结晶过程观察与纯金属铸锭组织分析

分析金属铸锭组织的特点,并简述各区域形成原因。

金属铸锭的组织是造成物理性能的基本要素，研究其组织特点，至关重要，它决定了材料的力学性能。

金属铸锭组织的全景形象由几个区域构成，这些区域的核心特点概括如下：（1）液体枝晶区域：液体枝晶区域是由临界枝晶组成，它们相互缠绕，构成具有柔软性和弹性性质的物质；（2）液态金属块区域：金属块属于凝固金属的临界状态，集中在无织构的小晶区中；（3）凝固金属的晶粒和缺陷：在凝固阶段，介质连接气孔，金属细晶状态中产生缺陷；（4）孔洞区域：液体金属和固体金属在收回速度不同的情况下，恒定收回率，形成各种洞形结构。

金属铸锭中各区域形成的原因主要有：（1）凝固过程中水分析变化：金属铸锭内含有较多的熔融金属，凝固过程中水分析变化，可形成不同的晶体形态；（2）不均匀凝固：铸锭内部的冷却速率取决于铸造工艺和外界
环境的温度，不均匀冷却可以催化金属重新凝固，改变凝固组织；（3）机械条件作用：在液体状态下，金属
受力作用发生变形，由此产生破坏原先的组织，形成新的结构。

综上所述，金属铸锭组织由不同区域构成，它们的核心特点是枝晶组成、造成不均匀冷却、机械条件作用以及液态金属块、凝固金属等。

这些特点决定着金属铸锭材料的性能，直接影响着铸件的质量和性能，因此，对金属铸锭组织的研究，不仅对金属性能的了解有重要意义，而且对铸造成品的质量和性能也有很大的影响。

金属熔炼与铸锭课程实验指导书及实验报告撰写要求图1 具有三个晶区纯铝的熔炼与铁模铸锭一、实验目的1、经过纯铝的熔炼与铁模铸锭，了解有色金属熔铸的一般工艺和操作知识。

2、观察铝锭横截面的铸造组织形貌，了解形成晶粒组织的三个晶区。

3、改变浇铸工艺条件，研究不同的浇铸工艺条件对铸锭晶粒组织的影响。

二、实验原理金属和合金的铸锭晶粒组织一般较为粗大，对铸件横断面稍加打磨、抛光和腐蚀，就可直接进行观察。

铸锭晶粒组织常见三个晶区形貌如图1所示。

（1）表面细等轴晶区当过热金属浇入锭模时，锭模对熔液产生强烈过冷，在模壁附近形成大量的晶核，生长成枝状细等轴晶。

同时，浇铸引起的动量对流，液体内外温差引起的热对流，以及由对流引起的温度起伏，促使模壁上形成的晶粒脱落和游离，增加凝固区内的晶核数目，因而形成了表面细等轴晶区。

（2）柱状晶区在表面细等轴晶区内，生长方向与散热方向平行的晶粒得到优先生长，而与散热方向不平行的晶粒则被抑制。

这种竞争生长的结果，使愈往铸锭内部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并互相接触而形成柱状晶区。

柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。

凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素，均有利于扩大柱状晶区。

浇铸温度高，固/液界面前沿温度梯度大，凝固区窄，从界面上脱落的枝晶易于被完全熔化。

（3）中心等轴晶区柱状晶生长到一定程度，由于前沿液体远离模壁，散热困难，冷速变慢，而且熔液中的温差随之减小，这将阻止柱状晶的快速生长，当整个熔液温度降至熔点以下时，熔液中出现许多晶核并沿各个方向长大，就形成中心等轴晶区。

形成中心等轴晶区的晶核主要来源于三种途径：表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；液面或凝壳上晶体的沉积。

凡能阻止游离到铸锭中心的晶粒完全熔化的因素，均有利于促进中心等轴晶区的形成。

铸锭的结晶过程及其组织与金属的冷却条件、浇铸时熔体的温度、变质处理条件等因素有关。

改变金属的浇铸温度对结晶过程有影响作用。

金属的结晶过程及纯铝铸锭组织观察金属的结晶过程是指在高温下，金属原子受到热运动的影响，不断地重新组合，形成晶体的过程。

在这个过程中，金属原子不断地进行扩散、聚集，形成各种大小不同、形状不同的晶粒。

晶粒的大小和形状与金属的温度、冷却速度、成分、合金化元素等因素有关，不同的因素对晶粒的影响程度也不同。

纯铝铸锭组织观察是通过光学显微镜或电子显微镜对纯铝铸锭进行研究和观察，以了解其晶粒大小、形状、分布和组织特征等，并结合铸造工艺参数控制等措施，优化铸造过程，改善铸造品质。

纯铝铸锭是指铝含量高于99.5%的铝合金，常用于电子、航空、汽车、建筑等领域的制造。

在铸造过程中，纯铝铸锭的组织特征对其性能具有重要影响，因此需要对其进行结晶过程和组织特征的研究和观察。

在铸造纯铝铸锭的过程中，一般采用直接液态铸造或半连续铸造的方式，即将铝液直接浇注入铸模中，经过一定的冷却后形成固态铝铸锭。

在冷却过程中，铝液逐渐冷却凝固，金属原子开始重新组合形成晶体。

其结晶过程可分为三个阶段。

第一阶段：铝液开始凝固，开始形成晶核。

晶核的形成是依靠同种金属原子的凝聚，在液相中出现降低的过饱和度，使得最先凝结的一些原子能够将周围的金属原子聚集到一起，形成一个微小的晶体。

这个阶段的晶体是以一定的方向生长的。

第二阶段：晶核的数目急剧增加，晶粒逐渐生长到一定大小，但是晶界还存在一些小角度的错配。

这些小角度错配是随着晶粒的生长正常发生的，直到晶粒长大到一定程度，晶界产生完全的二次错配，才会停止晶粒的生长，形成完整的晶体。

第三阶段：晶界转动，系统达到最低能量状态，晶粒尺寸相对比较均匀。

在铸造中，晶粒尺寸的均匀性对铸造质量的影响很大，一般采用铸造工艺中的一些控制措施来影响晶粒尺寸的均匀程度。

通过光学显微镜或电子显微镜对纯铝铸锭进行观察，可以看到其组织结构呈现出多边形晶粒形态，晶粒大小大致相同。

这是因为纯铝铸锭的晶粒生长受到一定程度的限制，即较小的晶核可以生长到较大的尺寸，但生长的速度较慢。

实验九金属及合金凝固组织的观察和分析上传实验九金属及合金凝固组织的观察和分析班级_____________ 姓名__ 学号_____________ 指导教师_____ _____________ 时间___________2010-11-24_______________ 一、实验目的1.了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点。

2.结合相图了解几种类型二元合金,三元合金的结晶过程及结晶后的组织。

3.通过实验加深对课程中"凝固""相图"两章的认识,了解实际组织与组织示意图的关系;达到对本章一个总结的目的;掌握金相组织分析方法。

二、实验原理 1.金属结晶的一般规律。

2.铸锭三晶区的形貌特征及形成条件。

三、实验设备及样品1.光学显微镜; 2.标准样品:铝锭;显微组织分析样品; (1) 铝锭铝锭浇铸条件样品号模壁材料模壁厚度/mm 模子温度/浇铸温度/砂10 室温680 2钢10 500 680 3钢10 室温780 4钢10 室温680 5钢3 室温680 (2) 显微组织分析样品1) 二元合金匀晶类型样品:a)25%Ni+75%Cu,铸造/退火。

共晶类型样品:a) 70%Pb + 30%Sn;b) 38.1%Pb + 61.9%Sn; c) 20%Pb + 80%Sn;铸造。

包晶类型样品:a) 80%Sn + 20%Sb;b) 35%Sn +65%Sb。

2) 三元合金样品:a) 51%Bi + 32%Pb + 17%Sn; b) 58%Bi + 16%Pb + 26%Sn; c) 65%Bi + 10%Pb +25%Sn。

四、实验内容 1.纯铝铸锭粗型组织观察外界条件的影响----铸模材料(金属模/砂模)、模壁厚度、模子温度、。

金属及合金凝固组织的观察和分析张文北京科技大学材料学院铸锭组织分为三个区，最外层是细晶区，金属液体浇入铸模后，与温度较低模壁接触的液体会产生强烈的过冷，产生大量的晶核，并向液相内生长。

如果浇铸温度较低，铸锭尺寸不很大，整个液体会很快全部冷却到熔点一下，因此各处都能形核，造成全部等轴细晶粒的组织。

但在一般情况下，只有那些仍然靠近模壁的晶粒长成而形成细晶区。

柱状晶区，金属浇铸后，模壁被金属加热温度不断升高，由于结晶时潜热的释放吗，使模壁处的温度梯度降低。

细晶区前沿不易形核，随着液相温度逐渐降低，已生成的晶体向液体内生长。

等轴晶区，在凝固过程中，开始凝固的等轴激冷晶游离以及枝晶熔断而产生大量游离自由细晶体，它们随溶液对流漂移移到铸锭中心部分。

如果中心部分溶液有过冷，则这些游离细晶体作为籽晶最终长成中心的等轴晶区。

匀晶凝固过程是晶体材料从高温液相冷却下来的凝固转变产物包括多相混合物晶体和单相固溶体两种，其中由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变。

共晶凝固过程是从液相同时结晶处两个固相。

一般把成分在共晶成分左边并有共晶反应的合金称亚共晶合金，而在右边的称过共晶合金，合金成分偏离共晶成分但冷却时仍发生共晶反应的合金，在冷却过程中先结晶出固溶体晶体，然后在生成共晶。

包晶凝固过程是有些合金当凝固到一定温度时，已结晶出来的一定成分的固相与剩余液相发生反应生成另一种固相的恒温转变过程。

1 实验材料及方法1.1实验材料光学显微镜表格 1 铝锭成分表Table 1 Aluminum composition铝锭浇铸条件样品号模壁材料模壁厚度/mm模子温度/℃浇铸温度/℃1砂10室温6802钢105006803钢10室温7804钢10室温680Table 2 Alloy composition样品成分样品成分1-a25%Ni+75%Cu铸造3-a80%Sn + 20%Sb1-b25%Ni+75%Cu 退火3-b35%Sn + 65%Sb2-a70%Pb + 30%Sn4-a51%Bi + 32%Pb +17%Sn 2-b38.1%Pb + 61.9%Sn4-b58%Bi + 16%Pb +26%Sn 2-c20%Pb + 80%Sn4-c65%Bi + 10%Pb +25%Sn1.2实验方法1.用肉眼观察5种浇铸方法所获得的铝锭的横截面和纵截面；2.调节金相显微镜的放大倍数为100倍；3.在显微镜下分别观察1-a至4-c样品，并用手机拍照记录。

实验八晶体结晶过程观察及凝固条件对铸锭组织的影响（Observation of the crystallization process of crystalloid and the impact of solidificationconditions on ingot structure）实验学时：2 实验类型：操作前修课程名称：《材料科学导论》适用专业：材料科学与工程一、实验目的⒈观察盐类的结晶过程：⒉分析凝固条件对铸锭组织的影响。

二、概述盐和金属均为晶体。

由液态凝固形成晶体的过程叫结晶。

不论盐的结晶，金属的结晶以及金属在固态下的重结晶都遵循生核和长大的规律。

结晶的长大过程可以观察到，可是晶核的大小不能用肉眼看到，因为临界晶核的尺寸很小，而在试验中只能见到正在长大的晶粒，此刻已经不再是临界尺寸的晶核。

金属和盐类晶体最常见到的是树枝状晶体。

通过直接观察透明盐类（如氯化铵等）的结晶过程可以了解树枝状晶体（枝晶）的形成过程。

在玻璃片上滴上一滴接近饱和的氯化铵溶液，观察它的结晶过程。

随着液体的蒸发，溶液逐渐变浓，达到饱和，由于液滴边缘最薄，因此蒸发最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。

结晶的第一阶段是在最外层形成一圈细小的等轴晶体，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也是由外向里，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的、带有方向性的柱状晶。

结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴枝晶。

这是由于液滴的中心此时也变的较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，因此可以看到明显的枝晶组织。

细小的等轴晶与粗大的柱状晶体液体中间部分的粗大等轴树枝晶盐液滴由于蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭的结晶过程和组织很相似。

铸锭的表层为细等轴晶粒区，晶粒细小，组织致密，成分均匀。

当液态金属到入铸模以后，结晶首先从靠近模壁处开始。

第1篇一、实验目的1. 了解铸锭制备的基本过程及影响因素。

2. 通过显微镜观察不同铸锭组织的形态、分布和结构。

3. 分析铸锭组织对材料性能的影响。

二、实验材料及设备1. 实验材料：不同成分的铝合金铸锭（纯铝、铝硅合金、铝铜合金等）。

2. 实验设备：金相显微镜、切割机、抛光机、腐蚀液、显微镜拍照设备等。

三、实验方法及步骤1. 样品制备：将不同成分的铝合金铸锭切割成一定尺寸的样品，经过粗磨、细磨、抛光等步骤，制备成适合显微镜观察的金相样品。

2. 组织观察：将制备好的金相样品进行腐蚀处理，使其组织特征更加明显。

然后，使用金相显微镜观察样品的组织形态、分布和结构，并拍照记录。

3. 组织分析：根据显微镜观察结果，分析不同铸锭组织的形态、分布和结构，以及组织对材料性能的影响。

四、实验结果与分析1. 纯铝铸锭组织观察与分析：- 组织形态：纯铝铸锭的组织主要由α-Al相组成，呈等轴晶或柱状晶分布。

- 组织结构：α-Al相呈细小的等轴晶或柱状晶，晶粒大小均匀，晶界清晰。

- 性能影响：纯铝铸锭的组织结构对其性能影响不大，主要取决于合金成分和热处理工艺。

2. 铝硅合金铸锭组织观察与分析：- 组织形态：铝硅合金铸锭的组织主要由α-Al相、Si相和SiAl3相组成，Si相呈针状或块状分布。

- 组织结构：α-Al相呈细小的等轴晶或柱状晶，Si相和SiAl3相呈针状或块状分布，晶界清晰。

- 性能影响：铝硅合金铸锭的组织结构对其性能有较大影响，Si相和SiAl3相的分布和形态会影响材料的力学性能、耐腐蚀性能等。

3. 铝铜合金铸锭组织观察与分析：- 组织形态：铝铜合金铸锭的组织主要由α-Al相、Cu相和CuAl2相组成，Cu 相呈块状或针状分布。

- 组织结构：α-Al相呈细小的等轴晶或柱状晶，Cu相和CuAl2相呈块状或针状分布，晶界清晰。

- 性能影响：铝铜合金铸锭的组织结构对其性能有较大影响，Cu相和CuAl2相的分布和形态会影响材料的力学性能、耐腐蚀性能等。

《材料科学基础实验》报告实验名称金属及合金凝固组织的观察和分析学院材料学院专业班级姓名学号2012年11月一、实验目的1、了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点。

2、结合相图了解几种类型二元合金，三元合金的结晶过程及结晶后的组织。

3、通过实验加深对课程中“凝固”、“相图”两章的认识，了解实际组织与组织示意图的关系；达到对本章一个总结的目的；掌握金相组织的分析方法。

二、实验原理1、金属及其合金结晶的一般规律及应用杠杆原理计算各相的百分含量。

2、金属成分一定时，铸模材料、模壁厚度、浇铸温度、浇注速度、冷却方式等条件会影响组织的形成。

三、实验设备及材料1、光学显微镜2、标准样品A、显微组织分析样品：1）匀晶类型：a）25%Ni+75%Cu（铸态组织）b）25%Ni+75%Cu（退火组织）2）共晶类型：a）70%Pb + 30%Sn；b）38.1%Pb + 61.9%Sn；c) 20%Pb + 80%Sn；3）包晶类型： 80%Sn+20％SbB、铝锭（用于低倍组织观察）四、实验内容及分析A、二元合金的显微组织观察1、匀晶类型a）样品一（25%Ni+75%Cu）（铸态组织）图1如图1中Cu-Ni系合金的相图可以分析出，当温度降低时，具有一定成分的液相合金中逐渐析出固溶体，但随着温度的降低，析出的固溶体成分不同，剩余液相中成分也在变化：液相随液相线变化，即液相中Ni的比重逐渐降低；固体随固相线变化，即先后析出的固体中Ni的比重逐渐降低。

图2为Cu-Ni合金的铸态显微组织图，Cu-Ni合金属于固溶体合金，固溶体铸态组织具有树枝状的特性，正如图2显示的一样。

固溶体合金的凝固按树枝方式进行，主要由于凝固时的选择结晶，晶体前沿液体中出现了成分过冷，形成负的温度梯度，再加上冷却速度比较快，溶质分子来不及扩散，因而得到枝晶组织。

组织中亮白部分含高熔点组元Ni较多，而黑暗的部分含低熔点组元Cu较多，枝干与之间化学成分不均匀。

实验一金属结晶过程及铸锭组织观察实验项目性质：普通实验实验计划学时：2学时一、实验目的1．观察盐类及金属的结晶过程2．了解并掌握金属及合金铸锭组织的形成，明确金属及合金铸锭组织的控制方法3．观察并描绘不同条件下纯铝的铸锭组织二、实验概述结晶过程包括晶核的形成和长大两个过程。

晶粒的形状及大小，根据冷却条件及其他因素不同而不同。

金属及盐类最常见到的晶体形状是树枝状晶体，又称枝晶。

用生物显微可以直接观察透明盐类（如氯化铵、硝酸银等）的结晶过程。

在玻璃片上滴一滴接近饱和的氯化铵溶液，放在生物显微镜下观察它的结晶过程。

随着溶液的蒸发，溶液逐渐变浓而达到饱和，由于液滴边缘处最薄，因此蒸发得最快，结晶过程将从边缘开始向内扩展。

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粒，这是由于此时液滴外层较薄，蒸了很快，在短时期内产生大量的晶核之故。

结晶的第二阶段是较为粗大的柱状晶，其成长的方向是伸向液滴中心，这是由于此时液滴的蒸发已比较慢，而且液滴的饱和顺序也是由外向里的，最外层的细小等轴晶只有少数的位向有利于向中心生长，因此形成了比较粗大的，带有方向性的柱状晶。

结晶的第三阶段是在液滴的中心部分形成不同位向的等轴晶。

这是由于液滴中心此时也变得较薄，蒸发也较快，同时溶液的补给也不足，在此可以看到明显的树枝晶组织。

从而可以看出，盐液滴由于蒸发而进行的结晶过程及所得的结晶组织与铸锭的结晶过程与组织是很相似的。

金属不透明，因此一般不能用显微镜直接观察液态金属的结晶过程。

但是金属凝固后可以将铸锭沿纵剖面或横剖面切开，经过磨制和浸蚀后就可以分析它的组织和形成过程。

另外，也可以利用化学中的取代（置换）现象来观察金属晶体的生长过程。

例如：硝酸银的水溶液中放入一段细铜丝。

铜将开始溶解，而银则沉淀出来，其反应如下：Cu + 2AgNO3 2Ag↓+Cu(NO3)2如果在生物显微镜下观察，则可以看到银的枝晶生长过程。

需要说明，金属的结晶是在液态金属冷却的过程中进行的，当具有一定的过冷度时，金属就开始结晶。

实验九金属及合金凝固组织的观察和分析摘要：通过对金属及合金凝固组织的观察和分析，掌握样品组织的的一般特点。

并结合相图了解几种类型二元合金、三元合金的结晶过程及结晶后的组织，掌握金相组织的分析方法。

关键词：相图、合金凝固组织，结晶过程正文：一、实验背景了解纯金属铸锭粗型组织的一般特点，并结合相图了解几种类型二元合金，三元合金的结晶过程及结晶后的组织。

同时通过实验加深对课程中“凝固”“相图”两章的认识，了解实际组织与组织示意图的关系，达到掌握金相组织分析方法的目的。

二、实验内容1、金属材料的组织分析显微组织指光学显微镜下能够看到的金属材料内部所具有的各组成相的直观形貌。

包括各种相，相的形状、大小、分布以及相对量等。

宏观组织指30倍以下的放大镜或者人的眼睛直接能够观察到的金属材料内部所具有的各组成物的直观形貌。

经侵蚀后的样品在显微镜下可以看到各种形态的组织一般可以归纳成:①单相组织，在显微镜下看到的是许多多边形晶粒组成的多晶体。

可以研究它的晶界、晶粒形状、大小以及晶粒内出现的亚结构。

②两相，可以观察到有两相的花样。

③多相。

2、影响组织变化的条件:①合金成分。

成分不一样,组织就不一样。

②工艺条件。

凝固条件、锻压条件、热处理工艺等。

3、金属及合金凝固组织的观察与分析①铝铸锭低倍组织观察。

②二元合金(匀晶、共晶、包晶)Ni-Cu, Pb-Sn Sn-Sb。

③三元合金(共晶)Bi-Pb-Sn。

三、实验设备及材料1．光学显微镜2．标准样品1）铝锭（用于低倍组织观察）2）显微组织分析样品①二元合金的显微组织观察（分析时参考附录中的相图）1）匀晶类型（Ni-Cu系）样品：a）25%Ni+75%Cu，处理过程：铸造。

b）25%Ni+75%Cu，处理过程：退火。

2）共晶类型（Pb-Sn系）样品：a）70%Pb + 30%Sn；b）38.1%Pb + 61.9%Sn；c) 20%Pb + 80%Sn；铸造。

3）包晶类型（Sn-Sb系）样品：a）80%Sn + 20%Sb；b) 35%Sn + 65%Sb。