單元二

金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)01純金屬的結(jié)晶02合金的相結(jié)構(gòu)03本章內(nèi)容合金的結(jié)晶04金屬鑄錠組織05金屬的塑性變形與再結(jié)晶06本章內(nèi)容在外界條件一定時，材料的性能取決于金屬材料的化學(xué)成分、原子集合體的結(jié)構(gòu)（晶體結(jié)構(gòu)）和內(nèi)部組織（晶粒組織）。一般來說，構(gòu)成材料的化學(xué)成分不同，材料表現(xiàn)出來的性能也不同；晶體結(jié)構(gòu)不同，材料的性能也不一樣。晶粒組織粗大，材料的性能低，晶粒組織細(xì)小，材料的性能高。金屬材料的性能與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有著很大的關(guān)系。因此，了解金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，對于生產(chǎn)中的選材和確定加工的方法，具有很重要的指導(dǎo)作用。項(xiàng)目概述項(xiàng)目目標(biāo)了解相的概念以及合金的相結(jié)構(gòu)；03了解金屬的晶體結(jié)構(gòu)，熟練掌握單晶、多晶與晶粒、晶體與非晶體、晶格與晶胞概念，了解金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變過程；01掌握純金屬的結(jié)晶過程及控制鑄件晶粒大小的措施；02項(xiàng)目目標(biāo)掌握金屬塑性變形對金屬組織的性能的影響，了解金屬的再結(jié)晶和熱加工；06掌握杠桿定律，勻晶相圖、共晶相圖和包晶相圖的分析方法；04了解金屬鑄錠的組織、鑄錠缺陷以及如何有效的控制鑄錠組織；05一切物質(zhì)都是由原子組成，根據(jù)內(nèi)部原子的聚集狀態(tài)不同，固態(tài)物質(zhì)可分為晶體和非晶體兩類。在晶體中如食鹽、雪花、各種金屬制品等，原子按一定的規(guī)律周期性排列，晶體具有固定的熔點(diǎn)（如銅的熔點(diǎn)為1083℃），且在不同方向上具有不同的性能，即晶體表現(xiàn)各向異性。而非晶體（如玻璃、松香、瀝青等）的內(nèi)部原子則是無規(guī)則地堆積在一起的，最多是局部的短程有序。與晶體不同，非晶體沒有固定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)，而是一個溫度范圍，且子非晶體各個方向上的原子聚集密度大致相同，即表現(xiàn)出各向同性。雖然晶體和非晶體有著本質(zhì)上的差別，但在一定條件下，非晶體和晶體相互轉(zhuǎn)化。例如，玻璃高溫加熱后可形成晶態(tài)玻璃，而金屬經(jīng)極速冷卻后可制成非晶金屬。一、晶體與非晶體原子通過結(jié)合鍵可構(gòu)成分子，原子之間或分子之間也靠結(jié)合鍵聚結(jié)成固體狀態(tài)。結(jié)合鍵可分為化學(xué)鍵和物理鍵兩大類?；瘜W(xué)鍵即主價(jià)鍵，它包括金屬鍵、離子鍵和共價(jià)鍵；物理鍵即次價(jià)鍵，也稱范德華力。此外，還有一種稱為氫鍵，其性質(zhì)介于化學(xué)鍵和范德華力之間。金屬元素區(qū)別于其他元素的共性在于原子內(nèi)部最外層電子數(shù)不多于三個，這個特點(diǎn)決定了金屬原子間的結(jié)合鍵為金屬鍵，金屬的許多特性也因此得以解釋。例如，自由電子在一定電位差下運(yùn)動構(gòu)成優(yōu)良的導(dǎo)電性。另外，在金屬一端受熱，該處的正離子的振動會加強(qiáng)，表現(xiàn)為溫度升高，它們的能量經(jīng)過自由電子的碰撞將溫度傳到整塊金屬，金屬表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性。二、金屬原子的結(jié)合及其特性為了便于描述和理解晶體中原子在三維空間排列的規(guī)律性，可把晶體中的原子近似看成是剛性的球體，如圖2-1（a）所示，用一些假想的幾何線條連接各個原子的中心，構(gòu)成一空間結(jié)構(gòu)如圖2-1（b）所示的三維空間格架。這種表示晶體中原子排列形式的三維空間格架叫空間點(diǎn)陣或晶格。根據(jù)晶體中原子排列的規(guī)律性和周期性的特點(diǎn)，我們可以從晶格中取出一個能完全代表晶格結(jié)構(gòu)特征的最基本的幾何單元，這種基本單元叫晶胞，如圖2-1（c）所示。晶胞的各棱邊長a、b、c叫作晶格常數(shù)；晶胞各棱邊之間的夾角分別以α、β、γ表示，稱為軸間夾角。三、晶格與晶胞具有體心立方晶格的金屬有α-Fe、Cr、W、V等14種。金屬晶體結(jié)構(gòu)類型很多，絕大多數(shù)都具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最型的有以下三種：體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。在已知的80多種金屬元素中，大部分金屬的晶體結(jié)構(gòu)分別屬于這三種類型。很顯然晶格類型不同，即指晶體結(jié)構(gòu)不同。1.體心立方晶格體心立方晶格的晶胞如圖2-2所示。晶胞的三棱邊長度相等，即a=b=c，三個軸之間的夾角均為90°，構(gòu)成一立方體，如圖2-2（b）所示。立方體的8個頂角和立方體中心各排列一個原子，立方體中心的原子完全屬于該晶胞，而每個頂角上的原子為相鄰的8個晶胞所共有。故體心立方晶格的致密度K（晶胞內(nèi)所有原子的體積和整個晶胞的體積的比值）為四、常見金屬晶格類型2.面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如圖2-3

所示，也是一個立方體，立方體邊長為a。在立方體的8

個頂角和6

個面中心各排列一個原子，每個面上的原子同時屬于相鄰兩個晶胞，每個頂角上的原子為相鄰的8個晶胞所共有。故面心立方晶格的致密度K為四、常見金屬晶格類型大部分金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，有些金屬如鐵、鈦、鈷、鎳等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)。這類金屬在加熱或冷卻的過程中，晶體結(jié)構(gòu)會隨溫度變化發(fā)生變化，金屬的這種現(xiàn)象，稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。金屬由同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的得到的不同晶格類型的晶體稱為同素異構(gòu)體。鐵是這類金屬的典型代表，在固態(tài)下，鐵隨溫度變化可發(fā)生兩次同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，形成三種同素異構(gòu)體。純鐵的冷卻曲線和結(jié)構(gòu)變化如圖2-5

所示。鐵在912℃以下時是體心立方晶格，稱為α-Fe；當(dāng)加熱到912℃時發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由體心立方晶格α-Fe

轉(zhuǎn)變成面心立方晶格，稱為γ-Fe；當(dāng)加熱到1

394℃時再次發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由面心立方晶格γ-Fe

體心立方晶格α-Fe

又轉(zhuǎn)變成體心立方晶格，稱為δ-Fe。由于不同的晶體結(jié)構(gòu)致密性不同，故當(dāng)金屬發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，金屬的體積將發(fā)生突然變化。圖2-6

是純鐵加熱時的膨脹曲線。三種同素異構(gòu)體中，α-Fe

和δ-Fe

同屬體心立方結(jié)構(gòu)，致密度小于面心立方結(jié)構(gòu)的γ-Fe，故溫度加熱到912℃時，由α-Fe

轉(zhuǎn)變γ-Fe，純鐵致密度增大，體積減?。粶囟鹊竭_(dá)1

394℃時，由γ-Fe

轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe，致密度減小，純鐵體積膨脹增大。五、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變五、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變1.單晶體與多晶體單晶體是指在一定容積內(nèi)只含有一顆晶粒（外形不規(guī)則的小晶體）的晶體，晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致。這種晶體只有采用特殊的方法才能夠獲得。結(jié)構(gòu)材料很少采用單晶體，實(shí)際金屬是由許多晶格位向不同的晶粒組成的多晶體。晶粒內(nèi)部，晶格位向基本一致，而相鄰的晶粒晶格位向有所不同。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界，有無晶界存在，是單晶體與多晶體的一個區(qū)別。由于金屬是多晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)際測得的金屬性能是各個位向不同的晶粒的平均性能，使金屬顯示各向同性。六、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固，凝固后的固態(tài)金屬通常是晶體，故這一轉(zhuǎn)變過程稱為結(jié)晶。所有通過冶煉和鑄造得到的金屬材料，都要經(jīng)過由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的結(jié)晶過程。研究金屬結(jié)晶過程的基本規(guī)律，對改善金屬材料的組織和性能，都具有重要的意義。一、純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象將純金屬放入干坩堝2中，通過電爐1加熱使金屬熔化成液態(tài)，將熱電阻4插入金屬液中測量溫度并在坐標(biāo)圖上記錄(圖2-12)，讓液態(tài)金屬緩慢均勻冷卻至完全凝固，每隔一段時間測量一次溫度，并在坐標(biāo)圖上記錄，得到如圖2-13所示的純金屬的冷卻曲線。從圖2-13可知：（1）純金屬液的溫度隨時間的增加而逐漸下降。（2）當(dāng)冷卻到T1時，金屬的溫度隨著時間的增加卻穩(wěn)定不變。在這段時間內(nèi)，液態(tài)金屬開始凝固釋放熱量，彌補(bǔ)了金屬對外散發(fā)的熱量，即這段時間金屬正在結(jié)晶，我們把金屬結(jié)晶過程中釋放的熱量叫作結(jié)晶潛熱。T1稱為實(shí)際結(jié)晶溫度。（3）結(jié)晶結(jié)束后，由于金屬繼續(xù)散熱，固態(tài)金屬的溫度隨時間的增加而逐漸下降。（4）過冷現(xiàn)象。金屬的熔點(diǎn)稱為理論結(jié)晶溫度，用T0表示。金屬的實(shí)際結(jié)晶溫度T1總是低于理論結(jié)晶溫度T0的現(xiàn)象，稱為過冷現(xiàn)象。它們的溫度差ΔT=T0－T1，稱為過冷度，過冷度恒大于零。一、純金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象過冷度的大小與金屬的種類、純度以及冷卻速度有關(guān)，可以在很大的范圍內(nèi)變化。對于化學(xué)成分完全相同的金屬，冷卻速度越大，過冷度也越大；反之亦然。液態(tài)金屬的純度低，過冷度小。二、純金屬的結(jié)晶過程二、純金屬的結(jié)晶過程由于晶胞的頂角和棱邊處的散熱性好，缺陷多，液體原子容易固定，晶粒在棱邊和頂角處就優(yōu)先長大，以此類推得到的晶體稱為樹枝狀晶體，簡稱為枝晶，如圖2-17

所示。散熱方向三、晶粒大小及控制措施晶粒大小對金屬力學(xué)性能的影響晶粒大小稱為晶粒度，可以用單位體積內(nèi)晶粒數(shù)目來表示，數(shù)目越多，晶粒越小。為了測量方便，通常用晶粒的平均面積或晶粒的平均直徑來表示晶粒的大小。在常溫下，細(xì)晶粒金屬與粗晶粒金屬相比，具有較高的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。晶粒細(xì)化的方法為提高金屬的力學(xué)性能，必須控制結(jié)晶后晶粒的大小，盡量細(xì)化晶粒。金屬結(jié)晶時每個晶粒都是由一個晶核長大而成的，其晶粒度取決于形核率和長大速度。根據(jù)形核和長大規(guī)律，工業(yè)上常用的細(xì)化晶粒的方法有加大冷卻速度以增加過冷度、變質(zhì)處理和振動處理。純金屬雖然也有很好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，在一些領(lǐng)域得到了一定的應(yīng)用，但純金屬強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能較低，在應(yīng)用上會受到一定限制。因此，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的是合金，而不是純金屬。一、基本概念合金所謂合金就是由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬元素與非金屬元素）經(jīng)過冶煉、燒結(jié)或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金不僅具有較好的綜合機(jī)械性能，而且價(jià)格比純金屬低廉，故應(yīng)用更為廣泛。給定組元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，構(gòu)成一個合金系。組元組成合金最基本的、獨(dú)立的單元稱為組元。由兩個組元組成的合金稱為二元合金，由三個組元組成的合金稱為三元合金，以此類推。相合金中的相是指具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的、均勻的組成部分。固態(tài)下只有一個相的合金稱為單相合金，由兩個或兩個以上相組成的合金稱為多相合金。4.組織合金的相可以以不同數(shù)量、形狀、大小和分布方式組合，構(gòu)成在顯微鏡下觀察到的不同組織。所謂組織，指的是肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。二、固溶體一組元（溶劑）保留自己的晶格類型，另外的組元（溶質(zhì)）以原子形式進(jìn)入其中形成的相稱為固溶體。按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的配置情況即所占位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩類，如圖2-18所示。1.置換固溶體置換固溶體是指溶質(zhì)原子占據(jù)了部分溶劑原子晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體，如圖2-18（a）所示。置換固溶體通常是溶質(zhì)原子任意分布的無序固溶體；在一定條件下少數(shù)合金（如Cu-Au

合金）的溶質(zhì)原子會以一定的比例按一定規(guī)律分布在溶劑晶格結(jié)點(diǎn)上，這種固溶體稱為有序固溶體（或稱超結(jié)構(gòu)）。金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但固溶能力相差懸殊。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解能力，置換固溶體又可分為有限固溶體和無限固溶體。通常固溶體的溶解度是有限的，這類固溶體稱為有限固溶體；而不存在極限濃度限制的固溶體為無限固溶體，也稱為連續(xù)固溶體，這類固溶體中各組元可按任意比例相互溶解。大量試驗(yàn)表明，大多數(shù)合金只能有限固溶，只有兩組元的晶格類型相同，原子半徑相差很小，原子結(jié)構(gòu)相同時，才可以無限互溶，形成無限固溶體。此外，固溶度還與溫度有關(guān)，溫度越高，固溶度越大。2.間隙固溶體

溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格中各結(jié)點(diǎn)之間的間隙所形成的固溶體為間隙固溶體，如圖2-18（b）所示。實(shí)踐證明只有當(dāng)溶質(zhì)原子半徑與溶劑原子半徑之比r質(zhì)/r劑＜0.59時，才可能形成間隙固溶體，兩者大小相當(dāng)時則易形成置換固溶體。無論是置換固溶體，還是間隙固溶體，溶質(zhì)原子的溶入必然導(dǎo)致溶劑晶格的畸變，增加位錯運(yùn)動的阻力，提高合金的強(qiáng)度和硬度，這就是典型的固溶強(qiáng)化現(xiàn)象。只要能適當(dāng)控制固溶體中溶質(zhì)的含量，固溶體能在顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度的同時，仍能保持良好的塑性和韌性?？梢姽倘軓?qiáng)化是金屬材料，特別是有色金屬材料的主要強(qiáng)化手段之一。在物理性能方面，隨著溶質(zhì)原子濃度的增加，固溶體的電阻率下降，電阻升高，電阻溫度系數(shù)減小。因此工業(yè)上應(yīng)用的精密電阻或電熱材料，如鐵鉻鋁電阻絲等都廣泛采用單相固溶體合金。三、金屬化合物金屬化合物是合金組元間發(fā)生相互作用而生成的具有金屬特性的一種新相，又稱中間相，金屬化合物的熔點(diǎn)一般較高，性能硬且脆。當(dāng)金屬化合物在固溶體上彌散分布時能阻礙位錯的運(yùn)動，使合金的強(qiáng)度、硬度耐磨性等得到很大的提高，但同時也降低了合金的塑性和韌性，這就是所謂的彌散強(qiáng)化現(xiàn)象。金屬化合物是各類合金鋼、硬質(zhì)合金及其他有色金屬的重要組成相。相比純金屬，合金的凝固過程趨于復(fù)雜，合金的結(jié)晶在遵守結(jié)晶的基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，具有的特點(diǎn)主要包括兩方面：一方面合金的結(jié)晶基本上是在一定溫度范圍內(nèi)完成的，而不是在恒溫下進(jìn)行的。在一個合金系中，不同成分的合金的結(jié)晶溫度的起止點(diǎn)是不同的。合金的組織不僅隨成分的不同而不同，還會隨溫度的變化而發(fā)生變化。顯然，僅用簡單的冷卻曲線已經(jīng)無法清楚地表達(dá)合金的結(jié)晶過程，因此我們引入了相圖的概念。相圖是指合金系在平衡條件（等溫、等壓、等容）下，合金的狀態(tài)與成分、溫度與相之間相互關(guān)系的圖形。一、二元合金相圖的建立二元合金相圖可以看成是由合金系中若干不同成分的合金的冷卻曲線合并而成的，通常用熱分析法建立?，F(xiàn)以Ni-Cu二元合金為例說明合金相圖的建立方法與步驟。配置若干組成分不同的Ni-Cu合金并將其熔化。圖2-19（a）給出的是100%Ni、80%Ni+20%Cu、60%Ni+40%Cu、40%Ni+60%Cu、20%Ni+80%Cu以及100%Cu的冷卻曲線。由圖2-19（a）可見，合金的凝固是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，溫度較高的轉(zhuǎn)折點(diǎn)（臨界點(diǎn)）表示結(jié)晶的開始溫度，而溫度較低的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的是結(jié)晶的終結(jié)溫度。二、杠桿定律

二元合金相圖中，為了方便稱呼，往往在各自區(qū)域?qū)懮舷鄳?yīng)的相符號或組織狀態(tài)符號，并給曲線標(biāo)上字母。如圖2-20所示，液相線上方是液相區(qū)，合金是液體狀態(tài)，用L表示。固相線的下方是固相區(qū)，合金是固溶狀態(tài)，用α表示。液相線與固相線之間是結(jié)晶狀態(tài)，用L+α表示。液相區(qū)和固相區(qū)中都只有一個相，屬于單相區(qū)。而由液相線和固相線圍成的那個相區(qū)屬于雙相區(qū)。

結(jié)晶過程中的合金，液相成分和固相成分隨著溫度的下降分別沿液相線和固相線變化。在給定的溫度下，作一條平行于橫軸的直線，與相應(yīng)的相線交點(diǎn)所對應(yīng)的化學(xué)成分就是相應(yīng)相的化學(xué)成分。固液兩相的相對含量可用杠桿定律來確定。三、勻晶相圖

在固態(tài)和液態(tài)下均能無限互溶的二組元構(gòu)成的相圖為勻晶相圖，絕大多數(shù)的二元相圖都包括勻晶轉(zhuǎn)變部分。勻晶相圖是最簡單的二元合金相圖，只有兩個單相區(qū)L及α，一個兩相區(qū)L＋α，如圖2-21所示。Cu-Ni，An-Ag，An-Pt等合金具有這類相圖。三、勻晶相圖

合金的結(jié)晶過程和純金屬一樣，也包括形核與長大兩個階段。合金的結(jié)晶是在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，由于液、固兩相的成分隨溫度下降不斷地發(fā)生變化，因此，結(jié)晶過程依賴于兩組元原子的擴(kuò)散。若結(jié)晶過程中有充分時間進(jìn)行組元間的擴(kuò)散，以達(dá)到平衡相的成分，這個過程稱為平衡結(jié)晶。需要著重指出的是，在每一溫度下，平衡結(jié)晶實(shí)質(zhì)包括三個過程：液相內(nèi)的擴(kuò)散過程；固相的繼續(xù)長大；固相內(nèi)的擴(kuò)散過程。

平衡結(jié)晶得到的固溶體晶粒內(nèi)的成分是均勻一致的。如果結(jié)晶是在不平衡的條件下（如冷卻速度較快）進(jìn)行的，則會出現(xiàn)先析出的α晶體的成分來不及擴(kuò)散，就被另一成分析出的α晶體包圍，造成晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的枝晶偏析現(xiàn)象，這個過程叫作非平衡結(jié)晶過程。

枝晶偏析是非平衡凝固的產(chǎn)物，在熱力學(xué)上是不穩(wěn)定的，通過“均勻化退火”或稱“擴(kuò)散退火”，即在固相線以下較高的溫度（要確保不能出現(xiàn)液相，否則會使合金“過燒”）經(jīng)過長時間的保溫使原子擴(kuò)散充分，使之轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶饨M織。四、共晶相圖

在液態(tài)相互溶解的兩組元，在一定溫度一定成分下同時結(jié)晶出兩種固相，這種轉(zhuǎn)變叫作共晶轉(zhuǎn)變。具有共晶轉(zhuǎn)變的相圖叫作共晶相圖。結(jié)晶出的兩種固相只能部分互溶，甚至完全不溶，其混合物稱為共晶組織或共晶體，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的溫度稱為共晶溫度，它比各組元的熔點(diǎn)都低。圖2-22所示的Pb-Sn合金相圖是一個典型的二元共晶相圖，具有這種相圖的還有Pb-Sn系、Al-Si系、Ag-Cu系等。五、包晶相圖

已結(jié)晶的固相與剩余液相反應(yīng)形成另一固相的恒溫轉(zhuǎn)變稱為包晶轉(zhuǎn)變，具有包晶轉(zhuǎn)變的相圖叫包晶相圖。發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變時的溫度稱為包晶溫度。組成包晶相圖的兩組元，在液態(tài)時可無限互溶，而在固態(tài)時只能部分互溶。具有包晶轉(zhuǎn)變的二元合金有Cu-Zn、Ag-Sn、Pt-Ag等。

圖2-23所示為Pb-Sn合金相圖，圖中ACB是液相線，APDB是固相線，PE是Ag在Pt為基的α固溶體的溶解度曲線，DF是Pt在Ag為基的b固溶體的溶解度曲線。共三個單相區(qū)：液相L、固相α和固相β，此外還有3個兩相區(qū)，即L+α、L+β和α+β。水平線PDC是一條三相（L、α、β）共存線，成分在PC范圍內(nèi)的合金在該溫度都將發(fā)生包晶轉(zhuǎn)變，包晶轉(zhuǎn)變反應(yīng)式如下：

鑄錠組織包括晶粒大小、形狀和取向，合金元素和雜質(zhì)分布以及鑄錠中的缺陷（縮孔、氣孔、夾雜物等）。鑄件的鑄態(tài)組織影響其機(jī)械性能，鑄錠的鑄態(tài)組織影響著其后續(xù)的加工性能以及成品的使用性能。因此了解鑄件或鑄錠的鑄態(tài)組織是十分必要的。一、鑄錠的組織1.表面細(xì)晶區(qū)（激冷帶）表面金屬液與鑄模接觸，迅速冷卻為一薄層細(xì)小等軸晶粒，組織致密，雜質(zhì)少，機(jī)械性能好，但厚度太小，沒有多大實(shí)際意義。2.柱狀晶區(qū)形成細(xì)晶區(qū)時，金屬遇冷收縮，模壁迅速升溫而膨脹，細(xì)晶區(qū)與模壁之間形成一空氣層，向外散熱能力下降，再加上結(jié)晶潛熱的釋放，造成靠近固液界面的液體前沿過冷度減小，形成新晶核的可能性不大。由于鑄模在高度方向上的尺寸是大于截面尺寸的，并且鑄模側(cè)面到中心溫差較大，只有在垂直模壁的方向上散熱條件相對好些，因此，枝晶沿此方向生長，最后形成柱狀晶粒。一、鑄錠的組織

當(dāng)鑄模表面和中心溫差過大且無新晶核生成，柱狀晶可以長到鑄錠中心，甚至與對面的柱狀晶相連接，形成穿晶，如圖2-25所示。此時第三層晶粒組織便不存在。相反之下，柱狀層也有可能不存在。3.中心等軸晶區(qū)隨柱狀晶發(fā)展，越靠近鑄錠中心，散熱越困難，剩余液體溫度趨于均勻，加上雜質(zhì)的作用，即使液體在過冷度很小的條件下也開始結(jié)晶，直到與柱狀晶接觸完成結(jié)晶為止。由于此時散熱不具有方向性，等軸晶區(qū)的晶粒在各個方向上的尺寸接近均等，呈顆粒狀分布，且粗大，組織比較疏松。二、鑄錠組織控制

不同晶區(qū)具有不同的性能，如柱狀晶組織致密，性能具有方向性；細(xì)晶區(qū)晶粒細(xì)小，機(jī)械性能好等。在不同的凝固條件下，設(shè)法使性能好的晶區(qū)盡可能大，不利的晶區(qū)盡量減少，直至消失，是非常有意義的。鑄錠組織中柱狀晶對性能的影響占主要地位，了解影響柱狀晶生長的因素是很有必要的。

鑄造溫度低，冷卻速度慢，有利于保持截面溫度的均勻性，促進(jìn)等軸晶的形成，適用于鋼鐵鑄件的組織。由于柱狀晶的接觸面常有非金屬雜質(zhì)或低熔點(diǎn)雜質(zhì)，為了避免在熱軋、鍛造時開裂，對于熔點(diǎn)高和雜質(zhì)多的金屬，不宜生成柱狀晶。

鑄態(tài)金屬材料往往存在晶粒粗大不均、不致密等缺陷，所以大多數(shù)金屬材料在冶煉澆鑄后，都要經(jīng)過軋制、冷拔、鍛造、沖壓等塑性加工，使金屬產(chǎn)生各種塑性變形，得到所需的外形尺寸，并改善金屬材料的組織和性能，從而提高金屬材料的機(jī)械性能。因此研究金屬的塑性變形規(guī)律對于改進(jìn)加工工藝、提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品的質(zhì)量、合理使用材料等都具有重要的指導(dǎo)意義。塑性變形方式主要有：滑移、孿生、扭折、晶界滑動和擴(kuò)散性蠕變等。一、單晶體的塑性變形

如圖2-26（a）所示，對單晶體進(jìn)行拉伸，晶體受到的外力P在晶體內(nèi)的某一晶面分解為兩種應(yīng)力。一個是垂直于該晶面的應(yīng)力，即正應(yīng)力σ，另一個是平行于該晶面的應(yīng)力，即切應(yīng)力τ。在正應(yīng)力作用下，彈性范圍內(nèi)，晶體被拉長，撤力后，晶體又恢復(fù)原狀，增大正應(yīng)力，則晶體被拉斷，圖2-26（b）所示；而切應(yīng)力作用下，晶格在彈性扭曲之后，進(jìn)一步伸長變形，造成滑移，如圖2-26（c）所示。通過大量的滑移面的滑移，最終宏觀上表現(xiàn)為試樣被拉長，同時滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動和扭曲，如圖2-26（d）?；齐m然是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的，但實(shí)際上取決于滑移面內(nèi)滑移方向上的分切應(yīng)力的大小。只有當(dāng)分切應(yīng)力大于某一臨界值時才能滑移，該臨界值即為臨界分切應(yīng)力，用符號τk表示。二、多晶體的塑性變形

工業(yè)中實(shí)際使用的金屬大多是多晶體，室溫下多晶體塑性變形的基本方式也是滑移和孿生。由于多晶體是由許多形狀、大小、位向各不相同的晶粒組成的，并且多晶體內(nèi)存在大量晶界，從而使多晶體的塑性變形比單晶體復(fù)雜得多。

外力作用下，晶體內(nèi)各晶?；拼涡蚝妥冃瘟侩S晶粒位向和晶界數(shù)目的不同而不同。晶粒中的各個晶粒并不是同時發(fā)生塑性變形的，分切應(yīng)力大的滑移系，首先發(fā)生滑移，到達(dá)晶界時，由于晶界處原子排列不規(guī)則，阻礙了位錯的運(yùn)動，并在晶界附近堆積，與此同時，位錯運(yùn)動還受到鄰近不同位向的晶粒的阻礙。隨著外力的增加，位錯進(jìn)一步堆積，最終致使鄰近晶粒中位錯開始，變形便從一批晶粒傳遞到另一批晶粒。單位體積內(nèi)的晶粒越細(xì)小，晶粒的數(shù)目就越多，晶界就越多，不同位向的晶粒也越多，受到的塑性變形抗力越大，表現(xiàn)出較好的塑性和韌性。因此要盡可能的細(xì)化晶粒，提高材料的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性。三、塑性變形對金屬組織和性能的影響1.塑性變形對組織結(jié)構(gòu)的影響（1）塑性變形還會使晶體內(nèi)部晶粒破碎，形成位向不同的小晶塊，即亞結(jié)構(gòu)。在亞結(jié)構(gòu)的邊界上聚集著許多位錯，隨變形程度增大，亞結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)化，位錯密度增加，進(jìn)一步增加了滑移的阻力。（2）金屬塑性變形時，外形發(fā)生變化的同時，內(nèi)部晶粒形狀也發(fā)生了很大的變化。通常是晶粒沿變形方向壓扁或拉長。原來沒有變形的晶粒，經(jīng)過加工變形后，晶粒形狀逐漸發(fā)生變化。隨著變形方式和變形量的不同，晶粒形狀的變化也不一樣，如在軋制時，單個晶粒沿著變形方向逐漸伸長，變形量越大，晶粒伸長的程度也越顯著。（3）多晶體在塑性變形時也伴隨有晶體的轉(zhuǎn)動，變形量很大時，多晶體中原為任意取向的各個晶粒會逐漸取向趨于一致。這種由于塑性變形的結(jié)果而使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫作變形織構(gòu)。變形織構(gòu)有絲織構(gòu)和板織構(gòu)兩種類型。三、塑性變形對金屬組織和性能的影響2.塑性變形對金屬性能的影響（1）加工硬化。位錯運(yùn)動時產(chǎn)生的固定割階、位錯纏結(jié)等障礙引起的變形抗力增大，使塑性變形困難，即金屬的強(qiáng)度和硬度隨變形量增大而增加，塑性和韌性則下降，金屬的這一現(xiàn)象即為加工硬化或形變強(qiáng)化。加工硬化可以提高金屬的強(qiáng)度，是強(qiáng)化金屬的重要手段，尤其對那些不能用熱處理強(qiáng)化的金屬材料顯得更為重要。加工硬化也是某些工件或半成品能夠加工成形的重要因素。另一方面，加工硬化使金屬塑性降低，使進(jìn)一步的冷塑變形困難，進(jìn)一步變形需要更大的動力。有時由于塑性過低，繼續(xù)變形會導(dǎo)致金屬開裂，可以通過中間熱處理來消除加工硬化，但這樣做會增加成本。（2）使金屬產(chǎn)生某些物理和化學(xué)性能變化。經(jīng)過冷塑性變形的金屬，物理性能和化學(xué)性能也發(fā)生變化。比如導(dǎo)熱系數(shù)下降，導(dǎo)電性能和電阻溫度系數(shù)下降。變形后由于晶體缺陷（位錯和空位）的增加，是擴(kuò)散速度的加大。此外，金屬處于高能狀態(tài)，原子活動能力加強(qiáng)，金屬更易腐蝕。（3）殘余應(yīng)力。金屬在塑性變形時，外力所做的功大部分轉(zhuǎn)化為熱能，使金屬溫度升高，隨后散失掉，但尚有一小部分（約10%）保留在金屬內(nèi)部，形成殘余應(yīng)力和晶格畸變。按殘余應(yīng)力作用范圍的不同，分為三類：第一類內(nèi)應(yīng)力（宏觀殘余應(yīng)力）、第二類內(nèi)應(yīng)力（微觀殘余應(yīng)力）、第三類內(nèi)應(yīng)力（晶格畸變）四、回復(fù)與再結(jié)晶

溫度較高時，原子有活動能力，形變后處于高能不穩(wěn)定狀態(tài)的金屬開始向穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，隨著溫度的升高，金屬的結(jié)構(gòu)和性能都有所變化，這種變化分為回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大三個階段。1.回復(fù)圖2-27中，當(dāng)溫度低于在T1時，屬于回復(fù)階段。在這一過程中，主要是各種點(diǎn)缺陷進(jìn)行各種形式的遷移、中和，使點(diǎn)缺陷密度明顯降低，晶格畸變程度大為減輕，從而使內(nèi)應(yīng)力有所降低，但晶粒外形尚無明顯變化，位錯密度降低很少，力學(xué)性能變化不大，冷變形強(qiáng)化狀態(tài)基本保留。回復(fù)退火正是利用這一點(diǎn)得以進(jìn)行的。四、回復(fù)與再結(jié)晶2.再結(jié)晶圖2-27中，從T1升到T2的階段屬于再結(jié)晶階段。T1溫度時，形變組織的晶粒內(nèi)部出現(xiàn)少數(shù)的新晶粒的形核，并逐漸長大，溫度到達(dá)T2后，形變組織消失，晶粒全部變?yōu)榈容S晶粒，性能發(fā)生了明顯變化。再結(jié)晶過程首先是在晶粒碎化最嚴(yán)重的地方產(chǎn)生新晶核，然后晶核吞并舊晶核而長大，直到舊晶核完全被新晶核代替為止。再結(jié)晶后的晶粒內(nèi)部晶格畸變消失，位錯密度減小，金屬的強(qiáng)度、硬度顯著下降，塑性顯著上升，使變形金屬的組織和性能基本上恢復(fù)到變形前的狀態(tài)。3.晶粒長大再結(jié)晶結(jié)束后得到的是無