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与铜管生产工艺有关的材料学问题 马宗理 1. 熔铸中的一些问题 1.1 凝固与结晶 凝固：液 固的过程 固： 非晶体：玻璃、石蜡、无定形碳、快凝（急冷）金属（金属玻璃） 晶体：所有金属，大多数矿物，其原子排列有规则“点阵” ，共有七大 晶系，十四种晶体点阵；金属晶体，离子化合物晶体，共价晶体 等，又发现液态晶体液晶，常见金属晶体有三种： （图1） a、体心： Fe、Cr 、Mo 、W 、Nb、Ta b、面心： Aa 、Ag 、Pt、Rh、Ae 、Cu、Ni 、Fe （高温） c 、六方 ：Zn 、Ti 、Mg 、Cr 1.2 金属的结晶（凝固） ：两种过程组成： （1.）形核（生核），晶核的生成。 均质形核：液态金属中无序原子 出现一些原子规则排序的区域 （相起伏） 晶核→晶胞→亚晶→晶粒 异质形核：液体金属中未熔的质点（杂质、合金元素） ，铸型（结晶器）的内表 面作为核心→晶核→晶胞→亚晶→晶粒 形核需要有过冷度 — 实际凝固温度与熔点之差成为过冷度。 均质形核需要的过冷度大。 异质形核需要的过冷度小。铸件凝固主要以异质形核方式进行，过冷度不超过 20℃。 (2) 晶粒长大：①金属的液 / 固界面前沿液相的过冷随隔离相界面的距离的增加而 减小，亦即温度梯度为正值时： a、对液/ 固界面是光滑界面的晶体，生长表面是台阶状（半金属、半导体、无机 第 1 页 共 23 页 材料属于此），组成台阶年面的是固态晶体的一定晶面， 与熔点 （Tm ） 等温线呈一定角度（相交） ，因有明显的择优取向，界面推移是垂直 于一定的晶面进行的，故表现为台阶形态。图 2 b、对液 / 固界面是非常光滑界面的晶体，生长表面是平面状（金属属于此） ，与 熔点（ Tm ）等温线平行。 ②金属的液 / 固界面前沿液相的过冷度随离相界面的距离的增加而增加，亦即温 度梯度为负值时： 相界面上产生的结晶潜热既可通过固相， 也可通过液相而散失， 则具有非光滑界 面的晶体的平面状的液 / 固界面就不再保持稳定，会转化成一系列伸 向过冷液相中的结晶轴，使晶体以树枝状方式长大，得到树枝晶。纯 金属凝固不易得到树枝晶， 只有在结晶前沿的液相中具有负的温度梯 度时才会出现树枝晶， 而合金则很常见树枝晶， 这是由于合金存在成 分过冷的影响。 所以，应知道有两种过冷： a、热过冷：如前述 Tm 不变，T 实际 变，出现过冷。 b、成分过冷：凝固过程中， T 实际 一定， Tm 变， （由于液相中溶质分布发 生变化）而出现过冷。 树枝晶的晶轴前伸方向： a、散热方向 b、晶体的晶向（面心立方为〈 100〉）。 1.3 金属凝固（结晶）后的晶粒大小 晶粒大小受凝固時形核率 N ，长大速度 Z 的影响，故： a、过冷度（冷却速度）上升，使