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第六篇
铸造合金及熔炼
第一章 铸造合金原理
第一章 铸造合金原理
铸件都是由液态合金在铸型中冷却凝固而成（即使金属焊接时，焊缝中也要发生
结晶凝固过程）。因此，铸造合金的液态结构、物理性质、结晶凝固特点以及铸造合金
在铸造过程中所表现出来的工艺性能（也称为铸造性能，包括流动性、收缩性、偏析、
气体及夹杂物等）对铸件的质量有着极为重要的影响，是我们制定合理的铸造工艺，
获得健全铸件的重要依据。本篇主要介绍铸造合金的原理。
第一节 液态金属的结构与性质
在铸造生产过程中，铸件是由液态金属转变为固体金属的结晶过程而得到的。
而液态金属冷却时会产生体积的变化，固相的析出、凝固过程中溶质的再分配，气体
和夹杂物的析出等。这些变化都与铸件的母体即液态金属的结构与物理性质密切相
关。了解液态金属的结构与性质，可以控制其结晶过程，改善铸件的性能。
一、液态金属的结构
由金属学原理可知，固态金属都是晶体，其中的原子都是在较大范围内按照特定
的晶格类型呈现有规则的排列，我们把固态金属的这种结构特征称为“远程有序”结
构。而当固态金属加热时，随着加热温度的提高，原子的热振动加剧，振幅增大，活化
原子数增多，原子在点阵中频繁跳跃，点阵内的空位数增加；对于多晶体还可使晶界
产生移动，从而使金属的体积膨胀。
由于原子在三维方向都有相临的原子，彼此的振动方向又是随机的。因此，常常
相互碰撞并传递能量，从而使有的原子能量增大或减小，使有的原子能量大于或超过
原子的平均能量，有的小于或远远小于平均能量。这种能量的不均匀性称为能量起
伏。
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第六篇 铸造合金及熔炼
当温度达到熔点时，多晶体晶粒之间的结合受到极大的破坏，晶粒之间更容易产
生相对运动，使原有晶粒逐渐失去固有的形状和尺寸。为了使金属由固态转变为液
体，还需要不断提供能量使原子间的结合进一步破坏，使晶粒进一步瓦解为小的原子
集团，称为“近程有序”。这时外部提供的能量并不使金属的温度进一步升高，而使原
子间的结合进一步破坏，我们把金属由固态转变为液态时所吸收的能量称为熔化潜
热。几种金属的熔化潜热比较，如表 ! " # " #。
能量起伏理论是我们了解物质微观运动的一个重要概念。用此理论可以解释金
属的熔化、蒸发、扩散、凝聚和固态相变等一系列物理、化学过程。
表 ! " # " # 几种金属的熔化潜热
金属名称 铝 铜 铁 锌 铬
熔化潜热$%&· ’() " # #*+, #-+* #!+. /+. #!+,
从微观上看，液态金属是由许多强烈游动的原子集团和空穴所组成，温度越高，
原子集团越小，空穴越多，能量起伏越大，游动越快。所有的原子集团都处在瞬息万
变状态，时而长大，时而变小，时而产生，时而消失，即时聚时散，时有时无。我们把金
属的这种现象称为结构起伏。用此可以解释液态金属的流动性。只要在重力场的作
用下，其外形就能随着铸型型腔而变化。
合金都是由两种或两种以上元素组成，不同元素间的原子结合力是不相同的，结
合较强的原子容易聚集到一起而排斥别的原子。这就造成在游动的原子集团中有的
0 种原子多，有的 1 种原子多。我们把这种原子集团间成分不均匀现象称为浓度起
伏，如图 ! " # " # 所示。
图 ! " # " # 液态金属中浓度起伏示意图
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第一章 铸造合金原理
二、液态金属的物理性质
液态金属的物理性质对金属的浇注、凝固过程及铸件质量都有很大的影响。
（一）熔点和熔化热
各种纯金属的熔点差别很大，如 ! 为 "#$%&，’( 为 )*#+&，,- 为 "".$#%&，/0 为
).+#&等。纯金属在一定的温度下熔化和结晶，而大部分合金（除共晶成分合金外）
则有一个熔化或结晶温度区间，其大小取