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
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。
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实验四浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响
一、实验目的
1. 研究金属注定的正常组织。
2. 讨论浇注和凝固条件对铸锭组织的影响。
3. 初步掌握宏观分析方法。
二、实验内容说明
金属铸锭（件）的组织一般分为三个区域：最外层的细等轴晶区，中间的柱状晶区和心部的粗等轴晶区。
最外层的细等轴晶区由于厚度太薄，对铸锭（件）的性能影响不大；铸锭中间柱状晶区和心部的粗等轴晶区在生产上有较重要的意义，因此认为地控制和改变这两个区域的相对厚度，使之有利于实际产品，有很大意义。
研究表明，铸锭（件）的组织（晶区的数目、相对厚度、晶粒形状的大小等）除与金属材料的性质有关外，还受浇注和凝固条件的影响。
因此当给定某种金属材料时，可借变更铸锭（件）的浇注凝固条件来改变三晶区的大小和晶粒的粗细，从而获得不同的性能。
本实验是通过对不同的锭模材料、模壁厚度、模壁温度、浇注温度及用变质处理和振动等方法浇注成的铝锭的宏观组织的观察，对铸锭（件）的组织形成和影响因素进行初步的探讨，并对金属研究中经常要采用的宏观分析方法进行一次初步的实践。
本实验用以观察的铸锭样品浇注和凝固条件如后表：
三、实验步骤
1. 教师介绍金属宏观分析方法，讲解各样品浇注和凝固条件。
2. 学员轮流观察各种样品，结合已知的浇注和凝固条件分析各样品宏观组织的形成过程。
3. 描述所观察到的各样品的宏观组织。
四、实验报告要求
1. 叙述浇注正常组织的形成过程。
2. 逐一描绘各试样的宏观组织图，分析浇注和凝固条件对铸锭（件）组织的影响。
3. 简述宏观分析方法。