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、Tab、面心：Aa、Ag、Pt、Rh、Ae、Cu、Ni、Fe（高温）c、六方：Zn、Ti、Mg、Cr1.2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2b、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时形核率N，长大速度Z的影响，故：a、过冷度（冷却速度）上升，使N/Z上升（核多），晶粒细。b、变质处理，加难熔的形核剂，或加可熔的促进形核物质，使晶粒细。c、振动：机械振动、超声振动、电磁震动。振动使枝晶尖端破碎，形成新核心，使晶粒细。另外，振动提供形核功，使N上升。1.4铸造宏观组织通常，液体金属进入结晶器（铸型），与结晶器型壁表面接触，产生强烈过冷，在接触的薄层中，产生大量晶核，晶核迅速生成，互相接触，形成细晶区。细晶区前沿的液体过冷度减小，形核变得困难，此时热量的散发垂直于型壁，具有明显的方向性，晶体沿着与散发方向相反的方向择优生长，形成柱状晶；（纯金属时，固/液界面前沿的液体一般具有正的温度梯度，故柱状晶前沿大致呈平面生长；若是合金，具有较宽的凝固温度范围，结晶前沿的液相中会出现成分过冷，使过冷度变大，柱状晶将通过树枝状方式生长，但柱状晶树枝晶的一次晶轴仍垂直于型壁）。随着柱晶的不断生长，在中间的液体金属中将形成中心等轴晶区，这是由于中心的过冷度越来越大，一因浇注的液体金属将细晶区的部分晶体冲入中心，二因已凝固的小晶体下沉（固体比重大），三因枝晶部分熔断，成为籽晶并长大，阻止了柱晶发展而形成中心等轴晶区。对于连铸的铸坯（棒坯），其宏观组织如图3所示。对TP2连铸管坯，其宏观组织如图4所示。一般，力求得到晶粒细小，致密，均匀的结晶组织。柱晶和等轴晶哪个好？对不同金属，有不同的要求。对钢铁，一般不希望有柱状晶，因为柱状晶接触面（交晶面）较脆弱，常聚集易熔杂质和非金属夹杂，热加工时易沿这些界面开裂；相反，等轴晶无择优取向，无脆弱分界面，取向不同的晶粒互相咬合，裂纹不易扩展。对于纯度较高，不含易熔杂质和...
