铸锭组织观察

铸锭组织观察一、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二、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。三、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使晶粒细化。液态金属的过热也会影响晶粒的大小。一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下面以铸锭的纵抛面，进行研究，在抛面上，铸锭有不同特点的三个区域。（1）表面细晶区——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。（2）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，使晶粒定向的向晶粒内部生长。（3）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℃预热室温室温500℃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3~5min，将晶粒显示出来后置于流动水下冲洗并吹干。（4）观察各种浇铸条件下的铝铸锭剖面不同区域的组织特征，画出宏观组织示意图。五、实验报告及要求（1）实验目的。（2）画出一种凝固条件下铸锭组织的示意图，说明浇铸条件。（3）对比不同浇铸条件下得到的铸锭组织，说明浇铸条件所带来的影响