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。

2 实验结果2.1纯铝注定观察1号样品组织大部分是等轴晶区；2号样品组织大部分是等轴晶区；3号样品组织大部分是柱状晶区；4号样品是标准样品，它的组织图既有中心等轴晶区，又有柱状晶区；5号样品组织大部分是等轴晶区。

纯金属的成分是固定的，都为纯铝，从模壁材料、浇铸温度、模壁厚度、模子温度四方面分析。

1号样品与标准样品比较，其模壁材料为砂，相对于钢的导热性能较差，因此1号铸锭在冷却中的冷却速率较慢，不易造成浇铸熔体中大的温度梯度，整体冷却均匀，从而形成粗大等轴晶。

因此模壁材料的选取对铸锭等轴晶的形成有影响。

2号样品与标准样品比较，模子温度为500℃，相对于铝的浇铸温度680℃相差不大，因此存在的温度梯度较小，冷却速率较慢，从而存在大量的等轴晶和少量的柱状晶。

因此高的模壁温度有助于形成等轴晶。

3号样品与标准样品比较，浇铸温度为780℃，比标准的浇铸温度高100℃，在铸模中会有大的温度梯度，从而有大量柱状晶，因此高的浇铸温度容易形成柱状晶区。

5号样品与标准样品比较，模壁厚度为3mm，比标准的模壁厚度小7mm，冷却速率较快，整体冷却均匀，从而存在大量等轴晶，因此薄的模壁有利于等轴晶的形成。

a b图 1 a 25%Ni+75%Cu 铸造金相图100倍b 25%Ni+75%Cu 退火金相图100倍Figure 1 (a) 25%Ni+75%Cu cast metallographic 100x (b) 25%Ni+75%Cu annealing metallographic 100x样品1-a 25%Ni+75%Cu铸造，从图1-a知其金相组织为树枝状，存在枝晶，由于在冷却过程中冷却速度较快，溶质分子来不及扩散，从而得到枝晶。

图中黑色枝晶含Cu较多，可以认为是Cu相。

由于Ni的熔点较高，因此当温度降低时Ni先析出。

样品1-b 25%Ni+75%Cu 退火，从图1-b知其金相组织中出现大的多边形晶粒，有Cu存在于晶粒中。

退火的冷却速度下降的较慢，因此溶质原子扩散的均匀，从而其组织比较均匀。

图2 （a ）70%Pb + 30%Sn 金相图 100倍（b ）38.1%Pb + 61.9%Sn 金相图 100倍（c ）20%Pb + 80%Sn金相图 100倍Figure 2 (a)70%Pb + 30%Sn metallographic 100x (b)38.1%Pb + 61.9%Sn metallographic 100x (c)20%Pb +80%Sn metallographic 100x样品2-a70%Pb + 30%Sn ，分析知其成分处于三相点左侧，在冷却过程中首先出现液相和α相，温度降到共晶线以下，出现α+β相，从图2-a 知金相组织中黑色枝晶相为α相，白色相中存在α+β相，可以通过测量金相组织中黑白部分面积比来确定共晶时α和β相的比例。

样品2-b38.1%Pb + 61.9%Sn ，分析知其成分正好为三相点，因此随着温度的降低，液相在三相线对应的温度下直接析出共晶（α+β），而没有单独的α或β相析出。

图 3铅锡相图Figure 3 Lead-Tin phase diagram从图3中计算共晶时Pb 与Sn 的相对含量：Pb 相对含量=97。

9−61997。

9−19。

5×100%=45.9%Sn 相对含量=1-45.9%=54.1%a b c样品2-c20%Pb + 80%Sn ，分析知其成分在三相点右侧，因此随着温度的降低，首先析出的是β相，温度降到共晶线以下，出现α+β相，从图2-c 知，存在白色的枝晶，枝晶为β相，黑色区域为α+β相。

图 4 （a ）80%Sn + 20%Sb 金相图 100倍（b ） 35%Sn + 65%Sb 金相图 100倍Figure 4 (a) 80%Sn + 20%Sb metallographic 100x (b) 35%Sn + 65%Sb metallographic 100x样品3-a80%Sn + 20%Sb ，当温度降低时，液态中先结 晶析出固相β，继续降温时，先结晶析出的β相与液相反应生成新相α，但由于铸造生产时，冷却比较快的条件下，凝固的组织中常常看到先结晶的固相β被包晶反应形成的新相α包围而共存。

另外，α相中的小白点是从α相中析出的β相。

图4-a 中黑色基体为包晶反应形成的α相，其中也包含快速冷却时包晶反应后剩余液体直接形成的α相。

样品3-b35%Sn + 65%Sb ，当温度降低时，先析出Sb 相，随后液相和析出的Sb 相发生包晶反应形成Sn 相，金相组织中白色部分为Sb 。

图 5（a ）51%Bi + 32%Pb + 17%Sn 金相图 100倍（b ） 58%Bi + 16%Pb + 26%Sn 金相图 100倍（c ）65%Bi + 10%Pb + 25%Sn 金相图 100倍Figure5 (a) 51%Bi + 32%Pb + 17%Sn metallographic 100x (b)58%Bi + 16%Pb + 26%Sn metallographic 100x(c)65%Bi + 10%Pb + 25%Sn metallographic 100x样品4-a51%Bi + 32%Pb + 17%Sn ，当温度降低时，三相同时析出。

样品4-b58%Bi + 16%Pb + 26%Sn,当温度降低时，先生成二元共晶组织，后生成三元共晶组织。

样品4-c65%Bi + 10%Pb + 25%Sn,当温度降低时，先析出Bi 相，然后生成二元共晶组织，最后生成三元共晶组织。

3 分析讨论ba ab c纯金属铸锭三晶区形成因素：表层细晶区是当高温的金属液体倒入铸型或铸锭模之后，结晶首先从模壁处开始，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，并向液相生长，当模壁被加热以后，这些晶体在湍流熔液的影响下，有很多从模壁上脱离下来。

如果温度较低，铸锭尺寸不很大，整个液体很快全部冷却到熔点以下，因此各处都能形核，造成全部细晶粒的组织。

柱状晶区由垂直于型壁或模壁的粗大的柱状晶构成。

激冷层形成后，热阻增大，热流减小，细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已经生成的晶体向液体内生长。

但由于晶粒生长速率是各向异性的，那些生长速率最快的方向与热流方向一致的晶粒会超出其他晶粒而优先长大，而其他晶粒就会被抑制，这样就形成了柱状晶区。

中心等轴晶区：在柱状晶的长大过程中，铸锭中心部分的液体中就已经存在大量的可作为晶核的碎枝残片，随着柱状晶的长大，结晶前沿液体中的成分过冷区也会逐渐扩大，这会促使铸锭中心部分迅速形核和长大。

除此之外，悬浮在中心部分液体中的杂质质点，也可成为新的结晶核心。

在柱状晶长到一定程度后，在铸锭中心部分就开始了形核长大过程，由于中心部分液体温度大致是均匀的。

所以每个晶粒的成长在各方向上也是接近一致的，因此形成了等轴晶。

获得柱状晶组织的条件：浇铸温度比熔化温度高，液体金属过热，采用传热性好的铸模。

获得等轴晶组织的条件：浇铸温度比熔化温度稍高，液体金属过热不大，采用传热差的铸模，液体金属中有难溶杂质。

获得细晶组织的条件：浇铸温度高，环境温度较低，铸模的传热性好。

二元合金相图有二元匀晶相图、二元共晶相图、二元包晶相图和具有共析反应的二元相图，共晶相图以70%Pb + 30%Sn为例，从相图上判断该成分处于亚共晶区，冷却时先析出Pb相，达到共晶点时，析出Pb+Sn相，先析出相为树枝状，后析出的共晶相与先析出相近似互补，有片层状，枝状。

包晶相图以80%Sn + 20%Sb为例，其包晶组织结构为近似规则的多边形。

枝晶偏析指合金在树枝状凝固时，枝晶干中心和外部的溶质浓度不同，而产生的树枝状结晶现象。

冷却速度较快会产生枝晶偏析。

枝晶偏析可以通过扩散退火来减轻或者消除。

相图对应的就是溶液在液态和固态下转变的描述，结合相图能够给出凝固的各个过程，相图是在给定条件下体系中各项之间建立平衡后热力学变量轨迹的几何表达，相图表示的是平衡态。

而凝固时研究液体在凝固过程中的状态。

Metallography是金相学。

4 结论本实验对比纯铝铸锭三晶区的形成原因及特点，经过5组样品的对比，分析出各个条件对晶区形成的影响，得出结论：散热较慢的铸模材料、薄的模壁厚度、高的铸模温度、不太高的浇铸温度有利于形成等轴晶区，散热性好，厚的模壁，不太高的铸模温度，搞得浇铸温度有利于形成柱状晶区。