铸锭组织观察

1、铸锭组织观察实验目的1、掌握铸锭组织的结晶形态 2、了解不同冷却速度下结晶形态或不同温度下的结晶形态的变化规律实验材料和实验设备1、纯铝2、中温加热电炉3、坩埚、切锯和钢钳等。实验原理金属结晶时的过冷现象结晶，一般是指金属 （或其他晶体物质） 自液态向固态过渡时晶体结构的形 成过程。金属的结晶是在其液体的温度降低到熔点以下时进行的。 在“平衡结晶 温度“处液体与晶体处于平衡状态。 此时液态的结晶速度与晶体的溶解速度相等， 即原子自液体转向晶体的数目等于原子在晶体熔于液体的数目。 由此可见在平衡 结晶温度，晶体不能进行有效的结晶。 实践证明， 如欲金属结晶以显著的速度进 行，则必须将液体金属冷至

2、低于 T0 的某一温度，这个现象就是金属结晶时的过 冷现象。各种金属的结晶过冷（最小过冷度）都不大，通常只有几度（个别数十度） 视金属种类不同。 同一金属从液态冷却时， 冷却速度越大， 结晶时的过冷度也越 大。实际上金属总是在过冷的情况下结晶的，过冷是金属结晶的必要条件。金属的结晶过程晶体的形核及长大结晶是需要一定时间的， 当液态金属冷却到平衡结晶温度以下时， 不论其结 晶速度多么快， 也不可能使整个液体同时转变成固态。 结晶过程首先是在液体中 产生一批晶核（或称结晶中心） ，并继之以长大，在它们的长大过程中，同时还 有新的晶核不断从液体中产生和长大， 直至全部液体都转变为固体为止。 由此可

3、知，结晶的过程仍是由晶核的产生和长大两个基本过程所组成， 而且每个过程是 同时并进的。实验证明，这乃是一切结晶过程（包括金属和非金属结晶在内）所 遵循的基本规律。上述结晶过程完成后， 金属的组织便由形状不规则的小晶体所组成， 这些小 晶体成为晶粒， 晶粒与晶粒之间的边界称为晶界。 金属组织中的晶粒大小取决于 晶体结晶过程中的长大方式。在冷却速率极小的或过冷度极小的情况下， 晶粒可能保持规则的几何外形而 逐渐长大，不过在结晶后期，当晶粒彼此接触时，其规则外形则被破坏，以致最 后的金属结晶是由外形不同的晶粒所组成。 但在实际的情况下， 金属都是在较大的冷却速度下结晶的。由于冷却速度较大（或过冷度较

4、大） ，晶体只能在结晶的 初期阶段维持规则的几何外形，之后便逐渐按“枝晶”方式生长。即首先在晶体 的棱角处以较大的成长速度形成枝干（晶轴） ，然后再由其长出分枝；又在分枝 上长出次分枝等，结果晶体成长成为一个复杂的有规则结构的树枝状骨架。在结晶过程中晶体的树枝状晶轴所占的空间逐渐增大， 直至相邻两晶体的树枝状 晶轴相碰后扩张才停在。 上述过程的同时及其后， 一方面在晶轴内不断产生多次 晶轴，另一方面各晶轴逐渐加粗， 直至俩相邻晶轴相遇为止， 并将晶轴之间的液 体金属全部耗尽。晶体在较大过冷度下之所以会以枝晶的方式生长， 是由于在金属晶体成长的 过程中有潜热放出， 此热量主要靠金属液体的对流和部

5、分的传导将热传到金属的 其他部位， 最后再传到外面。 显然，晶体棱角处散热条件要比平面的散热条件更 为优越。而另一方面棱角处的缺陷较多， 而在缺陷的地方晶体的原子容易将新添 加晶体表面上的原子“攫住” ，因而使晶体成长较为容易，而得到更高的生长速度而形成枝晶。 在结晶过程中， 虽然每个晶体都是以枝晶的方式长大， 但是在凝 固后的金属组织中往往看不到枝晶结构。 这是因为， 结晶过程的后期， 枝间的空 袭逐渐被结晶物质所填充， 枝干之间界限不再明显。 只有在金属凝固的自由表面 上，由于结晶物质不足，不能填充其孔隙时，枝晶的外形才能清楚的显示出来。影响结晶速度的因素如上所述，结晶是有晶核的产生及其长

6、大两个基本过程组成。 所有结晶速度 必然与晶核产生速度及晶体的成长速度密切相关。晶核长生的速度叫生核率（N）,可用每单位内单位体积中所产生的晶核数目来表示。晶体的成长速度叫生长速率（G），是指在单位时间内长大的线速度，即结晶前沿的推进速度。生 核率和生长速率对金属结晶后的组织形态有重要意义。 生核率和生长率可因金属 的纯度，浇注时的冷却速度以及其他具体浇注条件而不同。冷却速度的影响：冷却速度越大，结晶时过冷度越大，结晶温度越低。金属在结晶后所得的晶粒度依据其结晶时的生核率和生长速率的比值不同而不同，比值越大，结晶后的晶粒越细小。反之，则越粗。此外，在浇注前，在液态金属中 加入少量的变质剂也会促

7、使晶粒细化。液态金属的过热也会影响晶粒的大小。般增加了过热温度使异质形核减少，因而使形核率下降，而使晶粒变粗。铸锭组织的特点及其影响因素(1)(3)F面以铸锭的纵抛面，进行研究，在抛面上，铸锭有不同特点的三个区域。表面细晶区一一其特点是在铸锭表面和锭模交界处，形成细小等轴晶粒。形成原因是由于液体金属进入锭模后， 与锭模接触的部分受到激冷，获得 很大的过冷度，另外，模壁表面起到促进形核的作用，形成了一层等轴的 细晶粒区。柱状晶粒区：细晶粒区形成后，由于模壁温度已经升高，金属冷却速度减 慢，这是开始形成柱状晶粒区，它的轴向都是垂直模壁的。因为结晶时的 热量是垂直模壁向外散失的，受传热方向的影响，使

8、晶粒定向的向晶粒内 部生长。中心等轴晶粒区：随着柱状晶的发展，因模壁方向散热速度逐渐减慢，同时，在成长的枝晶表面温度由于结晶潜热的放出而逐渐升高， 而铸锭中心 区的液态金属的温度逐渐降低，因而沿界面温度逐渐趋于均匀，这时铸锭中心的液体几乎是同时进入过冷状态，便在整个剩余液体中同时出现结晶 核心，并在各个方向等速生长，就形成了粗大的等轴晶粒区。四、实验内容及步骤1、浇铸铝锭，分析凝固条件对纯铝铸锭组织的影响(1)将工业纯铝块放进坩埚，在加热炉中熔化后取出浇铸，浇铸凝固条件 列于表1中。表1实验用纯铝锭的浇铸凝固条件试样编 号12345678浇铸温 度750750750850850850850850铸模材 料金属 模冷砂 模热砂 模金属 模冷砂 模热砂 模金属 模金属 模其他条 件室温室温500 r预热室温室温500 r预热搅拌加Ti(2)铸锭凝固后水冷，用手锯锯开。(3)用锉刀将剖面打平，用粗砂纸磨平后用王水腐蚀大约35min，将晶粒显示出来后置于