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1、金属学与热处理2.2n n 物质由液态到固态的转变过程称为物质由液态到固态的转变过程称为物质由液态到固态的转变过程称为物质由液态到固态的转变过程称为凝固凝固凝固凝固。n n 如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶结晶结晶结晶。n n 纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度TnTn总比其熔点总比其熔点总比其熔点总比其熔点TmTm低，这种现低，这种现低，这种现低，这种现象叫做象叫做象叫做象叫做过冷过冷过冷过冷。n n T Tmm与与
2、与与T Tn n的差值的差值的差值的差值T T叫做叫做叫做叫做过冷度过冷度过冷度过冷度。n n形成临界晶核所需的能量形成临界晶核所需的能量形成临界晶核所需的能量形成临界晶核所需的能量 G G*称为称为称为称为临界形核功临界形核功临界形核功临界形核功。22 2、描述金属凝固的过程。、描述金属凝固的过程。、描述金属凝固的过程。、描述金属凝固的过程。n n 当液态金属冷却到熔点当液态金属冷却到熔点当液态金属冷却到熔点当液态金属冷却到熔点T Tmm以下的某一温度开始结晶时，以下的某一温度开始结晶时，以下的某一温度开始结晶时，以下的某一温度开始结晶时，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为在液体中首先
3、形成一些稳定的微小晶体，称为在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核晶核晶核晶核。随。随。随。随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组
4、织。全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。n n液态金属的结晶过程是由液态金属的结晶过程是由液态金属的结晶过程是由液态金属的结晶过程是由形核形核形核形核和和和和长大长大长大长大两个基本过程所组两个基本过程所组两个基本过程所组两个基本过程所组成，并且这两个过程是同时并进的。成，并且这两个过程是同时并进的。成，并且这两个过程是同时并进的。成，并且这两个过程是同时并进的。63 3、试述结晶的热力学条件、动力学条件、能量及、试述结晶的热力学条件、动力学条件、能量及、试述结晶的热力学条件、动力学条件、能量及、试述结晶的热力学条件、动力学条件、能量及结构条件。结构
5、条件。结构条件。结构条件。n n分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力分析结晶相变时系统自由能的变化可知，结晶的热力学条件为学条件为学条件为学条件为GG 0 0。只有过冷，才能使只有过冷，才能使只有过冷，才能使只有过冷，才能使GG 0 0。n n动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界动力学条件为液相的过冷度必须大于形核所需的临界过冷度。过冷度。过冷度。过冷度。n n由临界晶核形成功可知，当形成临界
6、晶核时，还有由临界晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有由临界晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有由临界晶核形成功可知，当形成临界晶核时，还有1/31/3的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。的表面能必须内液体中的能量起伏来提供。n n 液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，液体中存在的结构起伏，是结晶时产生晶核的基础，因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。因此，结构起
7、伏是结晶过程必须具备的结构条件。因此，结构起伏是结晶过程必须具备的结构条件。72.5 2.5 晶核长大晶核长大 液液-固界面上的原子迁移固界面上的原子迁移n n一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。一旦核心形成后，晶核就继续长大而形成晶粒。n n系统总自由能随晶体体积的增加而下降是系统总自由能随晶体体积的增加而下降是系统总自由能随晶体体积的增加而下降是系统总自由能随晶体体积的增加而下降是晶体长大的驱晶体长大的驱晶体长大的驱晶体长大的驱动力动力动力动力。晶体的长大过程可以看作是液相中原子向晶核表。晶体的长大过
8、程可以看作是液相中原子向晶核表。晶体的长大过程可以看作是液相中原子向晶核表。晶体的长大过程可以看作是液相中原子向晶核表面迁移、液面迁移、液面迁移、液面迁移、液-固界面向液相不断推进的过程。固界面向液相不断推进的过程。固界面向液相不断推进的过程。固界面向液相不断推进的过程。8n n晶体长大晶体长大晶体长大晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界固界固界固界面向液体中推移的过程。面向液体中推移的过程。面向液体中推移的过程。面向液体中推移的过程。n n动态过冷度动态过冷度动态过冷度动态过冷度：晶核长
9、大所需的界面过冷度。（远小于：晶核长大所需的界面过冷度。（远小于：晶核长大所需的界面过冷度。（远小于：晶核长大所需的界面过冷度。（远小于形核所需过冷度）形核所需过冷度）形核所需过冷度）形核所需过冷度）n n晶核长大条件晶核长大条件晶核长大条件晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构：动态过冷、合适的晶核表面结构：动态过冷、合适的晶核表面结构：动态过冷、合适的晶核表面结构Ti温度对晶核熔化和长大的影响温度对晶核熔化和长大的影响9n n固固固固-液界面液界面液界面液界面(Solid-liquidinterface)(Solid-liquidinterface)按微观结构可以分为按微观结构可以分为
10、按微观结构可以分为按微观结构可以分为光滑界面光滑界面光滑界面光滑界面(Smoothinterface)(Smoothinterface)和和和和粗糙界面粗糙界面粗糙界面粗糙界面(Rough(Roughinterface)interface)两种。两种。两种。两种。（1 1）液）液-固界面的微观结构固界面的微观结构光滑界面（光滑界面（a a）和粗糙界面（）和粗糙界面（b b）的微观结构示意图）的微观结构示意图10n n光滑界面光滑界面光滑界面光滑界面是指固相表面为基本完整的原子密排面，固是指固相表面为基本完整的原子密排面，固是指固相表面为基本完整的原子密排面，固是指固相表面为基本完整的原子密排面
11、，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的。但是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。观来看，界面呈锯齿状的折线。观来看，界面呈锯齿状的折线。观来看，界面呈锯齿状的折线。(a)微微观观(b)宏宏观观11n n粗糙界面粗糙界面粗糙界面粗糙界面在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚在微观上高低不平、粗糙，存在几个原子厚度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。度的过渡层。但是宏观上看，
12、界面反而是平直的。度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。度的过渡层。但是宏观上看，界面反而是平直的。n n光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光光滑界面和粗糙截面是根据微观结构进行分类的，光滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界滑界面在微观上是光滑的，在宏观上是粗糙的；粗糙界面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的
13、。面在微观上是粗糙的，在宏观上是光滑的。(a)微微观观(b)宏宏观观12n n假设界面上可能的原子位置数为假设界面上可能的原子位置数为假设界面上可能的原子位置数为假设界面上可能的原子位置数为N N，其中其中其中其中N NA A个位置为固相个位置为固相个位置为固相个位置为固相原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为原子所占据，那么界面上被固相原子占据的位置的比例为x=x=N NA A/N/N。n n如果如果如果如果x=50%x=50%，即界面上有即界面上有即界面上有即界面上有50%50%
14、的位置为固相原子所占据，的位置为固相原子所占据，的位置为固相原子所占据，的位置为固相原子所占据，这样的界面为粗糙界面；如果界面上有近于这样的界面为粗糙界面；如果界面上有近于这样的界面为粗糙界面；如果界面上有近于这样的界面为粗糙界面；如果界面上有近于0%0%或或或或100%100%的位的位的位的位置为固相原子所占据，这样的界面为光滑界面。置为固相原子所占据，这样的界面为光滑界面。置为固相原子所占据，这样的界面为光滑界面。置为固相原子所占据，这样的界面为光滑界面。n n界面的界面的界面的界面的平衡结构平衡结构平衡结构平衡结构应该是应该是应该是应该是界面能最低界面能最低界面能最低界面能最低的结构，在
15、光滑界面上的结构，在光滑界面上的结构，在光滑界面上的结构，在光滑界面上任意添加原子时，其界面自由能的变化任意添加原子时，其界面自由能的变化任意添加原子时，其界面自由能的变化任意添加原子时，其界面自由能的变化13不同不同值下值下GS(NkTm)与与x的关系的关系n n 2 2时，在时，在时，在时，在x x0 0.5 5处，界面能处，界面能处，界面能处，界面能具有极小值，这意味着界面上具有极小值，这意味着界面上具有极小值，这意味着界面上具有极小值，这意味着界面上约有一半的原子位置被固相原约有一半的原子位置被固相原约有一半的原子位置被固相原约有一半的原子位置被固相原子占据着，形成粗糙界面。子占据着，
16、形成粗糙界面。子占据着，形成粗糙界面。子占据着，形成粗糙界面。n n55时，在时，在时，在时，在x xl l和和和和x x0 0处，界处，界处，界处，界面能具有两个极小值，这表明面能具有两个极小值，这表明面能具有两个极小值，这表明面能具有两个极小值，这表明界面上绝大多数原子位置被固界面上绝大多数原子位置被固界面上绝大多数原子位置被固界面上绝大多数原子位置被固相原子占据或空着，为光滑界相原子占据或空着，为光滑界相原子占据或空着，为光滑界相原子占据或空着，为光滑界面。面。面。面。n n金属一般为粗糙界面，高分金属一般为粗糙界面，高分金属一般为粗糙界面，高分金属一般为粗糙界面，高分子往往为光滑界面。
17、子往往为光滑界面。子往往为光滑界面。子往往为光滑界面。14n n晶核长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长晶核长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长晶核长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长晶核长大机制是指在结晶过程晶体结晶面的生长方式，与其液方式，与其液方式，与其液方式，与其液-固相界面的结构有关。固相界面的结构有关。固相界面的结构有关。固相界面的结构有关。（2 2）晶核的长大机制）晶核的长大机制（1 1）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制（2 2）具有光滑界面的物质的长大机制）具有光滑界面的物质的长大机制）
18、具有光滑界面的物质的长大机制）具有光滑界面的物质的长大机制15（1 1）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制）具有粗糙界面的物质的长大机制n n具有粗糙界面的物质，液具有粗糙界面的物质，液具有粗糙界面的物质，液具有粗糙界面的物质，液-固相界面上有大约一半的固相界面上有大约一半的固相界面上有大约一半的固相界面上有大约一半的原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面原子位置是空的，液相中的原子可随机地添加在界面的空位置上而成为固相原子。晶体的这种生长方
19、式称的空位置上而成为固相原子。晶体的这种生长方式称的空位置上而成为固相原子。晶体的这种生长方式称的空位置上而成为固相原子。晶体的这种生长方式称为为为为垂直生长机制垂直生长机制垂直生长机制垂直生长机制，其长大速度很快。，其长大速度很快。，其长大速度很快。，其长大速度很快。晶体的垂直长大方式示意图晶体的垂直长大方式示意图16n n 二维晶核台阶生长模型二维晶核台阶生长模型二维晶核台阶生长模型二维晶核台阶生长模型（2 2）具有光滑界面的物质的长大机制）具有光滑界面的物质的长大机制）具有光滑界面的物质的长大机制）具有光滑界面的物质的长大机制二维晶核长大示意图二维晶核长大示意图17n n 晶体缺陷台晶体
20、缺陷台晶体缺陷台晶体缺陷台阶阶阶阶生生生生长长长长机制机制机制机制螺型位错长大机制螺型位错长大机制18螺旋长大的螺旋长大的SiC晶体晶体19纯纯纯纯金属凝固金属凝固金属凝固金属凝固时时时时晶体的生晶体的生晶体的生晶体的生长长长长形形形形态态态态取决于界面的微取决于界面的微取决于界面的微取决于界面的微观结观结观结观结构和界面前沿液相中的温度分布。构和界面前沿液相中的温度分布。构和界面前沿液相中的温度分布。构和界面前沿液相中的温度分布。两种温度分布方式两种温度分布方式(a)正温度梯度正温度梯度(b)负温度梯度负温度梯度（3 3）界面前沿的温度梯度）界面前沿的温度梯度20n n 正温度梯度正温度梯度
21、正温度梯度正温度梯度是指液是指液是指液是指液固界面前沿的液体温度随到固界面前沿的液体温度随到固界面前沿的液体温度随到固界面前沿的液体温度随到界面的距离的增加而升高，界面的距离的增加而升高，界面的距离的增加而升高，界面的距离的增加而升高，这时结这时结这时结这时结晶晶晶晶过过过过程的潜程的潜程的潜程的潜热热热热只只只只能通能通能通能通过过过过已凝固的固体向外散失。已凝固的固体向外散失。已凝固的固体向外散失。已凝固的固体向外散失。n n 负负负负温度梯度温度梯度温度梯度温度梯度是指液是指液是指液是指液固界面前沿的液体温度随到固界面前沿的液体温度随到固界面前沿的液体温度随到固界面前沿的液体温度随到界面
22、的距离的增加而降低，界面的距离的增加而降低，界面的距离的增加而降低，界面的距离的增加而降低，这时结这时结这时结这时结晶晶晶晶过过过过程的潜程的潜程的潜程的潜热热热热不不不不仅仅仅仅可通可通可通可通过过过过已凝固的固体向外散失，而且已凝固的固体向外散失，而且已凝固的固体向外散失，而且已凝固的固体向外散失，而且还还还还可向低温可向低温可向低温可向低温的液体中的液体中的液体中的液体中传递传递传递传递。21n n 粗糙界面：生长界面粗糙界面：生长界面粗糙界面：生长界面粗糙界面：生长界面以以以以垂直长大方式垂直长大方式垂直长大方式垂直长大方式推进。推进。推进。推进。由于前方液体温度高，由于前方液体温度高
23、，由于前方液体温度高，由于前方液体温度高，所以生长界面只能随前所以生长界面只能随前所以生长界面只能随前所以生长界面只能随前方液体的逐渐冷却而均方液体的逐渐冷却而均方液体的逐渐冷却而均方液体的逐渐冷却而均匀地向前推移。整个液匀地向前推移。整个液匀地向前推移。整个液匀地向前推移。整个液-固相界面保持稳定的平固相界面保持稳定的平固相界面保持稳定的平固相界面保持稳定的平面状态，不产生明显的面状态，不产生明显的面状态，不产生明显的面状态，不产生明显的突起。突起。突起。突起。（1 1）在正的温度梯度下）在正的温度梯度下）在正的温度梯度下）在正的温度梯度下22n n 光滑界面：光滑界面：光滑界面：光滑界面：
24、生生生生长长长长界面以界面以界面以界面以小平面台小平面台小平面台小平面台阶阶阶阶生生生生长长长长方式方式方式方式推推推推进进进进。小平面台小平面台小平面台小平面台阶阶阶阶的的的的扩扩扩扩展同展同展同展同样样样样不不不不能伸入到前方温度高于能伸入到前方温度高于能伸入到前方温度高于能伸入到前方温度高于T Tmm的液体中去，因此，从的液体中去，因此，从的液体中去，因此，从的液体中去，因此，从宏宏宏宏观观观观来看液来看液来看液来看液-固相界面似固相界面似固相界面似固相界面似与与与与T Tmm等温等温等温等温线线线线平行，但小平行，但小平行，但小平行，但小平面与平面与平面与平面与T Tmm等温等温等温等
25、温线线线线呈一定呈一定呈一定呈一定角度角度角度角度。23n n在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为在正的温度梯度下，晶体的这种生长方式称为平平平平面状生长面状生长面状生长面状生长。晶体生长方向与散热方向相反，生长速。晶体生长方向与散热方向相反，生长速。晶体生长方向与散热方向相反，生长速。晶体生长方向与散热方向相反，生长速度取决于固相的散热速度。度取决于固相的散热速度。度取决于固相的散热速度。度取决于固相的散热速度。24n n晶体生晶体生晶体生晶体生长长长长界面一旦出界面一旦出界面一旦出界面一旦出现现现现局部凸出
26、生局部凸出生局部凸出生局部凸出生长长长长，由于前方液，由于前方液，由于前方液，由于前方液体具有更大的体具有更大的体具有更大的体具有更大的过过过过冷度而使其生冷度而使其生冷度而使其生冷度而使其生长长长长速度增加。在速度增加。在速度增加。在速度增加。在这这这这种情种情种情种情况下，生况下，生况下，生况下，生长长长长界面就不可能界面就不可能界面就不可能界面就不可能继续继续继续继续保持平面状而会形成保持平面状而会形成保持平面状而会形成保持平面状而会形成许许许许多伸向液体的多伸向液体的多伸向液体的多伸向液体的结结结结晶晶晶晶轴轴轴轴。（2 2）在）在）在）在负负负负的温度梯度下的温度梯度下的温度梯度下的
27、温度梯度下n n晶体的晶体的晶体的晶体的这这这这种生种生种生种生长长长长方式称方式称方式称方式称为为为为树树树树枝状生枝状生枝状生枝状生长长长长。在。在。在。在树树树树枝晶生枝晶生枝晶生枝晶生长时长时长时长时，伸展的晶伸展的晶伸展的晶伸展的晶轴轴轴轴具有一定的晶体取向以降低界面能。具有一定的晶体取向以降低界面能。具有一定的晶体取向以降低界面能。具有一定的晶体取向以降低界面能。25n n 在晶在晶在晶在晶轴轴轴轴上又会上又会上又会上又会发发发发展出二次晶展出二次晶展出二次晶展出二次晶轴轴轴轴、三次晶、三次晶、三次晶、三次晶轴轴轴轴等等。等等。等等。等等。n n 在负的温度梯度下，对于在负的温度梯
28、度下，对于在负的温度梯度下，对于在负的温度梯度下，对于粗糙界面结构粗糙界面结构粗糙界面结构粗糙界面结构的金属晶体，的金属晶体，的金属晶体，的金属晶体，明显以树枝状方式生长。对于明显以树枝状方式生长。对于明显以树枝状方式生长。对于明显以树枝状方式生长。对于光滑界面结构光滑界面结构光滑界面结构光滑界面结构的晶体，仍的晶体，仍的晶体，仍的晶体，仍以平面生长方式为主。以平面生长方式为主。以平面生长方式为主。以平面生长方式为主。26树枝状长大的晶粒示意图树枝状长大的晶粒示意图27树枝状晶体形貌树枝状晶体形貌 Ni-Ta-Mn-Cr合金的树枝状界合金的树枝状界 28（6 6）晶粒大小的控制）晶粒大小的控制
29、29n n细细细细化晶粒的好化晶粒的好化晶粒的好化晶粒的好处处处处：提高：提高：提高：提高强强强强度、硬度、塑性和度、硬度、塑性和度、硬度、塑性和度、硬度、塑性和韧韧韧韧性。性。性。性。n n工工工工业业业业上将通上将通上将通上将通过细过细过细过细化晶粒来提高材料化晶粒来提高材料化晶粒来提高材料化晶粒来提高材料强强强强度的方法称度的方法称度的方法称度的方法称为为为为细细细细晶晶晶晶强强强强化化化化。n n细细细细化化化化铸铸铸铸件晶粒的基本途径：形成足件晶粒的基本途径：形成足件晶粒的基本途径：形成足件晶粒的基本途径：形成足够够够够多的多的多的多的晶核晶核晶核晶核，使，使，使，使它它它它们们们们
30、在尚未在尚未在尚未在尚未显显显显著著著著长长长长大大大大时时时时便相互接触，完成便相互接触，完成便相互接触，完成便相互接触，完成结结结结晶晶晶晶过过过过程。程。程。程。n n大的形核率以保大的形核率以保大的形核率以保大的形核率以保证单证单证单证单位位位位时间时间时间时间、单单单单位体位体位体位体积积积积液体中形成液体中形成液体中形成液体中形成更多的晶核。要求更多的晶核。要求更多的晶核。要求更多的晶核。要求结结结结晶晶晶晶时时时时有有有有小的小的小的小的长长长长大大大大线线线线速度速度速度速度以保以保以保以保证证证证有有有有更更更更长长长长的形核的形核的形核的形核时间时间时间时间。细化金属铸件晶
31、粒的一些方法细化金属铸件晶粒的一些方法30n n过过过过冷度增加，形核率冷度增加，形核率冷度增加，形核率冷度增加，形核率N N与与与与长长长长大大大大线线线线速度速度速度速度GG均增加，但形均增加，但形均增加，但形均增加，但形核率增加速度高于核率增加速度高于核率增加速度高于核率增加速度高于长长长长大大大大线线线线速度增加的速度，因此，增速度增加的速度，因此，增速度增加的速度，因此，增速度增加的速度，因此，增加加加加过过过过冷度可以使冷度可以使冷度可以使冷度可以使铸铸铸铸件的晶粒件的晶粒件的晶粒件的晶粒细细细细化。化。化。化。n n在工在工在工在工业业业业上增加上增加上增加上增加过过过过冷度是通
32、冷度是通冷度是通冷度是通过过过过提高冷却速度来提高冷却速度来提高冷却速度来提高冷却速度来实现实现实现实现的。的。的。的。n n采用采用采用采用导热导热导热导热性好的金属模代替砂模；在模外加性好的金属模代替砂模；在模外加性好的金属模代替砂模；在模外加性好的金属模代替砂模；在模外加强强强强制冷制冷制冷制冷却；在砂模里加冷却；在砂模里加冷却；在砂模里加冷却；在砂模里加冷铁铁铁铁以及采用低温慢速以及采用低温慢速以及采用低温慢速以及采用低温慢速浇铸浇铸浇铸浇铸等都是有等都是有等都是有等都是有效的方法。效的方法。效的方法。效的方法。n n对对对对于厚重的于厚重的于厚重的于厚重的铸铸铸铸件，很件，很件，很件
33、，很难获难获难获难获得大的冷速，得大的冷速，得大的冷速，得大的冷速，这这这这种方法的种方法的种方法的种方法的应应应应用受到用受到用受到用受到铸铸铸铸件尺寸的限制。件尺寸的限制。件尺寸的限制。件尺寸的限制。（1 1）提高）提高）提高）提高过过过过冷度冷度冷度冷度31n n外来外来外来外来杂质杂质杂质杂质能增加金属的形核率并阻碍晶核的生能增加金属的形核率并阻碍晶核的生能增加金属的形核率并阻碍晶核的生能增加金属的形核率并阻碍晶核的生长长长长。n n如果在如果在如果在如果在浇浇浇浇注前向液注前向液注前向液注前向液态态态态金属中加入某些金属中加入某些金属中加入某些金属中加入某些难难难难熔的熔的熔的熔的团
34、团团团体体体体颗颗颗颗粒，会粒，会粒，会粒，会显显显显著地增加晶核数量，使晶粒著地增加晶核数量，使晶粒著地增加晶核数量，使晶粒著地增加晶核数量，使晶粒细细细细化。化。化。化。这这这这种方种方种方种方法称法称法称法称为为为为变质处变质处变质处变质处理理理理，加入的，加入的，加入的，加入的难难难难熔熔熔熔杂质杂质杂质杂质叫叫叫叫变质剂变质剂变质剂变质剂。n n变质处变质处变质处变质处理是目前工理是目前工理是目前工理是目前工业业业业生生生生产产产产中广泛中广泛中广泛中广泛应应应应用的方法。用的方法。用的方法。用的方法。n n如往如往如往如往铝铝铝铝和和和和铝铝铝铝合金中加入合金中加入合金中加入合金中
35、加入锆锆锆锆和和和和钛钛钛钛；往；往；往；往钢钢钢钢液中加入液中加入液中加入液中加入钛钛钛钛、锆锆锆锆、钒钒钒钒；往；往；往；往铸铁铁铸铁铁铸铁铁铸铁铁水中加入水中加入水中加入水中加入SiCaSiCa合金都能达到合金都能达到合金都能达到合金都能达到细细细细化晶粒的目的。化晶粒的目的。化晶粒的目的。化晶粒的目的。（2 2）变质处变质处变质处变质处理理理理32Al-Mg合金变质处理前后的对照合金变质处理前后的对照33n n 在在在在浇浇浇浇注和注和注和注和结结结结晶晶晶晶过过过过程中程中程中程中实实实实施施施施搅搅搅搅拌和振拌和振拌和振拌和振动动动动，也可以达，也可以达，也可以达，也可以达到到到到
36、细细细细化晶粒的目的。化晶粒的目的。化晶粒的目的。化晶粒的目的。n n 搅搅搅搅拌和振拌和振拌和振拌和振动动动动能向液体中能向液体中能向液体中能向液体中输输输输入入入入额额额额外能量以提供形核外能量以提供形核外能量以提供形核外能量以提供形核功，促功，促功，促功，促进进进进晶核形成；晶核形成；晶核形成；晶核形成；n n 可使可使可使可使结结结结晶的枝晶碎化，增加晶核数量。晶的枝晶碎化，增加晶核数量。晶的枝晶碎化，增加晶核数量。晶的枝晶碎化，增加晶核数量。n n 搅搅搅搅拌和振拌和振拌和振拌和振动动动动的方法有机械、的方法有机械、的方法有机械、的方法有机械、电电电电磁、超声波法等。磁、超声波法等。
37、磁、超声波法等。磁、超声波法等。（3 3）振）振）振）振动动动动、搅搅搅搅拌拌拌拌342.6 2.6 合金铸件的组织与缺陷合金铸件的组织与缺陷（1 1）铸件的宏观组织）铸件的宏观组织35n n 细晶区细晶区细晶区细晶区(激冷区激冷区激冷区激冷区)：温度较低的模壁使与之接触的温度较低的模壁使与之接触的温度较低的模壁使与之接触的温度较低的模壁使与之接触的液体会产生强烈的过冷而形成的。当模壁被加热以液体会产生强烈的过冷而形成的。当模壁被加热以液体会产生强烈的过冷而形成的。当模壁被加热以液体会产生强烈的过冷而形成的。当模壁被加热以后，这些晶体在湍流熔液的影响下，有很多从模壁后，这些晶体在湍流熔液的影响
38、下，有很多从模壁后，这些晶体在湍流熔液的影响下，有很多从模壁后，这些晶体在湍流熔液的影响下，有很多从模壁上脱离下来。它们可能留下来或大部分重新熔化，上脱离下来。它们可能留下来或大部分重新熔化，上脱离下来。它们可能留下来或大部分重新熔化，上脱离下来。它们可能留下来或大部分重新熔化，只有那些仍然靠近模壁的晶粒成长而形成细晶区。只有那些仍然靠近模壁的晶粒成长而形成细晶区。只有那些仍然靠近模壁的晶粒成长而形成细晶区。只有那些仍然靠近模壁的晶粒成长而形成细晶区。n n 柱状晶区：柱状晶区：柱状晶区：柱状晶区：细晶区前沿不易形核，随着液相温度细晶区前沿不易形核，随着液相温度细晶区前沿不易形核，随着液相温度
39、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而形成柱状逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长而形成柱状逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长而形成柱状逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长而形成柱状晶。它们也可能是树枝晶，并且有择尤取向（铸造晶。它们也可能是树枝晶，并且有择尤取向（铸造晶。它们也可能是树枝晶，并且有择尤取向（铸造晶。它们也可能是树枝晶，并且有择尤取向（铸造织构）。柱状晶区的厚度主要由等轴晶区的出现早织构）。柱状晶区的厚度主要由等轴晶区的出现早织构）。柱状晶区的厚度主要由等轴晶区的出现早织构）。柱状晶区的厚度主要由等轴晶区的出现早晚所控制。晚所控制。晚所控制。晚所控制。
40、36n n等轴晶区：等轴晶区：等轴晶区：等轴晶区：开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶的开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶的开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶的开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶的熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随熔液对流漂熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随熔液对流漂熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随熔液对流漂熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随熔液对流漂移到铸锭中心部分，如果中心部分熔液有过冷，则这移到铸锭中心部分，如果中心部分熔液有过冷，则这移到铸锭中心部分，如果中心部分熔液有过冷，则这移到铸锭中心部分，如果中心部分熔液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。游
41、些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。游些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。游些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。游离细晶越易形成，以后的中心等轴晶区越大。离细晶越易形成，以后的中心等轴晶区越大。离细晶越易形成，以后的中心等轴晶区越大。离细晶越易形成，以后的中心等轴晶区越大。游离晶体的形成过程游离晶体的形成过程游离晶体的形成过程游离晶体的形成过程：有两个来源：一是从最早激冷：有两个来源：一是从最早激冷：有两个来源：一是从最早激冷：有两个来源：一是从最早激冷过程的模臂游离出来；另一是从成长的枝晶有利出来过程的模臂游离出来；另一是从成长的枝晶有利出来过程的模臂游离出来；另一是
42、从成长的枝晶有利出来过程的模臂游离出来；另一是从成长的枝晶有利出来的。的。的。的。37铝锭子组织铝锭子组织铝锭子组织铝锭子组织 1.51.51.51.5铝板铸造组织（下图加变质剂）铝板铸造组织（下图加变质剂）铝板铸造组织（下图加变质剂）铝板铸造组织（下图加变质剂）钢锭纵截面组织钢锭纵截面组织钢锭纵截面组织钢锭纵截面组织 10%10%10%10%硝酸水溶液侵蚀硝酸水溶液侵蚀硝酸水溶液侵蚀硝酸水溶液侵蚀4 4 4 43 3 3 3/4 4 4 438两个连铸薄件（两个连铸薄件（两个连铸薄件（两个连铸薄件（34343434吋吋吋吋）组织）组织）组织）组织 左侧的铸件金属流是由中心注入；右侧铸件金属左
43、侧的铸件金属流是由中心注入；右侧铸件金属左侧的铸件金属流是由中心注入；右侧铸件金属左侧的铸件金属流是由中心注入；右侧铸件金属流从边上注入。流从边上注入。流从边上注入。流从边上注入。液态金属流冲刷凝固金属壳，增加树枝晶的枝晶液态金属流冲刷凝固金属壳，增加树枝晶的枝晶液态金属流冲刷凝固金属壳，增加树枝晶的枝晶液态金属流冲刷凝固金属壳，增加树枝晶的枝晶熔断和折断，成为晶核，使晶粒细化。熔断和折断，成为晶核，使晶粒细化。熔断和折断，成为晶核，使晶粒细化。熔断和折断，成为晶核，使晶粒细化。39铝合金铸棒（直径铝合金铸棒（直径铝合金铸棒（直径铝合金铸棒（直径6 6 6 6吋吋吋吋）的横截面组织）的横截面组
44、织）的横截面组织）的横截面组织 右侧的铸棒是加入了晶粒细化剂（变质剂），右侧的铸棒是加入了晶粒细化剂（变质剂），右侧的铸棒是加入了晶粒细化剂（变质剂），右侧的铸棒是加入了晶粒细化剂（变质剂），全部都是细的等轴晶粒。全部都是细的等轴晶粒。全部都是细的等轴晶粒。全部都是细的等轴晶粒。40 纯铜（直径纯铜（直径纯铜（直径纯铜（直径4 4 4 4吋吋吋吋）铸锭的横）铸锭的横）铸锭的横）铸锭的横截面（上）及纵截面（下）的截面（上）及纵截面（下）的截面（上）及纵截面（下）的截面（上）及纵截面（下）的铸造组织铸造组织铸造组织铸造组织 0.60.60.60.6 因为它在凝固时，树枝不因为它在凝固时，树枝不因为
45、它在凝固时，树枝不因为它在凝固时，树枝不分枝，很难有熔断（或冲断）分枝，很难有熔断（或冲断）分枝，很难有熔断（或冲断）分枝，很难有熔断（或冲断）的枝晶以供后来形成等轴晶的的枝晶以供后来形成等轴晶的的枝晶以供后来形成等轴晶的的枝晶以供后来形成等轴晶的晶核，所以全部是柱状晶。晶核，所以全部是柱状晶。晶核，所以全部是柱状晶。晶核，所以全部是柱状晶。铜合金（直径铜合金（直径铜合金（直径铜合金（直径8 8 8 8吋吋吋吋）铸锭的横）铸锭的横）铸锭的横）铸锭的横截面（上）及纵截面（下）截面（上）及纵截面（下）截面（上）及纵截面（下）截面（上）及纵截面（下）的铸造组织的铸造组织的铸造组织的铸造组织 0.30
46、.30.30.341 决定铸锭性能的最重要因素是柱状晶区和中心等轴决定铸锭性能的最重要因素是柱状晶区和中心等轴决定铸锭性能的最重要因素是柱状晶区和中心等轴决定铸锭性能的最重要因素是柱状晶区和中心等轴晶区的相对宽度、中心等轴晶区晶粒的大小等。晶区的相对宽度、中心等轴晶区晶粒的大小等。晶区的相对宽度、中心等轴晶区晶粒的大小等。晶区的相对宽度、中心等轴晶区晶粒的大小等。细晶区通常只有几个晶粒厚，其作用有限。细晶区通常只有几个晶粒厚，其作用有限。细晶区通常只有几个晶粒厚，其作用有限。细晶区通常只有几个晶粒厚，其作用有限。柱状晶区中常有择尤取向（织构），在平行的柱状晶柱状晶区中常有择尤取向（织构），在平
47、行的柱状晶柱状晶区中常有择尤取向（织构），在平行的柱状晶柱状晶区中常有择尤取向（织构），在平行的柱状晶接触面及柱状晶粒界面常常聚集杂质、非金属夹杂物和接触面及柱状晶粒界面常常聚集杂质、非金属夹杂物和接触面及柱状晶粒界面常常聚集杂质、非金属夹杂物和接触面及柱状晶粒界面常常聚集杂质、非金属夹杂物和气泡等，是铸锭的脆弱结合面，铸锭热加工时很容易沿气泡等，是铸锭的脆弱结合面，铸锭热加工时很容易沿气泡等，是铸锭的脆弱结合面，铸锭热加工时很容易沿气泡等，是铸锭的脆弱结合面，铸锭热加工时很容易沿这些面断裂。但柱状晶区组织较为致密。这些面断裂。但柱状晶区组织较为致密。这些面断裂。但柱状晶区组织较为致密。这些面
48、断裂。但柱状晶区组织较为致密。等轴晶没有择尤取向，没有脆弱的界面，性能是各向等轴晶没有择尤取向，没有脆弱的界面，性能是各向等轴晶没有择尤取向，没有脆弱的界面，性能是各向等轴晶没有择尤取向，没有脆弱的界面，性能是各向同性，含有较多的气孔和疏松。加载时裂纹不易生长。同性，含有较多的气孔和疏松。加载时裂纹不易生长。同性，含有较多的气孔和疏松。加载时裂纹不易生长。同性，含有较多的气孔和疏松。加载时裂纹不易生长。（2 2）铸锭组织的控制）铸锭组织的控制42 根据中心等轴晶区形成的原理，等轴晶形成的根据中心等轴晶区形成的原理，等轴晶形成的根据中心等轴晶区形成的原理，等轴晶形成的根据中心等轴晶区形成的原理，
49、等轴晶形成的条件可为归纳为以下几个方面：条件可为归纳为以下几个方面：条件可为归纳为以下几个方面：条件可为归纳为以下几个方面：低的浇注温度低的浇注温度低的浇注温度低的浇注温度：有利于保存游离晶体，防止它们：有利于保存游离晶体，防止它们：有利于保存游离晶体，防止它们：有利于保存游离晶体，防止它们重新熔化。重新熔化。重新熔化。重新熔化。大的液固线间距大的液固线间距大的液固线间距大的液固线间距：在同样的温度梯度下，一次枝：在同样的温度梯度下，一次枝：在同样的温度梯度下，一次枝：在同样的温度梯度下，一次枝晶比较长，这样就有利于细弱的颈状二次枝晶的形晶比较长，这样就有利于细弱的颈状二次枝晶的形晶比较长，这
50、样就有利于细弱的颈状二次枝晶的形晶比较长，这样就有利于细弱的颈状二次枝晶的形成。成。成。成。铸模的冷却能力铸模的冷却能力铸模的冷却能力铸模的冷却能力：金属模的冷却能力大，难以造：金属模的冷却能力大，难以造：金属模的冷却能力大，难以造：金属模的冷却能力大，难以造成成成成“颈颈颈颈”状晶粒从模壁游离和形成颈状二次枝晶的状晶粒从模壁游离和形成颈状二次枝晶的状晶粒从模壁游离和形成颈状二次枝晶的状晶粒从模壁游离和形成颈状二次枝晶的条件，故不易形成等轴晶晶核。条件，故不易形成等轴晶晶核。条件，故不易形成等轴晶晶核。条件，故不易形成等轴晶晶核。43 对液体金属施加搅拌和振动，可帮助枝晶的熔断、对液体金属施加