鑄態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。鑄錠的鑄態(tài)組織是指晶粒的形態(tài)、大小、取向及缺陷（疏松、夾雜、氣孔等）和界面的形貌等。對(duì)于鑄件來說，鑄態(tài)組織直接影響其力學(xué)性能和使用壽命；對(duì)于鑄錠而言，鑄態(tài)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(gè)金屬錠，可以看到典型截面有三個(gè)特征不同的晶區(qū)，如下圖所示。

結(jié)晶構(gòu)造示意圖

1、表面細(xì)晶粒區(qū)

當(dāng)液態(tài)金屬被澆注到錠模中時(shí)，與冷模壁接觸的一部分液態(tài)金屬被快速冷卻，因此產(chǎn)品在大的過冷度下形成，并且形成非常薄的細(xì)晶表面層。

2、柱狀晶粒區(qū)

因?yàn)橥鈱右呀?jīng)形成了熱殼，鑄錠內(nèi)部溫度高，晶核難以形成，所以表層晶粒向內(nèi)生長(zhǎng)。亞層晶粒生長(zhǎng)時(shí)，由于相鄰晶粒的限制，只能向與散熱方向相反的方向向內(nèi)生長(zhǎng)，于是形成垂直于模壁的柱狀晶粒層。

3、中心等軸晶粒區(qū)

隨著柱狀晶的生長(zhǎng)，鑄錠中的液體達(dá)到結(jié)晶溫度，形成許多晶核；同時(shí)向各個(gè)方向生長(zhǎng)，阻止了柱狀晶的繼續(xù)發(fā)展，從而在鑄錠中心部分形成等軸晶。因?yàn)橹行牟糠掷鋮s較慢，所以晶粒也較粗。如果冷卻速度快，柱狀晶會(huì)迅速向中心發(fā)展，貫穿整個(gè)鑄錠這種組織稱為穿晶組織。

鑄錠中三種不同的鑄態(tài)組織具有不同的性能。

表面細(xì)晶區(qū)結(jié)構(gòu)致密，因此力學(xué)性能良好。但在鑄件中，表面細(xì)晶區(qū)往往很薄，所以對(duì)一些薄壁鑄件效果較好，對(duì)一般鑄件的性能影響不大。柱狀晶區(qū)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(fā)展的兩排相鄰的Du形晶體的界面上（例如，在鑄錠橫截面的對(duì)角線上，如下圖所示）

構(gòu)造較差區(qū)域

強(qiáng)度、塑性差，易熔雜質(zhì)和非金屬夾雜物經(jīng)常聚集，形成明顯的脆性表面，這就是鍛造、在滾動(dòng)過程中，它可能會(huì)沿著這個(gè)脆弱的表面開裂。因此，對(duì)于塑性差的黑色金屬，一般不希望有大的柱狀晶區(qū)。對(duì)純度較高、不含易熔雜質(zhì)、對(duì)于塑性好的有色金屬，有時(shí)為了獲得更致密的鑄錠，要擴(kuò)大柱狀晶區(qū)。另外，在某些場(chǎng)合，要求零件沿某一方向具有優(yōu)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(gè)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(zhǎng)。

各方向等軸晶的性質(zhì)相對(duì)均勻，不存在脆性界面，不同取向的晶粒相互咬合，導(dǎo)致裂紋不易擴(kuò)展，因此在生產(chǎn)中往往希望得到細(xì)小的等軸晶。而等軸晶區(qū)的顯微組織相對(duì)疏松，因此力學(xué)性能較低。金屬的鑄態(tài)組織還與合金成分和澆注條件有關(guān)。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(qū)厚度的增加。澆注溫度低、冷卻速度慢、散熱均勻、變質(zhì)和附加振動(dòng)攪拌有利于等軸晶區(qū)的發(fā)展。特別是加入有效的形核劑和附加振動(dòng)可以使鑄件獲得細(xì)小的等軸晶組織。

不同晶區(qū)大小

鑄態(tài)金屬的宏觀結(jié)構(gòu)大致由柱狀晶體組成、等軸晶或它們的混合物。柱狀晶對(duì)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(jié)合不牢固。在柱狀晶區(qū)的交界處，往往存在低熔點(diǎn)的共晶結(jié)構(gòu)、夾雜物、還可能出現(xiàn)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(gòu)成了所謂的“弱面”下圖為銅扁錠明顯的弱面。

銅扁錠明顯的弱面

鑄錠在進(jìn)行冷熱加工時(shí)，很容易沿著這個(gè)地方開裂，柱狀晶本身的方向性也降低了鑄錠的力學(xué)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(jié)構(gòu)。而柱狀晶由于枝晶不太發(fā)達(dá)，相對(duì)較細(xì)，所以自身強(qiáng)度較高。對(duì)于耐熱合金的一些高溫部件（例如燃?xì)廨啓C(jī)葉片等）采用定向凝固技術(shù)獲得柱狀晶體結(jié)構(gòu)，可以顯著提高其耐熱性。等軸晶的特點(diǎn)是沒有明顯的弱面，每個(gè)晶粒的取向不同，它們的連接處相互交錯(cuò)，這對(duì)鑄錠和鑄件非常重要。

金屬凝固后的晶粒尺寸對(duì)鑄錠或鑄件的性能有重要影響。細(xì)小等軸晶粒的各向異性很小。加工時(shí)變形均勻。同時(shí)，晶界上易偏析的雜質(zhì)夾渣和低熔點(diǎn)共晶分布更加均勻。因此，具有細(xì)小等軸晶的鑄錠或鑄件具有良好的機(jī)械加工性能和使用性能。粒度一般用粒度級(jí)來表示，第一級(jí)粒度最粗，平均直徑為0.25 mm，最薄8級(jí)，平均直徑0.02  mm。通常，在放大100倍的合金顯微鏡下，使用標(biāo)準(zhǔn)粒度等級(jí)進(jìn)行比較評(píng)級(jí)。

1、加強(qiáng)金屬流動(dòng)

等軸晶的形成與晶粒或枝晶的脫落和離解密切相關(guān)。隨著液態(tài)金屬流動(dòng)的加強(qiáng)，液態(tài)金屬能更好地與模壁接觸，有效發(fā)揮模壁激冷效應(yīng)溫度波動(dòng)和對(duì)流沖刷效應(yīng)，增加自由小晶體數(shù)量。

在實(shí)際生產(chǎn)中，采用不同的方法來增強(qiáng)金屬的流動(dòng)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(xì)化晶粒。

二是使錠模周期性振動(dòng)。通常用機(jī)械方法使錠模周期性振動(dòng)。振動(dòng)的主要作用是使熔融金屬與結(jié)晶器壁或凝固坯殼之間產(chǎn)生周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而加速晶體解離，達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。

2、變質(zhì)處理

變質(zhì)是在液態(tài)金屬中加入少量物質(zhì)，促進(jìn)液態(tài)金屬形核或改變晶體生長(zhǎng)過程的方法。添加的物質(zhì)稱為改性劑。對(duì)于加工合金材料，變質(zhì)處理主要是細(xì)化基體相，希望改善脆性化合物、雜質(zhì)和其他第二相的形態(tài)和分布。對(duì)于鑄造合金，變質(zhì)處理主要是細(xì)化第二相或改變其形態(tài)和分布。通過變質(zhì)處理，可以改善合金的鑄造性能和加工性能，提高合金的強(qiáng)度和塑性。因此，變質(zhì)是鑄錠和鑄造生產(chǎn)中廣泛使用的方法。

作用機(jī)理如下：

首先，變質(zhì)劑起著異質(zhì)晶核的作用（即外來晶核）作用。對(duì)于這類變質(zhì)劑，一般要求符合晶格匹配原理，即要求變質(zhì)劑或變質(zhì)劑與母材反應(yīng)形成的化合物（以BnMm表示）與細(xì)化相存在界面相干，兩者晶格失配較小（δ≤5%原子在相應(yīng)晶面上的排列相似，原子間距也相似。同時(shí)還要求變質(zhì)劑或其產(chǎn)物BnMm穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，在液態(tài)金屬中分布均勻。另外，變質(zhì)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(zhì)劑完全溶解在液態(tài)金屬中且不生成化合物的情況下，變質(zhì)劑在凝固過程中與溶質(zhì)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(zhǎng)，枝晶根部出現(xiàn)頸縮，容易脫落和游離。與一般溶質(zhì)不同，變質(zhì)劑能顯著強(qiáng)化上述過程，對(duì)流使自由晶體數(shù)量顯著增加，晶核增殖也更強(qiáng)。同時(shí)，由于變質(zhì)劑容易偏析和吸附，阻礙晶體生長(zhǎng)的效果更加明顯。因此，往往只需添加少量的變質(zhì)劑，就能明顯細(xì)化晶粒。