純金屬的結(jié)晶課件

純金屬的結(jié)晶

凝固!結(jié)晶!一般金屬制品是如何制得的?熔煉—澆鑄(鑄件和鑄錠);液態(tài)-固態(tài)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。金屬及合金的結(jié)晶組織對其性能以及隨后的加工有很大的影響，而結(jié)晶組織的形成與結(jié)晶過程密切相關(guān)。對于鑄錠，影響軋制和鍛壓工藝性能!使用性能！因此,研究和控制金屬的結(jié)晶成為提高金屬力學(xué)性能和工藝性能的重要手段。對于鑄件和焊件來說,結(jié)晶過程基本上決定了材料的使用性能和壽命。第一節(jié)金屬結(jié)晶的現(xiàn)象一、結(jié)晶過程的宏觀現(xiàn)象結(jié)晶過程非常復(fù)雜:由宏觀到微觀,由表象到抽象第一節(jié)金屬結(jié)晶的現(xiàn)象（一）過冷現(xiàn)象理論結(jié)晶溫度：純金屬液體在無限緩慢冷卻條件下結(jié)晶的溫度。

過冷現(xiàn)象：實際的結(jié)晶過程冷速都很快，液態(tài)金屬在理論結(jié)晶溫度以下開始結(jié)晶的現(xiàn)象。

過冷度

T：理論結(jié)晶溫度與實際結(jié)晶溫度的差值。

T=T0–T1

第一節(jié)金屬結(jié)晶的現(xiàn)象過冷度隨金屬的本性、純度以及冷卻速度的差異而不同。金屬不同，過冷度的大小不同；金屬純度越高，過冷度越大；冷卻速度越大，過冷度越大，實際結(jié)晶溫度越低。金屬總是在一定的過冷度下結(jié)晶，過冷是結(jié)晶的必要條件。對于一定的金屬來說，過冷度有一最小值，若過冷度小于此值，結(jié)晶過程就不能進(jìn)行。影響過冷度的因素第一節(jié)金屬結(jié)晶的現(xiàn)象為什么冷卻曲線上會出現(xiàn)一平臺？（二）結(jié)晶潛熱

金屬結(jié)晶時從液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嘁懦鰺崃?，稱為結(jié)晶潛熱。由于結(jié)晶潛熱的釋放，補(bǔ)償了散失到周圍環(huán)境的熱量，使溫度并不隨冷卻時間的延長而下降，所以在冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺。結(jié)晶結(jié)束，沒有結(jié)晶潛熱補(bǔ)償散失的熱量，溫度又重新下降。第一節(jié)金屬結(jié)晶的現(xiàn)象二、金屬結(jié)晶的微觀過程結(jié)晶過程就是形核和長大的過程！液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶第一節(jié)金屬結(jié)晶的現(xiàn)象形核長大形成多晶體兩個過程重疊交織第二節(jié)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件熱力學(xué)第二定律：在等溫等壓條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這說明，只有引起體系自由能降低的過程才能自發(fā)進(jìn)行。液態(tài)金屬必須在一定的過冷條件下才能結(jié)晶，這是由熱力學(xué)條件決定的。結(jié)晶能否發(fā)生，要看液相和固相自由能的高低。如果固相的自由能比液相的自由能低，那么液相將自發(fā)地轉(zhuǎn)化為固相，使系統(tǒng)的自由能降低，處于更為穩(wěn)定的狀態(tài)，即發(fā)生結(jié)晶。液相金屬和固相金屬的自由能之差，就是促進(jìn)轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力。狀態(tài)的吉布斯自由能:G=H-TS(1)G=U+pV-TS(2)G的全微分:dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT(3)由熱力學(xué)第一定律:dU=TdS-pdV(4)(4)帶入(3):dG=Vdp-SdT(5)dp=0,所以

dG=－SdT(6)

第二節(jié)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件溫度升高，原子活動能力提高，因而原子排列的混亂程度增加，即熵值增加，系統(tǒng)的自由能隨溫度的升高而降低。且液態(tài)金屬自由能隨溫度降低的趨勢大于固態(tài)金屬。液、固兩相的自由能隨溫度而變化的曲線斜率不同，則兩線必然在某一溫度交，此時液相和固相的自由能相等，意謂著兩相可以同時共存，既不熔化也不結(jié)晶，處于動平衡狀態(tài)。交點對應(yīng)的溫度就是理論結(jié)晶溫度T0。高于T0溫度時，液態(tài)金屬比固態(tài)金屬的自由能低，金屬處于液態(tài)才是穩(wěn)定的；低于T0溫度時，金屬處于固態(tài)才穩(wěn)定。因此，液態(tài)金屬要結(jié)晶，就必須處于T0溫度以下，金屬必須過冷，使液態(tài)和固態(tài)之間存在一個自由能差。這個自由能差就是促進(jìn)液體結(jié)晶的驅(qū)動力。液、固兩相自由能的差值越大，則相變驅(qū)動力越大，結(jié)晶速度也越快。第二節(jié)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件液固相的自由能差,就是轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力:

Gv單位體積自由能變化;Gs固態(tài)金屬自由能;GL

液態(tài)金屬自由能.

Gv=HS-TSS-(HL-TSL)=HS-HL-T(SS-SL)=-(HL-HS)-TΔSHL-HS=ΔHf

熔化潛熱,ΔHf＞0Gv=－ΔHf－

TS當(dāng)T=Tm

時,Gv=0,ΔS=－ΔHf/Tm當(dāng)T<Tm

時,Gv=－ΔHfT/TmTm

理論結(jié)晶溫度.過冷度

T

越大,相變驅(qū)動力越大.第二節(jié)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件第三節(jié)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)起伏(相起伏)

金屬的結(jié)晶是晶核的形成和長大的過程，晶核的形成是有條件的。在固態(tài)金屬晶體中，大范圍內(nèi)的原子是呈有序排列的，稱之為長程有序。在液態(tài)金屬中，原子做不規(guī)則運(yùn)動，在大范圍內(nèi)原子是無序分布的，但是在小范圍內(nèi)，存在著許多類似于晶體中原子有規(guī)則排列的小原子集團(tuán)，稱之為短程有序。

金屬氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的原子排列示意圖第三節(jié)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件在理論結(jié)晶溫度以上，這些短程有序的原子集團(tuán)是不穩(wěn)定的，瞬時出現(xiàn)，瞬時消失，此起彼伏。這種不斷變化著的短程有序原子集團(tuán)稱為結(jié)構(gòu)起伏，或稱為相起伏。第三節(jié)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件相起伏特點：

(1)瞬時出現(xiàn)，瞬時消失，此起彼伏;

瞬時1瞬時2第三節(jié)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件（2）相起伏或大或小，不同尺寸相起伏出現(xiàn)的幾率不同，過大或過小的相起伏出現(xiàn)幾率均小;第三節(jié)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件

(3)過冷度越大，最大相起伏尺寸越大。只有在過冷液體中出現(xiàn)的尺寸較大的相起伏，才有可能在結(jié)晶時轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?，因此這些尺寸較大的相起伏被稱為晶胚。液體中存在足夠大的穩(wěn)定晶坯即“晶核”※所有的晶胚都可以轉(zhuǎn)化為晶核嗎？第三節(jié)金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件晶胚晶核能量起伏相起伏第四節(jié)晶核的形成

形核方式有兩種：一種是均勻形核；另一種是非均勻形核。均勻形核非均勻形核是指完全依靠液態(tài)金屬中的晶胚形核的過程，液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率都是相同的。理想情況！是指晶胚依附于液態(tài)金屬中的固態(tài)雜質(zhì)表面形核的過程。工程實際中材料的凝固主要以非均勻形核方式進(jìn)行！但均勻形核的基本規(guī)律十分重要，它不僅是研究晶體材料凝固問題的理論基礎(chǔ)，而且也是研究固態(tài)相變的基礎(chǔ)。第四節(jié)晶核的形成一、均勻形核(一)形核時的能量變化

G和臨界晶核半徑rK在過冷的液態(tài)金屬中，晶胚形成的同時，體系自由能的變化包括轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的那部分體積引起的自由能下降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。V:晶胚的體積;S:表面積;GV：液固兩相單位體積自由能差;σ:單位面積的表面能.結(jié)晶的驅(qū)動力結(jié)晶的阻力假設(shè)晶胚為球體，半徑為r，則：

T:過冷度;Tm理論結(jié)晶溫度;ΔHf熔化潛熱.當(dāng)r<rK時,隨晶胚尺寸增大,自由能增加,晶胚瞬間消失,不能變成晶核.當(dāng)r>rK時,隨晶胚尺寸增大,自由能降低,晶胚比較容易形成晶核.當(dāng)r=rK時,晶胚可能消失,也可能長大形成晶核.第四節(jié)晶核的形成第四節(jié)晶核的形成過冷度

T越大,臨界形核半徑rK越小.TK：臨界過冷度當(dāng)

T<TK時,rmax<rK,晶胚不可能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?。?dāng)

T>TK時,rmax>rK,無論尺寸大小的晶胚均可成為晶核，結(jié)晶過程易于進(jìn)行.因而，液態(tài)金屬能否結(jié)晶，很重要的一點是看晶胚的尺寸是否達(dá)到了臨界晶核半徑的要求。要求液體的過冷度達(dá)到或超過臨界過冷度。第四節(jié)晶核的形成形核功:形成臨界晶核時,體積自由能的下降只補(bǔ)償了表面能的2/3,還有1/3的表面能需要另外供給,既需要對形核作功,這部分功叫….(二)形核功第四節(jié)晶核的形成能量起伏:在一定溫度下,系統(tǒng)有一定的自由能,這是指宏觀平均能量.但是在微區(qū)各處的能量此起彼伏,變化不定.微區(qū)能量偏離平衡能量的現(xiàn)象,叫…

臨界形核功相當(dāng)于表面能的1/3，這意味著固、液之間自由能差只能供給形成臨界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏來補(bǔ)足。晶核形成=過冷液體中的相起伏+能量起伏形核功與過冷度的關(guān)系:

臨界形核功與過冷度的平方成反比,過冷度增大,臨界形核功顯著降低,結(jié)晶過程容易進(jìn)行.第四節(jié)晶核的形成第四節(jié)晶核的形成(三)形核率形核率是指單位時間內(nèi)單位體積液體中形成晶核的數(shù)量。用N＝N1*N2表示。受形核功影響形核率因子受原子擴(kuò)散能力影響的形核率因子第四節(jié)晶核的形成當(dāng)ΔT

不大時，形核率主要受形核功因子控制，ΔT

增大，形核率增大，在ΔT非常大時，形核率主要受擴(kuò)散因子的控制，隨ΔT

增加，形核率降低。第四節(jié)晶核的形成急冷非晶態(tài)材料純金屬凝固的形核率與過冷度的關(guān)系第四節(jié)晶核的形成二、非均勻形核(異質(zhì)形核或非自發(fā)形核)(一)臨界晶核半徑和形核功三種張力在交點平衡:晶核與液體的接觸面積:晶核與基底的接觸面積:晶核的體積:第四節(jié)晶核的形成體系自由能變化:臨界晶核半徑:第四節(jié)晶核的形成形核功:

=0,GK’=0.不需要形核功,液體中的固體相質(zhì)點就是現(xiàn)成的晶核,可以在上面直接結(jié)晶長大.=180o,GK’=GK.均勻形核與非均勻形核所需要的能量起伏相同.0<<180o,GK’<GK.越小,非均勻形核越容易,需要的過冷度也越小.(二)形核率1.過冷度的影響2.固體雜質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響3.固體雜質(zhì)形貌的影響4.過熱度的影響5.其他因素的影響第四節(jié)晶核的形成小結(jié):金屬形核的要點液態(tài)金屬的結(jié)晶必須在過冷的液體中進(jìn)行,液態(tài)金屬的過冷度必須大于臨界過冷度,晶胚尺寸必須大于臨界晶核半徑rK.前者提供形核的驅(qū)動力,后者是形核的熱力學(xué)要求.2.rK值大小與晶核的表面能成正比,與過冷度成反比。過冷度越大，則rK值越小，形核率越大，但是形核率有一個極大值。如果表面能越大，形核所需要的過冷度也應(yīng)越大，因此，能夠降低表面能的辦法都能夠促進(jìn)形核。均勻形核需要結(jié)構(gòu)起伏，也需要能量起伏，二者都是液體本身存在的自然現(xiàn)象。晶核的形成過程是原子的擴(kuò)散遷移過程，因此結(jié)晶必須在一定的溫度下進(jìn)行。在工業(yè)生產(chǎn)中，液體金屬的凝固總是以非均勻形核的方式進(jìn)行的。

第四節(jié)晶核的形成當(dāng)液態(tài)金屬中出現(xiàn)第一批晶核后，金屬的結(jié)晶過程就開始了。新晶核不斷產(chǎn)生，對每一個晶粒來說，晶核出現(xiàn)后，馬上就進(jìn)入長大階段。第五節(jié)晶核長大宏觀過程晶體的界面向液體的推進(jìn)微觀過程原子從液相中擴(kuò)散到晶體表面1)原子擴(kuò)散——較高溫度;2)晶體表面接納原子——表面結(jié)構(gòu)3)應(yīng)符合熱力學(xué)條件——過冷晶體長大的條件:決定晶體長大方式和速度的主要因素是界面結(jié)構(gòu)和固液界面前沿液體中的溫度梯度第五節(jié)晶核長大一、固液界面的微觀結(jié)構(gòu)(一)光滑界面：顯微尺寸看粗糙，原子尺寸看光滑平整。(二)粗糙界面：顯微尺寸看平整，原子尺寸看界面高低不平。第五節(jié)晶核長大假設(shè)界面上可能的原子位置數(shù)為N，其中NA個位置為固相原子所占據(jù)，那么界面上被固相原子占據(jù)的位置的比例為x=NA/N。如果x=50%，即界面上有50%的位置為固相原子所占據(jù)，這樣的截面為粗糙界面；如果界面上有近于0%或100%的位置為固相原子所占據(jù)，這樣的截面為光滑界面。界面的平衡結(jié)構(gòu)應(yīng)該是界面能最低的結(jié)構(gòu)，在光滑界面上任意添加原子時，其界面自由能的變化：液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)第五節(jié)晶核長大不同α值下⊿GS／(NkTm)與x的關(guān)系

α＜2時，在x＝0.5處，界面能具有極小值，這意味著界面上約有一半的原子位置被固相原子占據(jù)著，形成粗糙界面。

α≥5時，在x＝l和x＝0處，界面能具有兩個極小值，這表明界面上絕大多數(shù)原子位置被固相原子占據(jù)或空著，為光滑界面。金屬一般為粗糙界面，高分子往往為光滑界面。液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)第五節(jié)晶核長大1.光滑界面材料的長大機(jī)制（微觀光滑、宏觀粗糙－無機(jī)化合物或亞金屬材料的界面）：

(1)二維晶核長大機(jī)制.(2)螺型位錯長大機(jī)制。2.粗糙界面材料的長大機(jī)制（微觀粗糙、宏觀平整－金屬或合金材料的界面）：連續(xù)長大機(jī)制。二.晶體長大機(jī)制第五節(jié)晶核長大二維晶核長大機(jī)制首先在平整界面上通過均勻形核形成一個具有單原子厚度的二微晶核，然后液相中的原子不斷的依附在二維晶核周圍的臺階上，使二維晶核很快的向四周橫向擴(kuò)展而覆蓋整個晶面表面。接著新的界面上有形成新的二維晶核，并向橫向擴(kuò)展而長滿一層。這種界面的推移是不連續(xù)的螺型位錯長大機(jī)制由于二維晶核的形成需要一定的形核功，因而需要較強(qiáng)的過冷條件，長大速率很慢。如果結(jié)晶過程中，在晶體表面存在著垂直于界面的螺位錯露頭，那么液相原子或二維晶核就會優(yōu)先附在這些地方。液相原子不斷的添加到由螺形位錯露頭形成的臺階上，界面以臺階機(jī)制生長和按螺旋方式連續(xù)的掃過界面，在成長的界面上形成螺旋新臺階，這種生長是連續(xù)的。第五節(jié)晶核長大第五節(jié)晶核長大圖螺旋長大的SiC晶體第五節(jié)晶核長大具有粗糙界面晶體的生長界面上有一半的結(jié)晶位置空著，液相中的原子可直接遷移到這些位置使晶體整個界面沿法線方向向液相中長大，這種生長方式稱為連續(xù)長大或均勻長大。固液界面前沿液體中的溫度梯度有兩種情況：(一)正溫度梯度:液相中的溫度隨至界面距離的增加而提高的溫度分布狀況.結(jié)晶潛熱通過已結(jié)晶的固相和型壁散失.(二)負(fù)溫度梯度:液相中的溫度隨至界面距離的增加而降低的溫度分布狀況.結(jié)晶潛熱通過過冷液體散失.三、固液界面前沿液體中的溫度梯度第五節(jié)晶核長大

形核之后晶體生長成什么形態(tài)，取決于固-液界面的微觀結(jié)構(gòu)和界面前沿液相中的溫度分布情況。第五節(jié)晶核長大四、晶體生長的界面形狀---晶體形態(tài)(一)正溫度梯度下結(jié)晶潛熱通過已結(jié)晶的固相和型壁散失,相界面向液相中的推移速度受散熱速率的控制.

液固界面基本呈平直狀.光滑界面:小晶面互成一定角度,呈鋸齒狀.粗糙界面:平行于等溫面的平直界面.第五節(jié)晶核長大晶界的移動不受已結(jié)晶的固相和型壁的散熱控制.粗糙界面：樹枝晶:液態(tài)金屬在結(jié)晶中各個方向上發(fā)展不同,而形成的樹枝狀晶體.等軸晶:如果枝晶在三維空間得到均衡發(fā)展,各個方向上的一次軸近似相等,這樣形成的晶粒,叫.柱狀晶:如果枝晶在一個方向上的一次軸長得很長,而在其他方向上受到阻礙,而形成的細(xì)長晶粒.光滑界面：只有杰克遜因子較高的物質(zhì)仍然保持著光滑界面形態(tài)。(二)負(fù)溫度梯度下第五節(jié)晶核長大由于液固界面前沿的液體中過冷度較大，晶體優(yōu)先沿過冷度較大方向生長出空間骨架，形同樹干，稱為一次晶軸。在一次晶軸增長和變粗的同時，其上會出現(xiàn)很多凸出尖端，它們長大成為枝干，稱為二次晶軸。對一定的晶體來說，二次晶軸與一次晶軸有確定的角度，在立方晶系中，二者是相互垂直的。二次晶軸生長到一定程度后，又在它上面長出三次晶軸，如此不斷地成長和分枝，形成如樹枝狀的骨架，稱為樹枝晶。五.長大速度長大速度與過冷度關(guān)系非金屬當(dāng)過冷度小時，液固兩相自由能差小，結(jié)晶的驅(qū)動力小，晶體的長大速度小。當(dāng)過冷度大時，溫度過低，原子的擴(kuò)散困難，晶體的長大速度小。金屬結(jié)晶溫度高，形核與長大都快，它的過冷能力小，所以未到過冷到較低溫度時，結(jié)晶已經(jīng)結(jié)束了。第五節(jié)晶核長大第五節(jié)晶核長大晶體長大要點1.具有粗糙界面的金屬，長大機(jī)制為連續(xù)長大，長大速度大，所需過冷度小；2.具有光滑界面的金屬化合物、半金屬（Si、Sb等）或非金屬等，長大機(jī)制為二維晶核長大或螺型位錯長大方式，長大速度慢，所需過冷度大；3.晶體成長的界面形態(tài)與界面前沿的溫度梯度和界面的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，正溫度梯度下，光滑界面的一些小晶面互成一定角度，呈鋸齒狀；粗糙界面的形態(tài)為平行于Tm等溫面的平直界面，呈平面長大方式。負(fù)溫度梯度下，一般金屬和半金屬的界面都呈樹枝狀，只有杰克遜因子較高的物質(zhì)仍然保持著光滑界面形態(tài)。第五節(jié)晶核長大細(xì)化晶粒不僅能提高材料的強(qiáng)度和硬度，還能提高材料的韌性和塑性。工業(yè)上將通過細(xì)化晶粒來提高材料強(qiáng)度的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化.

晶粒度：晶粒的大小，通常用晶粒的平均面積或直徑表示。晶粒大小的影響因素：形核率和長大速度。晶粒的大小取決于形核率N與長大速度G的比值，N/G。工業(yè)中細(xì)化晶粒的方法1、控制過冷度：在一定范圍內(nèi)，過冷度越大，N/G越大，晶粒越細(xì)。2、變質(zhì)處理：在澆鑄前往液態(tài)金屬中加入形核劑，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核來細(xì)化晶粒。3、振動和攪拌：輸入能量提高形核率；使凝固過程中正在長大的晶體破碎，增加核心。六、晶粒大小的控制

未加細(xì)化劑加細(xì)化劑

AZ31鎂合金鑄態(tài)組織

第五節(jié)晶核長大第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷為什么要了解金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷？鑄態(tài)組織包括晶粒大小、形狀和取向、合金元素和雜質(zhì)的分布及鑄錠中的缺陷等。冶煉金屬后得到的鑄錠、鑄造零件毛坯、焊接的焊縫等都是凝固體，它們在組織結(jié)構(gòu)上有共同的特點。所以，以鑄錠為例來討論凝固體的結(jié)構(gòu)組織。鑄件：鑄態(tài)組織影響力學(xué)性能和使用壽命鑄錠：鑄態(tài)組織影響壓力加工性能及加工后金屬制品的組織和性能。所以要了解鑄態(tài)組織和形成規(guī)律，以改善組織。第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷一、鑄錠三晶區(qū)的形成表面細(xì)晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷當(dāng)高溫的金屬液體倒入鑄模后，由于溫度較低的模壁有強(qiáng)烈的吸熱和散熱作用，使靠近模壁的一薄層液體產(chǎn)生極大的過冷，結(jié)晶首先從模壁處開始。模壁作為非均勻形核的基底，在這一薄層液體中立即產(chǎn)生大量晶核，并同時向各個方向生長。由于晶核數(shù)量多，臨近的晶核很快彼此相遇，不能繼續(xù)生長，在靠近模壁處形成一薄層等軸細(xì)晶區(qū)。（一）表層細(xì)晶區(qū)優(yōu)點：晶粒細(xì)小組織致密，力學(xué)性能好缺點：細(xì)晶區(qū)很薄,沒有實際意義第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷在細(xì)晶區(qū)形成的同時，模壁的溫度由于被液態(tài)金屬加熱而迅速升高；金屬凝固后收縮，使細(xì)晶區(qū)和模壁脫離，形成空氣層，阻礙了液態(tài)金屬的散熱；細(xì)晶區(qū)的形成釋放出大量結(jié)晶潛熱，導(dǎo)致液體金屬冷卻速度降低，過冷度減小，形核速率降低。垂直于模壁方向散熱最快，晶體沿其相反方向擇優(yōu)生長，形成柱狀晶。（二）柱狀晶區(qū)優(yōu)點：組織致密，性能有方向性缺點：有弱面在柱狀晶區(qū)中，因為相互平行的柱狀晶的接觸面及相鄰垂直的樹枝狀晶區(qū)的交界面較為脆弱，并常聚集著易熔雜質(zhì)和非金屬夾雜物，使鑄錠在力加工時，容易沿這些脆弱面開裂。第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷對于雜質(zhì)多、塑性差的金屬及合金，如鋼鐵、鎳基合金等，不希望形成發(fā)達(dá)的柱狀晶。但對于塑性好的鋁、銅等有色金屬及合金，即使全部為柱狀晶組織，也能順利通過熱軋而不致開裂。柱狀晶的性能有明顯的方向性，沿晶軸方向的強(qiáng)度較高，對于那些主要受單向載荷的機(jī)器零件，例如汽輪機(jī)葉片等，柱狀晶結(jié)構(gòu)是非常理想的。

柱狀晶的應(yīng)用熔化溫度高、澆注溫度高、澆注速度大等因素有利于在鑄錠的截面上保持較大的溫度梯度，獲得較發(fā)達(dá)的柱狀晶。結(jié)晶時，單向散熱，有利于柱狀晶的生成。影響生成柱狀晶的因素第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷隨柱狀晶區(qū)的長大，模壁溫度升高，散熱的方向性不明顯，同時錠模中心部分的液態(tài)金屬的溫度逐漸降低并漸趨均勻，最終幾乎同時進(jìn)入過冷狀態(tài)，并以非均勻方式形核，由于在不同方向上的生長速度相同，因而便形成了等軸晶粒。中心部分的液態(tài)金屬的冷卻速度較慢，過冷度較小，故晶粒就較粗大。（三）中心等軸晶區(qū)優(yōu)點：不存在明顯的弱面，各晶粒的取向各不相同，性能不具有方向性缺點：組織不致密一般的鑄件都要求有發(fā)達(dá)的等軸晶組織。等軸晶的特點第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷二、鑄錠組織的控制鑄錠的表層細(xì)晶區(qū)，組織較致密，機(jī)械性能較好。但由于細(xì)晶區(qū)總是比較薄的，故對整個鑄錠的性能影響不大。一般鋼錠（鋼鐵或鎳合金）不希望柱狀晶區(qū)過大。但是，柱狀晶組織比較致密。它不象等軸晶那樣容易形成疏松。因此，對塑性較好的有色金屬（鋁），有時為了獲得較致密的鑄錠。反而要使柱狀晶區(qū)擴(kuò)大。因為在熱壓力加工時，由于這些金屬本身具有良好的塑性，不致于發(fā)生開裂。等軸晶區(qū)不存在上述那種脆弱的交界面，而方向不同的晶粒彼此交錯咬合，各方向上的機(jī)械性能均較好。但由于各個等軸晶粒在生長過程中互相交叉，有可能造成許多封閉的小區(qū)，并將殘留在這些小區(qū)中的液體相互隔絕起來。當(dāng)這些液體結(jié)晶收縮時，由于得不到外界液體的補(bǔ)充。就形成很多微小的縮孔（縮松）。因此，等軸晶區(qū)的組織就比較疏松。這又使該區(qū)的機(jī)械性能降低。第六節(jié)金屬鑄錠的宏觀組織與缺陷（一）促進(jìn)柱狀晶生長的方法：總體：(1)加大液相沿垂直鑄錠模壁方向的散熱能力

——促進(jìn)散熱的方向性(2)降低液相內(nèi)部非均勻形核的可能性具體：

(1)提高鑄錠模的冷卻能力。如：金屬模代替砂型模；增加金屬鑄模的厚度等

注意：此方法僅適于尺寸較大的鑄件，但不適于尺寸較小的鑄件

原因：若鑄模冷卻能力很大，反而促進(jìn)等軸晶