结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析
金属的结晶过程及纯铝铸锭组织观察
金属的结晶过程及纯铝铸锭组织观察金属的结晶过程是指在高温下，金属原子受到热运动的影响，不断地重新组合，形成晶体的过程。
在这个过程中，金属原子不断地进行扩散、聚集，形成各种大小不同、形状不同的晶粒。
晶粒的大小和形状与金属的温度、冷却速度、成分、合金化元素等因素有关，不同的因素对晶粒的影响程度也不同。
纯铝铸锭组织观察是通过光学显微镜或电子显微镜对纯铝铸锭进行研究和观察，以了解其晶粒大小、形状、分布和组织特征等，并结合铸造工艺参数控制等措施，优化铸造过程，改善铸造品质。
纯铝铸锭是指铝含量高于99.5%的铝合金，常用于电子、航空、汽车、建筑等领域的制造。
在铸造过程中，纯铝铸锭的组织特征对其性能具有重要影响，因此需要对其进行结晶过程和组织特征的研究和观察。
在铸造纯铝铸锭的过程中，一般采用直接液态铸造或半连续铸造的方式，即将铝液直接浇注入铸模中，经过一定的冷却后形成固态铝铸锭。
在冷却过程中，铝液逐渐冷却凝固，金属原子开始重新组合形成晶体。
其结晶过程可分为三个阶段。
第一阶段：铝液开始凝固，开始形成晶核。
晶核的形成是依靠同种金属原子的凝聚，在液相中出现降低的过饱和度，使得最先凝结的一些原子能够将周围的金属原子聚集到一起，形成一个微小的晶体。
这个阶段的晶体是以一定的方向生长的。
第二阶段：晶核的数目急剧增加，晶粒逐渐生长到一定大小，但是晶界还存在一些小角度的错配。
这些小角度错配是随着晶粒的生长正常发生的，直到晶粒长大到一定程度，晶界产生完全的二次错配，才会停止晶粒的生长，形成完整的晶体。
第三阶段：晶界转动，系统达到最低能量状态，晶粒尺寸相对比较均匀。
在铸造中，晶粒尺寸的均匀性对铸造质量的影响很大，一般采用铸造工艺中的一些控制措施来影响晶粒尺寸的均匀程度。
通过光学显微镜或电子显微镜对纯铝铸锭进行观察，可以看到其组织结构呈现出多边形晶粒形态，晶粒大小大致相同。
这是因为纯铝铸锭的晶粒生长受到一定程度的限制，即较小的晶核可以生长到较大的尺寸，但生长的速度较慢。
实验九金属及合金凝固组织的观察和分析上传
实验九金属及合金凝固组织的观察和分析上传实验九金属及合金凝固组织的观察和分析班级_____________ 姓名__ 学号_____________ 指导教师_____ _____________ 时间___________2010-11-24_______________ 一、实验目的1.了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点。
2.结合相图了解几种类型二元合金,三元合金的结晶过程及结晶后的组织。
3.通过实验加深对课程中"凝固""相图"两章的认识,了解实际组织与组织示意图的关系;达到对本章一个总结的目的;掌握金相组织分析方法。
二、实验原理 1.金属结晶的一般规律。
2.铸锭三晶区的形貌特征及形成条件。
三、实验设备及样品1.光学显微镜; 2.标准样品:铝锭;显微组织分析样品; (1) 铝锭铝锭浇铸条件样品号模壁材料模壁厚度/mm 模子温度/浇铸温度/砂10 室温680 2钢10 500 680 3钢10 室温780 4钢10 室温680 5钢3 室温680 (2) 显微组织分析样品1) 二元合金匀晶类型样品:a)25%Ni+75%Cu,铸造/退火。
共晶类型样品:a) 70%Pb + 30%Sn;b) 38.1%Pb + 61.9%Sn; c) 20%Pb + 80%Sn;铸造。
包晶类型样品:a) 80%Sn + 20%Sb;b) 35%Sn +65%Sb。
2) 三元合金样品:a) 51%Bi + 32%Pb + 17%Sn; b) 58%Bi + 16%Pb + 26%Sn; c) 65%Bi + 10%Pb +25%Sn。
四、实验内容 1.纯铝铸锭粗型组织观察外界条件的影响----铸模材料(金属模/砂模)、模壁厚度、模子温度、。
纯金属的结晶
纯金属的结晶
凝固与结晶 一、纯金属的结晶条件与结晶过程 二、形核规律：均质形核和非均质形核 三、长大规律 四、晶粒大小及控制 五、铸件组织 小结
结晶： 液体 --> 晶体
凝固： 液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）
液体 晶体
1. 纯 金 属 的 结 晶 条 件
纯金属结晶的条 件就是应当有一 定的过冷度
小结
重点要求 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 铸锭组织。
1. 1) 结晶过程是依靠两个密切联系的基本过程来实现的， 它们是： 形核和晶核长大 2) 当对金属液体进行变质处理时，变质剂的作 用是 增加晶核数量，或阻碍晶粒长大。 3) 过冷度是指为：理论结晶温度 - 开始结晶温度 其表示符号为： T 4) 固溶体的强度和硬度比溶剂：高 2. 1) 凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。（ No ） 2) 室温下，金属晶粒越细，则强度越高、塑性越低。（ No ）
4) 如果其他条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小： (1) 金属型与砂型浇注 < (2) 变质处理与不变质处理 < (3) 铸成薄件与厚件 (4) 浇注时振动与不振动 < <
（2）变质处理
在液体金属中加入变质剂(孕育剂)，以细化 晶粒和改善组织的工艺措施。
变质剂的作用：作为非均质形 核的核心，或阻碍晶粒长大。
（3）振动结晶
——机械振动、超声振动，或电 磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数 增加，晶粒细化。
五、铸锭组织
表面细晶粒层 中间柱状晶粒层
中心等轴晶粒层
3. 1) 金属结晶时，冷却速度越快，其实际结晶温度将： a. 越高 b. 越低 c. 越接近理论结晶温度
实验五- 结晶过程的观察84
序号: 1200134000101组别: 5深圳大学实验报告课程名称：材料科学基础实验实验项目名称：晶体位错观察学院：材料学院专业：材料科学与工程指导教师：钱海霞报告人：叶淳懿学号：2016200084 班级：实验时间：2018.12.05实验报告提交时间：教务部制实验目的1．观察透明盐类的结晶过程及其晶体组织特征。
为理解、掌握金属的结晶理论建立感性认识。
2．观察具有枝晶组织的金相照片及其有枝晶特征的铸件或铸锭表面，建立金属晶体以树枝状形态成长的直观概念。
实验原理晶体物质由液态凝固为固态的过程称结晶。
结晶过程亦为原子呈规则排列的过程，包括形核和核长大两个基本过程。
由于液态金属的结晶过程难以直接观察，而盐类亦是晶体物质，其溶液的结晶过程和金属很相似，区别仅在于盐类是在室温下依靠溶剂蒸发使溶液过饱和而结晶，金属则主要依靠过冷，故完全可通过观察透明盐类溶液的结晶过程来了解金属的结晶过程。
图5－1 结晶过程三个阶段形成的三个区域a) 最外层的等轴细晶粒区(100×) b)次层粗大柱状晶区(100×) c)中心杂乱的树枝状晶区(100×)在玻璃片上滴一滴接近饱和的氯化铵（NH4Cl）或硝酸铅[Pb(NO3)2]水溶液，随着水分蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，继而开始结晶。
我们可观察到其结晶大致可分为三个阶段：第一阶段开始于液滴边缘，因该处最薄，蒸发最快，易于形核，故产生大量晶核而先形成一圈细小的等轴晶（如图5-la 所示），接着形成较粗大的柱状晶（如图5-1b所示）。
因液滴的饱和程序是由外向里，故位向利于生长的等轴晶得以继续长大，形成伸向中心的柱状晶。
第三阶段是在液滴中心形成杂乱的树枝状晶，且枝晶间有许多空隙（如图5-1c 所示）。
这是因液滴已越来越薄，蒸发较快，晶核亦易形成，然而由于已无充足的溶液补充，结晶出的晶体填不满枝晶间的空隙，从而能观察到明显的枝晶。
实际金属结晶时，一般均按树枝状方式长大（如图5-2 所示）。
(仅供参考)北科大材科基实验金属及合金凝固组织的观察和分析
金属及合金凝固组织的观察和分析张文北京科技大学材料学院铸锭组织分为三个区，最外层是细晶区，金属液体浇入铸模后，与温度较低模壁接触的液体会产生强烈的过冷，产生大量的晶核，并向液相内生长。
如果浇铸温度较低，铸锭尺寸不很大，整个液体会很快全部冷却到熔点一下，因此各处都能形核，造成全部等轴细晶粒的组织。
但在一般情况下，只有那些仍然靠近模壁的晶粒长成而形成细晶区。
柱状晶区，金属浇铸后，模壁被金属加热温度不断升高，由于结晶时潜热的释放吗，使模壁处的温度梯度降低。
细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长。
等轴晶区，在凝固过程中，开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随溶液对流漂移移到铸锭中心部分。
如果中心部分溶液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。
匀晶凝固过程是晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶体和单相固溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。
共晶凝固过程是从液相同时结晶处两个固相。
一般把成分在共晶成分左边并有共晶反应的合金称亚共晶合金，而在右边的称过共晶合金，合金成分偏离共晶成分但冷却时仍发生共晶反应的合金，在冷却过程中先结晶出固溶体晶体，然后在生成共晶。
包晶凝固过程是有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相发生反应生成另一种固相的恒温转变过程。
1 实验材料及方法1.1实验材料光学显微镜表格 1 铝锭成分表Table 1 Aluminum composition铝锭浇铸条件样品号模壁材料模壁厚度/mm模子温度/℃浇铸温度/℃1砂10室温6802钢105006803钢10室温7804钢10室温680Table 2 Alloy composition样品成分样品成分1-a25%Ni+75%Cu铸造3-a80%Sn + 20%Sb1-b25%Ni+75%Cu 退火3-b35%Sn + 65%Sb2-a70%Pb + 30%Sn4-a51%Bi + 32%Pb +17%Sn 2-b38.1%Pb + 61.9%Sn4-b58%Bi + 16%Pb +26%Sn 2-c20%Pb + 80%Sn4-c65%Bi + 10%Pb +25%Sn1.2实验方法1.用肉眼观察5种浇铸方法所获得的铝锭的横截面和纵截面；2.调节金相显微镜的放大倍数为100倍；3.在显微镜下分别观察1-a至4-c样品，并用手机拍照记录。
铸锭组织观察
铸锭组织观察实验目的1、掌握铸锭组织的结晶形态2、了解不同冷却速度下结晶形态或不同温度下的结晶形态的变化规律实验材料和实验设备1、纯铝2、中温加热电炉3、坩埚、切锯和钢钳等。
实验原理金属结晶时的过冷现象结晶，一般是指金属（或其他晶体物质）自液态向固态过渡时晶体结构的形成过程。
金属的结晶是在其液体的温度降低到熔点以下时进行的。
在“平衡结晶温度“处液体与晶体处于平衡状态。
此时液态的结晶速度与晶体的溶解速度相等，即原子自液体转向晶体的数目等于原子在晶体熔于液体的数目。
由此可见在平衡结晶温度，晶体不能进行有效的结晶。
实践证明，如欲金属结晶以显著的速度进行，则必须将液体金属冷至低于T0 的某一温度，这个现象就是金属结晶时的过冷现象。
各种金属的结晶过冷（最小过冷度）都不大，通常只有几度（个别数十度）视金属种类不同。
同一金属从液态冷却时，冷却速度越大，结晶时的过冷度也越大。
实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，过冷是金属结晶的必要条件。
金属的结晶过程——晶体的形核及长大结晶是需要一定时间的，当液态金属冷却到平衡结晶温度以下时，不论其结晶速度多么快，也不可能使整个液体同时转变成固态。
结晶过程首先是在液体中产生一批晶核（或称结晶中心），并继之以长大，在它们的长大过程中，同时还有新的晶核不断从液体中产生和长大，直至全部液体都转变为固体为止。
由此可知，结晶的过程仍是由晶核的产生和长大两个基本过程所组成，而且每个过程是同时并进的。
实验证明，这乃是一切结晶过程（包括金属和非金属结晶在内）所遵循的基本规律。
上述结晶过程完成后，金属的组织便由形状不规则的小晶体所组成，这些小晶体成为晶粒，晶粒与晶粒之间的边界称为晶界。
金属组织中的晶粒大小取决于晶体结晶过程中的长大方式。
在冷却速率极小的或过冷度极小的情况下，晶粒可能保持规则的几何外形而逐渐长大，不过在结晶后期，当晶粒彼此接触时，其规则外形则被破坏，以致最后的金属结晶是由外形不同的晶粒所组成。
金属及合金凝固组织的观察和分析
《材料科学基础实验》报告实验名称金属及合金凝固组织的观察和分析学院材料学院专业班级姓名学号2012年11月一、实验目的1、了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点。
2、结合相图了解几种类型二元合金，三元合金的结晶过程及结晶后的组织。
3、通过实验加深对课程中“凝固”、“相图”两章的认识，了解实际组织与组织示意图的关系；达到对本章一个总结的目的；掌握金相组织的分析方法。
二、实验原理1、金属及其合金结晶的一般规律及应用杠杆原理计算各相的百分含量。
2、金属成分一定时，铸模材料、模壁厚度、浇铸温度、浇注速度、冷却方式等条件会影响组织的形成。
三、实验设备及材料1、光学显微镜2、标准样品A、显微组织分析样品：1）匀晶类型：a）25%Ni+75%Cu（铸态组织）b）25%Ni+75%Cu（退火组织）2）共晶类型：a）70%Pb + 30%Sn；b）38.1%Pb + 61.9%Sn；c) 20%Pb + 80%Sn；3）包晶类型： 80%Sn+20％SbB、铝锭（用于低倍组织观察）四、实验内容及分析A、二元合金的显微组织观察1、匀晶类型a）样品一（25%Ni+75%Cu）（铸态组织）图1如图1中Cu-Ni系合金的相图可以分析出，当温度降低时，具有一定成分的液相合金中逐渐析出固溶体，但随着温度的降低，析出的固溶体成分不同，剩余液相中成分也在变化：液相随液相线变化，即液相中Ni的比重逐渐降低；固体随固相线变化，即先后析出的固体中Ni的比重逐渐降低。
图2为Cu-Ni合金的铸态显微组织图，Cu-Ni合金属于固溶体合金，固溶体铸态组织具有树枝状的特性，正如图2显示的一样。
固溶体合金的凝固按树枝方式进行，主要由于凝固时的选择结晶，晶体前沿液体中出现了成分过冷，形成负的温度梯度，再加上冷却速度比较快，溶质分子来不及扩散，因而得到枝晶组织。
组织中亮白部分含高熔点组元Ni较多，而黑暗的部分含低熔点组元Cu较多，枝干与之间化学成分不均匀。
材料加工原理实验
实验一金属结晶过程及铸锭组织观察实验项目性质：普通实验实验计划学时：2学时一、实验目的1．观察盐类及金属的结晶过程2．了解并掌握金属及合金铸锭组织的形成，明确金属及合金铸锭组织的控制方法3．观察并描绘不同条件下纯铝的铸锭组织二、实验概述结晶过程包括晶核的形成和长大两个过程。
晶粒的形状及大小，根据冷却条件及其他因素不同而不同。
金属及盐类最常见到的晶体形状是树枝状晶体，又称枝晶。
用生物显微可以直接观察透明盐类（如氯化铵、硝酸银等）的结晶过程。
在玻璃片上滴一滴接近饱和的氯化铵溶液，放在生物显微镜下观察它的结晶过程。
随着溶液的蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，由于液滴边缘处最薄，因此蒸发得最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。
结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶粒，这是由于此时液滴外层较薄，蒸了很快，在短时期内产生大量的晶核之故。
结晶的第二阶段是较为粗大的柱状晶，其成长的方向是伸向液滴中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里的，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的，带有方向性的柱状晶。
结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴晶。
这是由于液滴中心此时也变得较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，在此可以看到明显的树枝晶组织。
从而可以看出，盐液滴由于蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭的结晶过程与组织是很相似的。
金属不透明，因此一般不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。
但是金属凝固后可以将铸锭沿纵剖面或横剖面切开，经过磨制和浸蚀后就可以分析它的组织和形成过程。
另外，也可以利用化学中的取代（置换）现象来观察金属晶体的生长过程。
例如：硝酸银的水溶液中放入一段细铜丝。
铜将开始溶解，而银则沉淀出来，其反应如下：Cu + 2AgNO3 2Ag↓+Cu(NO3)2如果在生物显微镜下观察，则可以看到银的枝晶生长过程。
需要说明，金属的结晶是在液态金属冷却的过程中进行的，当具有一定的过冷度时，金属就开始结晶。
实验九-金属及合金凝固组织的观察和分析
实验九金属及合金凝固组织的观察和分析摘要：通过对金属及合金凝固组织的观察和分析，掌握样品组织的的一般特点。
并结合相图了解几种类型二元合金、三元合金的结晶过程及结晶后的组织，掌握金相组织的分析方法。
关键词：相图、合金凝固组织，结晶过程正文：一、实验背景了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点，并结合相图了解几种类型二元合金，三元合金的结晶过程及结晶后的组织。
同时通过实验加深对课程中“凝固”“相图”两章的认识，了解实际组织与组织示意图的关系，达到掌握金相组织分析方法的目的。
二、实验内容1、金属材料的组织分析显微组织指光学显微镜下能够看到的金属材料内部所具有的各组成相的直观形貌。
包括各种相，相的形状、大小、分布以及相对量等。
宏观组织指30倍以下的放大镜或者人的眼睛直接能够观察到的金属材料内部所具有的各组成物的直观形貌。
经侵蚀后的样品在显微镜下可以看到各种形态的组织一般可以归纳成:①单相组织，在显微镜下看到的是许多多边形晶粒组成的多晶体。
可以研究它的晶界、晶粒形状、大小以及晶粒内出现的亚结构。
②两相，可以观察到有两相的花样。
③多相。
2、影响组织变化的条件:①合金成分。
成分不一样,组织就不一样。
②工艺条件。
凝固条件、锻压条件、热处理工艺等。
3、金属及合金凝固组织的观察与分析①铝铸锭低倍组织观察。
②二元合金(匀晶、共晶、包晶)Ni-Cu, Pb-Sn Sn-Sb。
③三元合金(共晶)Bi-Pb-Sn。
三、实验设备及材料1．光学显微镜2．标准样品1）铝锭（用于低倍组织观察）2）显微组织分析样品①二元合金的显微组织观察（分析时参考附录中的相图）1）匀晶类型（Ni-Cu系）样品：a）25%Ni+75%Cu，处理过程：铸造。
b）25%Ni+75%Cu，处理过程：退火。
2）共晶类型（Pb-Sn系）样品：a）70%Pb + 30%Sn；b）38.1%Pb + 61.9%Sn；c) 20%Pb + 80%Sn；铸造。
3）包晶类型（Sn-Sb系）样品：a）80%Sn + 20%Sb；b) 35%Sn + 65%Sb。
铸锭组织观察
铸锭组织观察一、实验目的1、掌握铸锭组织的结晶形态2、了解不同冷却速度下结晶形态或不同温度下的结晶形态的变化规律二、实验材料和实验设备1、纯铝2、中温加热电炉3、坩埚、切锯和钢钳等。
三、实验原理金属结晶时的过冷现象结晶，一般是指金属（或其他晶体物质）自液态向固态过渡时晶体结构的形成过程。
金属的结晶是在其液体的温度降低到熔点以下时进行的。
在“平衡结晶温度“处液体与晶体处于平衡状态。
此时液态的结晶速度与晶体的溶解速度相等，即原子自液体转向晶体的数目等于原子在晶体熔于液体的数目。
由此可见在平衡结晶温度，晶体不能进行有效的结晶。
实践证明，如欲金属结晶以显著的速度进行，则必须将液体金属冷至低于T0的某一温度，这个现象就是金属结晶时的过冷现象。
各种金属的结晶过冷（最小过冷度）都不大，通常只有几度（个别数十度），视金属种类不同。
同一金属从液态冷却时，冷却速度越大，结晶时的过冷度也越大。
实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，过冷是金属结晶的必要条件。
金属的结晶过程——晶体的形核及长大结晶是需要一定时间的，当液态金属冷却到平衡结晶温度以下时，不论其结晶速度多么快，也不可能使整个液体同时转变成固态。
结晶过程首先是在液体中产生一批晶核（或称结晶中心），并继之以长大，在它们的长大过程中，同时还有新的晶核不断从液体中产生和长大，直至全部液体都转变为固体为止。
由此可知，结晶的过程仍是由晶核的产生和长大两个基本过程所组成，而且每个过程是同时并进的。
实验证明，这乃是一切结晶过程（包括金属和非金属结晶在内）所遵循的基本规律。
上述结晶过程完成后，金属的组织便由形状不规则的小晶体所组成，这些小晶体成为晶粒，晶粒与晶粒之间的边界称为晶界。
金属组织中的晶粒大小取决于晶体结晶过程中的长大方式。
在冷却速率极小的或过冷度极小的情况下，晶粒可能保持规则的几何外形而逐渐长大，不过在结晶后期，当晶粒彼此接触时，其规则外形则被破坏，以致最后的金属结晶是由外形不同的晶粒所组成。
《金属熔炼与铸锭》课程实验指导书及实验报告撰写要求内容
图1 具有三个晶区的 铸锭晶粒组织示意图 纯铝的熔炼与铁模铸锭一、实验目的1、通过纯铝的熔炼与铁模铸锭，了解有色金属熔铸的一般工艺和操作知识。
2、观察铝锭横截面的铸造组织形貌，了解形成晶粒组织的三个晶区。
3、改变浇铸工艺条件，研究不同的浇铸工艺条件对铸锭晶粒组织的影响。
二、实验原理金属和合金的铸锭晶粒组织一般较为粗大，对铸件横断面稍加打磨、抛光和腐蚀，就可直接进行观察。
铸锭晶粒组织常见三个晶区形貌如图1所示。
（1）表面细等轴晶区当过热金属浇入锭模时，锭模对熔液产生强烈过冷，在模壁附近形成大量的晶核，生长成枝状细等轴晶。
同时，浇铸引起的动量对流，液体外温差引起的热对流，以及由对流引起的温度起伏，促使模壁上形成的晶粒脱落和游离，增加凝固区的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。
（2）柱状晶区 在表面细等轴晶区，生长方向与散热方向平行的晶粒得到优先生长，而与散热方向不平行的晶粒则被抑制。
这种竞争生长的结果，使愈往铸锭部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并互相接触而形成柱状晶区。
柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。
凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素，均有利于扩大柱状晶区。
浇铸温度高，固/液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易于被完全熔化。
（3）中心等轴晶区柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离模壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。
形成中心等轴晶区的晶核主要来源于三种途径：表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；液面或凝壳上晶体的沉积。
凡能阻止游离到铸锭中心的晶粒完全熔化的因素，均有利于促进中心等轴晶区的形成。
铸锭的结晶过程及其组织与金属的冷却条件、浇铸时熔体的温度、变质处理条件等因素有关。
改变金属的浇铸温度对结晶过程有影响作用。
当液态金属过热越多时，浇筑后沿铸锭截面的温差越大，越有利于按顺序凝固的方式结晶，形成柱状晶组织。
结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析
结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析结晶是物质由无序状态转变为有序晶体状态的过程。
在材料学中，结晶过程是金属铸锭凝固成形的关键过程之一、通过观察和分析结晶过程及纯金属铸锭组织，可以深入了解金属的晶体结构、相变行为和性能特点。
首先，结晶过程观察主要包括凝固开始时间、凝固速度、凝固形态和晶粒尺寸等方面的考察。
凝固开始时间可以通过铸锭的温度曲线确定，一般情况下，在温度曲线出现峰值的时刻即为凝固开始。
凝固速度是指金属液体凝固过程中实际凝固前进速度，可以通过观察微观结构中的凝固顺序确定。
凝固形态指的是金属在凝固过程中所呈现的形态，如均匀凝固、非均匀凝固、交替凝固等。
晶粒尺寸是指结晶中晶粒的大小，可以通过金相显微镜观察到。
其次，纯金属铸锭组织分析主要包括晶粒尺寸、晶粒形貌和晶界性质等方面的研究。
晶粒尺寸是纯金属铸锭中最直接可见的微观结构特征，可以通过金相显微镜观察到。
晶粒形貌反映了晶粒的外形、晶面的清晰度和晶粒的方向性等特征。
晶界性质是指晶粒与晶粒之间的接触面，其性质对材料的力学性能和耐腐蚀性能具有重要影响。
可以通过电子显微镜观察晶界的形态和晶界的化学成分分析来研究晶界性质。
通过综合分析结晶过程观察和纯金属铸锭组织分析的结果，能够得到以下结论。
首先，结晶过程观察可以确定金属凝固前进速度、凝固形态和晶粒尺寸等特征，从而了解金属凝固过程的动力学行为。
其次，纯金属铸锭组织分析可以确定晶粒尺寸、晶粒形貌和晶界性质等特征，从而对金属的微观结构和性能进行深入研究。
最后，结晶过程观察和纯金属铸锭组织分析的结果可以为金属的热处理和加工工艺提供重要参考，为改善金属材料的性能和开发新材料奠定基础。
总之，结晶过程观察和纯金属铸锭组织分析是了解金属晶体结构、相变行为和性能特点的重要手段。
通过这两项研究，可以深入了解金属的凝固动力学、晶界性质以及金属材料的加工和性能相关问题。
因此，在材料学的研究和应用中，结晶过程观察和纯金属铸锭组织分析具有重要的理论和实践价值。
实验四：金属的结晶过程和铸锭的组织观察
实验一：金属的结晶过程和铸锭的组织观察一、实验目的：1．观察氯化铵饱和溶液及银晶体的结晶过程，以了解金属的结晶过程。
2．观察不同凝固条件所得的纯铝铸锭的宏观组织，以分析研究凝固条件对铸锭组织的影响。
二、实验说明：结晶过程包括晶核的形成和长大两个过程。
用生物显微镜可以直接观察透明盐类（如氯化铵、硝酸银等）的结晶过程，而金属是不透明的，因此，一般是不能用显微镜来观察液态金属的结晶过程，但是过饱和盐类的结晶与金属的结晶有许多相似之处。
盐类溶液的结晶过程：将配置的含30～40％NH4Cl过饱和水溶液，加热到全部溶解，然后滴入玻璃皿内或玻璃片上，放在生物显微镜下观察它的结晶过程。
随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，由于液滴边缘处最薄，因此蒸发得最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。
结晶的第一阶段，首先形成具有一定位向的一位晶轴，在一次晶轴长大的同时，在它侧面又会不断地长出分枝，称为二次轴。
随后，二次轴上又会长出三次轴，……，如此分枝长大下去，就形成了树枝状晶体。
由此可以看出，盐液滴因蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭的结晶过程和组织很相似。
但它们也有不同之处：金属的结晶是在液态金属冷却的过程中进行的，当具有一定过冷度时，金属就开始结晶；而氯化铵是依靠水分的蒸发使溶液过饱和而结晶。
铸锭的结晶过程及其组织受凝固条件的影响，如模子的种类和预热的温度、浇注的温度过热的温度变质处理条件等。
改变模子的材料也改变了金属的冷却条件，如金属模可以比砂模获得更大的柱状晶区，如果模子预热，其实质是降低冷却速度，预热温度越高，等轴晶区也越大。
金属液体通过加入一定变质剂进行变质处理，增加结晶时的核心数，因而在其它条件相同时，可以得到细小的晶粒。
不同纯度的金属，由于其非自发核心数不同，结晶后的晶粒粗细也不同，采用振动的方法可以使粗晶“击碎”而获得细小晶粒。
三、实验方法：1．实验材料及设备（1）氯化铵、硝酸银溶液（2）玻璃皿或玻璃板（3）细铜丝（4）不同铸造条件（见表1-1）下纯铝铸锭的结晶组织若干套。
铸锭缺陷分析
铸锭缺陷分析一．铸锭结晶组织1.金属与合金在凝固后均为晶体，把液态金属的凝固过程称为结晶。
纯金属的结晶过程是在一个恒定温度即结晶点下进行的，冷却强度较大时，实际结晶过渡带亦小，由于并列向前伸长有的晶核在相邻方向上互相抑制，因此，晶体容易沿着垂直于结晶面的方向连续地向液穴中心伸长成为柱状。
柱状晶的特点是伸长和排列都有一定的方向性。
合金与纯金属的结晶过程基本相同，也是从晶核开始，先形成树枝状然后发育成等轴晶或柱状晶，合金在一定的温度范围内结晶，当温度一降到这个温度范围时，溶体的任一点都可能产生晶核，在冷却强度不太大时，结晶温度范围大的合金其晶体都易发展成晶轴大小及长短基本相等或相近的等轴晶。
2.铸锭的结晶组织：由于铸锭结晶时沿整个截面上存在温度梯度，结晶条件不同，其结晶组织也不同，铸锭一般包括三个晶区：①细晶区：当液态浇入锭模后，由于模壁或结晶器温度较低，使表面层的液态金属受到强烈激冷，立即产生大量晶核，因不能充分长大又很快彼此相遇，加之模壁又能促进形核，所以在铸锭表层形成细晶区。
②柱状晶区：在细晶区形成过程中，模壁温度不断升高，加之锭的收缩，使金属和模壁之间产生一导热性较低的空隙，使剩余液态金属的冷却逐渐减慢，使细晶区前沿的液态金属的过冷度减小，形核困难，而原有晶粒则可继续长大，这时最外层的细小晶粒，一方面成为内部金属冷凝时向外散热的传导体，另一方面又成为柱状晶生长的起点，随着越向锭内，结晶速度愈低，那些晶轴垂直于模壁的晶粒就会毫无阻碍地继续向液态金属中长大，形成柱状晶区。
对纯度较高的金属如纯铜，结晶后柱状晶往往贯穿整个铸锭，形成“穿晶”③等轴晶区：随着柱状晶区的发展，模壁温度逐渐升高，使模壁方向方向的散热速度逐渐变慢，由于铸锭中心附近冷却强度小，产生的晶核数量亦少，并有充分机会向各个方向长大，因此铸锭中习部分形成了等式轴晶区，又因中心附近的液态金属冷却速度较慢，过冷度较小，因此铸锭中心附近的结晶组织多呈粗大等式轴晶。
铸锭组织的控制
铸锭组织的控制
在一般情况下，注定的宏观组织有三个晶区，当让这并不是说，所有铸锭（铸件）的宏观组织均由三个晶区所组成，由于凝固条件的复杂性，在某些条件下纯金属的铸锭只有柱状晶体，而在另一种情况下却只有等轴晶区，合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区，当浇注条件变化时，其三个晶区的所占比例也往往不同。
由于不同的晶区具有不同的性能，因此必须设法控制结晶条件，使性能好的晶区所占比例尽可能大，而使不希望的晶区尽可能的小。
例如柱状晶区的特点是组织密度，性能具有方向性，缺点是存在脆弱，但是这一缺点可以通过改变铸造结构（如将断面的直角连接改为圆弧连接）来解决，因此索性好的铝，铜等铸锭都希望得到尽可能多的致密的柱状晶。
影响柱状晶生长的因素主要有以下几点：
1.铸锭模的冷却能力
注定莫及刚结晶的固体的导热能力越大，越有利于柱状晶的生长。
生产上经常采用导热性能好与热容量大的铸模材料，增大铸模的厚度及降低铸模温度等。
如果铸模的冷却能力很大，以致使整个铸件都在很大的过冷度下结晶，这时不但不能得到较大的柱状晶区，反而促使等轴晶的发展（形核率增大），如采用水冷结晶器进行连续铸锭时，就可以使铸锭全部获得细小的等轴晶粒。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属材料的性能与其内部的原子排列密切相关，金属 在冷、热加工过程中的许多变化也与晶体结构有关。
金属的特性与金属键 1. 金属的特性 固态金属的主要特性有： 1）良好的导电、导热性。 2）不透明，有金属光泽。 3）具有较高的强度和良好的塑性。 4）具有正的电阻温度系数，即金属的电阻随温度的升 高而增大。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶体结构的基本概念 晶体与非晶体
自然界中的一切固态物质，按其内部粒子的排列情况可分为晶体 和非晶体。凡内部粒子呈规则排列的固态物质称为晶体，如食盐 、雪花、固态金属等都是晶体。凡内部粒子呈无规则堆积的固态 物质，成为非晶体，如普通玻璃、松香等都是非晶体。
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
金属键
金属原子外层电子与原子核的结合力 较弱，很容易摆脱原子核的吸引力， 这种电子成为自由电子。失去外层电 子的金属原子成为正离子。自由电子 在正离子间自由运动，形成所谓的“电 子气”。正离子与电子气之间依靠静电 引力结合起来，这种结合方式称为“金 属键”。
金属键模型
金属结晶的现象分为： 1. 结晶过程的宏观现象 2. 结晶潜热的释放 3. 结晶过程的微观过程
金属结晶的结晶条件： 结晶的热力学条件 结晶的结构条件
金属的晶体结构与结晶
金属的晶体结构
晶核的形成 在过冷液体中形成固态晶核时，可能有两种形核方式。一 种是均匀形核，又叫均质形核或自发形核；另一种是非均 匀形核，又叫异质形核或非自发形核。如果液相中各个区 域出现新相晶核的几率都相同，则为均匀形核；如果新相 优先出现在液相中的某些区域，则为非均匀形核。
金属的晶体结构与结晶
金属的结晶过程及纯铝铸锭组织观察(结晶生长形态与纯铝铸
不同浇注条件下纯铝铸锭的宏观组织特征
试样 编号
1
铸型 材料
砂模
铸型温 浇注温度 度(℃) (℃)
500
700
组织形貌特征 多边形的粗大等轴晶
2 砂模 室温 700 粗大柱状晶，中心处有等轴晶
3 铁模 室温 700
较粗大柱状晶
4 铁模 500
700 较粗大柱状晶，中心少量等轴晶
5
铁模
室温
800（加Ti
四、实验报告内容要求
1、填写实验名称、目的及内容。 2、画出从显微镜中观察到的氯化铵溶液或硝酸银+铜丝 的结晶示意图，并简述其结晶过程。 3、画出四个纯铝铸锭的宏观组织示意图，并标明其浇 注条件。
金属的结晶过程及纯铝铸锭组织观察
一、实验目的 1、根据凝固条件分析纯铝铸锭组织形貌特征。 2、观察盐类（氯化铵）结晶、硝酸银+铜丝置换反应结晶过程。
变质）
细小等轴晶
1
2
3
500℃砂模700 ℃浇注 室温砂模700 ℃浇注 室温铁模700 ℃浇注
4Hale Waihona Puke 5500℃铁模700 ℃浇注 室温铁模800 ℃浇注（加Ti）
三、实验步骤
1、将一小滴氯化铵水溶液滴到玻璃片上，并将玻璃片 放在显微镜的载物台上，边调整焦距边观察。 2、将一小滴硝酸银滴到玻璃片上，并将玻璃片放在显 微镜的载物台上，调好焦距后，将一根铜丝放在溶滴 中央，观察银晶体的生长过程。
金属的结晶过程及纯铝铸锭组织观察
(结晶生长形态与纯铝铸锭组织观察)
一、实验目的 1、根据凝固条件分析纯铝铸锭组织形貌特征。 2、观察盐类（氯化铵）结晶、硝酸银+铜丝置换反应
结晶过程。 二、实验内容简述 1、饱和的氯化铵水溶液结晶过程
结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析
结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析一、实验目的1．熟悉盐类和金属的结晶过程。
2．了解铸造条件对纯金属铸锭组织的影响。
二、实验原理熔化状态的金属进行冷却时，当温度降到T m （熔点）时并不立即开始结晶，而是当降到T m以下的某一温度后结晶才开始，这一现象称为过冷。
熔点T m与开始结晶的温度T m之差Δ T 称为过冷度。
过冷现象表明，金属结晶必须有一定的过冷度，只有具有一定的过冷度下才能为结晶提供相变驱动力。
结晶由两个基本过程所组成，即过冷液体产生细小的结晶核心（形核）以及这些核心的成长（长大）。
其中，形核又分为均匀形核和非均匀形核。
通常情况下，由于外来杂质、容器或模壁等的影响，一般都是非均匀形核。
由于金属不透明，通常不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。
然而通过采用生物显微镜可以直接观察盐溶液的结晶过程。
实践证明，对透明盐类结晶过程的研究所得出的许多结论，对于金属的结晶都是适用的。
在玻璃片上摘上一滴接近饱和的氯化铵水溶液，放在生物显微镜下观察其结晶过程。
随着液体的蒸发，液体逐渐达到饱和。
由于液滴边缘处最薄，将首先达到饱和，放结晶过程首先从边线开始，然后逐渐向里扩展。
结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体。
这是由于液滴外层蒸发最快，在短时间内形成了大量晶核之故。
结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心。
这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序是由外向里的，最外层的细小等轴晶中只有少数位向有利的才能向中心生长，而其横向生长则受到了彼此间的限制，因而形成了比较粗大、带有方向性的柱状晶体。
结晶的第三阶段是在液滴中心部分形成不同位向的等轴晶体。
这是由于液滴的中心此时也变得较薄,蒸发也较快,同时液体的补充也不足的缘故。
这时可以看到明显的等轴晶体。
图4-1示出了氯化铵水溶液结晶过程的一组照片，其中( a )、( b )为在液滴边缘形成的细小等轴晶体和正在生长的柱状晶体,( c )为在液滴中心部分形成的位向不同的等轴枝晶。
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结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析
一、实验目的
1．熟悉盐类和金属的结晶过程。
2．了解铸造条件对纯金属铸锭组织的影响。
二、实验原理
熔化状态的金属进行冷却时，当温度降到T m （熔点）时并不立即开始结晶，而是当降到T m以下的某一温度后结晶才开始，这一现象称为过冷。
熔点T m与开始结晶的温度T m之差Δ T 称为过冷度。
过冷现象表明，金属结晶必须有一定的过冷度，只有具有一定的过冷度下才能为结晶提供相变驱动力。
结晶由两个基本过程所组成，即过冷液体产生细小的结晶核心（形核）以及这些核心的成长（长大）。
其中，形核又分为均匀形核和非均匀形核。
通常情况下，由于外来杂质、容器或模壁等的影响，一般都是非均匀形核。
由于金属不透明，通常不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。
然而通过采用生物显微镜可以直接观察盐溶液的结晶过程。
实践证明，对透明盐类结晶过程的研究所得出的许多结论，对于金属的结晶都是适用的。
在玻璃片上摘上一滴接近饱和的氯化铵水溶液，放在生物显微镜下观察其结晶过程。
随着液体的蒸发，液体逐渐达到饱和。
由于液滴边缘处最薄，将首先达到饱和，放结晶过程首先从边线开始，然后逐渐向里扩展。
结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体。
这是由于液滴外层蒸发最快，在短时间内形成了大量晶核之故。
结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心。
这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序是由外向里的，最外层的细小等轴晶中只有少数位向有利的才能向中心生长，而其横向生长则受到了彼此间的限制，因而形成了比较粗大、带有方向性的柱状晶体。
结晶的第三阶段是在液滴中心部分形成不同位向的等轴晶体。
这是由于液滴的中心此时也变得较薄,蒸发也较快,同时液体的补充也不足的缘故。
这时可以看到明显的等轴晶体。
图4-1示出了氯化铵水溶液结晶过程的一组照片，其中( a )、( b )为在液滴边缘形成的细小等轴晶体和正在生长的柱状晶体,( c )为在液滴中心部分形成的位向不同的等轴枝晶。
利用化学中的取代反应，可以看到置换出来的金属以枝晶形式进行生长的过程。
例如，在硝酸银水溶液中放入一小段细铜丝，铜将发生溶解，而银则以枝晶形态沉积出来，其反应式为：
Cu+2AgNO3 =2Ag+Cu(NO3 ) 2
又如，在硝酸铅水溶液中放入一小块锌。
铅会以枝晶形态沉积出来，其反应式为：
Zn+Pb(NO3)2 =Pb+Zn(NO3)2
图4-1 氯化铵溶液的结晶过程60 ×
如果用生物显微镜进行观察，就可看到银（或铅）枝晶的生长过程。
图2-2 为银晶体生长过程的一组照片，其中（ a ）、（ b ）为明场照明，（ c ）为暗场照明。
需要说明的是，氯化铵水溶液的结晶是依靠水分的蒸发使溶液过饱和而结晶，银晶体是化学反应中被取代出来的金属进行沉积而得到的，而金属的结晶则是液态金属在冷却过程中在一定过冷度下发生的。
虽然它们存在上述差别，但我们可以从实验中看到晶体生长的共同特点，即晶体通常是以枝晶形式生长的。
典型金属在结晶过程中具有粗糙的微观固-液界面，当界面前沿的液体具有负温度梯度时，由于界面变得不稳定，晶体将以枝晶形态生长。
若金属纯度不高，即使在正温度梯度下也可以枝晶形态进行生长，因为这时的“纯”金属实质上是溶质原子溶于其中的合金了，它将服从固溶体的结晶规律。
固溶体的结晶，即使在正温度梯度下也可以枝晶形态生长。
因此纯金属的结晶通常都是以枝晶形态生长。
图4-2 由取代反应沉淀积出来的银晶体的生长过程60 ×
图4-3 工业纯铝表面的枝晶组织 3 ×
虽然金属通常以枝晶形态生长，但只要液态金属始终能充满枝晶间的空隙，那么在金属铸锭内部只能看到外形不规则的晶粒，而看不到枝晶。
然而铸锭表面，特别是缩孔处，由于缺少液态金属的补充往往可以看到枝晶组织。
图4-3为在工业纯铝铸锭表面缩孔处看到的枝晶组织。
由于金属不透明，故不能从外部直接观察铸锭内部的组织。
但可将铸锭沿纵向或横向剖开，经过磨制和腐蚀，把内部组织显示出来，从而可用肉眼或低倍放大镜观察其内部组织，如晶粒大小、形状及分布等。
这种组织称为铸锭的粗视组织。
典型的铸锭组织可分为三个区域：靠近模壁的细晶区（激冷等轴晶区）、由细晶区向铸锭中心生长的柱晶区以及铸锭中心的等轴晶区。
在实际情况下，由于铸造条件不同，三个晶区发展的程度也往往不同，在某些情况下，可能只有两个晶区，有时甚至只有一个晶区。
影响铸锭组织的因素很多，如浇铸温度、铸模材料、铸模壁厚、铸模温度、铸锭大小以及是否加晶粒细化剂等。
采用金属模及增加其模壁厚度，可使液态金属获得较大的冷却速率，造成较大的内外温差，将有利于柱状晶区的发展。
有些情况下，在中心区域尚未形核时柱状晶就发展到铸锭中心，从而就没有中心等轴晶形成。
浇铸温度越高，内外温差就越大，冷凝所需时间就越长，从而使柱状晶有充分的时间和机会得到发展。
加入一定的晶粒细化剂，可促进非均匀形核，提高形核率，在其它条件相同的情况下有利于得到细小的等轴晶粒。
但如果液态金属过热程度太大，将使非自发核心数目减少，易得到较粗大的柱状晶。
机械震动、磁场搅拌、超声波处理等，可促进形核，减弱柱状晶的发展。
图4-4 为不同铸造条件下工业纯铝的铸锭组织。
由图4-4 可以清楚地看出铸模材料和加入晶粒细化剂对金属铸锭组织的影响。
图4-4 工业纯铝的铸锭组织
（浇注温高750 ℃铸模壁原25mm ，铸锭尺寸直径50mm ，长100mm ）
三、实验用设备和材料
1 ．生物显微镜，氯化铵，硝酸银，硝酸铅，蒸馏水，细铜丝，小锌块，小烧杯，玻璃片，玻璃棒及摄子等。
2 ．实体显微镜（或放大镜），表面或缩孔处有枝晶组织的金属铸锭。
3 ．不同铸造条件下工业纯铝铸锭的粗视组织样品一套。
四、实验内容与步骤
1 ．用生物显微镜观察氯化铵饱和溶液的结晶过程。
用玻璃棒引一小滴已配好的氯化铵水溶液到玻璃片上，再将玻璃片放在生物显微镜的试样台上进行观察。
要注意所引液滴不可太大，否则蒸发太慢不易结晶。
另外还要注意清洁，不要让外来物质落入液滴而影响结晶过程。
在使用显微镜时，应注意防止液滴流到试样台或显微镜的其它部位，尤其不能让液滴碰到物镜。
2 ．用玻璃棒引一滴硝酸银水溶液（稀溶液）到玻璃片上，然后将玻璃片放到生物显微镜的试样台上。
对清物象后，用摄于将一小段洁净的细铜丝放在液滴中，随即观察银晶体的生长过程。
根据同一原理，也可用一小块锌放在硝酸铅的稀溶液中，通过生物显微镜观察铅晶体的生长过程。
3 ．用实体显微镜（或放大镜）观察金属铸锭表面收缩处的枝晶组织。
4 ．观察纯铝铸锭的粗视组织，分析铸造条件对铸锭组织的影响。
表4-1 绘出了工业纯铝铸锭的铸造条件。
根据具体情况，也可采用其它铸造条件。
例如，除了铸模材料和晶粒细化剂的影响外，还可改变浇铸温度、铸模温度及模壁厚度等。
表4-1 工业纯铝铸锭的铸造条件
编号 1 2 3 4 5 6
材料工业纯铝工业纯铝+0.05%Ti
模壁材料耐火砖黄铜耐火砖黄铜黄铜耐火砖
模底材料黄铜黄铜耐火砖耐火砖黄铜耐火砖
五、实验报告要求
1 ．画出实验中观察到的氯化铵的结晶组织和银晶体的沉积组织，并作简要分析。
2 ．画出不同铸造条件下工业纯铝铸锭的粗视组织，注明铸造条件，并进行分析与对比。