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状枝晶；如果GL＜0 发生在晶体的自由生长过程中，则将形成等轴枝晶。 必须指出，这里所说的界面形态是相对于晶体（或晶粒）的大小而言。凸起的尺寸一般为 10－3～10－4cm 数量级，因此界面形态的问题并不涉及界面的微观结构。任何一种界面形态既可能具有粗糙界面结构，也可能具有平整界面结构。
图14-26 热过冷对纯金属结晶过程的影响
a）平面生长（ GL＞0 ） b）枝晶生长（ GL＜0 ） （2）成分过冷对一般单相合金结晶过程的影响
成分过冷对一般单相合金结晶过程的影响与热过冷对纯金属的影响本质相同。但由于同时存在着传质过程的制约。因此情况更为复杂：在无成分过冷的情况下，界面也以平面生长方式长大；但随着成分过冷的出现和增大，界面生长方式将逐步转变为胞状生长方式，然后再过渡到枝晶生长方式。当成分过冷进一步发展时，生长着的界面前的熔体内相继出现新的晶核并不断长大，则合金的宏观结晶状态还会发生由柱状枝晶的外生生长到等轴枝晶的内生生长的转变。下面将对此逐一进行分析。
2.1铸件结晶中的晶粒游离 （1）液态金属流动的作用
在铸件形成过程中，存在着多种形式的液态金属流动。其中与晶粒游离过程有关的是液态金属在浇注过程中的流动以及液态金属在凝固期间的对流。后者分为自然对流和强迫对流。自然对流主要指的是热对流。它是由于铸型和液面的散热作用，使其附近液体温度降低，密度变大而下沉，中心部分液体则由于温度较高，密度较小而上浮所形成的一种对流。此外，由于结晶过程中的溶质再分配而引起界面前沿液体成分和密度的变化，以及由于游离晶体和液态金属之间密度差异而引起的运动，也将导致自然对流的产生，但其程度远比前者小。强迫对流一般是由于浇注过程中的注入动量（mv）在低粘度系数的液态金属中长时间作用的结果，或是由外加的电磁搅拌或机械搅拌作用所形成。 研究表明，液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传质过程而实现的。此外，流动本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定程度的影响。
在传热方面，液态金属流动的宏观作用在于加速其过热热量的散失，从而使全部液态金属几乎在浇注后的瞬间(小于30s)很快地从浇注温度下降到凝固温度。这样就使得游离晶在液态金属内部漂移过程中得以残存而不致被熔化掉。在微观作用方面，由于液态金属的流动基本上是以紊流的形式出现的，因此伴随着流动的进行，在液态金属内部还会引起强烈的温度波动。温度波动的大小与对流的强弱密切相关。当改变工艺条件而使液态金属内部的对流加强时，相应的温度波动也随之加大。正如下面将要指出的那样，这种温度波动对已凝固层晶体的脱落、分枝的熔断以及晶体的增殖等晶粒游离现象具有极大的影响。 在传质方面，液态金属流动的最大作用就在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。同时，流动也能改变界面前沿的溶质分布状态。加速流体宏观成分的均化，但却导致流体内部微观成分的波动。
第十五章铸件结晶组织的形成和控制
（2）铸件结晶中的晶粒游离
在铸件结晶过程中可能存在有下列几种形式的晶粒游离：
1)游离晶直接来自过冷熔体中的非均质生核。在铸件浇注和凝固过程中，特别是当液态金属内部存在有大量有效生核质点的情况下，由于浇道、型壁及液面等处的激冷作用而使其附近的熔体过冷，并通过非均质生核作用在其内部形成大量处于游离状态的小晶体。当先形成的游离晶随着液流向深处漂移的时候，新过冷的熔体中又会不断地形成新的游离晶。在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质生核条件的过冷熔体和相应的有效生核质点，这种晶粒游离现象总是存在的。
2)由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离。如前所述，铸件结晶时，依附型壁生核的合金晶粒在其生长过程中必然要引起界面前方熔体中溶质浓度的重新分布。其结果将导致界面前沿液态金属凝固点的降低从而使其实际过冷度减小。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。由于晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，故其偏析程度最为严重。该处生长受到强烈抑制。
与此同时，远离根部的其他部位则由于界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均化，因此面临较大的过冷，其生长速度要快得多。故在晶体生长过程中将产生根部“缩颈”现象。生成头大根小的晶粒。在流体的机械冲刷和温度反复波动所形成的热冲击的作用下，熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离，凝固初期通过型壁晶粒脱落而产生的晶粒游离过程。 实际上，缩颈现象不仅存在于型壁晶粒的根部，而且也存在于树枝晶各次分枝的根部。这是因为枝干生长过程中在其侧面形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。如同型壁晶粒游离过程一样，已凝固层上生长着的树枝晶的各次分枝在液流的作用下，其熔点最低且又最脆弱的根部缩颈最易熔断，并被液流卷入液体内部而产生游离
值得注意的是，处于自由状态下的游离晶一般都具有树枝晶结构。当它们在液流中漂移时，要不断通过不同的温度区域和浓度区域，不断受到温度波动和浓度波动的冲击，从而使其表面处于反复局部熔化和反复生长的状态之中。这样，分枝根部缩颈就可能断开而使一个晶粒破碎成几部分，然后在低温下各自生长为新的游离晶。这个过程称为晶粒增殖，也是一种非常重要的晶粒游离现象。
3)液面晶粒沉积所引起的晶粒游离。脱落的分枝由于密度比液体大而下沉也能导致晶粒游离的产生。一般认为，这种晶粒游离现象多发生在大型铸锭的凝固过程中，而在一般铸件结晶过程中是较少发生的。
晶粒游离方式决定了铸件结晶中等轴晶“晶核”的来源。深入研究不同形式的晶粒游离过程，对进一步分析铸件宏观结晶组织的成因和能动地控制组织的形成过程都是十分必要的。
第十六章 铸件化学成分的不均匀性
在铸造条件下，获得化学成分完全均匀的铸件（锭）是十分困难的。铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析。
偏析分为微观偏析和宏观偏析两大类。前者又称短程偏析，是指微小范围内的化学成分不均匀现象；后者又称长程偏析或区域偏析，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。
偏析也可根据铸件各部位的溶质浓度 Cs 与合金原始平均浓度 C0 的偏
离情况分类。
凡 Cs＞C0 者，称为正偏析；Cs＜C0 者，称为负偏析。这种分类不仅适用于微观偏析也适用于宏观偏析。
微观偏析对铸件机械性能的影响是明显的。由于成分不均匀造成组织上的差别，导致冲击韧性和塑性下降，增加铸件的热裂倾向性，有时还使铸件难于加工。
宏观偏析使铸件各部分的机械性能和物理性能产生很大差异，影响铸件的使用寿命和工作效果。
偏析也有有益的一面，利用偏析现象可以实现净化或提纯金属的目的。通过控制铸件的凝固过程，使有害的杂质偏析到指定部位而将其除去。 在不少情况下，晶粒中心只有不甚明显的负偏析(或正偏析)，而晶界区域却显示出明显的正偏析(或负偏析)，这种偏析称为晶界偏析。
铸件在凝固过程中在以下几种情况下将产生晶界偏析：如果晶界平行于生长方向，由于表面张力平衡条件的要求，在液体与晶界交界处出现凹槽。此处有利于溶质原子的富集，形成晶界偏析。这种情况多产生于以胞状界面生长的情况，晶界偏析的预防和消除方法同枝晶偏析，不再重述。
铸件产生宏观偏析的途径：1)在铸件凝固早期，固相或液相的沉浮；2)在固液两相区内液体沿枝晶间的流动。
2.1枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响 液态金属沿枝晶间流动的原因主要是：
熔体本身的流动驱使固液两相区内的液体流动；
由于凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 由于密度差而发生的对流。
在凝固过程中铸件中存在温差，因此，在同一时刻铸件各处未凝液相的数量是不同的。一般来说，冷端凝固速度较快，未凝的液相较少。
当铸件（锭）凝固区域很窄时（逐层凝固），固溶体初生晶生长成紧密排列的柱状晶，凝固前沿是平滑的或为短锯齿形，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响则降为次要地位，宏观偏析的产生主要与结晶过程中的溶质再分配有关。 随着凝固前沿向中心推进，“多余”的溶质原子（k0＜1）被排斥在周围的液体中。这部分液体的溶质浓度逐渐升高，后结晶的固相溶质浓度不断增加，导致铸件先凝固区域（铸件的外层）的溶质浓度低于后凝固区。k0＞1 的合金则与上述情况相反。按照异分结晶的规律，这是正常现象，故称正常偏析。
图16-11 原始成分为 C0 的合金在 单向凝固后的溶质分布 a—平衡；b—固相无扩散液相只有扩散；
c—固相无扩散液相均匀混合；d—液相部分扩散
图16-11是原始成分为C0的合金（k0＜1）以平面界面单向凝固后，沿试样凝固方向上的溶质分布，曲线b、c、d 都是正常偏析，
铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，凝固前沿是平滑的或短锯齿形，溶质原子（k0＜1）易于向垂直于凝固界面的液体内传输。此时，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响降至次要地位，凝固后的铸件内外层之间溶质浓度差大，正常偏析显著。
当铸件凝固区域较宽时。枝晶得到充分的发展，排出的溶质在枝晶间富集，且液体在枝晶间可以流动，从而使正常偏析减轻甚至完全消除。
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|值的增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，铸件倾向体积凝固，反而减轻正常偏析或不产生正常偏析。
正常偏析的存在使铸件性能不均匀，随后的加工和处理也难以根本消除。故应采取适当措施加以控制。
利用溶质的正常偏析现象，可以使金属达到提纯的目的。“区熔法”就是利用正常偏析的规律发展起来的。
铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，凝固前沿是平滑的或短锯齿形，溶质原子（k0＜1）易于向垂直于凝固界面的液体内传输。此时，枝晶间液体的流动对宏观偏析的影响降至次要地位，凝固后的铸件内外层之间溶质浓度差大，正常偏析显著。
当铸件凝固区域较宽时。枝晶得到充分的发展，排出的溶质在枝晶间富集，且液体在枝晶间可以流动，从而使正常偏析减轻甚至完全消除。
正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|值的增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，铸件倾向体积凝固，反而减轻正常偏析或不产生正常偏析。
正常偏析的存在使铸件性能不均匀，随后的加工和处理也难以根本消除。故应采取适当措施加以控制。
利用溶质的正常偏析现象，可以使金属达到提纯的目的。“区熔法”就是利用正常偏析的规律发展起来的。
在其它条件相同时，固液相之间或互不相溶的液体之间的密度差愈大，则重力偏析愈严重。因此，一些以钨、铅等重金属为溶质的冶金或一些以铝镁等轻金属为溶质的合金，如何防止或减轻重力偏析是生产中的主要问题之一。加快结晶速度，机械搅拌液态金属可以减轻重力偏析。加入第三组元，形成高熔点、密度与液相相近的固相，先形成枝晶骨架，可阻止偏析相浮沉。
第十七章 铸件中的气体
常见气体在铸件中的存在形态
气体元素在金属中主要有三种存在形态：固溶体、化合物和气态。 若气体以原子状态溶解于金属中，则以固溶体形态存在。若气体与金属中某些元素的亲合力大于气体本身的亲合力，气体就与这些元素形成化合物。气体还能以分子状态聚集成气泡存在于金属中。
存在于铸造合金中的气体主要是氢、氧、氮及其化合物。
氢原子半径很小(0.37×10-10m)，几乎能溶解于各种铸造合金中。氧是极活