结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析
一、实验目的
1．熟悉盐类和金属的结晶过程。
2．了解铸造条件对纯金属铸锭组织的影响。
二、实验原理
熔化状态的金属进行冷却时，当温度降到T m（熔点）时并不立即开始结晶，而是当降到T m以下的某一温度后结晶才开始，这一现象称为过冷。熔点T m与开始结晶的温度T m之差ΔT称为过冷度。过冷现象表明，金属结晶必须有一定的
过冷度，只有具有一定的过冷度下才能为结晶提供相变驱动力。
结晶由两个基本过程所组成，即过冷液体产生细小的结晶核心（形核）以及这些核心的成长（长大）。其中，形核又分为均匀形核和非均匀形核。通常情况下，
由于外来杂质、容器或模壁等的影响，一般都是非均匀形核。
由于金属不透明，通常不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。然而通过采用生物显微镜可以直接观察盐溶液的结晶过程。实践证明，对透明盐类结晶过程的研究所得出的许多结论，对于金属的结晶都是适用的。
在玻璃片上摘上一滴接近饱和的氯化铵水溶液，放在生物显微镜下观察其结晶过程。随着液体的蒸发，液体逐渐达到饱和。由于液滴边缘处最薄，将首先达到饱和，放结晶过程首先从边线开始，然后逐渐向里扩展。
结晶的第一阶段是在液滴的最外层形成一圈细小的等轴晶体。这是由于液滴外层蒸发最快，在短时间内形成了大量晶核之故。
结晶的第二阶段是形成较为粗大的柱状晶体，其成长的方向是伸向液滴的中心。这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序是由外向里的，最外层的细小等轴晶中只有少数位向有利的才能向中心生长，而其横向生长则受到了彼此间的限制，因而形成了比较粗大、带有方向性的柱状晶体。
结晶的第三阶段是在液滴中心部分形成不同位向的等轴晶体。这是由于液滴的中心此时也变得较薄,蒸发也较快,同时液体的补充也不足的缘故。这时可以看到明
显的等轴晶体。
图4-1示出了氯化铵水溶液结晶过程的一组照片，其中(a)、(b)为在液滴边缘形成的细小等轴晶体和正在生长的柱状晶体,(c)为在液滴中心部分形成的位向不同
的等轴枝晶。
利用化学中的取代反应，可以看到置换出来的金属以枝晶形式进行生长的过程。例如，在硝酸银水溶液中放入一小段细铜丝，铜将发生溶解，而银则以枝晶形态沉积出来，其反应式为：
Cu+2AgNO3=2Ag+Cu(NO3)2
又如，在硝酸铅水溶液中放入一小块锌。铅会以枝晶形态沉积出来，其反应式为：
Zn+Pb(NO3)2=Pb+Zn(NO3)2
图4-1氯化铵溶液的结晶过程60×
如果用生物显微镜进行观察，就可看到银（或铅）枝晶的生长过程。图2-2为银晶体生长过程的一组照片，其中（a）、（b）为明场照明，（c）为暗场
照明。
需要说明的是，氯化铵水溶液的结晶是依靠水分的蒸发使溶液过饱和而结晶，银晶体是化学反应中被取代出来的金属进行沉积而得到的，而金属的结晶则是液态金属在冷却过程中在一定过冷度下发生的。虽然它们存在上述差别，但我们可以从实验中看到晶体生长的共同特点，即晶体通常是以枝晶形式生长的。
典型金属在结晶过程中具有粗糙的微观固-液界面，当界面前沿的液体具有负温度梯度时，由于界面变得不稳定，晶体将以枝晶形态生长。若金属纯度不高，即使在正温度梯度下也可以枝晶形态进行生长，因为这时的“纯”金属实质上是溶质原子溶于其中的合金了，它将服从固溶体的结晶规律。固溶体的结晶，即使在正温度梯度下也可以枝晶形态生长。因此纯金属的结晶通常都是以枝晶形态生长。
图4-2由取代反应沉淀积出来的银晶体的生长过程60×
图4-3工业纯铝表面的枝晶组织3×
虽然金属通常以枝晶形态生长，但只要液态金属始终能充满枝晶间的空隙，那么在金属铸锭内部只能看到外形不规则的晶粒，而看不到枝晶。然而铸锭表面，特别是缩孔处，由于缺少液态金属的补充往往可以看到枝晶组织。图4-3为在工业纯铝铸锭表面缩孔处看到的枝晶组织。
由于金属不透明，故不能从外部直接观察铸锭内部的组织。但可将铸锭沿纵向或横向剖开，经过磨制和腐蚀，把内部组织显示出来，从而可用肉眼或低倍放大镜观察其内部组织，如晶粒大小、形状及分布等。这种组织称为铸锭的粗视组织。
典型的铸锭组织可分为三个区域：靠近模壁的细晶区（激冷等轴晶区）、由细晶区向铸锭中心生长的柱晶区以及铸锭中心的等轴晶区。在实际情况下，由于铸造条件不同，三个晶区发展的程度也往往不同，在某些情况下，可能只有两个晶区，有时甚至只有一个晶区。
影响铸锭组织的因素很多，如浇铸温度、铸模材料、铸模壁厚、铸模温度、铸锭大小以及是否加晶粒细化剂等。
采用金属模及增加其模壁厚度，可使液态金属获得较大的冷却速率，造成较大的内外温差，将有利于柱状晶区的发展。有些情况下，在中心区域尚未形核时柱状晶就发展到铸锭中心，从而就没有中心等轴晶形成。
浇铸温度越高，内外温差就越大，冷凝所需时间就越长，从而使柱状晶有充分的时间和机会得到发展。
加入一定的晶粒细化剂，可促进非均匀形核，提高形核率，在其它条件相同的情况下有利于得到细小的等轴晶粒。但如果液态金属过热程度太大，将使非自发核心数目减少，易得到较粗大的柱状晶。
机械震动、磁场搅拌、超声波处理等，可促进形核，减弱柱状晶的发展。
图4-4为不同铸造条件下工业纯铝的铸锭组织。由图4-4可以清楚地看出铸模材料和加入晶粒细化剂对金属铸锭组织的影响。
图4-4工业纯铝的铸锭组织
（浇注温高750℃铸模壁原25mm，铸锭尺寸直径50mm，长100mm）
三、实验用设备和材料
1．生物显微镜，氯化铵，硝酸银，硝酸铅，蒸馏水，细铜丝，小锌块，小烧杯，玻璃片，玻璃棒及摄子等。
2．实体显微镜（或放大镜），表面或缩孔处有枝晶组织的金属铸锭。
3．不同铸造条件下工业纯铝铸锭的粗视组织样品一套。
四、实验内容与步骤
1．用生物显微镜观察氯化铵饱和溶液的结晶过程。用玻璃棒引一小滴已配好的氯化铵水溶液到玻璃片上，再将玻璃片放在生物显微镜的试样台上进行观察。要注意所引液滴不可太大，否则蒸发太慢不易结晶。另外还要注意清洁，不要让外来物质落入液滴而影响结晶过程。在使用显微镜时，应注意防止液滴流到试样台或显微镜的其它部位，尤其不能让液滴碰到物镜。
2．用玻璃棒引一滴硝酸银水溶液（稀溶液）到玻璃片上，然后将玻璃片放到生物显微镜的试样台上。对清物象后，用摄于将一小段洁净的细铜丝放在液滴中，随即观察银晶体的生长过程。根据同一原理，也可用一小块锌放在硝酸铅的稀溶液中，通过生物显微镜观察铅晶体的生长过程。
