鑄態組織

如果將一個金屬鑄錠剖開，可以看到，典型的剖面具有不同特徵的三個晶區，如圖1所示。

1、表面細晶粒區

液態金屬澆入錠模時，與冷的模壁接觸的一部分金屬液體被迅速冷卻，因此在較大過冷度下結品，形成一層很薄的細晶粒表層。

2、柱狀晶粒區

由於外層已形成一層熱的殼，鑄錠內部的温度較高，晶核較難形成，因此表面層的晶粒便向內生長。次層晶粒生長時，因為受到相鄰晶粒的限制，只能沿散熱相反方向向內生長，所以形成了垂直於模壁的柱狀晶粒層。

3、中心等軸晶粒區

隨着柱狀晶的生長，鑄錠內部的液體都達到了結晶温度，形成了許多晶核；同時向各個方向生長，阻止了柱狀晶的繼續發展，因而在鑄錠中心部分形成了等軸的晶粒。由於中心部分冷卻較慢，因此晶粒也較粗大。如果冷卻速度很快，柱狀晶就會迅速向中心發展，貫穿整個鑄錠，這種組織叫穿晶組織。 ^[1] 

鑄錠中三層不同的鑄態組織具有不同的性能。

表面細晶粒區的組織較緻密，故力學性能較好。但在鑄件中，表面細晶粒區往往很薄，所以除對某些薄壁鑄件具有較好的效果外，對一般鑄件的性能影響不大。柱狀晶粒區的組織比較緻密，不像等軸晶粒那樣容易形成顯微縮松，但在垂直於模壁處發展起來的兩排相鄰的杜狀晶的交界面上（例如鑄錠橫截面上的對角線處，如圖2所示）。

強度、塑性較差，且常聚集了易熔雜質和非金屬夾雜物，形成一個明顯的脆弱面，在鍛、軋加工時，可能沿此脆弱面開裂。因此，對塑性較差的黑色金屬來説，一般不希望有較大的柱狀晶區。對純度較高、不含易熔雜質、塑性較好的有色金屬來説，有時為了獲得較為緻密的鑄錠，反而要使柱狀晶區擴大。另外，在某些場合，要求零件沿着某一方向具有優越的性能，也可利用柱狀晶沿其長度方向性能好的優點，使鑄件全部成為同一方向的柱狀晶組織，這種工藝稱為定向凝固。例如，用定向凝固方法制成的渦輪葉片較用一般方法制成的渦輪葉片，使用壽命有顯著提高。

等軸晶粒各個方向的性能較為均勻，無脆弱的分界面，取向不同的晶粒互相咬合，使裂紋不易擴展，故生產中常希望得到細小的等軸晶粒。但是，等軸晶區的組織比較疏鬆，因此力學性能較低。金屬的鑄態組織還與合金成分和澆往條件等因素有關。一般提高澆注温度，提高鑄模的冷卻能力和定向性散熱等均有利於柱狀晶區厚度的增加。澆注温度低、冷卻速度慢、散熱均勻、變質處理和附加振動攪拌等都有利於等軸晶區的發展。尤其是加入有效的形核劑和附加振動等，能使鑄件獲得細小的等軸晶粒組織。

鑄態金屬的宏觀組織大致由柱狀晶、等軸晶或二者混合組成。柱狀晶對鑄錠性能影響很大，柱狀晶晶粒之間的界面比較平直，彼此結合不強。在柱狀晶區交接處，往往存在着低熔點共晶組織、夾雜物、氣孔和縮松，還可能出現晶間裂紋，是鑄錠脆弱的地方，這些脆弱面構成所謂“弱面”，圖3為紫銅扁錠出現的明顯弱面。

當鑄錠承受冷熱加工時，容易沿此處開裂，柱狀晶本身的方向性也降低鑄錠的力學性能和加工性能。因此，用於加工變形的鑄錠，一般希望柱狀晶區儘可能小，特別不希望出現粗大的柱狀晶組織。但柱狀晶由於枝晶不太發達而較細密，故其本身強度較高。對於某些耐熱合金的高温構件（如燃氣輪機葉片等），採用定向凝固技術得到柱狀晶組織，可顯著改善其耐熱性能。等軸晶的特點是沒有明顯的弱面，各個晶粒的取向不同，其交界處互相搭扣，在加工時不易開裂，這一點對鑄錠和鑄件都十分重要。

金屬凝固後的晶粒大小對鑄錠或鑄件的性能有顯著影響。細等軸晶組織各向異性小。加工時變形均勻。同時，易於偏聚在晶界上的雜質，夾渣及低熔點共晶等分佈更為均勻。因此，具有細小等軸晶的鑄錠或鑄件，其加工性能和使用性能均較好。晶粒的大小一般採用晶粒度等級來表示，一級晶粒度最粗，平均直徑為0.25 mm，八級最細，平均直徑為0.02 mm。通常在放大100倍的合金顯微鏡下用標準晶粒度等級進行比較評級。

1、加強金屬流動

等軸晶的形成與晶粒或枝晶的脱落及遊離密切相關。隨着液體金屬流動的加強，金屬液能更好地與模壁接觸，有效地發揮模壁的激冷效果，温度起伏和對流的沖刷作用，可增加遊離小晶體的數目。

實際生產中採用不同的方法來加強金屬的流動：

一是改變澆注方式。例如由底注改為頂注或多澆口頂注，可使晶粒顯著細化。

二是使錠模週期性振動。通常採用機械方法使錠模作週期性振動。振動的主要作用在於使金屬液與模壁或凝殼之間產生週期性的相對運動，從而加速晶體的遊離，達到細化晶粒的的目的。

2、變質處理

變質處理是指向液體金屬中添加少量物質，促進金屬液生核或改變晶體生長過程的一種方法。所添加的物質稱為變質劑。對於加工用合金材料，變質處理主要是為了細化基體相，並希望能改善脆性化合物、雜質等第二相的形態和分佈狀況。對於鑄造合金，變質處理主要是為了細化第二相或改變其形態及分佈狀況。通過變質處理，可改善合金的鑄造性能和加工性能，提高合金的強度和塑性。因此，變質處理是鑄錠和鑄件生產中廣泛採用的一種方法。

作用機理如下：

一是變質劑起非均質晶核（即外來晶核）作用。對於這一類變質劑一般要求符合點陣匹配原則，即要求變質劑或變質劑與基體金屬反應形成的化合物（以BnMm表示），與細化相有界面共格性，兩者點陣錯配度要小（δ≤5%），其相應晶面上的原子排列方式相似，原子間距相近。同時還要求變質劑或其產物BnMm穩定，熔點高，在液體金屬中分佈均勻。另外，變質劑的加入量要少，以免影響合金成分。

二是變質劑的偏析和吸附作用。在變質劑完全溶解於液態金屬且不生成化合物的情況下，變質劑象溶質一樣，在凝固過程中產生偏析而使液一固界面前沿液體的平衡液相線温度降低，界面處成分過冷度減小，致使界面上晶體的生長受到抑制，枝晶根部出現縮頸而易於脱落遊離。與一般溶質不同的是，變質劑能顯著強化上述過程，並藉助於對流使遊離晶體數目顯著增加，晶核增殖作用也更強。同時，由於變質劑易於偏析和吸附，故阻礙晶體生長的作用也更明顯。因此，往往只需加入少量的變質劑，就能顯著細化晶粒。 ^[2]