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金属的铸造和合金化是两种重要的制造工艺。铸造通过将熔融金属倒入某种所需形状的模腔中来完成。固化的金属部件称为铸件。合金是通过将两种或两种以上处于熔融状态的金属以预先确定的组合混合而成的。凝固后产生的成分被称为合金，具有不同于母体材料的特性。
这两种工艺的共同点是熔融材料的浇注和随后的凝固。凝固产生半成品或成品是一个重要的过程。不幸的是，在这个过程中可能会出现许多缺陷。为了防止缺陷，我们首先需要了解凝固。
金属和合金的凝固
凝固是将熔融液体冷却到固体状态的过程。凝固过程包括成核、结晶和凝固晶粒生长。
成核是相变(即从液体到固体)开始发生的第一步。然后,结晶发生在成核位置。(了解结晶金属的晶体结构)。在结晶过程中，形成了分离液体和固体的边界。这是在温度梯度的影响下发生的，是原子运动的结果扩散)。凝固发生时微晶开始成长。这样形成的每个晶体称为一个晶粒，相邻晶粒之间的区域称为晶粒晶界。
这个过程在一定的温度范围内发生。由此产生的晶粒结构影响整体强度和机械性能最后的成品。
凝固过程中的冷却过程可以发生在平衡或非平衡条件下。这些条件是由冷却速度决定的，也就是温度变化的速度。在平衡冷却中，冷却速率非常慢。因此，随着冷却的进行，固体和熔融液体的成分不断地自我调整以保持温度热力学平衡。缓慢的冷却速度有利于原子的远距离扩散。相反，非平衡冷却是一个快速的过程。
什么是核心?
在合金或铸造过程中发生非平衡冷却的情况下，冷却速度太快。因此，在结晶过程中没有足够的时间使原子进行远距离扩散。因此，在生长的晶体中会有非均质性。换句话说，首先形成的颗粒的核心与最后形成的颗粒的组成不同。开始结晶的晶粒中心将具有高熔点的成分。靠近晶界的区域会有熔点较低的组分。中间区域具有具有中间交汇点的组件。
这种由快速(非平衡)冷却引起的空间不均匀性或成分的微分离被称为取心在合金。取心的结果是合金不均匀。在合金中取芯是主要的，在液相线和固线。(固体和液体的信息可以从a相图合金的)。低于这个温度，合金完全是固体。超过这个温度，液化就开始了。当温度低于固相线时开始凝固。
取心现象揭示了冷却速率是如何影响温度的微观结构因此，物质的性质。这种现象不仅局限于铸造或合金化过程，而且可能发生在任何涉及凝固的过程中。例如，在矿物中，同样的现象被称为分带。在地质学中，有时在岩石中观察到取心，通过分析矿物的微观结构来获得岩石的热历史。(比如学习材料的性质?读如何开始材料科学家的职业生涯)。
为什么不需要取芯
合金化是为了使材料具有特定的机械性能。然而,不均匀性材料结构的缺陷导致所得到的部件性能较差。在晶粒结构中，凝固首先发生的区域富含高熔点元素。如图1(左)所示，从晶心到晶界，低熔点元素的浓度逐渐增大。因此，这种缺陷被称为取芯。由于这种偏析，在晶粒内会产生空间浓度梯度。这将在很大程度上影响物质的性质和强度，导致在负载下性能差。此外，再加热具有芯状结构的材料将导致机械完整性的损失，因为晶界包含低熔点元素，这些元素在再加热时首先熔化。
图1所示。由于快速冷却(非平衡冷却)而使晶粒内取心(左)。由平衡冷却产生的颗粒(右)。
总之，取心导致了较差的力学性能。同时,电解电池可能是由于合金浓度的不同而产生的，从而大大降低了合金的硬度耐蚀性。
如何防止取心
在现实世界的场景中，冷却类型并不总是处于平衡状态。这将导致取心。然而，在合金化或铸造后可以进行某些称为均匀化和扩散退火的工艺以防止或减少取心的影响(图1，右)。
退火是一个热处理加热材料并使其在该温度下保持一段时间，然后冷却的过程。
在均质退火中，将铸造或合金材料加热到高温，以促进原子的扩散。因此，原子会从高浓度扩散到低浓度;因此又称扩散退火。均质加热应进行足够的时间，以达到均匀的组成。均质退火是在高温下进行的，因此可能导致处理物质表面出现粗糙的显微组织和鳞屑。因此，热处理后的材料是淬火它是将材料在水、油或空气中迅速冷却以达到某种机械性能的过程。(欲了解更多信息，请阅读淬火如何提高金属的性能)。
结论
在凝固过程中，快速冷却会导致取心，这对最终部件的机械性能产生重大影响。完全避免取心是不可能的。然而，在铸造或合金化后进行适当的热处理工艺可以减少由于取芯可能产生的负面影响。
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