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合金过冷至T1温度时开始凝固,首先析出的固相成分为a1,液相成分则为L1。继续冷至T2紫铜止水片温度时,析出的固相成分应为a2,与之平衡的液相成分改变为L2。a2将覆盖在先析出的a1上,若能达到平衡条件,a1的成分也会逐渐改变成a2,以达到T2紫铜止水片下的平衡态。但实际上,固态的扩散速率远小于液态的扩散速率,当剩余液相的成分均匀达到L2时,固相a中的成分仍为不均匀的,它们的平均成分可用a2表示。显然,a2中的B原子浓度小于a2中B原子浓度。同理,当温度降至T3及T4时,其a相的平均成分可用表示a3及a4。在此图中a4即表示x合金的成分。说明x合金在非平衡凝固的条件下T4温度下凝固完毕,较之平衡凝固的固相点温度降低了T3-T4。a1-a4表示的线称非平衡的固相线,非平衡固相线相对于平衡固相线的偏离与凝固时的冷却速率有关,冷却速率愈大,偏离愈大。

由于先后凝固的固相在成分上的差异,不同成分固相受侵蚀程度将不同,因而在我们观察合金的显组织时就会观察到典型的枝晶组织,枝晶臂的成分与枝晶同胞间的成分(B组元含量高)不同,因而显示出不同的颜色。这种因非平衡凝固(结晶)导致的晶粒内成分不均匀的现象称晶内偏析或枝晶偏析。紫铜止水片Cu-Ni合金铸造后的显组织,白色枝干含镍较高,周围黑色部分含铜较高,但均为铜镍a固溶体。

紫铜止水片凝固现象和组织
1.纯铜的铸锭组
从低倍组织可知,铸锭边部为柱状晶,中部则为较粗的等轴晶。实际上,当铸锭时冷却强度足够大或铸锭尺寸较小的情况下,整个铸锭可能全由柱状晶组成。紫铜止水片其他铜合金的低倍组织均具有与此相同的特点。从显组织观察可知,晶粒内部无明显特征,晶界较细,与一般单相合金的平衡结晶组织无异。

2.单相铜合金的铸锭组织特征
铜合金的凝固过程为非平衡过程,所以其铸锭组织一般偏离平衡态。下面以匀晶、包晶及共晶二元系合金为例说明。
匀晶系相图及某合金凝固时可能的非平衡固相线轨迹。
    

对于加工材料而言,紫铜止水片铸锭塑性是至关重要的。为了保证铸锭良好的变形塑性,除防止铸锭中的一些缺陷外,显然不希望铸锭组织处于非平衡凝固状态。由于产生非平衡状态的原因是结晶过程中扩散受阻,因而此种状态在热力学上是亚稳定的,有自动向平衡态转化的趋势。人们可利用这一趋势,将铸态合金加热到一定温度,提高原子扩散能力,使其较快完成由非平衡向平衡状态的转化过程。这种处理称为均匀化退火或扩散退火。热轧是紫铜片止水带生产中铸锭开坯的主要手段。充分利用紫铜片止水带在高温条件下具有优异的塑性这一特点,从而以较小的轧制力实现较大程度的变形。热轧的铸锭一般由半连续、连续铸造或铁模铸造提供。铸锭规格的选择应考虑产品的品种、规格、生产规模、轧机设备条件及铸造方式等。铸锭的厚度一般与轧辊的直径之比为1:(3.5~7),同时不超过轧机的开口度;在设备、工艺条件允许的情况下增大铸锭的厚度,可以提高生产效率和成品率。铸锭宽度通常等于或数倍于成品宽度,并适当考虑宽展量及切边量;一般铸锭宽度还应控制在轧辊长度的80%以内。铸锭的长度在满足终轧温度及辊道长度的条件下,尽量增加铸锭的长度,以提高生产效率和成品率。