冷度就越大，金属结晶后其晶快，过冷度就越大，金属结晶后其晶粒就越细小。在铸造中，由砂模铸造粒就越细小。在铸造中，由砂模铸造改为金属模铸造，就是利用这个道理改为金属模铸造，就是利用这个道理来细化晶粒的。这种方法只适用于中、来细化晶粒的。这种方法只适用于中、小型铸件。对于大型铸件，提高冷却小型铸件。对于大型铸件，提高冷却速度又容易使铸件产生裂纹或变形等速度又容易使铸件产生裂纹或变形等缺陷，则需要用其他方法来细化晶粒。缺陷，则需要用其他方法来细化晶粒。图图2-14 形核率和长大形核率和长大速度速度2.4.2.2变质处理变质处理变质处理，也叫孕育处理，就是在液态金属中加入一定变质处理，也叫孕育处理，就是在液态金属中加入一定的变质剂的变质剂(或叫孕育剂或叫孕育剂)，使其分散在金属液中作为人工，使其分散在金属液中作为人工晶核，可使晶粒数目显著增加，或者抑制晶核的长大速晶核，可使晶粒数目显著增加，或者抑制晶核的长大速度，从而细化晶粒的方法。度，从而细化晶粒的方法。2.4.2.3振动处理振动处理在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁在结晶时，对金属液加以机械振动、超声波振动和电磁振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核振动等，使生长中的枝晶破碎，从而提供更多的结晶核心，达到细化晶粒的目的。心，达到细化晶粒的目的。