顯微組織與織構

柱狀晶(columnar grain)

看水在冰冷的窗上結冰,你會看到一根根長長的冰刺從冷玻璃向內伸出。熔融金屬倒進冷模裡也一樣:接觸冷壁的晶粒,在唯一能把熱帶走的那個方向上快速生長——向內、沿著溫度梯度往上——於是變成又長又平行的柱子。柱狀晶就是這樣的晶粒:一個方向比橫向長得多,像一枝直立的鉛筆。

柱狀晶在方向性凝固中形成。模壁使熔液驟冷,晶體在那裡成核,其中取向最適合朝熱中心生長的晶粒會超越其他晶粒,於是一排長晶粒像梳子一樣向內掃過,全都指向熱流方向,並常沿著長軸共享一個共同的晶體方向(凝固織構)。此時截線法的量測會強烈依賴方向——橫越柱子時短、沿柱子時長——這是拉長組織的標誌。

柱狀晶給出異向性的性質:材料沿柱與橫柱的表現不同,這可能是缺陷(鑄件中橫向的晶界較弱),也可能是刻意的優點。渦輪葉片經方向性凝固,使所有晶界都沿葉片走、沒有一條橫越高應力方向——而單晶葉片則乾脆完全消除晶界。誠實的提醒:真實鑄件通常呈現混合——貼壁處有細的驟冷表層、向內生長的柱狀區,以及中心的等軸區(自由晶體在冷卻的液體中成核)。

錠材的橫截面由模壁向內顯示:先是又薄又亮、長達數毫米卻只有零點幾毫米寬的柱狀晶,全都指向錠材中心——接著是中央一片等軸晶,那是熔液最後從許多自由核心凝固而成的。

與熱流方向對齊的長晶粒;它們強烈的方向性使鑄件呈異向性。

柱狀晶在一般鑄件中通常不受歡迎,因為橫越柱子的晶界較弱;但同樣的方向性生長在方向性凝固與單晶渦輪葉片中卻被刻意加以利用。

又称
columnar grains柱狀晶粒