材料科学基础-实验指导-实验04 浇注和凝固条件对铸锭组织的影响

第4章铸件凝固组织

相反，在强制热流控制的定向凝固条件下，液相处于过热状态而无法形核，则只能维持柱状晶方式的凝固。

典型铸件凝固过程断面上温度分布如图4-3所示。通常凝固界面附近的液相优先获得过冷，为晶核的长大创造了条件。随着凝固过程的进行，过冷区扩大，晶核生长的区域也扩大。大多数合金的固相密度大于液相密度，因而晶核在长大过程中不断下落。不同取向的凝固界面接受下落自由晶体的条件不同，因而发生柱状晶向等轴晶转变的条件也不同。液相中的自由晶体直接落在底部的凝固界面上，阻止了柱状晶的生长，最先发生向等轴晶的转变。
G L m L dGL dx'
x ' 0
经过推导，可以得出在液相没有对流只有扩散的
v mL C0 (1 k 0 ) T0 TL (C0 ) TS (C0 ) DL DL DL k 0
情况下，成分过冷判别式的通用式， GL
由上式可以看出，合金的结晶温度间隔越大，成份过冷的倾向就越大，平界面容易遭到破坏。
过冷的液态金属，发生等轴晶的凝固(见图4-1b)。

合金凝固过程的情况则如图4-1c图4-1e所
示。其中等轴晶的凝固条件与纯金属的情况相似，发生在过冷的液态合金中，但由于成分过冷与热过冷的叠加使实际的凝固过冷度增大，内生生核的倾向增大，发生等轴晶凝固的倾向更明显。而在定向凝固过程中，由于成分过冷的存在，仅当界面附近温度梯度足够大时才能形成平面凝
限，往往不足以引起中心等轴晶区的形成。
(2) 枝晶熔断枝晶生长过程中，由于根部溶质的富集产生“缩颈”并熔断、脱落的现象已被许多实验证实。 Jackson因此提出被熔断的枝晶形成中心等轴晶区的理论。介万奇等通过实验观察发现，在
没有强制对流的条件下，大量被熔断枝晶的形成与漂移均与侧向生长的两相区中枝晶间液相

(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。

结晶过程观察以及凝固条件对铸锭组织的影响实验报告

结晶过程观察以及凝固条件对铸锭组织的影响实验报告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Tm （熔点）时并不立即开始结晶，而是当降到Tm 以下的某一温度后结晶才开始，这一现象称为过冷。

熔点Tm 与开始结晶的温度Tm 之差ΔT 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。

试验：铸造对组织影响

铸造工艺对金属铸锭组织的影响主讲教师:一、实验目的◆1．观察金属的结晶过程。

◆2．了解铸造工艺和金属的过热对铸锭宏观组织的影响。

二、实验原理金属及合金的晶粒大小、形状和分布与凝固条件、合金成分及其加工过程有关，实际生产中，铸锭不可能在整个截面上均匀冷却，并同时开始凝固。

因此，铸锭凝固后的组织一般是不均匀的，这种不均匀性将引起金属材料性能的差异。

1. 铸锭的典型组织金属铸锭横断面的宏观组织一般是由三个晶区组成。

由外向内依次分布为细晶区（外壳层）、柱状晶区和中心等轴晶区，如图1所示。

图1 金属铸锭横断面的宏观组织第一晶区是铸锭的外壳层，由细小等轴晶粒组成。

把液体金属浇入铸型，结晶刚开始时，由于铸型温度较低，形成较大的过冷度，同时模壁与金属产生摩擦及液体金属的激烈“骚动”，于是靠近型壁大量地形核，还由于型壁不是光滑的镜面，晶粒长大时，各枝晶主轴很快彼此相互接触，使晶粒不能继续长大，所以晶粒的尺寸不大，即形成细晶区。

图2表示在液体金属和铸型边界上结晶开始的情形。

等轴晶粒的第一晶区较薄，因此对铸锭的性能没有显著的影响。

第二晶区是柱状晶区。

液态金属与铸型接触处的型壁剧烈地过冷是在液体金属和铸型的分界面上生成很多小晶粒的原因，其中过冷与经过铸型激烈地传热有关，随着外壳层的形成，铸型变热，对液态金属的冷却作用减缓，这时只有处于结晶前沿的一层液态金属才是过冷的。

这个区域可以进行结晶，但一般不会产生新的晶核，而是以外壳层内壁上原有晶粒为基础进行长大。

同时，由于散热是沿着垂直于模壁的方向进行，而结晶时每个晶粒的成长又受到四周正在成长的晶体的限制，因而结晶只能沿着垂直于模壁的方向由外向里生长，结果形成彼此平行的柱状晶区如图3所示。

第三晶区是铸锭的中心部分，随着柱状晶的发展，模壁温度进一步升高，散热愈来愈慢，而成长着的柱状晶前沿的温度又由于结晶潜热的放出而有所升高。

这样整个截面的温度逐渐变为均匀。

当剩余液态金属都过冷到熔点以下时，就会在整个残留的液态金属中同时出现晶核而进行结晶。

铸锭组织形成机理及在生产中应用

铸锭组织形成机理及在生产中应用铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。

凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状。

在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。

虽然它们的结晶过程遵循着结晶的普遍规律，但是由于铸锭或铸件冷却条件的复杂性，因而给铸件组织带来很多特点。

对铸件来说，铸态组织直接影响到它的力学性能和使用寿命；对铸锭来说，铸态组织不但影响到它的压力加工性能，而且还影响到压力加工后的金属制品的组织和性能。

因此，应该，应该了解铸锭或铸件的组织及其形成规律，并设法改善铸锭或铸件的组织。

1铸锭的分类1.1静态铸锭静态铸锭仅是单纯将熔化的金属倒入永久的铸模中凝固后，将铸锭从铸模中抽出，铸模可以再次使用。

每年用这种方法生产出数以百万吨的钢。

1.2半连续铸锭半连续铸锭工艺在铝工业中用于制造大多数的铸造合金，由这些合金加工出棒料、薄板、板条和板材的形状。

在这一工艺中，熔化的铝被传送到一个由水冷却的永久铸模中，在铸模的长活塞上装有活动底座。

在铸模表面进一步凝固而形成一层坚硬的“皮”之后，活塞向下运动，更多的金属连续填入容器中。

最后，活塞运动至全长，过程停止。

铝工业中常规的方法是利用适当润滑的金属铸模。

然而，工艺的改进已经允许主要的铝合金生产者用一种电磁场取代（至少部分取代）金属铸模以使熔化的金属仅仅短暂地接触到金属铸模，因此与传统方法相比可以生产出光洁度更高的产品。

1.3连续铸锭连续铸锭为钢和铜工业提供了主要的铸材资源，而且在铝工业中增长迅速。

在这一工艺中，熔化的金属被送到一个永久铸模中，铸造开始时与半连续铸造极为相似。

然而，该过程不是在一定时间后停止，凝固的铸锭被连续剪成或切成一定长度并且在铸造过程中被运走。

因此，该过程是连续的，凝固的棒料或板条像铸造一样被迅速运走。

与传统铸造工艺相比这一方法有许多经济优势；因此，所有的现代钢厂都生产连续铸造的产品。

材料科学基础二元合金的凝固理论.答案

0
60
0
α 0
(5/9)L
（0.4－Cα)×(5/9)L=(0.6-0.4) ×(4/9)L
Cα＝0.24
2. 质量守恒法：溶质原子质量守恒 (5/9)×Cα＋(1- 5/9)×60％＝40％
12
b. 液相部分混合的凝固
当固溶体凝固时，若其凝固速度较快，液相中溶质只能通过对流和扩散而部分混合。
表示凝固过程中在初始过渡区建立后，液相和固相成分随凝固体积分数的变化。
18
c. 液相完全不混合的凝固
凝固速度很快，液相仅有扩散；宏观偏析很少，仅在最后凝固部分，溶质浓度迅速升高，但长度仅有几厘米。初始过渡区建立后ke=1
20
结论：
冷速越快 → 液相越不均匀 → 固相越均匀 → 宏观偏析↓
中心等轴晶区：各方向上的力学性能较均匀一致。但容易形成许多微小的缩孔，导致组织疏松。
33
影响铸锭组织的因素
铸锭的宏观组织与浇注条件又密切关系：随浇注条件变化可改变3个晶区的相对厚度和晶粒大小，甚至不出现
某个晶区；
快的冷却速度，高的浇注温度和定向散热有利于柱状晶的形成；若金属纯度较高、铸锭截面较小时，柱状晶快速成长，有可能形成穿晶。
3

固溶体不平衡凝固时的溶质分布
假设固相中无扩散，液相中有扩散，根据液相中溶质混合情况，分为完全混合，部分混合,完全不混合三种情况进行讨论。 4个假设：
① 液—固界面是平直的； ② 液—固界面处维持着这种局部的平衡，即在界面处满足k0为常数； ③ 忽略固相内的扩散； ④ 固相和液相密度相同
4
36
3. 偏析 segregation
铸锭中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。

材料科学基础实验指导书

《材料科学基础》课程实验指导书实验一金属塑性变形与再结晶一、实验目的1、认识金属冷变形加工后及经过再结晶退火后的组织性能和特征变化；2、研究变形程度对再结晶退火前后组织和性能的影响。

3．讨论冷加工变形度对再结晶后晶粒大小的影响。

二、概述1．显微镜下的滑移线与变形孪晶金属受力超过弹性极限后，在金属中将产生塑性变形。

金属单晶体变形机理指出，塑性变形的基本方式为：滑移和孪晶两种。

所谓滑移，是晶体在切应力作用下借助于金属薄层沿滑移面相对移动（实质为位错沿滑移面运动）的结果。

滑移后在滑移面两侧的晶体位向保持不变。

把抛光的纯铝试样拉伸，试样表面会有变形台阶出现，一组细小的台阶在显微镜下只能观察到一条黑线，即称为滑移带。

变形后的显微组织是由许多滑移带（平行的黑线）所组成。

在显微镜下能清楚地看到多晶体变形的特点：①各晶粒内滑移带的方向不同（因晶粒方位各不相同）；②各晶粒之间形变程度不均匀，有的晶粒内滑移带多（即变形量大），有的晶粒内滑移带少（即变形量小）；③在同一晶粒内，晶粒中心与晶粒边界变形量也不相同，晶粒中心滑移带密，而边界滑移带稀，并可发现在一些变形量大的晶粒内，滑移沿几个系统进行，经常看见双滑移现象（在面心立方晶格情况下很易发现），即两组平行的黑线在晶粒内部交错起来，将晶粒分成许多小块。

（注：此类样品制备困难，需要先将样品进行抛光，再进行拉伸，拉伸后立即直接在显微镜下观察；若此时再进行样品的磨光、抛光，滑移带将消失，观察不到。

原因是：滑移带是位错滑移现象在金属表面造成的不平整台阶，不是材料内部晶体结构的变化，样品制备过程会造成滑移带的消失。

）另一种变形的方式为孪晶。

不易产生滑移的金属，如六方晶系的镉、镁、铍、锌等，或某些金属当其滑移发生困难的时候，在切应力的作用下将发生的另一形式的变形，即晶体的一部分以一定的晶面（孪晶面或双晶面）为对称面，与晶体的另一部分发生对称移动，这种变形方式称为孪晶或双晶。

孪晶的结果是：孪晶面两侧晶体的位向发生变化，呈镜面对称。

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。

材料科学基础第4章凝固

r* －2 L / GV G ( 16
* 非 3 L
/ 3G ) [(2 - 3cos cos )/4]
2 V 3
形核功与接触角（润湿角）的关系
3 16 G * 均＝ 2 3GV
* G非
2 3 cos cos3 ＝＝S ( ) * G均 4
G G V V ( L AL W AW - LW A LW )
LW W cos L
G G V V ( L AL W AW - LW A LW )
根据立体几何： V r 3 (2 - 3cos cos 3 )/3, AW＝A LW＝r (1 - cos ),
G GS GL ( H S TS S ) ( H L TS L ) ( H S H L ) T (SS S L )
温度为Tm时，H S - H L为熔化潜热， G H m - TS
G
熔化潜热
熔点
金属凝固的条件
G GS GL 0
自由能
液态金属的结构的定性描述
Banker模型 Bernal模型
准晶结构：短程有序，结构起伏。
非晶体：随机密堆
液态金属的结构
宏观上：金属和合金的液态结构是均匀、各向同性的
原子尺度上：金属和合金的液态结构不均匀长程无序，但部分原子排列与固态相似，构成短程有序的晶态小集团——晶胚晶胚大小不等，时而产生，时而消失——结构起伏微观区域能量在不断变化——能量起伏合金系统中，还存在成分起伏
液、固态的原子间结合力接近
液态金属的结构的定性描述——基于物理性质
3. 金属熔化时液、固态的热容量变化不大，一般在10%以下

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。

铸造工艺对对铸锭金相的影响

铸造工艺对金属铸锭组织的影响主讲教师:一、实验目的◆1．观察金属的结晶过程。

◆2．了解铸造工艺和金属的过热对铸锭宏观组织的影响。

二、实验原理金属及合金的晶粒大小、形状和分布与凝固条件、合金成分及其加工过程有关，实际生产中，铸锭不可能在整个截面上均匀冷却，并同时开始凝固。

因此，铸锭凝固后的组织一般是不均匀的，这种不均匀性将引起金属材料性能的差异。

1. 铸锭的典型组织金属铸锭横断面的宏观组织一般是由三个晶区组成。

由外向内依次分布为细晶区（外壳层）、柱状晶区和中心等轴晶区，如图1所示。

图1 金属铸锭横断面的宏观组织第一晶区是铸锭的外壳层，由细小等轴晶粒组成。

把液体金属浇入铸型，结晶刚开始时，由于铸型温度较低，形成较大的过冷度，同时模壁与金属产生摩擦及液体金属的激烈“骚动”，于是靠近型壁大量地形核，还由于型壁不是光滑的镜面，晶粒长大时，各枝晶主轴很快彼此相互接触，使晶粒不能继续长大，所以晶粒的尺寸不大，即形成细晶区。

图2表示在液体金属和铸型边界上结晶开始的情形。

等轴晶粒的第一晶区较薄，因此对铸锭的性能没有显著的影响。

第二晶区是柱状晶区。

液态金属与铸型接触处的型壁剧烈地过冷是在液体金属和铸型的分界面上生成很多小晶粒的原因，其中过冷与经过铸型激烈地传热有关，随着外壳层的形成，铸型变热，对液态金属的冷却作用减缓，这时只有处于结晶前沿的一层液态金属才是过冷的。

这个区域可以进行结晶，但一般不会产生新的晶核，而是以外壳层内壁上原有晶粒为基础进行长大。

同时，由于散热是沿着垂直于模壁的方向进行，而结晶时每个晶粒的成长又受到四周正在成长的晶体的限制，因而结晶只能沿着垂直于模壁的方向由外向里生长，结果形成彼此平行的柱状晶区如图3所示。

第三晶区是铸锭的中心部分，随着柱状晶的发展，模壁温度进一步升高，散热愈来愈慢，而成长着的柱状晶前沿的温度又由于结晶潜热的放出而有所升高。

这样整个截面的温度逐渐变为均匀。

当剩余液态金属都过冷到熔点以下时，就会在整个残留的液态金属中同时出现晶核而进行结晶。

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。

中南大学材料科学基础课后习题

第一章原子排列与晶体结构1. fcc 结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是 ,晶胞中原子数为，把原子视为刚性球时，原子的半径r与点阵常数a 的关系是；bcc 结构的密排方向是，密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为，原子的半径r 与点阵常数a 的关系是；hcp 结构的密排方向是，密排面是，密排面的堆垛顺序是，致密度为，配位数是 ,，晶胞中原子数为，原子的半径r 与点阵常数a的关系是。

2. Al 的点阵常数为0.4049nm ，其结构原子体积是，每个晶胞中八面体间隙数为，四面体间隙数为。

3. 纯铁冷却时在912e 发生同素异晶转变是从结构转变为结构，配位数，致密度降低，晶体体积，原子半径发生。

4. 在面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向，指出﹤110﹥中位于（111）平面上的方向。

在hcp 晶胞的（0001）面上标出）（0121晶面和]0121[晶向。

5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。

6 在铅的（100）平面上，1mm 2有多少原子？已知铅为fcc 面心立方结构，其原子半径R=0.175×10-6mm 。

第二章合金相结构一、填空1）随着溶质浓度的增大，单相固溶体合金的强度，塑性，导电性，形成间隙固溶体时，固溶体的点阵常数。

2）影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是（1）；（2）；（3）；（4）和环境因素。

3）置换式固溶体的不均匀性主要表现为和。

4）按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分，固溶体可分为和。

5）无序固溶体转变为有序固溶体时，合金性能变化的一般规律是强度和硬度，塑性，导电性。

6）间隙固溶体是，间隙化合物是。

二、问答1、分析氢，氮，碳，硼在a-Fe 和g-Fe 中形成固溶体的类型，进入点阵中的位置和固溶度大小。

已知元素的原子半径如下：氢：0.046nm ，氮：0.071nm ，碳：0.077nm ，硼：0.091nm ，a-Fe ：0.124nm ，g-Fe ：0.126nm 。

金属铸锭组织

金属铸锭组织一、实验意义和目的金属的结晶，是形核和长大的过程，铸锭结晶后的组织，其晶粒大小决定于形核和长大速率，也就是取决于过冷度的大小和非自发形核的作用。

而晶粒的形状还与结晶过程中的散热条件有关。

柱状晶与粗大等轴晶区的发展程度与下列因素有关：（1）冷却速度。

冷却速度越大，则表面与中心的温差越大，柱状晶体越能向内发展，中心等轴晶区也就越小。

可以改变铸模的温度，使铸锭的组织发生变化。

导热性良好的铜模与导热性稍差的钢模、水冷金属模、空气冷却的金属模相比，相同材料的厚壁金属模与薄壁金属模相比，前者的柱状晶发展较显著。

而若采用预热砂模，则可能出现全部粗大的等轴晶。

（2）浇注条件。

提高浇注时的液体温度以及提高浇注速度，则促使柱状晶区发展。

因为在这样的浇注条件下，注入锭模的液体温度高，内外温度梯度大，促使柱状晶长大；柱状晶向内长大时，如果内部液体要结晶，其温度必须降低到熔点以下，才能产生等轴晶晶核，故要放出较多的热量，即需要更长时间，这样柱状晶就有充分时间向内生长而不受阻。

此外，由于内部液体温度高，即过热大，非自发形核的机会也就减少，这也是促使柱状晶发展的一个原因。

（3）凝固条件。

浇注时，把液体进行机械振动或用超声波振动，可以使柱状晶区大大减小。

当振动的频率足够大或体积不大，脆弱的树枝晶振碎，这些细的枝晶可作为晶核。

（4）外来杂质的影响。

浇注时，在液体中加入少量可以作为变质剂的元素、合金或化合物，从而促使非自发形核，使铸锭组织细化，这一过程称之为变质处理。

如在Al的熔液中加入细的Ti粉，结晶后使晶粒大大细化，这可能是由于Ti在Al中形成TiAl而促使非自发形核的缘故。

本实验目的是观察金属铸锭的3个晶区的形态，分析浇注条件（钢锭模的厚度、锭模的材料、锭模的温度、液体金属的过热度）对3个晶区的影响。

二、实验设备和材料1．金属坩埚；2．箱式加热炉及炉温控制仪表；3．纯铝块；4．厚壁金属模2个，壁厚10mm；薄壁金属模2个，壁厚5mm；砂模2个，壁厚70mm；5．铁夹钳2把；钢锯4把；台钳4部。

第8章铸件凝固组织的形成及控制

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铸件较厚或铸型导热性较差时：激冷 —— 只作用于铸件的表面层。等轴晶区的形成主要依靠晶粒游离。这时型冷却能力的影响是矛盾的： • 1）低蓄热系数铸型——延缓稳定凝固壳的形成 —— 利于激冷晶游离；内部温度梯度变小 — —凝固区加宽——利于增加等轴晶。 • 2）低蓄热系数铸型——减慢了熔体过热热量的散失 —— 不利于游离晶的残存 —— 减少等轴晶。通常前者为矛盾的主导因素。
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具体措施
• （一）向熔体加入强生核剂——孕育处理 • 控制金属和合金铸态组织的重要方法之一是控制形核。生产中主要采用孕育处理的方法，强化非均质形核。 • 孕育处理：向液态金属中添加生核剂，影响生核过程、增加晶核数，达到细化晶粒的目的，叫孕育处理。该生核剂也称孕育剂。 • （类似概念）变质处理：向金属液加入某些微量物质以影响晶体的生长机理，达到改变组织结构，提高机械性能的目的，该处理工艺称为变质处理。 • 孕育与变质的区别：孕育主要影响生核过程，增加晶核数实现细化晶粒；变质主要改变晶体的生长过程，通过变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌。
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二、铸件宏观凝固组织的形成机理
• （一）表面细晶区的形成早期理论：型壁附近大过冷 ——大量生核、迅速长大并相互接触。后期理论：非均质形核+游离晶粒晶核游离晶粒的产生：由于溶质再分配在生长的枝晶根部产生“缩颈”，在流动液态金属作用下枝晶熔断或型壁晶粒脱落而游离。（溶质偏析+流动有利）。
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• 3 、通过在液相中造成很大的微区富集而造成结晶相通过非均质形核而提前弥散析出的生核剂如，把硅加入铁液瞬时形成很多富硅区 — — 形成局部过共晶成分 —— 使石墨提前析出。而硅的脱氧产物 SiO2及某些微量元素形成的化合物可作为石墨析出的有效衬底而促进非均质生核。

晶体结晶过程观察及凝固条件对铸锭组织的影响材料科学基础实验

实验八晶体结晶过程观察及凝固条件对铸锭组织的影响（Observation of the crystallization process of crystalloid and the impact of solidificationconditions on ingot structure）实验学时：2 实验类型：操作前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的⒈观察盐类的结晶过程：⒉分析凝固条件对铸锭组织的影响。

二、概述盐和金属均为晶体。

由液态凝固形成晶体的过程叫结晶。

不论盐的结晶，金属的结晶以及金属在固态下的重结晶都遵循生核和长大的规律。

结晶的长大过程可以观察到，可是晶核的大小不能用肉眼看到，因为临界晶核的尺寸很小，而在试验中只能见到正在长大的晶粒，此刻已经不再是临界尺寸的晶核。

金属和盐类晶体最常见到的是树枝状晶体。

通过直接观察透明盐类（如氯化铵等）的结晶过程可以了解树枝状晶体（枝晶）的形成过程。

在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化铵溶液，观察它的结晶过程。

随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓，达到饱和，由于液滴边缘最薄，因此蒸发最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。

结晶的第一阶段是在最外层形成一圈细小的等轴晶体，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也是由外向里，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枝晶。

这是由于液滴的中心此时也变的较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的枝晶组织。

细小的等轴晶与粗大的柱状晶体液体中间部分的粗大等轴树枝晶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和组织很相似。

铸锭的表层为细等轴晶粒区，晶粒细小，组织致密，成分均匀。

当液态金属到入铸模以后，结晶首先从靠近模壁处开始。

凝固条件对铸锭结晶组织的影响

凝固条件对铸锭结晶组织的影响一、实验目的1、研究液态金属在不同材料的铸型中或在同一材料不同厚度的铸型中结晶后的铸锭组织；2、研究液态金属的浇铸温度和铸型温度对铸锭宏观组织的影响；3、初步掌握宏观分析的方法。

二、实验设备及材料1、设备：1）坩埚及控温仪表； 2）薄、厚壁金属模、砂模；3）砂轮机（或锉刀）等。

2、材料：纯铝三、实验内容与方法1、分小组铸出所给条件下的铸锭。

把纯铝放入石墨坩埚中，使其在电炉内熔化，液体铝的温度达到720℃（或820℃）时浇入冷金属模、冷砂模、热金属模（在箱式炉内预热300℃），这样一共分六组：①720℃铝液体浇入室温的金属薄壁模中；②720℃铝液体浇入室温的金属厚壁模中；③720℃铝液体浇入预热的金属厚壁模中；④720℃铝液体浇入冷砂模中；⑤720℃铝液体搅拌注入金属厚壁模中；⑥720℃铝液体加入0.5%变质剂（Al2O3）注入金属厚壁模中。

2、取出铸锭，用手锯将铸锭沿横断面锯开，并将锯开的铸锭制成宏观试样，其步骤如下：1）用280#、320#、400#金相砂纸将锉平的试样横断面磨光；2）用水将磨面冲洗干净，再用酒精脱水并吹干；3）用王水浸蚀3-5分钟（王水：盐酸3份，硝酸1份），之后用水冲洗，并吹干。

4）观察铝铸锭的晶粒大小，形状及分布情况，并注意观察缩孔、气泡，树枝状晶的特征。

四、实验报告的要求1、严格按实验报告单的要求经行书写，报告中要有实验名称、目的、设备；2、简述实验步骤；3、各组交换铸锭宏观试样的结果，绘出不同加热温度与冷却条件下铸锭宏观组织图，示意的表示各晶区的分布，晶粒的形状和大小；4、对实验结果经行分析。

5、试分析实验中出现的问题。

.1.室温金属薄壁摸2.室温金属厚壁模2.室温金属厚壁模3.预热金属厚壁模4.室温砂模 4.室温砂模5. 搅拌注入室温金属厚壁模6.室温金属厚壁模加入变质剂（AL2O3）。

第二章铸件的凝固

固溶体合金与纯金属,结晶潜热很小,不能得到明显的拐点.
曲线上的拐点
曲线上的平台
初期大
温度梯度不同
250mm的纯铝圆柱形铸件的温度场
共晶型合金铸件的典型温度场
Al－7.55%Si
Al-12.3%Si
2.2 铸件的温度场
2.2.4影响铸件温度场的因素
• 任一瞬间的温度场是由不同温度的等温面组成的。温度场任何点的温度沿等温面法线方向上的增加率成为该点的温度梯度： • t t gradt lim x 0 x • x • 因此，温度梯度是表示温度场沿单位长度上的温度变化速率，也是时间和空间的函数。温度梯度大，铸件的温度场陡峻，铸件的凝固速度大。
2.1
铸件与铸型的热交换特点
• 液态金属注入铸型以后，随即发生两个过程： • 一是液态金属的温度不断下降；二是铸型受热温度上升。 • 实践证明，铸型的内表面温度与其接近的铸件表面温度是不同的。这个现象说明，在铸件和铸型之间存在着一个中间层。该中间层可能是由于金属收缩使铸件各方向的尺寸缩小和铸型受热后发生膨胀形成的，可能是铸型表面的涂料层，也可能是间隙和涂料兼而有之的中间层。因此，铸件与铸型之间是一个“铸件—中间层—铸型”的不稳定热交换系统。 • 下面分析“铸件—中间层—铸型”不稳定热交换系统在一瞬间的热交换特点。 • 为了使问题简化，就假设铸件是无限大的板件，其厚度（X方向）为铸型所限，长和宽伸展到无穷远，即Y、Z方向无热流，并假设系统中各组元的温度场是按直线规律分布的。
（5）在砂型铸造中，由于砂型的导热能力很低，不能把热量由内表面迅速传至“后方”，使更厚的砂层参加蓄热，所以砂型内表面温度在浇注后立即达到很高温度，几乎接近铸件表面温度，并且在铸件凝固时期基本保持不变。当铸型厚度适当时，型壁外表面的温度接近周围介质的温度，向介质散热作用可以忽略不计，铸件在砂型中的凝固主要是靠铸型本身积蓄热量。因此，砂型的激冷能力很差，铸件断面的温度分布曲线自始至终都很平坦，温度梯度很小。 • （6）铸件在湿砂型中凝固时，由于砂型里有水分，铸型内表面的热量不仅由于正常的导热和辐射，同时也由于蒸汽的移动而转移。而且由于砂粒之间存在水分，使接触传热条件得到改善，提高了铸型的导热系数，也提高铸型的比热C。

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。