第一节 概述
铸件铸态组织的形成过程可分为两个阶段：
（1）凝固过程：凝固过程即结晶过程，又称为一次结晶过程。
（2）固态相变过程：凝固后的金属，随着温度的继续下降，在固相中发生相变的过程，又称为二次结晶过程。
一次结晶过程主要决定了铸件的宏观组织（晶体形状、大小及其在铸件中的分布）、偏析情况及非金属夹杂物的分布形态等。一次结晶的生长方式还对补缩及裂纹的形成有影响。本书仅讨论一次结晶过程（简称为结晶过程）。
金属结晶时首先在液体中形成一些微小晶体（称为晶核），然后是晶核的长大。结晶就是在液体中不断形成晶核和晶核不断长大的过程。晶体不断生长，直到最后相互接触为止。它们相互接触时由于各晶体晶轴在空间方位的不同而不能合并在一起，出现了接触界面，称为晶界。由晶界刻划出的各个孤立的晶体称为晶粒。每个晶粒基本上是一个单晶体，但一个晶体内部并不是完全一致的，而是由一些取向略有差异的小块组成，称为亚晶（亚结构），亚晶之间的界面称为亚晶界。对一个晶粒而言，它具有严格区分的形核和生长两个阶段；但对整体而言，形核和生长是交叉进行的，原有晶核生长时，其他部位继续形成新的晶核及随后的生长，如图8-1所示。晶核越多，生长速度越慢，则凝固后晶粒越细小；反之则晶粒越大。
图8-1 金属结晶过程示意图
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图8-2 几种可能的铸件宏观组织示意图
（a）表面细等轴晶+内部柱状晶；（b）表面细等轴晶+内部柱状晶+中心粗等轴晶；（c）全部等轴晶
纯金属和合金的固溶体相，在通常的凝固条件下结晶时，以树枝状生长方式成为树枝状晶。如果枝晶的一次晶枝（主干）在某一特殊方向延伸生长，最后形成的晶粒呈长条状，称为柱状树枝晶（简称柱状晶）。如果枝晶的各次晶枝在各个方向均匀生长，最后形成等轴状晶粒，称为等轴树枝晶（简称等轴晶）。图8-2是几种可能的铸件宏观组织示意图。
在特殊的成分和温度条件下，晶体的生长表面可以按平面方式向液相推进，这时生成的柱状晶内没有树枝状组织。同样，由于晶体结构的特点，某些晶体可以生长成等轴状，这种等轴晶内也没有树枝状组织。但是，晶体的树枝状生长是铸造条件下最常见的生长方式。
结晶过程中，晶界是最后凝固的地方，非金属夹杂物（特别是低熔点杂质）易富集于此，因此削弱了晶粒之间的联系。晶粒越粗，杂质分布就越集中，危害性也就越大。柱状晶的晶界互相平行，故其力学性能有明显的方向性，纵向好而横向差。等轴晶的晶界杂乱，故其力学性能的方向性不明显，比较稳定。晶粒越细，其综合力学性能越好，且抗疲劳性能也较高。所以，对于铸件通常希望获得细小的等轴晶组织。在特殊情况下，例如在高温工作下的涡轮叶片，其拉应力方向与叶片轴向一致。垂直于拉应力方向的晶界，在拉应力作用下产生应变，出现晶界裂纹，裂纹沿晶界发生和扩展是高温蠕变断裂的主要形式。如果使柱状晶的晶界与拉应力方向平行，几乎完全消除了垂直于拉应力方向的晶界，则柱状晶对于轴向负荷具有较大的高温抗蠕变性。图8-3是Mar M—200合金（含Cr、Co、W和其他元素的镍基耐热合金）三种不同宏观组织的蠕变曲线。可以看出，用一般凝固方法获得的等轴晶，其抗蠕变性能很低，持久寿命很短；用单向凝固方法获得的柱状晶（多晶体），可显著提高抗蠕变性能，延长持久寿命；通过特殊的结晶控制获得只由一个柱状晶构成的单晶叶片，可成倍地延长持久寿命。
图8-3 三种不同宏观组织的蠕变曲线
1—等轴晶；2—柱状晶（多晶体）；3—柱状晶（单晶体）