在实际生产中，液态金属是在铸锭模或铸型中凝固的，前者得到铸锭，后者得到铸件。虽然它们的结晶过程均遵循结晶的普遍规律，但是由于铸锭或铸件冷却条件的复杂性，因而给铸态组织带来很多特点。铸态组织包括晶粒的大小、形状和取向，合金元素和杂质的分布以及铸锭中的缺陷（如缩孔、气孔）等。对铸件来说，铸态组织直接影响到它的机械性能和使用寿命；对铸锭来说，铸态组织不但影响到它的压力加工性能，而且还影响到压力加工后的金属制品的组织及性能。因此，应该了解铸锭（铸件）的组织及其形成规律，并设法改善铸锭（铸件）的组织。

2.3.5.1　铸锭组织的形成

金属液体各处的结晶条件不完全相同，结晶后各处晶粒大小与形状也会不均匀。通常金属铸锭的宏观组织包括三部分：表面细等轴晶区、中部柱状晶区及心部粗等轴晶区，如图2.34所示。

图2.34　铸锭的三个晶区示意图

1．表面细等轴晶区

液体金属钢注入铸锭模时，由于铸锭模温度低、传热快，使表面金属受到激冷，过冷度大，同时模壁表面可能成为非均匀形核的基底，使液态金属获得很高的形核率，很快形成大量的晶核，并向各个方向生长。这样的结果就是在铸锭表面形成了一层厚度不大的细等轴晶区。

表层细晶区的形核数目取决于下列因素：模壁的形核能力以及模壁处所能达到的过冷度大小，后者主要依赖于铸锭模的表面温度、铸锭模的热传导能力和浇注温度等因素。如果铸锭模的表面温度低、热传导能力好和浇注温度较低，便可以获得较大的过冷度，从而使形核率增加，细晶区的厚度即可增大。相反，如果浇注温度高、铸锭模的散热能力小，而使其温度很快升高的话，就可大大降低晶核数目，细晶区的厚度也可相应地减小。

细等轴晶区晶粒小，致密度高，其力学性能较好，但厚度较小，一般在随后的机械加工中去除，所以对铸锭的性能影响较小。

2．中部柱状晶区

在表面细等轴晶区形成后，铸锭模温度升高，铸锭的冷却速度降低，过冷度减小；另一方面由于金属凝固后的收缩，使细晶区和模壁脱离，形成一空气层，给液态金属的继续散热造成困难。此外，由于细晶粒覆盖了模壁表面，非自发形核也不存在，因此，液态金属中新的晶核的形核率降低，在这种条件下，散热条件控制了晶粒优先长大方向。由于垂直于模壁方向的散热最快，晶体长大速度最快，其他方向散热慢，长大也慢，而且受到长大快的晶粒阻碍，最终形成了垂直于壁面的柱状晶区。

柱状晶区各个晶粒几乎平行地长大，相互妨碍，不易产生发达的枝晶，组织比较致密。但柱状晶比较粗大，方向基本一致，具有明显的各向异性；另外，晶粒交界处容易聚集杂质与气体，受力时容易沿晶界开裂。因此，一般应尽量避免大的柱状晶区。有时柱状晶也有利用价值，如涡轮机叶片，采用定向凝固技术，使金属在结晶时形成与叶片方向一致的柱状晶，沿柱状晶方向可以承受大的荷载，其性能得到提高。再比如磁性铁合金也希望得到柱状晶，因为它的最大磁导率方向是<001>方向，而柱状晶的一次轴也正好是这一方向。

3．心部粗等轴晶区

随着柱状晶的发展，剩余液体的温度逐渐均匀化，冷却速度越来越慢，过冷度大大减小，同时，剩余液体中富集一些杂质和折断的枝晶可作为晶核。这时各个方向的长大速度相同，加之过冷度较小，最后形成了粗大的中心等轴晶区。(www.daowen.com)

与柱状晶区相比，等轴晶区的各个晶粒在长大时彼此交叉，枝叉间的搭接牢固，裂纹不易扩展；不存在明显的脆弱界面；各晶粒的取向各不相同，其性能也没有方向性，这些都是等轴晶区的优点。但其缺点是等轴晶的树枝状晶体比较发达，分枝较多，因此显微缩孔较多，组织不够致密。但显微缩孔一般均未氧化，因此铸锭经热压力加工之后，一般均可焊合，对性能影响不大。由此可见，一般的铸锭，尤其是铸件，都要求得到发达的等轴晶组织。

2.3.5.2　铸锭组织的控制

在一般情况下，金属铸锭的宏观组织有 3 个晶区，当然这并不是说，所有铸锭（件）的宏观组织均由 3 个晶区组成。由于凝固条件的复杂性，在某些情况下有的只有柱状晶区，而在另外一些情况下却只有等轴晶区，即使是具有 3 个晶区的宏观组织，其 3 个晶区所占比例也往往不相同。由于不同的晶区具有不同的性能，因此必须设法控制结晶条件，使性能好的晶区所占比例尽可能大，而使不希望的晶区所占比例尽量减少以至完全消失。例如，柱状晶的特点是组织致密，性能具有方向性，缺点是存在弱面，但是这一缺点可以通过改变铸型结构（如将断面的立角连接改为圆弧连接）来解决，因此塑性好的铝、铜等铸锭都希望得到尽可能多的致密的柱状晶。影响柱状晶生长的因素主要有以下几点：

1．铸锭模的冷却能力

铸锭模及刚结晶的固体的导热能力越大，越有利于柱状晶的生成。生产上经常采用导热性好与热容量大的铸模材料，增大铸模的厚度及降低铸模温度等，可以增大柱状晶区。但是对于较小尺寸的铸件，如果铸模的冷却能力很大，以致整个铸件都在很大的过冷度下结晶，这时不但不能得到较大的柱状晶区，反而促进等轴晶区的发展（形核率增大）。如采用水冷结晶器进行连续铸锭时，就可以使铸锭全部获得细小的等轴晶粒。

2．浇注温度与浇注速度

由图2.35 可以看出，柱状晶的长度随浇注温度的提高而增加，当浇注温度达到一定值时，可以获得完全的柱状晶区。这时浇注温度或浇注速度的提高，均将使温度梯度增大，因而有利于柱状晶区的发展。

3．熔化温度

熔化温度越高，液态金属的过热度越大，非金属夹杂物熔解得越多，非均匀形核数目就越少，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。

对于钢铁等许多材料的铸锭和大部分铸件来说，一般都希望得到尽可能多的等轴晶。限制柱状晶的发展，细化晶粒成为改善铸造组织、提高铸件性能的重要途径。为此应设法提高液态金属的形核率，阻止柱状晶区的发展。常用的方法有：降低浇注温度和浇注速度，减小液体的过热度，以便在液体中保留较多的非均匀形核核心，提高形核率。从图 2.36 中可以看出，浇注温度越低，晶粒尺寸越小。对于小型铸件，可用提高过冷度的方法来提高形核率；对于大型铸件，进行变质处理是最常用的方法。此外还可采用一些物理方法，如振动、搅拌等以细化晶粒。

图2.35　柱状晶的长度与浇注温度的关系

图2.36　等轴晶粒尺寸与浇注温度的关系