单晶铜

达到单晶生长时的5～6℃/mm。因此，随着淘汰过程的进行晶向的偏离角逐渐减小。

当连铸速度值基本上与晶体生长速度一致时，铸型中横向热辐射造成热损失不致于形成大的横向温度梯度，该条件下晶体取向偏离度很小。否则，当连铸速度大于晶体生长速度时，由于铸型热辐射造成的热损失增大，致使横向温度梯度增大，造成凝固界面严重凹陷，出现晶体生长的倾斜现象，因而晶体的取向偏离度随之增大。同时，在连铸过程中熔体存在着自然对流和强迫对流，并且随着连铸速度增加而增大，造成晶体生长的不稳定，也是使晶体取向偏离度增加的一个原因。

2.连铸铜单晶的晶体质量与单晶的生长

对铜单晶横截面和纵截面进行的X射线衍射测试。可以发现，连铸铜单晶横截面的X射线衍射图为一个(200)晶面的峰值，而纵向截面的衍射峰为(111)、(200)、(311)。这是由于横向上存在单方向结晶条件，温度梯度方向与结晶方向相同，晶体在生长时严格按与(200)晶面垂直的［100］方向生长；在纵向方向上由于固液界面为凸形，温度梯度的方向是在一定范围变化的，所以结晶方向是在一定范围内，从而X射线的衍射峰是多个。为了评价单晶的质量，将计数器固定在2θ位置(2θ=50.35°)，然后沿试样的法线旋转样品台，进行θ扫描，计数器只能接收到满足2θ=50.35的晶面的衍射，可以发现衍射峰是由多个高斯分布组成的。如果单晶只有一个取向，那么衍射图只有一个高斯分布，从图5b可以看出，衍射图为多个高斯分布。因此，连铸铜单晶的取向在一定范围内变化。采用此方法确定连铸铜单晶的晶体取向时，也发现当连铸铜单晶的晶体取向小于10°。因此，连铸铜的取向在一定范围内，并不是唯一取向的单晶。

从以上分析可以得出，要想达到单晶连续生长，必须使各工艺参数合理匹配，使固-液界面向熔体呈凸出形状。由于固-液界面为凸出形状，所以生长出的单晶是有一定范围取向的单晶。在单晶生长时铸棒两侧向轴向方向生长，而中心沿轴向方向生长，当固-液界面越凸，晶体的取向范围越大，反之，固-液界面越平滑，晶体的取向范围越小。通过以上分析得出，要想生长出高质量的单晶，固-液界面必须平滑，甚至平界面。 1.力学性能

表1为连铸铜单晶与其它组织铜铸棒力学性能对比。在拉伸应力-应变图上发现铜单晶与定向凝固多晶有明显的屈服点，并且两者屈服强度值相当，这说明定向凝固多晶与单晶都很容易进行塑性加工。铜单晶与多晶铸棒比，抗拉强度降低了20.85％，屈服强度降低了86.54%，延伸率增加了80.24％，断面收缩率增加了394.50%；连铸铜单晶与轧制棒比，抗拉强度降低了65.97％，屈服强度降低了98.27％，延伸率增加了270.00%，断面收缩率增加了4.00％；铜单晶与定向凝固铸棒比，抗拉强度降低了13.70％，屈服强度相当，延伸率增加了10.81％，断面收缩率增加了4.82%。

表1 连铸铜单晶与其它组织铸棒机械性能对比 σs／MPa σ02／MPa σb／MPa φ δ Single crystal 6.73 134.56 89.01% 30.64% Unidirectional crystal 7.18 155.92 84.92% 27.65% Polycrystalby rolling 389.96 395.42 85.59% 8.27% Polycrystal as cast 50.00 170.00 18.00% 17.00% ．

图2为拉断后的试样。由图中可以看出，轧制试样在断裂前只发生了局部颈缩,而连铸单晶和定向凝固试样均发生均匀的变形,最后局部颈缩而断裂,只不过铜单晶变形程度比定向凝固试样较大;并且在变形过程中有很明显的滑移线,轧制多晶试样则很难观察到。

图2 拉伸实验断裂后的试样

(a)—Rolling polycrystal; (b)—Unidirectional crystal; (c)—Single crystal

图3为拉伸试样拉断后的断口形貌。从图中可以看出，连铸单晶和定向凝固试样的断口有明显的塑性变形；轧制多晶试样断口为圆形，虽然断口为韧性断口，但韧窝要比连铸单晶和定向凝固的浅。这也证明了连铸单晶和定向凝固组织的塑性要好于轧制多晶。

图3 拉伸试样断口形貌

(a)—Rolling polycrystal； (b)—Unidirectional crystal；(c)—Single crystal

定向凝固组织断口为三角形，而单晶为扁尖状，这是由于单晶和定向凝固晶体具有一定取向，在变形时滑移沿着一定方向进行，因此，变形具有一定的方向性。

从图4可以看出，连铸铜单晶的滑移线相互平行且分布均匀，而轧制多晶与连铸铜单晶不同，没有方向性、且分布不均匀。铜为面心立方晶体，滑移面为(111)，滑移方向为［110］，滑移时原子移动的距离是原子间距的整数倍，滑移后晶体各部分的位相不变，滑移的结果使大量原子逐步从一个稳定位置移到另一个稳定位置，从而产生宏观塑性变形，如4(c)所示。

从图4(c)可见，经塑性变形后，在试样的横截面组织中明显存在因晶体发生转动形成的棱面。经X射线衍射分析得知，变形前截面为(200)，变形后为(200)和(311)。这说明连铸铜单晶除了以上述滑移方式发生塑性变形外，还以孪生方式发生变形。

从以上分析可知，连铸铜单晶的塑性变形主要机制为滑移与孪生。

图4 拉伸试样表面的滑移情况

(a)—Rolling polycrystal； (b)—Unidirectional crystal；(c)—Single crystal

2.导电性能

电子波散射是金属产生电阻的根本原因。可能引起散射的因素很多，诸如温度、压力、杂志、塑性变形及晶体的物理缺陷等。多晶试样、定性凝固试样、单晶试样都采用同一炉铜液制备，并且测试条件相同。因此，出现电阻率的差异应归结于晶格的缺陷，也就是晶粒的晶姐（晶粒内的密度是相同的）。连铸铜单晶与多晶铸棒相比电阻率降低了15.57%，而与定向凝固铸棒相比电阻率只降低了4.24%。这说明横向晶界对电阻值的变化起到很大的作用。从金属物理学的观点来看，金属的晶界中存在着大量的空位、位错等缺陷。同时，从凝固理论得知，在晶界处存在溶质元素的偏析，因此，金属的晶界可以看作是含有杂志的大量晶体缺陷的单晶体隔离层，成为电子传输中的一个散射中心，引入散射，电阻增加。

金相组织中杂质微粒对导电特性的影响可以被看成如图6所示，将可能发生3种情况：

(1) 图5(a)中没有杂质，金属的晶格没有被破坏，自由电子的空间移动没有障碍；

(2) 图5(b)中相当于定向凝固组织，杂质只是破坏了一些金属晶格，但并没有对自由电子的定向移动造成多大的障碍；

(3) 图5(c)中相当于多晶情况，金属晶格周围被杂质包围，破坏了金属晶格，自由电子的定向移动造成很大的障碍。

图5 杂质对金属原子的影响

当然，这些情况发生在导体表面和导体内部深层中，对电流的传输所造成的影响是不同的，在表面的影响要严重得多。在图5(a)中，自由电子可以从晶体小颗粒中自由通过；图5(b)中，自由电子尚可以从晶体小颗粒之中自由通过，所造成的影响要小于图5(c)情况；图5(c)中杂质粒子将使自由电子通路隔断，被隔离的金属晶体小颗粒已与金属母体形成了电容。由于电容的作用，使电能损耗大为增加。因此，多晶的电阻率大于定向凝固组织和单晶。

因此，连铸铜单晶由于消除了晶界，提高了导电性，是电子工业和通讯技术的优质导体材料。