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1、第三章：金属及合金的凝固与组织1 凝固与结晶：金属和合金由液态转变为固态的过程称为凝固，凝固的过程主要是晶体或晶粒的生成和长大过程，所以也称结晶。2 同分结晶：结晶出的晶体和母液的化学成分完全一样，或者说在结晶过程中只发生结构改组而无化学成分的变化。3 异分结晶：结晶出的晶体和母液的化学成分不一样，或者说在结晶过程中，成分和结构同时都发生变化，也称选分结晶。4 匀晶结晶：结晶过程中只产生一种晶粒，结晶后的组织有单一的均匀晶粒所组成，即得到单相组织。5 非匀晶结晶：结晶时由液体中同时或先后形成两种或两种以上的成分和结构都不相同的晶粒。6 凝固过程的宏观特征：液体必须具有一定的过冷度（实际凝固温度
2、与其熔点的差值），凝固才能自发进行，凝固只能在过冷液体中进行；凝固过程中伴随着潜热的释放，这种潜热称为结晶潜热。7 晶核的自发形成均匀形核8 非均匀形核：当晶核不是完全在液体自身内部产生，而是借助外来物质的帮助，依附于已存在与液相中的固态现成界面上，或容器表面上优先产生时，称非均匀形核。实际的结晶能够在很小的过冷度下进行，就是由于非均匀形核的结果，悬浮在液体中的杂志粒子，液体表面的氧化膜及铸型模壁等大都可以促进晶核的提前形成，这是由于非均匀形核比均匀形核的界面能较低，即相变阻力减少了，因而晶核所要求的临界尺寸以及所需要的形核功也小了。9 晶体的成长。条件：要求液相能继续不断的向晶体扩散供应原子
3、，要求晶体表面能不断牢靠的接纳原子机理：连续成长适用于粗糙型界面；借台阶侧向扩展成长适用于有台阶的平滑界面；二维晶核式的成长当晶体界面既无台阶也无缺陷，而成理想界面时，液相单个原子很难稳定在那里，在这种情况下，依靠系统能量涨落，使一定数量的液相原子差不多同时落在平滑界面上的临近位置，而形成一个具有单原子厚度并有一定宽度的平面原子集团。该集团必须超过结晶条件的临界值才能稳定住，称为二维晶核，形成后它的四周即出现了台阶，当整个界面铺满后又须依靠新的二维晶核的形成。所以成长速度缓慢；借晶体缺陷成长晶体中各种不同形式的缺陷会促进晶体成长，甚至可以使平滑界面的晶体连续成长，如晶体借螺型位错的螺旋式成长。
4、10 晶体的形貌：11 固溶体合金结晶特点：一是结晶过程发生在一个温度范围内，二是结晶过程所形成的晶体与其母液的化学成分不一样，而且无论是晶体或液体的成分，都随着温度的下降而不断变化。12 平衡凝固：指在结晶过程的各个不同温度阶段，处处都能随时达到相应的平衡状态，即随着温度的变化，液、固两相的平衡成分都分别沿着液线和固线而变化，只有当冷却非常缓慢或分段冷凝的条件下才可能实现。13 非平衡凝固：14 偏析：随条件的不同，固溶体凝固后其浓度分布可以在很大范围内变化，除了平衡凝固可得到完全均匀的固相外，其它条件下凝固后的固相都是不均匀的，而且固态扩散越差，则其不均匀性也越大，这种现象称为偏析。15
5、显微偏析：固溶体的结晶只要偏离平衡态，都会引起偏析，一般发生在几个晶粒距离范围内，称为显微偏析。其表现形式有晶内偏析（或晶枝偏析）、晶粒之间的偏析、晶界偏析等。一般，K01的组元即升高熔点的组元总是易于富集在晶粒中心或枝干的中心部分，而K01的组元即降低熔点的组元总是易于富集在晶界或晶枝之间，这是显微偏析的一个普遍规律。16 共晶系合金的凝固和组织：17 组成过冷：对同分凝固的金属或合金来说来说，由于他们具有单一的熔点（或凝固点），所以只要知道液体的实际温度，就可以判断液体是否过冷及过冷度是多大，而对于异分凝固的合金来说，由于它的凝固温度随成分而变化，且处于一个温度范围，所以判断这类合金液体是
6、否过冷及过冷度大小时，要考虑液体的实际温度和液体的实际成分。液体的成分在结晶过程中是随着结晶的进行及与界面的距离而变化的，这就铸锭这类合金结晶时液相的过冷度具有二重性，即一方面由于温度真正降低引起的过冷，称温度过冷，另一方面由于液体浓度变化而表现（或换算）的过冷，称浓度过冷，二者合起来才是真正对结晶起实际作用的过冷，故称之为组成过冷。18 铸锭的一般组织：（1）细晶粒外壳（激冷层）由许多细小的等轴晶粒所组成。一般很窄，有时只有几毫米厚，甚至难于分辨。（2）柱晶区 紧接着细晶外壳出现的一层是由相当粗大的长柱状的晶粒所组成的区域，称柱晶区，它是定向结晶的产物。从外形看各柱晶的长轴大致与模壁垂直，表
7、现出几何取向的一致性，并且还具有晶体学取向一致性，即择优取向。（3）等轴晶区 这个区位于铸锭的心部，由许多较粗大的、各方向尺寸近乎一致的晶粒所组成。19 铸锭的冷凝过程：金属铸模冷却能力强，液体主要依靠模壁的传导吸热，另外有液体本身的对流、传导和辐射等散热方式。一、 流体进入铸模后，首先靠近模壁的部分激冷，液体中立即出现陡峭的正温度梯度，与此同时，液体也就会因此发生较强的自然对流，四周下降中心上升，这就会使内部液体也随之迅速冷却，一段时间后，四周的温度梯度变的较平缓了，而中心的温度则均匀下降至结晶温度附近。这段时间内，靠近模壁的液体一方面由于强烈过冷，另一方面由于模壁对形核的催化作用，会以很高
8、速率形成大量的晶核并迅速成长和相互靠拢集聚起来，形成了细晶粒外壳。二、 由于细晶粒外壳将模壁与液体分隔开，同时金属的收缩引起金属与模壁脱离形成了一个空气层，从而导致冷却速度降低，加上结晶潜热的大量产生，随后冷却速度也因此而更迅速减小。因此，晶核的形成速率随之而迅速下降，这就使得靠近液相的小晶粒有较充分的机会以枝晶的形式伸向液相中成长，有些主枝与模壁成直角的晶粒优先想液相终深发展，并在其他主枝斜伸的晶粒前面伸出自己的二级枝，从而逐步挤掉了歇生的晶粒，最后剩下为数不多的晶粒逆着热流方向肩并肩的想液体中发展，这就出现了柱晶区。三、 随着结晶的进行，冷却速度逐渐减慢，柱晶的推进速度越来越小，在晶枝的伸
9、展区，晶枝之间由于相互封锁和干扰，而使液体的浓度加大，潜热的逸散困难，各级晶枝变的细长瘦弱且根部萎缩，液体的流动会加强晶枝的脱落并将已脱落的残枝碎片带到铸锭中部温度已不太高的液体中，成为那里的结晶核心。 另一方面随着柱晶的推进，结晶前沿液体中的组成过冷区也逐渐加大、增宽，在铸锭中部会形核和长大，由于中间液体温度大致均匀，因此枝晶的成长在各方向也是一致的，等到他们互相靠拢聚集起来，便完全阻挡了柱晶的进一步发展，同时形成了中部的等轴晶区。20 影响铸锭结晶组织的因素：生产上一般都希望铸锭中柱晶区短些，等轴晶区宽些，晶粒细些。下面主要分析影响等轴晶区的因素，对等轴晶区不利的因素，即是对柱晶区有利的因
10、素。等轴晶区之所以能够形成主要是由于被液体对流带入中部的那些晶枝的残枝碎片，能够大量保存并发展起来，所以等轴晶区发展的内外条件是： 液体的过热度应小。这有利于保存晶枝的残枝碎片，避免它们被重新熔化。 大的凝固范围，即固、液相线的间距应大，这利于细瘦纤弱的晶枝得到充分发展而便于折断剥落。 减低温度梯度，例如用沙模代替金属模，也有利于纤弱晶枝的发展。 合金熔点低，这有利于减小温度梯度。 加强液体运动，例如电磁搅拌、机械振动、加压浇注、离心浇注等方法可促使等轴晶的发展。其原因还是一加速晶枝的剥落和输送，二快速消除液体过热，以利于保存晶枝的残枝碎片。21 铸锭的宏观偏析：根据铸锭偏析的范围，铸锭中的偏
11、析可以分为显微偏析和区域偏析（宏观偏析）两大类。前者发生在一个或几个晶体范围内，后者则是发生在铸锭宏观范围内的这一部分和那一部分之间，它大致可分为正常偏析、反常偏析和比重偏析等三类。 正常偏析：对于K01，而是在一种特殊的结晶条件下所发生的现象。 比重偏析：在铸锭中经常发现上、下部分之间有显著的成分差异。这除了可能由于垂直方向进行顺序结晶而造成的正常偏析外，在许多情况下，它反而是整体比较均匀的结晶条件而造成的，即在中间等轴晶区产生的。它是由于固、液相间的成分和比重的差异，结晶过程发生了浮、沉现象而造成的，所以叫比重偏析。液、固相间比重相差越大，则比重偏析越严重，加快结晶速度或机械搅动液体可以减
12、弱比重偏析或应用化学变质法。22铸锭或铸件中的缩孔和气孔：铸锭或铸件中的缩孔和气孔，是其致密度降低的主要原因，也是影响铸锭质量的因素之一。一绝大部分金属和合金结晶时都会发生体积收缩，少数金属和合金才发生体积膨胀，结晶时的体积收缩是铸锭内部出现缩管或缩孔的内在因素，而冷凝条件则是其外在因素。在柱晶以枝晶形式向液体纵深推进过程中，或在铸锭中部粗大的等轴晶区形成过程中，在液固交错区会遍布得到充分发展的枝晶骨架。由于各枝晶间互相穿插和相互封锁作用，会使富集着低熔点（或降低熔点）组元的液体被孤立分隔于各晶枝之间，这样，冷凝后会在这些区域形成许多分散的小缩孔。小缩孔的综合称为疏松。进一步分析，甚至一个晶枝
13、的各级分枝之间也会出现类似的情况，因而在一个晶粒内部也会出现许多更小的缩孔，这些缩孔叫显微缩孔，它们的综合叫显微疏松。二一般来说，液体中溶有部分气体，而气体在固体中的溶解度往往比在液体中小，因此，当液体凝固时，其中所溶解的气体将和其它溶质一样，逐渐富集于结晶前沿，最后在固相和液相界面上的有利位置形核长大而成气泡。气孔也可由液体中某些化学作用而产生的气体造成，实际上铸锭中的缩孔和气孔有时很难截然分开。在轧制或锻压时，铸锭上部的集中缩孔一般切除掉，而铸锭内部的分散缩孔或气孔则大多可以焊合，但内壁被氧化时，特别是接近表面的皮下气孔或缩孔最易引起裂纹或起皮。23铸锭或铸件的内在不均匀性：这种不均匀性宏观、微观都有表现，它包括：结晶组织方面的不均匀性（如三个晶区中的晶粒形状大小和取向不同），化学成分方面的不均匀性（各类偏析）以及物理方面的不均匀性（各种缩孔、裂纹、气泡等的存在）24铸锭、铸件细化晶粒的方法：在减小铸件内在不均匀性的条件下，细化晶粒组织是提高铸件强度和韧性的重要途径，细化晶粒的基本途径在于尽可能提高晶核的形成速度并同时减小晶体的成长速度。主要方法：一、化学孕育法或变质法；二、快速冷却法；三、加强液体运动法。
