北科大金属材料及热处理课件01金属的结构与结晶

金属材料及热处理

材料与能源学院张艳梅

第一章金属的结构与结晶1．材料科学基础，潘金生、仝建民，田民波编，清华大学出版社2．材料科学基础，石德珂、沈莲编，西安交通大学出版社3．材料科学基础，胡赓祥、蔡珣主编，上海交通大学出版社4．金属学与热处理，崔忠忻，机械工业出版社5．金属学原理，余永宁，冶金工业出版社参考书籍：固体材料分类：晶体：指原子（分子）在三维空间按一定规律作周期性排列的固体，具有规则的几何外形。如食盐NaCl、冰糖。长程有序非晶体：原子仅在很小的范围，约几十个原子的尺度内呈一定的规则排列。而从大范围来看，原子呈杂乱无章分布。如玻璃、松香。短程有序第一节金属的晶体结构一、晶体的概念晶体结构和空间点阵晶体结构：由实际原子、离子、分子或各种原子集团，按一定几何规律排列的具体方式。空间点阵：将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子或原子集团）的体积忽略，抽象为纯粹的几何点，称之为阵点或结点。阵点在三维空间呈规则排列，每个阵点周围都具有相同的环境，称为空间点阵。阵点晶格晶胞晶胞:在晶格中选取的能够反映晶格特征的最小几何单元,通常选取一个最小的平行六面体作为晶胞。晶胞的形状和大小可用三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。（右旋）布拉菲点阵

14种空间点阵归属于7个晶系。二、三种常见的金属晶格体心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp面心立方结构：贵金属Au,Ag以及Cu,Al，γ-Fe，Pb，Ni，Pd，Pt等；密排六方结构：α-Ti，Be，Mg，Zn，Cd等。体心立方结构：碱金属（K、Na），难熔金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W)，α-Fe等；（1）体心立方结构bcc：原子数n：8×1/8+1=2；原子半径R：；点阵常数：配位数：8；致密度：0.68（2）面心立方结构fcc

：原子数n：8×1/8+6×1/2=4；原子半径R：；点阵常数:配位数：12；致密度：0.74（3）密排六方结构hcp：原子数n：12×1/6+2×1/2+3=6。原子半径R：；点阵常数

配位数：12；致密度：0.74描述晶体结构的几何参数：

1）晶胞中的原子数n；

2）点阵常数a；

3）晶体原子排列的紧密程度。通常有两种表示方法：一种用配位数CN表示；一种用致密度k表示。

配位数是晶体中每个原子周围最近邻且等距离的原子数目。

致密度是单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。致密度可表示为

式中：n—

晶胞中原子数；v

—

一个原子的体积；V—

晶胞体积。三、三种典型晶格的致密度及晶面和晶向的分析致密度：式中：n——晶胞中原子数；

v——一个原子的体积；

V——晶胞体积。体心立方：

同理可以计算出面心立方和

密排六方的致密度均为0.74。晶体结构中的间隙

体心立方结构bcc：晶体结构中的间隙

面心立方结构fcc

：晶体结构中的间隙

密排六方结构hcp

：图1-24密排立方点阵中的间隙晶体中原子的堆垛方式

面心立方晶格和密排六方晶格均属于最紧密排列的晶格。为什么两者的晶体结构不同却会有相同的密排程度？晶体中原子的堆垛方式

晶体是按照晶格结构的密排面在空间一层一层平行堆垛起来的。晶体中原子的堆垛方式

面心立方的密排面与密排六方的密排面原子排列完全相同。晶体中原子的堆垛方式

面心立方的最密排面为（111）面晶体中原子的堆垛方式

面心立方的最密排面为（111）面(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™晶体中原子的堆垛方式

密排六方的最密排面为（0001）面晶体中原子的堆垛方式

(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™晶体结构的多晶型性有些金属（如Fe，Mn，Ti，Co，Sn，Zr）固态下在不同温度和不同压力范围内具有不同的晶体结构，这种性质称为晶体的多晶型性。晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质称为多晶型性转变（同素异构转变）。

同素异构转变对于金属能否通过热处理改变性能具有非常重要的意义。晶体结构的多晶型性

(二）晶向指数与晶面指数

晶向：穿过晶格中两个或两个以上结点的任一直线，代表晶体中一个原子列在空间的位向。晶面：由晶格中结点组成的任一平面，代表晶体的一个原子平面。为了便于确定晶面、晶向在晶体中的相对取向，了解其在变形、相变、断裂中所起作用，需要一种符号来表示，称为晶向指数与晶面指数。晶向指数与晶面指数

要求：给出晶向指数（晶面指数），能在晶胞内找到相应的晶向（晶面）；反之，给定晶向（晶面），能写出相应的晶向指数（晶面指数）。（1）

晶向指数的确定步骤：

1)以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z（右旋）,以晶胞棱边的长度a,b,c为坐标轴的长度单位。

4)将这3个坐标值化为最小整数u，v，w，加以方括号，[uvw]即为待定晶向的晶向指数。如果其中某一数为负值，则将负号标注在该数的上方。3)在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的3个坐标值。2)过原点O作一直线OP，使其平行于待定晶向。说明：（1）一个晶向指数所代表的不仅是某一晶向，而是代表着一组相互平行、位向相同的晶向。（2）如果晶向指数相同而正负号相反，则这两组晶向互相平行，但方向相反。（3）原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以<uvw>表示。

晶面指数标定步骤如下：

1)以晶胞的某一阵点O为原点（不在待定晶面上），过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z,以晶胞棱边的长度a,b,c作为坐标轴的长度单位；

2)求得待定晶面在三个坐标轴上的截距，若该晶面与某轴平行，则在此轴上截距为无穷大；若该晶面与某轴负方向相截，则在此轴上截距为一负值x，y，z；3)取各截距的倒数1/x，1/y，1/z；4)将三倒数化为互质的整数比，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，记为(hkl)。说明：（1）晶面指数所代表的不仅是某一晶面，而是代表着一组相互平行的晶面。（2）凡晶面上原子的排列方式完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示。

（3）六方晶系中的晶向、晶面指数

(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning™

六方晶系的晶向指数和晶面指数采用4轴坐标标定：a1，a2，a3及c四个晶轴为坐标轴，a1，a2，a3之间的夹角均为120度，a1，a2，a3与c之间的夹角均为90度。

晶向指数以[uvtw]四个指数来表示，晶面指数以(hkil)四个指数来表示。根据几何学，三维空间独立的坐标轴最多不超过三个。存在以下关系：u+v=-t，

h+k

＝－i。（3）六方晶系中的晶向、晶面指数

六个柱面的晶面指数：六条棱边的晶向指数：晶向指数与晶面指数

之间的关系：1

指数相同的晶向和晶面垂直；2当晶向指数（uvw)和晶面指数(hkl)之间具有：

hu+kv+lw=0时，则该晶向和晶面具有平行关系。晶面间距

相邻两个平行晶面之间的垂直距离称为晶面间距dhkl

。由晶面指数可求出面间距。通常，低指数的面间距较大，而高指数的晶面间距则较小（图1-17）。晶面间距越大，则该晶面上的原子排列越紧密，相反，晶面间距越小的晶面，原子排列越稀疏。晶面间距原子面密度(最大的面)称为密排面。简单立方密排面为{100}，体心立方密排面为{110}，面心立方密排面为{111}，在各自的结构中具有最大的面间距。

面间距越大，晶体滑移越容易。晶面间距原子线密度

(最大的方向)称为密排方向。简单立方密排方向为<100>，体心立方密排方向为<111>，面心立方密排方向为<110>。沿密排方向，晶体滑移越容易。本节重点：1.掌握晶面指数、晶向指数的标定方法；2.掌握体心立方、面心立方、密排立方结构的主要特征。3.熟悉常见金属的晶体结构。本节作业：

1、作图表示立方晶系中的（123）,（0-1-2）,（421）晶面和[102],[-211],[346]晶向。2、在六方晶系中画出以下常见晶向[0001],[2-1-10]。40一、多晶体结构第二节金属的实际结构和晶体缺陷晶界各向同性晶粒度亚晶41

实际晶体中由于晶体的生长条件、晶体中原子的热运动、材料加工过程中各种因素的影响，原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在偏离理想结构的区域。通常把这种偏离平衡位置而出现不完整性的区域称为晶体缺陷。但必须指出，缺陷的存在只是晶体中局部的破坏，它只是一个很小的量，从整体上看晶体还是完整的。二、晶格缺陷42

根据晶体缺陷的几何特征，晶体缺陷可分为三类：

（1）点缺陷：

在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷，相当于原子数量级。如：空位、间隙原子、置换原子等。（2）线缺陷：在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上的尺寸很大的缺陷，主要指位错。（3）面缺陷：在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大的缺陷。如：晶界、相界、表面等。

43（一）点缺陷点缺陷的类型（1）空位：肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子（自间隙原子、异类间隙原子）。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。44点缺陷的形成晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。晶体中存在能量起伏，使得某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。ΔGmBA’A晶格中的势能分布

空位是一种热平衡缺陷。温度越高，空位浓度越大。45点阵畸变：点缺陷的存在，使得周围原子相互之间的作用力失去平衡，为了达到新的平衡，原子需要重新调整其平衡位置，从而使点阵产生弹性畸变，即点阵畸变，又称晶格畸变。点缺陷周围原子偏离了其平衡位置，形成弹性应力场。形成点缺陷后，晶体的内能升高，增加的能量称为点缺陷形成能。46

点缺陷的形成与运动（1）平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2）点缺陷的运动（迁移、复合－浓度降低；聚集－浓度升高－塌陷）47点缺陷对晶体性能的影响（1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）。（2）性能变化：物理性能（如电阻率增大）。（3）力学性能（屈服强度提高）。（4）增大扩散系数。48（二）线缺陷

晶体中的线缺陷指各种类型的位错，是晶体中某处一列和若干列原子发生了有规律的错排现象，错排区是细长的管状畸变区域，长度可达几百至几万个原子间距，宽度仅几个原子间距。位错主要有两种模型：一种为刃型位错，一种为螺型位错。位错对材料的塑性变形、强度、断裂等力学性能起着决定性的作用。同时，位错对扩散、相变等过程也有较大的影响。49（1）刃型位错模型：1）有一多余半原子面；

2）位错线┻晶体滑移方向。

位错类型50（1）刃型位错51（1）刃型位错52

在位错线周围一个有限区域内，原子离开了其平衡位置，即产生了点阵畸变。点阵畸变区出现弹性应力场。（1）点阵畸变在多余半原子面两侧左右对称。（2）在含有半原子面部分，晶体受压应力；在不含半原子面部分，晶体受拉应力。通常把点阵畸变程度大于正常原子间距1/4的区域称为位错宽度，约3～5个原子间距。因此，位错线并不是一条几何上的线，而是以位错线为中心包含几个原子间距的一个狭长管道。（1）刃型位错53分类：正刃型位错（┻）：多余半原子面在上；负刃型位错（┳）：多余半原子面在下。刃型位错的正负之分并无本质区别，只是为了表示两者的相对位置，便于以后讨论。（1）刃型位错54（2）螺型位错screwdislocation模型：1）无多余半原子面；

2）位错线//晶体滑移方向。分类：左螺型位错；右螺型位错。55（2）螺型位错screwdislocation56（2）螺型位错screwdislocation(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning57（3）混合型位错模型：位错线既不垂直于滑移方向，也不平行于滑移方向。混合型位错可以分解为刃型位错和螺型位错。58位错的性质：1）是已滑移区和未滑移区的边界。2）位错线不能在晶体内部中断。在晶体内，位错可以自成闭合的位错环，或者和其他位错相连接，或者穿过晶体终止在晶界或晶体表面。593位错密度（1）表示方法：ρ＝L/Vρ＝n/A式中

L――位错线的总长度；

V――晶体体积。

A――晶体的截面面积；

n――过A面积的位错线数目。

位错密度的单位为1/m2。一般经过充分退火的金属中位错密度为1010～1012m-2；而经剧烈冷变形的金属中位错密度高达1015～1016m-2以上。603位错密度（2）晶体强度与位错密度的关系

（τ-ρ图）

c

两种提高工程材料强度的途径：（1）尽量减小位错密度，制造几乎不含位错的结构完整的小晶体，比如晶须（丝状单晶体）。例如直径为1.6µm的铁晶须，其抗拉强度高达13400MN/mm2，而工业纯铁的抗拉强度仅有300MN/mm2；（2）尽量增大位错密度，比如制造非晶态材料。

61位错观察：浸蚀后电镜下观察(c)2003Brooks/ColePublishing/ThomsonLearning62位错观察：浸蚀后电镜下观察63SmithWF.FoundationsofMaterialsScienceandEngineering.McGRAW.HILL.3/E位错观察：浸蚀后电镜下观察64位错组态

位错在晶体中的分布形式很多。位错在经充分退火的金属中，相互连接成网络，称之为位错网；也可以垂直排列成小角度晶界；经塑性变形的金属中，位错可以在滑移面上形成塞积群；也可能在夹杂物或沉淀物周围形成位错环；也可能形成更复杂的位错缠结等．65

（三）面缺陷

晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体的内界面（包括晶界、亚晶界、孪晶界、相界、堆垛层错等）。面缺陷对金属的物理性能、化学性能和力学性能都有着重要影响。66

1晶界晶界：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面。67

1晶界根据相邻晶粒位向差的大小，可把晶界分为小角晶界和大角晶界两种类型：（1）小角度晶界：晶粒位向差小于10°的晶界。其结构为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。（2）大角度晶界：当两个相邻晶粒之间的位向差大于10°的晶界。68

（1）小角度晶界对称倾侧晶界：晶界结构由一系列间距一定的刃型位错组成。转轴平行于晶界。69（1）小角度晶界对称倾侧晶界对称倾侧晶界：晶界结构由一系列间距一定的刃型位错组成。70

（1）小角度晶界扭转晶界扭转晶界：晶界结构由互相交叉的螺型位错组成，转轴垂直于晶界。71（1）小角度晶界

对称倾侧晶界和扭转晶界是小角度晶界的两种简单形式。一般情况下，小角度晶界都可看成是两部分晶体绕某一轴旋转一角度而形成的，只不过其转轴既不平行于晶界也不垂直于晶界。对于这样的小角度晶界，可看作是由一系列刃位错、螺位错或混合位错的网络所构成。

72

（2）大角度晶界其结构为几个原子范围内的原子的混乱排列，可视为一个过渡区。73

（2）大角度晶界界面不是光滑的曲面，而是由不规则的台阶组成的。分界面上既包含有同时局于两晶粒的原于D，也包含有不属于任一晶粒的原子A；既包含有压缩区B，也包含有扩张区C。74

晶界是原子或离子扩散的快速通道，也是空位消除的地方，这种特殊作用对固相反应、烧结起重要作用，对陶瓷、耐火材料等多晶材料性能如蠕变、强度等力学性能影响较大。75

（3）界面能小角度晶界界面能：大角度晶界界面能基本为一恒定值。76

2亚晶界亚晶界：位向差小于1度的亚晶粒之间的边界。为刃型位错结构。77

3孪晶界孪晶：孪晶是指相邻两个晶粒或一个晶粒内部的相邻两部分的原子相对于一个公共晶面呈镜面对称排列，此公共晶面称为孪晶面。孪晶界可分为两类：共格孪晶界和非共格孪晶界。孪晶界与孪晶面一致的界面称为共格孪晶界。孪晶界与孪晶面不一致的界面称为非共格孪晶界。在形变过程中和退火过程中容易形成孪晶。78

4相界（1）相界：相邻两个相之间的界面。分类：共格、半共格和非共格相界。79

5界面特性（1）界面能会引起界面吸附。（2）界面上原子扩散速度较快。（3）对位错运动有阻碍作用。（4）易被氧化和腐蚀。（5）原子的混乱排列利于固态相变的形核。80本节要求：

1．点缺陷掌握点缺陷的类型、点缺陷对材料性能的影响。2．线缺陷掌握刃型位错和螺型位错的原子模型。3．面缺陷掌握小角侧倾晶界、扭转晶界、大角晶界、孪晶界、共格相界、非共格相界的界面特点；不同界面的界面能相对大小。

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炼钢浇注第三节

金属的结晶与铸锭8283结晶：物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。结晶过程影响材料的工艺性能、使用性能和寿命。84一、结晶的概念1液态材料的结构结构：长程无序而短程有序。

852结晶过程（微观现象）（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）863过冷现象

supercooling（宏观现象）（1）过冷：金属的实际开始结晶温度Tn总是低于理论结晶温度Tm的现象。

（2）过冷度：液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实际温度之差。△T=Tm-Tn(见冷却曲线)Tm:理论结晶温度（熔点）Tn:实际开始结晶温度87冷却曲线的几个特点：1.冷却曲线上出现温度回升现象在实际开始结晶温度，大量晶核形成释放的结晶潜热多于金属向外界散失的热量，导致出现温度的回升。Tm:理论结晶温度（熔点）Tn:实际开始结晶温度2.在纯金属的冷却曲线上出现“平台”液态金属在结晶过程中释放的结晶潜热与金属向外界散失的热量达到平衡。3.“平台”的温度与熔点的关系

“平台”的温度低于熔点（理论结晶温度）。冷却速度越慢，“平台”的温度越接近理论结晶温度。88注:

过冷是结晶的必要条件(结晶过程总是在一定的过冷度下进行)。

为什么？891热力学条件

热力学第二定律指出：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。金属状态不同，自由能也不同。状态的自由能可表示为G＝H－TS

式中：G

为吉布斯自由能，H为焓（热函），

T为绝对温度，S为熵。

熵是表征系统中原子排列有序度的参数，恒为正值。温度升高，熵值增加。液相的熵值比固相大。901热力学条件（2）热力学条件

△GB=Lm△T/Tma△T>0,△GB>0——过冷是结晶的必要条件（之一）。

b△T越大,△GB越大——过冷度越大，越有利于结晶。

c△GB为凝固过程的驱动力。△GB=GL-GS91

液态金属的结构结构：长程无序而短程有序。

晶核从何而来？2、结构条件92结构起伏：液态材料中出现的短程有序原子集团的时隐时现现象。结构起伏是产生晶核的基础。

只有尺寸比较大的结构起伏才有可能转变为晶核，称为晶胚。在一定的温度下，不同尺寸的结构起伏出现的几率不同（左图）。

rmax

大小与过冷度有关（右图）。rmax△T出现几率结构起伏大小rmax931液态金属的形核方式有两种：

（1）均匀形核在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶坯直接成核的过程。

（2）非均匀形核在过冷的液态金属中，晶坯是依附在其他物质表面上成核的过程。非均匀形核较均匀形核容易。在实际金属中或多或少存在许多的杂质以及外表面，实际金属的结晶主要按非均匀形核方式进行。二、结晶时晶核的形成和成长过程942液固界面微结构

粗糙界面：微观粗糙、宏观平整－金属或合金材料的界面。

光滑界面：微观光滑、宏观粗糙－无机化合物或亚金属材料亚金属铋、锑、镓、砷和半导体锗、硅等的界面。这两种界面结构存在时，界面能量最低。

光滑界面粗糙界面953晶体长大的机制粗糙界面：垂直长大。96光滑界面：横向长大（二维晶核长大、螺型位错长大）。二维晶核长大模型3晶体长大的机制97光滑界面：横向长大（二维晶核长大、螺型位错长大）。3晶体长大的机制螺型位错长大模型983晶体长大机制几种晶体长大机制的比较：1.垂直长大是一种连续长大方式，长大速度快（如定向凝固）；需要过冷度小（0.01-0.05℃)。2.二维晶核长大不能连续进行，长大速度很慢。3.螺型位错长大是一种连续长大方式(有永不消失的台阶）。但由于只能在台阶侧面生长，长大速度也较慢；需在较大的过冷度（1-2℃）下进行。994晶体的长大形态固-液前沿液相中的温度梯度（1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）（2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）

正梯度负梯度1004晶体的长大形态平面状长大形态（正温度梯度）粗糙界面：平面状。光滑界面：台阶状（小平面状）。101

树枝状长大形态（负温度梯度）粗糙界面：树枝状。光滑界面：α较小时，呈树枝状－多面体—台阶状。

α很大时，规则形状。4晶体的长大形态102©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.4晶体的长大形态

负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）103形核率N

：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。长大速度G

：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。三、影响晶核的形成和长大速率的因素1041、过冷度的影响形核率与过冷度的关系

N=N1(∆GK).N2(∆

GA)

由于N受N1(形核）.N2（扩散）两个因素控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线的关系。形核率与过冷度的关系金属形核率与过冷度的关系工业中通常通过快速凝固获得细晶粒和非晶。105

孕育处理孕育——向液态金属中添加少量孕育剂促进液态金属内部形核，以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的。

A.形核剂：

a）熔点高，直接作为外加晶核

b）通过与液态金属的相互作用形成高熔点化合物而产生非均匀晶核－能与液相中某些元素组成较稳定的化合物

如，铝液中加入Ti，形成TiAl3；钢中加入Ti、V等生成TiC、VC可起到细化晶粒的作用。2、未熔杂质的影响106孕育处理107铸件的典型晶粒凝固组织（三个晶区）：表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚。柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成。中心等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。四、金属铸锭的组织108

晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织：

完全柱状晶

完全等轴晶109

形成原因：（1）铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。（2）各种形式的晶粒游离（浇注时液体冲刷、液体对流造成）。细化程度取决于（1）浇注温度、铸型导热能力：浇注温度越高、铸型导热能力越强，不利于细晶区形成；（2）合金成分：溶质含量越多，造成“颈缩”，利于细晶区形成。（3）非金属夹杂物含量：型壁附近熔体内大量的“非均匀形核”，利于细晶区形成。

1、表面细晶粒区的形成110稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。生长方式：择优生长2、内部柱状晶区的形成择优生长:各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶生长迅速，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。竞争淘汰:离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。111柱状晶区影响因素：（1）铸型导热能力：铸型导热能力越强，有利于柱状区形成；（2）合金成分：溶质含量越少，有利于柱状晶区形成。（3）非金属夹杂物含量：非金属夹杂物含量少，有利于柱状晶区形成。2、内部柱状晶区的形成穿晶组织凝固壳层→界面处晶粒单向散热→晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶112晶核来源：（1）过冷液态金属直接形核溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核（2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体

1）激冷游离晶

2）型壁晶粒脱落

3）液面晶粒沉降（结晶雨）上述晶粒随着液流漂移到铸件心部，通过增殖（枝晶熔断），长大形成内部等轴晶（3）共格的非金属夹杂物的非均匀形核3、中心等轴晶区的形成

－－液态金属内部晶核自由生长的结果

1131）激冷游离晶因浇注温度低，浇注中形成的激冷游离晶凝固初期形成的激冷游离晶非均质形核的激冷游离晶114图型壁晶粒脱落示意图型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离115

图枝晶分枝“缩颈”的形成2）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离1162）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离1173）“结晶雨”游离晶液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→→密度比液体大→下沉→产生晶粒游离。多发生在大型铸锭的凝固过程中118铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的