鑄態組織

鑄態結構是指金屬（多指合金）在熔化過程中，材料從金屬熔體變成固體（澆鑄）之后形成的微結構。鑄錠的鑄態組織是指晶粒的形態、大小、取向及缺陷（疏松、夾雜、氣孔等）和界面的形貌等。對于鑄件來說，鑄態組織直接影響其力學性能和使用壽命；對于鑄錠而言，鑄態組織不僅影響其壓力加工性能，還影響壓力加工后金屬制品的組織和性能。

如果切開一個金屬錠，可以看到典型截面有三個特征不同的晶區，如下圖所示。

結晶構造示意圖

1、表面細晶粒區

當液態金屬被澆注到錠模中時，與冷模壁接觸的一部分液態金屬被快速冷卻，因此產品在大的過冷度下形成，并且形成非常薄的細晶表面層。

2、柱狀晶粒區

因為外層已經形成了熱殼，鑄錠內部溫度高，晶核難以形成，所以表層晶粒向內生長。亞層晶粒生長時，由于相鄰晶粒的限制，只能向與散熱方向相反的方向向內生長，于是形成垂直于模壁的柱狀晶粒層。

3、中心等軸晶粒區

隨著柱狀晶的生長，鑄錠中的液體達到結晶溫度，形成許多晶核；同時向各個方向生長，阻止了柱狀晶的繼續發展，從而在鑄錠中心部分形成等軸晶。因為中心部分冷卻較慢，所以晶粒也較粗。如果冷卻速度快，柱狀晶會迅速向中心發展，貫穿整個鑄錠這種組織稱為穿晶組織。

鑄錠中三種不同的鑄態組織具有不同的性能。

表面細晶區結構致密，因此力學性能良好。但在鑄件中，表面細晶區往往很薄，所以對一些薄壁鑄件效果較好，對一般鑄件的性能影響不大。柱狀晶區的顯微組織比較致密，不易形成等軸晶那樣的微縮孔，而是在垂直于模壁發展的兩排相鄰的Du形晶體的界面上

強度、塑性差，易熔雜質和非金屬夾雜物經常聚集，形成明顯的脆性表面，這就是鍛造、在滾動過程中，它可能會沿著這個脆弱的表面開裂。因此，對于塑性差的黑色金屬，一般不希望有大的柱狀晶區。對純度較高、不含易熔雜質、對于塑性好的有色金屬，有時為了獲得更致密的鑄錠，要擴大柱狀晶區。另外，在某些場合，要求零件沿某一方向具有優越的性能，也可以利用柱狀晶使所有鑄件變成同一方向的柱狀晶這個過程叫做定向凝固。例如，用定向凝固方法制造的渦輪葉片的使用壽命明顯比用一般方法制造的要長。

各方向等軸晶的性質相對均勻，不存在脆性界面，不同取向的晶粒相互咬合，導致裂紋不易擴展，因此在生產中往往希望得到細小的等軸晶。而等軸晶區的顯微組織相對疏松，因此力學性能較低。金屬的鑄態組織還與合金成分和澆注條件有關。一般來說，提高澆注溫度，提高模具的冷卻能力和定向散熱有利于柱狀晶區厚度的增加。澆注溫度低、冷卻速度慢、散熱均勻、變質和附加振動攪拌有利于等軸晶區的發展。特別是加入有效的形核劑和附加振動可以使鑄件獲得細小的等軸晶組織。

不同晶區大小

鑄態金屬的宏觀結構大致由柱狀晶體組成、等軸晶或它們的混合物。柱狀晶對鑄錠的性能影響很大，柱狀晶之間的界面比較平整，相互之間結合不牢固。在柱狀晶區的交界處，往往存在低熔點的共晶結構、夾雜物、還可能出現氣孔縮松和晶間裂紋，這是鑄錠的易碎部位這些脆弱的表面構成了所謂的“弱面”下圖為銅扁錠明顯的弱面。

鑄錠在進行冷熱加工時，很容易沿著這個地方開裂，柱狀晶本身的方向性也降低了鑄錠的力學性能和加工性能。因此，為了加工變形的鑄錠，通常希望柱狀晶體面積盡可能小，尤其是不希望粗大的柱狀晶體結構。而柱狀晶由于枝晶不太發達，相對較細，所以自身強度較高。對于耐熱合金的一些高溫部件（例如燃氣輪機葉片等）采用定向凝固技術獲得柱狀晶體結構，可以顯著提高其耐熱性。等軸晶的特點是沒有明顯的弱面，每個晶粒的取向不同，它們的連接處相互交錯，這對鑄錠和鑄件非常重要。

金屬凝固后的晶粒尺寸對鑄錠或鑄件的性能有重要影響。細小等軸晶粒的各向異性很小。加工時變形均勻。同時，晶界上易偏析的雜質夾渣和低熔點共晶分布更加均勻。因此，具有細小等軸晶的鑄錠或鑄件具有良好的機械加工性能和使用性能。粒度一般用粒度級來表示，第一級粒度最粗，平均直徑為0.25 mm，最薄8級，平均直徑0.02  mm。通常，在放大100倍的合金顯微鏡下，使用標準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脫落和離解密切相關。隨著液態金屬流動的加強，液態金屬能更好地與模壁接觸，有效發揮模壁激冷效應溫度波動和對流沖刷效應，增加自由小晶體數量。

在實際生產中，采用不同的方法來增強金屬的流動性：

一是改變澆注方式。例如，從底部注射到頂部注射或多澆口頂部注射，可以顯著細化晶粒。

二是使錠模周期性振動。通常用機械方法使錠模周期性振動。振動的主要作用是使熔融金屬與結晶器壁或凝固坯殼之間產生周期性的相對運動，從而加速晶體解離，達到晶粒細化的目的。

2、變質處理

變質是在液態金屬中加入少量物質，促進液態金屬形核或改變晶體生長過程的方法。添加的物質稱為改性劑。對于加工合金材料，變質處理主要是細化基體相，希望改善脆性化合物、雜質和其他第二相的形態和分布。對于鑄造合金，變質處理主要是細化第二相或改變其形態和分布。通過變質處理，可以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，變質是鑄錠和鑄造生產中廣泛使用的方法。

作用機理如下：

首先，變質劑起著異質晶核的作用（即外來晶核）作用。對于這類變質劑，一般要求符合晶格匹配原理，即要求變質劑或變質劑與母材反應形成的化合物（以BnMm表示）與細化相存在界面相干，兩者晶格失配較小（δ≤5%原子在相應晶面上的排列相似，原子間距也相似。同時還要求變質劑或其產物BnMm穩定，熔點高，在液態金屬中分布均勻。另外，變質劑的加入量要少，以免影響合金成分。

第二是改性劑的偏析和吸附。在變質劑完全溶解在液態金屬中且不生成化合物的情況下，變質劑在凝固過程中與溶質一樣偏析，降低了液固界面前沿液體的平衡液相線溫度和界面處的成分過冷，從而抑制了界面處晶體的生長，枝晶根部出現頸縮，容易脫落和游離。與一般溶質不同，變質劑能顯著強化上述過程，對流使自由晶體數量顯著增加，晶核增殖也更強。同時，由于變質劑容易偏析和吸附，阻礙晶體生長的效果更加明顯。因此，往往只需添加少量的變質劑，就能明顯細化晶粒。