晶粒大小的控制

晶粒大小的控制晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示不同材料的金属所需要的晶粒大小：l 在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。l 但是，对于在髙温下工作的金属材料，晶粒过于细小性能反而不好，一般希望得到适中的品粒度。l 对于制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒反而越粗大越好。因为晶粒越大，则其磁滞损耗越小，效应越高。表2-3列出了晶粒大小对纯铁机械性能的影响由表可见，细化晶粒对于提高金属材料的常温机械性能作用很大。细晶强化：这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。改变晶粒大小的手段：此外，除了钢铁等少数金属材料外，其它大多数金属不能通过热处理改变其晶粒度大小，因此通过控制铸造及焊接时的结晶条件，来控制晶粒度的大小，便成为改善机械性能的重要手段。影响金属结晶时的晶粒大小的因素及原因l 金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。l 晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。l 形核率越大，则单位体积中的晶核数目越多，每个晶粒的长大余地越小，因而长成的晶粒越细小。同时长大速度越小，则在长大过程中将会形成更多的晶核，因而晶粒也将越细小。反之，形核率越小而长大速度越大，则会得到越粗大的晶粒。l 因此，晶粒度取决于形核率和长大速度之比，比值越大，晶粒越细小。l 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目为；为单位面积中的晶粒数目为l 由此可见，凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒，相反，凡是抑制形核促进长大的因素，都便晶粒粗化。根据结晶时的形核和长大规律，为了细化铸锭和焊缝区的晶粒，在工业生产中可以采用以下几种方法：控制过冷度、变质处理、振动、搅动过冷度对晶粒大小影响原理：形核率和长大速度都与过冷度有关，增大结晶时的过冷度，形核率和长大速度均隨之增加，但两者的增大速率不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率，如图2-32所示。在一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大,则比值越大，因而晶粒越细小。如何提高过冷度：l 增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。在铸造生产中，为了提高铸件的冷却速度，通常采用金属型或石墨型代替砂型，增加金属型的厚度，降低金属型的温度，采用蓄热多散热快的金属型，局部加冷铁，以及采用水冷铸型等。l 增加过冷度的另一种方法是采用低的浇注温度、减慢铸型温度的升高，或者进行慢浇注，这样做一方面可使铸型温度不致升高太快，另一方而由于延长了凝固时间，晶核形成的数目增多，结果即可获得较细小的晶粒。增大过冷度的方法只对小铸件有效：用增加过冷度的方法细化晶粒只对小型或薄壁的铸件有效，而对较大的厚壁铸件就不适用。因为当铸件断面较大吋，只是表面冷得快，而心部冷得很慢，因此无法使整个铸件体积内都获得细小而均匀的晶粒。两类变质剂并举例：1. 变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂（又称变质剂），促进形成大量的非均匀晶核来细化晶粒。2. 例如在铝合金中加入钛和锆，在钢中加入钛、锆、钒，在铸铁中加入硅铁或硅钙合金就是如此。表2.4说明某些铸造铝合金中加入B、Zr、Ti等变质剂后晶粒细化的情况。3. 还有一类变质剂，它虽不能提供结晶核心，但能起阻止晶粒长大的作用，因此又称其为长大抑制剂。4. 例如将钠盐加入AlSi合金中，钠能富集于硅的表面，降低硅的长大速度， 使合金的组织细化。振动搅拌细化晶粒原理：对即将凝固的金属迸行振动或搅动，一方而是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成， 另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，这已成为一种有效的细化晶粒组织的重要手段。振动搅拌的4种方法：进行振动或搅动的方法