【正文】 在實(shí)際金屬熔液中總是存在某些未溶的雜質(zhì)粒子 ，這些固態(tài)離子表面及鑄型壁等現(xiàn)成的界面都會(huì)成為液態(tài)金屬結(jié)晶時(shí)的自然晶核 。若過冷度為零，則臨界晶核尺寸為無窮大，即不能自發(fā)成核。在液態(tài)母相隨時(shí)都存在著瞬時(shí)近程有序的原子集團(tuán) (即結(jié)構(gòu)起伏 )。這些晶粒有不規(guī)則的外形、晶格位向也各異。晶核不斷地從周圍的液態(tài)金屬中吸附原子使之不斷長(zhǎng)大。若金屬液的冷卻速度非常大，使過冷度極大，原子來不及擴(kuò)散就會(huì)出現(xiàn)非晶金屬。足夠的溫度是完成結(jié)晶過程的 熱 力學(xué)條件。顯然，過冷度也就是金屬結(jié)晶的動(dòng)力學(xué)條件。可見 自由能差是 液固轉(zhuǎn)變的 推動(dòng)力 。 對(duì)于 合金 (除固定成分外 )， 在結(jié)晶過程雖然也釋放潛熱 ， 但達(dá)不到溫度的平衡 ， 僅能使結(jié)晶過程中冷速變慢 ， 并不出現(xiàn)溫度平臺(tái) 。 從而使結(jié)晶過程處于一個(gè)溫度的動(dòng)平衡狀態(tài) 。 純金屬 結(jié)晶是在 恒溫 下完成的 。 對(duì)于純金屬其過冷度 △ T=TmT1。 圖中 T1是純金屬在冷速 V1是的實(shí)際結(jié)晶溫度 。當(dāng)冷卻速度時(shí)增大時(shí)，則結(jié)晶溫度或結(jié)晶溫度區(qū)間通常都要下降，而且下降的量隨冷卻速度加大而增加。即結(jié)晶溫度是一個(gè)溫度區(qū)間。從曲線上可以明顯地見到結(jié)晶開始和結(jié)晶結(jié)束的溫度。 結(jié)晶之后得到的金屬材料顯微組織稱為鑄態(tài)組織 。 并通過各種熱加工和冷加工獲取成材或制件 。 由 液態(tài)冷凝成固態(tài) 是一個(gè)重要環(huán)節(jié) 。 鑄態(tài)的顯微組織決定著鑄態(tài)材料的使用性能和加工工藝性能 。對(duì)于純金屬在結(jié)晶過程中保持恒溫。而這個(gè)溫度區(qū)間的大小與合金的化學(xué)成分比有直接的關(guān)系。 一、結(jié)晶的溫度與過冷現(xiàn)象 在 圖 31中虛線是以平衡狀態(tài)的冷卻速度 (Vm)冷卻 (冷速極慢 )的金屬冷卻曲線 。 Tms、 Tmf分別是合金在平衡狀態(tài)下的結(jié)晶開始溫度和結(jié)晶結(jié)束溫度 。 金屬的結(jié)晶都是在達(dá)到一定過冷度后才進(jìn)行的 ， 這中現(xiàn)象稱 過冷現(xiàn)象 。 即冷卻曲線中有一個(gè) 平臺(tái) 。 (實(shí)際上 ， 對(duì)于純金屬其冷卻曲線出現(xiàn)平臺(tái)之前 ， 還有一個(gè)相應(yīng)的過冷現(xiàn)象 ， 它為開始結(jié)晶提供足夠的動(dòng)力 。即結(jié)晶過程 不是在恒溫 下進(jìn)行 ， 而是在一個(gè)溫度區(qū)間中完成 。也就是說自由能是金屬結(jié)晶的 動(dòng) 力學(xué)條件。金屬的結(jié)晶過程是原子由不規(guī)則排列向規(guī)則排列的變化過程。 只有 當(dāng) 動(dòng) 力學(xué)條件與 熱 力學(xué)條件 都 得到保證金屬就會(huì)順利的結(jié)晶。目前，在工業(yè)上已據(jù)此制造出了非晶金屬微粉和箔。在一些晶核長(zhǎng)大的同時(shí)，還會(huì)有新的晶核不斷產(chǎn)生和長(zhǎng)大，直到全部液態(tài)金屬都凝固?？梢?，金屬結(jié)晶的過程包括 成核 和 長(zhǎng)大 兩個(gè)基本過程，而且，這兩個(gè)過程 同時(shí)進(jìn)行 。這種原子集團(tuán)在沒有降到結(jié)晶溫度之下時(shí)是不穩(wěn)定的，時(shí)生時(shí)溶。相反，過冷度愈大，自發(fā)成核的臨界晶核尺寸愈小。 凡是依附于母相中某些現(xiàn)成界面而成核的過程都稱為 非均勻成核(非自發(fā)成核 )。 非均勻成核在實(shí)際生產(chǎn)中比均勻成核更重要 。 (三 ) 晶核的長(zhǎng)大 晶核長(zhǎng)大的 實(shí)質(zhì) 就是晶核的固體界面向母相內(nèi)不斷的推進(jìn)。在結(jié)晶這種液固相變中，母相指的就是液相。 這是由于金屬結(jié)晶時(shí)液態(tài)母相都是處于過冷狀態(tài) ， 具有負(fù)的溫度梯度 。 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。 如鍍鋅鋼板表面上的鋅晶粒花紋以及水結(jié)晶成 雪花 等都是枝晶生長(zhǎng)的可見實(shí)例 。純鐵的晶粒大小與力學(xué)性能的關(guān)系見 31。 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 。 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 。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。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。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。下面以鑄錠為例介紹鑄態(tài)組織。 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。中心區(qū)域是較粗大的等軸晶，稱為中心等軸晶區(qū) 。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。但是在各方向上散熱能力的下降是不同的。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。此處的雜質(zhì)、氣泡、縮松等較多，成為鑄錠的脆弱結(jié)合面。另外，避免金屬液過熱澆注也會(huì)防止柱狀晶區(qū)過大。因無散熱優(yōu)勢(shì)方向，新晶粒將會(huì)長(zhǎng)成等軸晶粒。 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。當(dāng)化學(xué)成分一定時(shí)，澆注條件極為重要。 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。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。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。 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)不同化學(xué)成分比例的合金。再在溫度 —— 化學(xué)成分的坐標(biāo)上將相同意義的相變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)用平滑曲線連接起來就了這個(gè)合金系的相圖。有些合金系的相圖就是一種典型的基本相圖。下面我們分別介紹一下常見的基本相圖。 1．勻晶相圖分析及合金的結(jié)晶過程 以 Cu－ Ni合金為例，見 圖 3－ 7，圖中 A點(diǎn)是純銅的熔點(diǎn) (1083?C)； B點(diǎn)是純鎳的熔點(diǎn) (1452 ?C)； AL3L2L1B曲線是液相開始結(jié)晶的溫度線，稱為 液相線 ，在其線以上的區(qū)域合金系全部是呈液相 L狀態(tài)，稱為液相區(qū)。由液相直接結(jié)晶成單相固溶體的結(jié)晶轉(zhuǎn)變稱為勻晶轉(zhuǎn)變。 從 圖 3－ 7上可見， WNi=20%的合金化學(xué)成分垂線與液相線相交于 L1，與固相線相交于 ?3當(dāng)該合金由液相緩慢冷卻 (平衡狀態(tài) )至 t1溫度時(shí)，由液相中開始結(jié)晶出 ?相。 在 t t3溫度時(shí) ?相的化學(xué)成分分別為 ?2， ?3點(diǎn)對(duì)應(yīng)的成分。但是，由于冷卻速度很慢 (平衡態(tài) )，又處在足夠高的溫度下，所以，當(dāng)結(jié)晶結(jié)束時(shí)，無論是先結(jié)晶的目相，還是后結(jié)晶出來的 ?相，其化學(xué)成分都將通過原子足夠長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散而趨平均勻相同。這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)在一個(gè)晶粒內(nèi)，各處成分的不均勻現(xiàn)象。 枝晶偏析會(huì)降低合金的力學(xué)性能 (尤其是塑性和韌性 )和工藝性能。兩個(gè)相的化學(xué)成分變化是沿著其相應(yīng)的相線變化。見 圖 3－ 9。 如 AI－ Si、 Pb－－Sb、 Pb－ Sn、 Ag－ Cu等合金系在結(jié)晶時(shí)都是以共晶轉(zhuǎn)變?yōu)橹?。 1．相圖分析 以 Pb－ Sn合金系為例 ， 見 圖 3－ 10。 Sn在 Pb中最大溶解度為 F點(diǎn) ，其錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù) WSn為 19%， 而以 Sn為溶劑 Pb為溶質(zhì)則形成 β 固溶體 。 即在 183℃ ， 當(dāng)化學(xué)成分中 Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %時(shí)則發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變 。 此線所對(duì)應(yīng)的合金 ， 除 E點(diǎn)成分的液相全部發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變外 ， 其它成分的合金也有部分液體在 183186。 FC是 α固溶體溶解度隨溫度變化曲線 ， 即 Sn在 Pb中溶解度變化曲線 ， 稱 α固溶體溶解度曲線 。 對(duì)于具有共晶相圖的合金系，根據(jù)其結(jié)晶的特點(diǎn)不同，可分為三種類型合金：對(duì)應(yīng)共晶成分的合金稱 共晶 合金；化學(xué)成分低于或高于共晶成分的分別稱 亞共晶 合金或 過共晶 合金；沒有共晶轉(zhuǎn)變而只有固溶體勻晶轉(zhuǎn)變的合金稱固溶體合金。 當(dāng)液相 (L)冷卻到液相線時(shí) (S1)， 開始由液相中成核結(jié)晶出?固溶體相 。 一直冷到室溫下 ， 合金 N的顯微組織是 ?十 β