纯金属结晶是在某个温度下进行；而合金结晶是在某个温度范围进行。
纯金属结晶是物质由液态→固态的过程称为凝固，由于液态金属凝固后一般都为晶体，所以液态金属→固态金属的过程也称为结晶。
液态金属的结构：经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点： 1) 是近程有序远程无序结构； 2) 存在着能量起伏和结构起伏。
结晶过程的宏观现象：研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见图126。由该曲线可以看出，液态金属的结晶存在着两个重要的宏观。
1、过冷现象
实际结晶温度T总是低于理论结晶温度Tm的现象，称为过冷现象，它们的温度差称为过冷度，用△T表示，，纯金属结晶时的△T大小与其本性、纯度和冷却速度等有关。实验发现液态金属的纯度低△T小，冷却速度慢，△T小，反之相反。
2、结晶过程伴随潜热释放
由纯金属的冷却曲线可以看出它是在恒温下结晶，即随时间的延长液态金属的温度不降低，这是因为在结晶时液态金属放出结晶潜热，补偿了液态金属向外界散失的热量，从而维持在恒温下结晶。当结晶结束时其温度随时间的延长继续降低。
金属结晶的微观基本过程：由于金属是不透明的，所以无法直接观察到其结晶的微观过程，但通过对透明有机物结晶过程的观察，发现金属结晶的微观过程，就是原子由液态的短程有序逐渐向固态的长程有序转变的过程。
当液态金属过冷到其Tm以下时，它的尺寸最大的短程有序的原子集团，通过结晶潜热的释放排列成长程有序的小晶体，该小晶体称为晶核，该过程称为形核。晶核一旦形成就可不断地长大，同时其它尺寸较大的短程有序的原子集团又可形成新的晶核。因此纯金属的结晶过程是晶核不断的形成和长大的交替重叠进行的过程。所以结晶后为多晶体，如在结晶时控制好只让一个晶核形成和长大就可得到单晶体。
金属结晶的热力学条件：
由热力学第二定律可知，物质遵循能量最小原理，即物质总是自发地向着能量降低的方向转化。在等压条件下液、固态金属的自由能与温度的关系曲线，都是单调减上凸曲线，并且两者斜率不同，由热力学表达式可知液相的斜率大于固相，因为液态时原子排列的混乱程转度大，S液>S固，两曲线交点的温度为金属的理论结晶温度即熔点。这时液、固两相的自由能相等，液、固两相处于动态平衡状态，两相可以长期共存。①当T=Tm时，G液=G固，两相共存；②当T>Tm时，G液G固，金属结晶成固体，而△G=G固-G液<0，为结晶的驱动力，由此可知过冷是结晶的必要条件，△T越大，结晶驱动力越大，结晶速度越快。
温度低于凝固点但仍不凝固或结晶的液体称为过冷液体。过冷液体是不稳定的，只要投入少许该物质的晶体，便能诱发结晶，并使过冷液体的温度回升到凝固点。这种在微小扰动下就会很快转变的不稳定状态称为亚稳态。
这是由于晶体内分子或原子的排列是有规律的，而液体内则是无规律的。而结晶中心有助于这种无序到有序的转化。液体越纯净，结晶中心越难形成。如果降低至凝固点以下仍未形成，则过冷。
当用适当的方式缓慢冷却饱和溶液时，可使其变成过饱和而不析出溶质的结晶，这种现象也称为过冷，这种溶液称为过冷溶液。过冷溶液也是不稳定的。
物质从液体转变为晶体的过程叫做结晶。每一种物质都有一定的平衡结晶温度或者称为理论结晶温度。但实际上，液体温度达到理论结晶温度时并不能进行结晶，而必须在它温度以下的某一温度（称为实际开始结晶温度）才开始结晶。在实际结晶过程中，实际结晶温度总是低于理论结晶温度的，这种现象成为过冷现象，两者的温度差值被称为过冷度。过冷度的大小与冷却速度密切相关。冷却速度越快，实际结晶温度就越低过冷度就越大；反之冷却速度越慢，实际结晶温度就更接近理论结晶温度，过冷度就越小。金属结晶时实际结晶温度与低于平衡结晶温度之差称为过冷度。过冷度愈大，结晶速度愈快，冷却速度愈慢，则过冷度愈小。
过冷是金属结晶的重要宏观现象。
金属的实际结晶温度总是低于理论结晶温度，Tn<To。
金属的过冷度并不是一个恒定值，而是受金属中的杂质和冷却速度影响。金属越纯，过冷度越大；冷却速度越大，过冷度越大。
1在ab段：金属均呈现液体，
2在bc段：液体中某些原子结成晶核（自发晶核）（晶坯）晶核不断长大形成枝晶直到晶粒。
3在cd段：每一个晶核形成一个晶粒，从而形成含有多晶体的金属固体。
晶核－枝晶－晶粒－多晶体。
晶核－枝晶－晶粒
晶界；晶粒。晶粒越多，晶界也越多，则晶粒移动所受的阻力越大，宏观来看，材料越不容易发生变形，即材料的硬度越高，强度越好。
总结：晶粒越小，则材料的力学性能越好。
举个例子,一般情况下水在0摄氏度结冰,但实际情况是0度时,水并不结冰,只有温度再下降到某一温度比如-10度才开始结冰,此时水温度上升至0度这个温度与水的凝固点的差值就是过冷度体在相转变的时候，真正相转变温度发生在理论相转变温度之下。比如水一般情况下在0度结冰，但是由于外界条件，比如降温太快，来不及形成晶核等，会使水在0度以下仍不结冰，甚至零下几十度都不结冰。当温度继续降低到某一温度时，比如降至-30度，这时水才开始结冰。结冰时温度会回到0度。这个开始结冰的温度和最后相平衡时的温度之差就是过冷度。比如这时过冷度是30度。
当然过冷度不是个常数，严重被外界条件影响。所以在画步冷曲线的时候，常常是冷却过了相转变温度还不进行相转变而是温度继续下降，当下降到某一值时，才开始相转变，这时温度慢慢又回升到相转变温度
过冷度是指在一定压力下冷凝水的温度低于相应压力下饱和温度的差值。 或是指物质（如金属、合金、晶体）的理论结晶温度（Tcyrstalize）与实际给定的结晶现场温度（Tcurrent）的差值，即△T=Tcyrstalize-Tcurrent。 用途 连续冷却时候，冷却速度的高低影响相变时过冷度的大小。正是过冷度的大小影响组织形貌和结晶类型。缓慢冷却时候，合金在不大的过冷度下就发生了相变。这时候只能结晶析出石墨。过冷度足够大冷却速度足够快时候，就会析出 渗碳体。（钢铁冶炼中工业生产实用参数） 随着冷却速度的增加，过冷度也会增加。在具有较大的过冷度的情况下，形核率的增加比晶核长大的速度更快从而可以获得更细晶粒 过冷度的影响因素
1金属的性质：不同金属的过冷度不同。
2液体金属的纯度：纯度越大，过冷度越大。
3冷却速度：冷却速度越大，过冷度越大出现凝结水过冷度的原因有：
① 凝汽器构造上存在缺陷，管束之间蒸汽没有足够的通往凝汽器下部的通道，使凝结水自上部管子流下，落到下部管子的上面再度冷却。而遇不到汽流加热，则当凝结水流至热井中时，造成过冷度增大。
② 凝汽器水位高，以致部分铜管被凝结水淹没而产生过冷却。
③ 凝汽器汽侧漏空气或抽汽设备运行不良，造成凝汽器内蒸汽分压力下降而引起过冷却。
④ 凝汽器铜管破裂，凝结水内漏入循环水（此时凝结水质严重恶化，如硬度超标）。
⑤ 凝汽器冷却水量过多或水温过低。
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