课题4 金属材料的凝固与组织
《材料科学基础》教案 第四部分 纯金属的凝固
1 第四部分 纯金属的凝固一、教学目的及要求：通过本章学习，使学生们掌握结晶的基本过程、结晶的热力学条件、形核及长大规律、凝固理论的应用。
二、主要内容：1. 纯金属的凝固过程；2. 结晶的热力学条件；3. 形核及长大的规律；4. 凝固理论的应用。
三、学时安排： 6 学时（详细安排见教学日历）四、教学重点：结晶的基本过程、热力学条件、凝固理论的应用。
五、教学难点：1. 结晶的热力学条件；2. 形核及长大的规律。
六、教学过程：(见讲稿)七、思考题：1. 液态金属结构与固态金属结构有何区别，试述小体积液态纯金属结晶过程。
2. 什么叫临界晶核？它的物理意义及与过冷度的定量关系如何？3. 比较过冷度、临界过冷度与动态过冷度的区别。
4. 形核为什么需要形核功？均匀形核与非均匀形核形核功有何差别？八、作业：1. 若液态金属中形成一球形晶核，试证明临界晶核形成功△G c 与临界晶核体积V c 的关系为△G c =－V c G V 21。
2. 分析纯金属生长形态与温度梯度的关系。
3. 细化铸件晶粒的途径有那些？为什么？4. 液态金属结晶时需要过冷，那么固态金属熔化时是否会出现过热？△G c九、教学参考书：1．《金属的凝固》 胡汉起 冶金工业出版社 1985年2．《金属学》 胡庚祥主编 上海科技出版社 1980年 3《金属学教程》卢光熙主编 机械工业出版社 1985年4．《金属学原理》 李 超主编 哈工大出版社 1996年5．《材料科学基础》 马泗春主编 陕西科学技术出版社 1998年6．《材料科学基础》石德珂主编 西安交大出版社 1995年。
《汽车工程材料》教案(15,16)-铁碳合金相图
主要教学步骤和教学内容★课程回顾：（5min）匀晶相图、共晶相图的结晶过程分析及形成的相与组织★课程导入：（5min）1、钢与铸铁性能有何不同，为什么？2、钢为什么要加热（烧红）再锻打？（提出问题，学生思考并回答）★新课讲授：（70min）铁碳合金相图钢铁材料是工业生产和日常生活中应用最广泛的金属材料，主要组元是铁和碳，故称铁碳合金。
实际上是Fe和Fe3C两个基本组元组成的Fe－Fe3C相图。
一、纯铁的同素异构转变自然界中有许多元素具有同素异构现象，即同一种元素在不同条件下具有不同的晶体结构。
当温度等外界条件变化时，晶格类型会发生转变，称为同素异构转变。
二、铁碳合金的基本组织及其性能（提出思考问题：为什么fcc比bcc可溶入更多间隙原子？）三、铁碳合金相图铁碳合金相图是人类经过长期生产实践以及大量科学实验后总结出来的，是研究钢和铸铁的基础，也是选择材料、制定热加工、热处理工艺的主要依据。
铁和碳可以形成一系列化合物，考虑到工业上的实用价值，目前常用ωc＜6.69%的铁碳合金。
在相图的左上角靠近δ-Fe部分还有一部分高温转变，由于实用意义不大，所以在一般的研究中，常将此部分省略简化。
1.特性点2．主要特性线各不同成分的合金中具有相同意义的临界点的连接线称为特性线。
简化的Fe- Fe3C 相图中各特性线的符号、位置和意义如下。
（1）AC线：液体向奥氏体转变的开始线。
冷却至该线时，液体中开始结晶出固相奥氏体，即：L→A。
（2）CD线液体向渗碳体转变的开始线。
冷却至该线时，液体中开始结晶出渗碳体，称为一次渗碳体。
即：L→Fe3CⅠ。
ACD线统称为液相线，在此线之上合金全部处于液相状态，用符号L表示。
（3）AE线液体向奥氏体转变的终了线。
ωc＜2.11%的液态铁碳合金冷却至此线，全部转变为单相奥氏体组织。
（4）ECF水平线共晶线。
ωc=4.3%~6.69%的液态铁碳合金冷却至此线时，将在恒温（1148℃）发生共晶转变，形成高温莱氏体。
金属凝固原理与缺陷组织分析综合实验
金属凝固原理与缺陷组织分析综合实验金属凝固原理与缺陷组织分析是材料科学和工程领域的重要实验之一。
这个综合实验通常包括以下内容：
1.金属凝固原理实验：通过熔融金属的凝固过程，研究金属在冷却过程中晶体生长、晶界形态和晶粒尺寸等方面的变化。
可以采用光学显微镜观察金属样品的凝固结构，记录和分析凝固时产生的晶体相、晶粒形貌和晶界特征。
2.缺陷组织分析实验：通过对金属样品的金相显微镜观察及图像分析，探索金属内部的缺陷组织，包括晶粒边界、位错、夹杂物等。
这些缺陷会对材料的力学性能、耐蚀性、断裂行为等产生影响。
根据金属的类型和研究目的，可能还需要使用扫描电子显微镜（SEM）等设备进行更详细的观察和分析。
此外，实验中可能还包括取样准备、试样切割、研磨、腐蚀处理等前处理步骤，以及金属结构的定量分析和数据处理。
请注意，具体的实验内容和操作步骤会因不同的实验室、课程或研究项目而有所不同。
《金属的凝固特点》课件
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
金属材料的凝固
自 然 之 美
结 晶
------
3.1.1 纯金属的结晶现象
(1)纯金属结晶的宏观现象 采用图3-1热分析装置，将熔化的金属缓慢冷却，并
将冷却过程中的温度和时间记录下来，就得到温度─时 间关系曲线即冷却曲线。
3.1.1 纯金属的结晶现象
从冷却曲线可见，纯金属的实际结晶温度(Tn)低于理 论结晶温度(Tm),即结晶过程是在存在ΔT(ΔT=Tm-Tn)的条 件下进行的。这种实际温度低于理论结晶温度的现象称 为过冷。
(2)纯金属结晶的微观现象
在液态金属中,存在着大量尺寸不同的短程有序原子 集团,这种原子集团就是晶胚,它们是不稳定的。当液态 金属过冷到一定温度,具备一定条件时,大于一定尺寸的 原子集团开始变得稳定,而成为结晶核心,又称为晶核。
f = c – p + 1 对于二元合金凝固 c ＝ 2，p ＝ 2时，
此时,相图的横坐标表示成分,纵坐标表示温度。 横坐标两端点分别代表两个纯组元。
二元相图的成分有两种表示方法，分别是质量分 数(w )和摩尔分数(x)。
3.2.2 相图的建立与杠杆定律
(2)相图的建立
计算法 方法
实验法
热分析法 金相分析法 硬度法 X射线分析法 膨胀法 电阻法
步骤（以热分析法为例）
热分析法原理： 相变 —— 热容变化 —— 测冷却曲线出现拐点
，r
2L
Gv
2 LTm
LmT
G
16
2 L
3Gv 2
2
3cos
)
由上式可以确定，非均匀形核时的临界晶核尺寸与均
匀形核临界晶核尺寸相同，而非均匀形核的形核功与接
金属凝固原理范文
金属凝固原理范文金属凝固原理是指金属在从液态到固态转化的过程中所涉及的物理和化学现象。
金属凝固是一个复杂的过程，涉及到热力学、动力学和结构变化等方面的原理。
本文将分析金属凝固原理的基础知识，包括热力学、结构和晶体生长等方面的内容。
在金属凝固的过程中，热力学是至关重要的因素之一、根据热力学原理，金属凝固时会释放出热量，这是因为金属离子在凝固的同时释放出能量。
这种能量释放可以通过热力学公式来计算，其中包括凝固焓和凝固熵等参数。
液态金属在凝固过程中会出现结构变化，最常见的是由无序结构转变为有序的晶体结构。
晶体结构特征是金属凝固过程中的一个重要因素。
晶体结构的类型取决于金属原子的尺寸、电子构型和化学键的性质等因素。
例如，铜的晶体结构是面心立方结构，而铁的晶体结构是体心立方结构。
晶体生长是金属凝固过程中的另一个重要因素。
晶体生长是指在凝固过程中液态金属原子逐渐形成有序的晶体结构。
晶体生长可以分为两个阶段：核形成和晶格生长。
在核形成阶段，金属原子将逐渐聚集在一起，形成原子团簇。
当这些团簇达到一定大小时，它们就可以进一步生长，形成完整的晶体结构。
晶体生长的速度取决于多种因素，包括温度、压力和金属的化学成分等。
一般来说，晶体生长速度随着温度的升高而增加，因为高温有助于原子的扩散和聚集。
此外，压力对晶体生长速度也有影响，高压环境可以抑制晶体生长，而低压环境则有助于晶体生长。
除了热力学、晶体结构和晶体生长等方面的因素外，金属凝固还涉及到动力学过程。
动力学是指凝固过程中有关反应速率和能量转移的研究。
在金属凝固中，动力学过程包括原子之间的碰撞、扩散和团簇的生长等。
总之，金属凝固原理涉及到多个方面的知识，包括热力学、结构和晶体生长等。
了解这些原理可以帮助我们更好地理解金属凝固的过程，并为相关工业和科学研究提供指导。
金属学--第3章：金属及合金的凝固与组织
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，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。
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。
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课题4 金属材料的凝固与组织课题引入首先请大家思考以下几个问题：➢铸造时，金属是如何由液态变为固态的？如何获得性能较好的固态金属？➢铁是不是在任何温度下都有磁性呢？➢纯铁、钢、铸铁为什么有不同的力学性能？其主要区别在于什么？➢为什么钢制零件一般用锻造成形而铸铁零件用铸造成形？➢如何对钢的显微组织进行检测与分析？课题说明工业用钢和铸铁都属于铁碳合金，但工业用钢和铸铁的性能差别较大，而各类不同钢种由于其合金成分不同，特别是含碳量的多少直接决定了铁碳合金的组织、性能和用途。
从某种意义上讲，铁碳合金相图是研究铁碳合金的，是研究碳钢和铸铁成分、温度、组织和性能之间关系的理论基础，也是制定各种热加工的依据。
本项目主要学习金属和合金的结晶过程及组织变化、二元合金相图、铁碳合金相图及铁碳合金成分、组织和性能的关系。
课题目标✧了解金属的结晶过程及晶粒度对材料性能的影响；✧掌握二元合金相图的基本类型和意义。
✧熟悉Fe-Fe3C相图，理解相图各点、线、区域的意义。
✧掌握Fe-Fe3C相图中关键点的成分与温度值。
✧掌握典型铁碳合金平衡态结晶过程中相和组织的变化。
✧能熟练分析典型铁碳合金平衡态结晶后的室温组织与性能的关系。
4.1纯金属的结晶金属材料冶炼后，浇注到锭模或铸模中，通过冷却，液态金属转变为固态金属，获得一定形状的铸锭或铸件。
金属材料在正常条件下通常是以结晶的形式凝固的，即金属由液态变为固态是一个从不完整、无规则排列的原子群向原子规则排列的晶体的转变过程。
4.1.1纯金属结晶的条件由于液体和晶体的结构不同，同一物质的液体和晶体在不同温度下的自由能变化是不同的，如图图4-1所示。
根据热力学第二定律可以证明，在等温等容条件下，一切自发变化过程都是朝着自由能降低的方向进行。
在温度T0时，液体和晶体自由能相等，二者处于平衡状态，所以T0就是理论结晶温度（也是理论熔点）。
但实际结晶时的温度T1要低于T0，这时固态自由能低于液态，这时结晶可以自发进行。
反之，实际熔化温度T要高于T0，这1时候液态自由能低于固态。
图4-1液体、晶体自由能随温度变化曲线图4-2纯金属结晶时的冷却曲线纯金属的实际结晶过程可用冷却曲线来描述。
冷却曲线是温度随时间而变化的曲线，将液态金属放在坩埚中并以极其缓慢的速度进行冷却，在冷却过程中观察记录温度T随时间t的变化数据，并绘制成曲线图，如图4-2所示，开始时，液态金属的温度随时间而降低，冷却至实际结晶温度T1时冷却曲线上出现了一个平台，即在一定时间内，温度保持恒定不变。
这是因为在T1开始结晶，并释放出结晶潜热，补偿了此时向环境散发的热量，使温度保持恒定，结晶完成后，温度继续下降。
实际结晶温度T1与平衡结晶温度T0的差值△T称为过冷度。
其大小与冷却速度、金属性质和纯度有关，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度就越低。
实践证明，液体金属的结晶总是在过冷的情况下才能进行。
所以，过冷度是金属结晶的必要条件。
4.1.2纯金属结晶的规律科学实践证明，结晶是晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变大（晶核长大）的过程。
如图4-3所示。
1、晶核形成的方式当液态金属的温度下降到接近T0时，某些局部区域会有一些原子规则地排列起来，形成原子小集团，这些小集团很不稳定，遇到热流和振动就会立即消失，时聚时散，此起彼伏。
当低于理论结晶温度时，部分小集团有了较好的稳定性，将进一步长大成为结晶核心，称为晶核。
根据结晶条件的不同，可将形核方式分为自发形核和非自发形核。
（1）自发形核将很纯净的液体金属快速冷却，在足够大的过冷条件下，液体会不断产生许多类似晶体中原子排列的小集团，形成结晶核心，这种只依靠液体本身在一定过冷条件下形成晶核叫做自发形核。
图4-3纯金属结晶过程示意图（2）非自发形核实际金属液体中常常会存在一些杂质或异类质点，结晶时它们优先成为结晶核心，这种依附于杂质表面而形成晶核的过程称为非自发形核，也称异质形核。
非自发形核在生产中所起的作用更为重要。
2．晶体的生长方式晶核形成之后，会不断吸收周围液体中的金属原子逐渐长大。
开始时，因其内部原子规则排列的特点，外形比较规则，但由于晶核长大需要不断散热，所以在散热条件比较优越的棱边和顶角处就会优先长大，如图4-4所示。
其生长方式像树枝一样，先长出枝干，再长出分枝，最后把枝间填满，得到树枝状的晶体，简称树枝晶。
a) 示意图 b)显微镜观测图图4-4 树枝晶体4.1.3金属结晶后的晶粒大小实际金属结晶后，获得由许多晶粒组成的多晶体组织。
在多晶体中，晶粒的大小对其力学性能影响很大。
表4-1列出了晶粒大小对纯铁力学性能的影响。
表4-1 晶粒大小对纯铁力学性能的影响 晶粒平均直径d/m μb σ/MPa s σ/MPa δ（%） 70184 34 30.6 25216 45 39.5 2.0268 58 48.8 1.6 270 66 50.7的效果，材料晶粒越细小，晶界越多，位错移动就更困难，所以强度越高。
同时，晶粒越细小，在一定体积内的晶粒数目多，塑性变形能更加均匀地分布到各个晶粒，不容易因应力集中而断裂，在断裂之前能承受较大的变形量，所以材料的塑性、韧性也更好。
为了测定或比较钢的实际晶粒大小，可将试样在金相显微镜下放大100倍，把显微镜下看到的晶粒与标准晶粒号(图4-5比较以确定其等级。
晶粒号分8级，数字越大，晶粒越细，其中1～4为粗晶粒，5～8为细晶粒。
图4-5 标准晶粒号示意图 实际生产中，为了细化晶粒，提高金属材料的力学性能，常可采用下述方法：1． 增加过冷度金属结晶后晶粒大小取决于形核率和长大率，形核率越大，长大率越小，则晶粒就越细。
实践证明，金属结晶时，形核率和长大率的值都是随过冷度△T 的增加而增大，但形核率增长比长大率要快得多，所以增大过冷度△T 能使结晶后的晶粒越细小。
虽然增大过冷度能细化晶粒，但对于铸锭或大铸件，由于散热慢，要获得较大的过冷度很困难，而且过大的冷却速度往往导致铸件的应力过大而开裂。
因此，生产中还采用其它方法细化晶粒。
2．变质处理为了获得细晶粒组织，浇注前向液态金属中加入少量难熔质点（变质剂），结晶时这些质点将在液体中形成大量非自发晶核，使晶粒数目大增加，从而达到晶粒细化的目的，这种处理称为变质处理。
变质处理在冶金和铸造生产中应用十分广泛，如钢中加入铝、钛、钒、硼等；铸铁中加入硅钙等；铸造铝硅合金中加入钠盐等。
3．振动和搅拌在金属结晶时，对液态金属进行附加振动或搅拌，可以使粗大的树枝晶破碎，破碎后的细小晶体成为新的晶核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
4.1.4铸锭的组织及其控制金属的凝固总是在一定的容器中进行，容器的形状、散热条件等将影响金属材料铸造后的组织形态。
对于铸锭来说，它的组织包括晶粒大小、形状、取向、元素和杂质分布以及铸锭中的缺陷等。
铸锭的组织对后续加工和使用性能都有很大影响。
1．铸锭的组织由于凝固时表面和心部的结晶条件不同，铸锭的宏观组织是不均匀的，通常由表层细晶区，柱状晶区和心部等轴晶区三个晶区组成，如图4-6所示。
图4-6 铸锭组织示意图（1）表层细晶区：当高温的液体金属被浇注到铸型中时，液体金属首先与铸型的模壁接触，一般来说，铸型的温度较低，产生很大的过冷度，形成大量晶核。
再加上模壁的非均匀形核作用，在铸锭表层形成一层厚度较薄、晶粒很细的等轴晶区。
（2）状晶区：表层细晶区形成后，由于液态金属的加热及凝固时结晶潜热的放出，使模壁的温度逐渐升高，冷却速度下降，结晶前沿过冷度减小，难于形成新的结晶核心，结晶只能通过已有晶体的继续生长来进行。
由于散热方向垂直于模壁，因而晶体沿着与散热相反的方向择优生长而形成柱状晶区。
（3）中心等轴晶区：当柱状晶长大到一定程度，由于冷却速度进一步下降及结晶潜热的不断放出，使结晶前沿的温度梯度消失，导致柱状晶的长大停止。
当心部液体全部冷至实际结晶温度以下时，以杂质和被冲下的晶枝碎块为结晶核心均匀长大，形成粗大的等轴晶区。
一般的铸锭都是作为坯料，还要进行轧制等各种加工，柱状晶由于方向性过于明显，而且晶粒之间往往结合较弱，轧制是容易在柱状晶处开裂，因此要尽量减少或避免形成明显的柱状晶区。
根据柱状晶区的形成与温度梯度的方向性有直接的关系的特点，要减少柱状晶区，需从破坏稳定的温度梯度及柱状晶的稳定生长入手，如降低浇注温度、降低模具的散热条件、增加液体流动或震动以及变质处理等手段。
2．铸锭的缺陷铸锭的缺陷包括缩孔、疏松、气孔和偏析等。
（1）缩孔和疏松：大多数金属凝固时体积要收缩，如果没有足够的液体补充，便会形成孔隙。
如果孔隙集中在凝固的最后部位，则称为缩孔。
缩孔可以通过合理设计浇注工艺，预留出补缩的液体（如加冒口）等方法控制，一旦铸锭中出现缩孔则应切除掉。
如果孔隙分散地分布于枝晶间，则称为疏松，可以通过压力铸造的等方法予以消除。
（2）气孔：金属在液态下比在固态下溶解气体多。
液态金属凝固时，如果所析出的气体来不及逸出，就会保留在铸锭内部，形成气孔。
内表面未被氧化的气孔在热锻或热轧时可以焊合，如发生氧化，则必须去除。
（3）偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。
铸锭在结晶时，由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，或由于结晶出的固相与液相的比重相差较大，使固相上浮或下沉，从而造成铸锭宏观上的成分不均匀，称为宏观偏析。
适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。
4.2合金的相结构纯金属一般具有较好的导电性、导热性、塑性和金属光泽，在人类生活及生产中有着比较广泛的应用。
但纯金属种类有限，提炼困难，成本较高，且力学性能较差，无法满足人们对材料多品种和高性能的要求。
在长期的实践和研究过程中，人们发现把不同的金属元素或金属元素与非金属元素配制在一起，能够组成许多不同成分的新物质，即合金。
合金的出现不仅满足了对金属材料多品种的要求，而且可获得所需的力学性能和特殊的电、磁、化学等方面性能。
4.2.1合金的基本概念1．合金合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特征的物质。
例如，普通黄铜是由铜与锌组成的合金，钢和铸铁是由碳与铁组成的合金。
由于组成合金的各元素比例可以在一定范围内调节，从而使合金的性能随之发生一系列变化，满足了工业生产中各类机械零件的不同性能要求。
2、组元组成合金的基本的物质叫组元。
组元大多数是元素，如铁碳合金的主要组元是铁和碳，有时也可将稳定的化合物作为组元，如Fe3C等。
由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金等。
3、相及相相变相是指在金属或合金中成分相同成分、结构相同、性质相同，并与其它部分有明显界面分开的均匀组成部分。
若合金是由成分、结构都相同的同一种晶粒构成的，则各晶粒虽有界面分开，却属于同一种相；若合金是由成分、结构互不相同的几种晶粒构成，它们将属于不同的几种相。