第四章 纯金属的凝固：本章主要介绍纯金属在凝固过程中的基本规律以及如何利用它来控制金属的组织。4.1金属结晶的基本规律:金属的结晶是形核-长大过程。通常通过分析用热分析法获得的冷却曲线来研究金属的结晶过程。纯金属的结晶过程是恒温转变过程，其开始结晶温度与理论结晶温度之差为过冷度。结晶总是在一定的过冷条件下进行的。[判断题]过冷度是平台温度与理论结晶温度的差值。选项:[错, 对]
4.2金属结晶的基本条件:纯金属结晶的三个基本条件是：热力学条件、结构条件、能量条件。过冷液体中存在的尺寸较大的短程规则排列结构称为晶胚。当具备结晶条件时，超过临界尺寸的晶胚称为晶核。
4.3均匀形核:金属结晶时的形核机制包括均匀形核和非均匀形核两种。均匀形核是在没有任何外来固相界面的均匀熔体中，由液态金属内部的原子自发聚集形成尺寸超过临界晶核尺寸的晶核的过程。过冷液体中形成晶胚时，体积自由能是驱动力，表面自由能是阻力，总的自由能的变化决定晶胚能否存在、结晶能否继续。临界晶核是能够稳定存在且能成长为新相的晶胚。临界晶核半径与过冷度成反比。形核功是形核时须由外界提供的能量。临界晶核形核功与过冷度的平方成反比，且等于表面自由能的三分之一。结晶时，过冷度要大于临界过冷度才能获得满足临界尺寸要求的晶胚。形核率是单位时间、单位体积内所形成的晶核数目。理论上，随过冷度的增大，形核率先增后减。实际金属结晶时，存在一个有效过冷度。在达到该过冷度前基本不形核，而在达到该过冷度时晶核突然大量产生。
4.4非均匀形核:非均匀形核是在过冷液体中，晶胚依附在其它固态物质表面上形核的过程。实际金属铸造中基本上都是非均匀形核。非均匀形核的临界晶核半径与均匀形核的相同，但晶胚的体积小，所需的临界形核功也小。影响非均匀形核形核率的主要因素包括过冷度、固体杂质结构、固体杂质表面形貌、搅拌等物理因素等。
4.5晶体长大的条件及液固界面的微观结构:界面过冷度是液固界面前沿液体中存在的过冷度。动态过冷度是晶核长大所需的界面过冷度。当凝固是通过液相原子的逐层沉积实现的，凝固界面在原子尺度上表现为光滑界面。当液相原子的沉积位置完全随机，凝固界面在原子尺度上表现为粗糙界面。光滑界面微观上是平滑的，宏观上是粗糙的；粗糙界面微观上看是粗糙的（界面高低不平），宏观上看是光滑的（平直的）。
4.6晶体长大的机制:具有粗糙界面的晶核以垂直长大方式长大，具有光滑界面的晶核以横向长大方式长大，其中又可分为二维晶核台阶生长机制和晶体缺陷台阶生长机制。晶体缺陷台阶生长机制主要包括螺型位错生长机制和孪晶生长机制。金属通常是采用垂直长大方式，是连续长大，其长大速度一般情况下要快于横向长大。
4.7晶体长大的形态:正温度梯度是指液-固界面前沿液相中的温度随至界面距离的增加而升高。相反则为负温度梯度。正温度梯度下，液-固界面始终保持平直向液相推进，宏观表现为平面状长大；负温度梯度下，液-固界面像树枝状向液相中生长，并不断分枝生长。
4.8单晶、微晶和非晶:单晶是由一个晶粒构成的晶体，其生产原理是保证一个晶核形成并长大。要求材料非常纯净，结晶速度非常缓慢。微晶合金是利用晶粒大小随冷速增加而减小的原理，利用急冷技术获得晶粒尺寸达微米和纳米的超细晶粒材料。非晶合金保留了液态金属的短程有序、长程无序的原子排列，没有晶界、位错和偏析等缺陷，结构类似于普通玻璃。获得非晶合金的常用方法是液态急冷。
[多选题]较为常见的液态金属结构模型是（）。选项:[倾侧晶界模型, 拓扑无序模型, 微晶无需模型, 重合位置点阵模型]
[多选题]纯金属结晶的必要条件包括（）。选项:[成分条件, 热力学条件, 结构条件, 能量条件]
[判断题]熔体中可能出现的晶胚最大尺寸随过冷度的增大而增大。选项:[错, 对]
[多选题]液态金属形核的两种方式是（）。选项:[均匀形核, 位错形核, 亚晶形核, 非均匀形核]
[单选题]非均匀形核的有效过冷度大约是均匀形核的（）倍。选项:[2, 1, 0.1, 10]
[多选题]液固界面微观结构的类型包括（）。选项:[光滑界面, 共格界面, 非共格界面, 粗糙界面]
[判断题]纯金属在正温度梯度下结晶时的长大形态可能是平面状，也可能是树枝状。选项:[错, 对]
[判断题]熔体的黏度越大，凝固时越容易得到晶体。选项:[对, 错]
[单选题]纯金属冷却曲线上出现平台是（）。选项:[课本中随意画的, 实验中偶然获得的, 在适当实验条件下，结晶潜热的释放量与体系的散热量相等，必然出现平台, 特意控制实验条件获得的，不论什么材料都可以]
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