【正文】 次晶軸 ， 隨著時(shí)間的推移 ， 二次晶軸的見的空隙也都被填滿 。 最后每個(gè)晶核都長(zhǎng)大 ， 形成一個(gè)是樹枝狀的晶粒 —— 枝晶 ， 如 圖 33。 金屬晶體就是有這些晶粒組成 。 因?yàn)榻饘偈遣煌该鞯?，且晶粒又很小 ， 所以平常難以用眼睛直接看到枝晶 。 但是 ， 在某些特殊的情況下也是可以看到的 。 如鍍鋅鋼板表面上的鋅晶?；y以及水結(jié)晶成 雪花 等都是枝晶生長(zhǎng)的可見實(shí)例 。 (四 )金屬結(jié)晶后的晶粒大小 晶粒的大小通常是指以晶粒度來表示。而晶粒度又是以單位界面內(nèi)晶粒數(shù)目的多少來劃分和標(biāo)定的。通常是晶粒愈小材料強(qiáng)度、塑性愈好。純鐵的晶粒大小與力學(xué)性能的關(guān)系見 31。通過細(xì)化晶粒而使金屬材料力學(xué)性能提高的方法稱為 細(xì)晶強(qiáng)化 。 晶粒大小對(duì)材料的物理化學(xué)性能也有明顯的影響 。如：硅鋼片中晶粒愈大磁滯損耗愈少耐蝕不銹鋼中晶粒愈大耐腐蝕性愈好 。 可見 ， 按照材料的不同用途和種類應(yīng)合理的控制其晶粒大小 。 這就需要我們了解一些金屬結(jié)晶時(shí)影響晶粒大小的因素 。 金屬結(jié)晶時(shí)的成核率 N和長(zhǎng)大率 G與結(jié)晶后的晶粒大小有密切關(guān)系 。 而成核率與長(zhǎng)大率又與過冷度有直接關(guān)系 ， 見 圖 34。 從圖上可見 ， 隨過冷度的增加 ， N與 G均增加 ， 但成核率 N的增加速度更快些 。 單位面積內(nèi)的晶粒數(shù) Zs與成核率和長(zhǎng)大率 G有如下的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 Zs=√N(yùn)/G 顯然 ， 加大過冷度會(huì)使 Zs增加 ， 即增加過冷度會(huì)使結(jié)晶后的晶粒變小 。 結(jié)晶時(shí)的過冷度主要取決與液體的冷卻速度 ， 因此 ， 結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大 ， 得到的晶粒也越小 。 從公式中，可以看出，凡是能使成核率 N增加和使長(zhǎng)大率 G減小的因素都能促進(jìn)晶粒細(xì)化。增加冷卻速度可以細(xì)化晶粒，但是，同時(shí)使結(jié)晶時(shí)的鑄造應(yīng)力增加。另外，對(duì)于大體積的鑄錠與鑄件提高冷速是困難的。團(tuán)此，在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中往往采用 “ 變質(zhì) 處理 ” ，即在澆注之前向金屬液中加入某些物質(zhì) (變質(zhì)劑 )來促進(jìn)晶粒細(xì)化。變質(zhì)劑主要有兩大類型。其一是，變質(zhì)劑作為非均勻成核的晶核 (人工晶核 )，從而通過增加成核率來細(xì)化晶粒。如：向鋼中加 Ti、Zr、 B、 Al；向鑄鐵中加 St、 Ca等。另一是，變質(zhì)劑作為長(zhǎng)大率的阻礙物，通過降低長(zhǎng)大速度來細(xì)化晶粒。如：在鋁硅合金中加入一些鈉鹽的變質(zhì)處理就是通過鈉來降低硅的長(zhǎng)大速度來細(xì)化硅的晶粒。在生產(chǎn)工藝中，有時(shí)還采用 振動(dòng) 的手段造成枝晶碎斷，則各個(gè)枝晶碎塊都可以變成一個(gè)新的晶核，從而也會(huì)使結(jié)晶后的晶粒細(xì)化。 三、金屬鑄錠的鑄態(tài)組織及缺陷 在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬結(jié)晶主要涉及五個(gè)方面的應(yīng)用。鑄錠、鑄件、金屬粉、焊接、熱浸鍍層。金屬凝固結(jié)晶后的組織統(tǒng)稱鑄態(tài)組織。下面以鑄錠為例介紹鑄態(tài)組織。 鑄錠是各種金屬材料成材的毛坯。通過對(duì)鑄錠的熱軋等塑性變形可制成各種規(guī)格的型材、板材、棒材等供人們使用。鑄錠的鑄態(tài)組織是指其晶粒的形態(tài)、大小、取向及缺陷 (如：疏松、夾雜、氣孔等 )和界面的形貌等。 由于澆注在鑄模型腔中的液態(tài)金屬的冷卻速度、體積的大小、化學(xué)成分及變質(zhì)劑等的不同，鑄錠可以有三種典型的晶粒形態(tài)，見圖 3－ 5。其中 a圖是全部較細(xì)的 等軸晶粒 。 b圖是全部 柱狀晶粒 。 C圖是最常見的鑄錠晶粒情況，表層 (接觸鑄模型腔部分 )是薄薄的一層細(xì)小等軸晶粒，稱為表層細(xì)晶區(qū)接著是一層柱狀晶，稱為柱狀晶區(qū)。中心區(qū)域是較粗大的等軸晶，稱為中心等軸晶區(qū) 。所謂 等軸晶 是指晶粒在各方向上的尺寸相差較小的晶粒。而柱狀晶是指某一方向上的尺寸遠(yuǎn)大于其它方向上的尺寸的長(zhǎng)晶粒。 經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，柱狀晶的長(zhǎng)度和等軸晶的尺寸主要取決于澆注溫度和合金元素。如；隨澆注溫度升高柱狀晶長(zhǎng)度增加，等軸晶粒尺寸增大；合金元素含量增加可使柱狀晶長(zhǎng)度減短，等軸晶粒尺寸減小。 表層細(xì)晶區(qū)是由于模壁附近散熱速度快，并且散熱沒有突出的優(yōu)勢(shì)方向及模壁處兩種成核率都很高等結(jié)晶條件所造成的。此層組織致密，力學(xué)性能很好，但由于此層很薄，對(duì)整個(gè)鑄錠性能影響不大。 當(dāng)表層細(xì)晶區(qū)形成后，模壁的溫度也隨之升高，細(xì)晶區(qū)前面的液體散熱能力下降，過冷度也下降。但是在各方向上散熱能力的下降是不同的。垂直于模壁的方向顯出散熱優(yōu)勢(shì)，有利于晶粒逆著傳熱方向不斷地向液相區(qū)生長(zhǎng)。而在平行模壁方向散熱能力較差，并且晶粒徑向僅能長(zhǎng)大較短距離相鄰晶粒就互相接觸，停止生長(zhǎng)。因此在細(xì)晶區(qū)形成后，接著形成了一個(gè)柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)金屬較致密，沿柱狀晶軸向強(qiáng)度很高，但近于平行的柱狀晶晶粒之間的徑向結(jié)合強(qiáng)度卻較低。柱狀晶區(qū)有明顯的各向異性。當(dāng)對(duì)鑄錠進(jìn)行塑性變形時(shí)住狀晶區(qū)易出現(xiàn)晶間開裂。 另外，當(dāng)不同方位上的柱狀晶區(qū)相遇時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)往狀晶區(qū)的交界。此處的雜質(zhì)、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結(jié)合面。當(dāng)鑄錠接受塑性變形時(shí)此處也易開裂。因此，除塑性極好的一些有色金屬的鑄錠外，并不希望獲得柱狀晶區(qū)。在鑄造工藝上，常采用振動(dòng)方法來破壞柱狀晶區(qū)的形成和長(zhǎng)大，也常采用變質(zhì)處理來阻礙柱狀晶長(zhǎng)大，并促進(jìn)中心等軸晶區(qū)的擴(kuò)大來減少柱狀晶區(qū)。另外，避免金屬液過熱澆注也會(huì)防止柱狀晶區(qū)過大。 當(dāng)柱狀晶向液相中生長(zhǎng)到一定深度后，垂直于模壁方向的散熱優(yōu)熱將不再明顯。尤其是當(dāng)已凝固區(qū)隨溫度下降而使體積收縮與模壁之間出現(xiàn)間隙時(shí)傳熱速度降低，剩余液相金屬的冷卻速度也會(huì)進(jìn)一步降低，溫度梯度減小，趨于均勻冷卻，柱狀晶的生長(zhǎng)將會(huì)變慢。此時(shí)剩余液體中也會(huì)有一些新晶粒的形成并長(zhǎng)大。因無散熱優(yōu)勢(shì)方向，新晶粒將會(huì)長(zhǎng)成等軸晶粒。又因剩余液體散熱慢，過冷度較小．產(chǎn)生的自發(fā)晶核數(shù)量有限，故晶粒長(zhǎng)得較大 (但若有非自發(fā)晶核存在，晶粒不會(huì)長(zhǎng)得很大 )。從而在相鄰柱狀晶區(qū)的鑄錠心部地區(qū)形成一個(gè)晶粒較粗的等軸晶區(qū)。由于此區(qū)是最后凝固的，因此，一些低熔點(diǎn)的雜質(zhì)或合金元素可能偏多些，以及液體補(bǔ)充不足而出現(xiàn)中心偏析及疏松。 但此晶區(qū)晶粒之間是犬牙交錯(cuò)的結(jié)合在一起，當(dāng)鑄錠受到塑性變形時(shí)不會(huì)象柱狀晶區(qū)那樣易產(chǎn)生沿晶界的開裂。對(duì)于鋼錠來說，一般是希望等軸晶區(qū)愈大愈好。綜上所述，鑄錠的鑄造組織是不均勻的，也比較粗大，且有許多鑄造缺陷存在。具體的鑄造組織是由合金的化學(xué)成分和澆注條件等因素來決定的。當(dāng)化學(xué)成分一定時(shí)，澆注條件極為重要。通常情況下，提高澆注溫度、加快冷卻速度或采用定向冷卻散熱方法，并減少液體中產(chǎn)生非自發(fā)晶核等條件則有利于柱狀晶區(qū)的形成和擴(kuò)展。相反，有利于等軸晶區(qū)的形成和擴(kuò)展。甚至可以根據(jù)工作的需要，制成純柱狀晶鑄錠和純等軸晶鑄錠。 第二節(jié) 合金結(jié)晶與二元合金相圖 合金結(jié)晶的基本規(guī)律與純金屬的結(jié)晶基本相同，也是在一定過冷度下成核和長(zhǎng)大來完成結(jié)晶的。但是，其結(jié)晶過程更復(fù)雜，得到的組織可以是單相或是多相，既可是純固溶體也可是化合物或兩相組成的機(jī)械混合物。而具體成分的合金顯微組織可能是其中的一個(gè)相或一個(gè)基本組織，也可能是多個(gè)相及基本組織的組合。而且在不同溫度下，同一化學(xué)成分合金的顯微組織也可能不同。對(duì)如此復(fù)雜的情況，只用冷卻曲線或語言簡(jiǎn)單敘述是很不方便的。因此，出現(xiàn)了用相圖這種形式來表述合金的結(jié)晶及冷卻的相變狀況。 相圖是在 平衡態(tài) 下測(cè)畫出來的。因此也稱合金的平衡狀態(tài)圖。相圖是表示在平衡狀態(tài)下合金的化學(xué) 成分 、 相 、 組織 與 溫度 的關(guān)系圖。由于受到幾何表述的限制，雖然合金系中的組元可以是多個(gè)，但是，只能測(cè)畫出二元合金的二元相圖和三元合金的三元相圖，三元以上的合金通常是不能直接用相圖來表述。即使三元合金的相圖也是很復(fù)雜的。本書只介紹二元合金相圖。 一、二元合金相圖的測(cè)畫 在每個(gè)二元合金系中都有無數(shù)個(gè)不同化