第十五节-典型晶粒组织控制

1、由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。 第五章第五章 多相合金的凝固多相合金的凝固5-5 5-5 晶粒组织的控制晶粒组织的控制铸件宏观结晶组织铸件宏观结晶组织紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚。细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚。由自外向内沿着热流方向彼此平行由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成。排列的柱状晶所组成。 u 柱状晶区柱状晶区u表面细晶区表面细晶区u 内部等轴晶区内部等轴晶区 晶区数目晶区数目以及柱状晶区和等以及柱状晶区和等轴晶区的轴晶区的相对宽度相对宽度随随合金性质合金性质和具体和具体凝固条件凝

2、固条件而变化，在一而变化，在一定条件下，可获得完全由柱状定条件下，可获得完全由柱状晶晶(a)或等轴晶或等轴晶(c)所组成的宏所组成的宏观结晶组织。观结晶组织。形成原因？形成原因？传热与传质传热与传质( (包括由动量传输引起包括由动量传输引起) )5-5-15-5-1表面细晶粒区的形成表面细晶粒区的形成细晶区前提细晶区前提：抑制抑制铸件形成铸件形成 型壁附近熔体受到型壁附近熔体受到强烈的激冷强烈的激冷作用而作用而大量形核大量形核，形成无，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶激冷晶”。细化程度取决于细化程度取决于型壁散热条件型壁散热条件所决定的所决定的过冷度和

3、凝固区域的宽度过冷度和凝固区域的宽度型壁附近熔体内大量的型壁附近熔体内大量的非均匀形核非均匀形核各种形式的各种形式的晶粒游离晶粒游离稳定的凝固壳层稳定的凝固壳层凝固壳层凝固壳层界面处晶粒单向散热界面处晶粒单向散热晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶 柱状晶区的宽度及存在取决于两个因素柱状晶区的宽度及存在取决于两个因素综合综合作用结果作用结果 生长方式：生长方式：择优生长择优生长 各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶生长迅速生长迅速，优先，优先向内伸展并向内伸展并抑制抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向

4、不利的晶体过程中发展成相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织柱状晶组织 竞争淘汰竞争淘汰 离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大5-5-25-5-2柱状晶区的形成柱状晶区的形成稳定凝固壳层稳定凝固壳层产生产生柱状晶区柱状晶区开始开始 柱状晶区柱状晶区结束结束内部等轴晶区内部等轴晶区形成形成5-5-3 5-5-3 内部等轴晶区的形成内部等轴晶区的形成过冷熔体中的非均匀形核过冷熔体中的非均匀形核枝晶游离、增殖枝晶游离、

5、增殖枝晶生长导致溶质富集枝晶生长导致溶质富集 成分过冷成分过冷液态金属流动的作用：液态金属流动的作用：型壁晶粒的脱落、游离型壁晶粒的脱落、游离枝晶破断、游离枝晶破断、游离液态金属的流动形式液态金属的流动形式浇注过程中的流动浇注过程中的流动 凝固期间的对流凝固期间的对流 自然对流自然对流强迫对流强迫对流铸型和液面处温度低、密度大而下沉铸型和液面处温度低、密度大而下沉 中心部分温度较高、密度小而上浮中心部分温度较高、密度小而上浮 溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化 游离晶体和液态金属之间密度差异 浇注过程中的注入动量浇注过程中的注入动量 、电磁搅拌、机械搅拌电磁搅拌、机械搅拌 液面晶粒沉积

6、（枝晶雨）液面晶粒沉积（枝晶雨）液面处形成的晶粒液面处形成的晶粒+ +顶部凝固层脱落的分枝顶部凝固层脱落的分枝 密度比液体大密度比液体大下沉下沉产生晶粒游离。产生晶粒游离。 多发生在大型铸锭的凝固过程中多发生在大型铸锭的凝固过程中 液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传传热和传质热和传质过程而实现的：过程而实现的： （1）传热方面：液态金属的流动）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失加速其过热热量的散失，使全部液态，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于金属在浇注后的瞬间（小于30s）从浇注温度下降到凝固温度。

7、）从浇注温度下降到凝固温度。 （2）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致游离晶粒的漂移游离晶粒的漂移和堆积和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。 同时改变界面前沿同时改变界面前沿的的溶质分布状态溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化。，加速流体宏观成分的均匀化。 凝固过程中晶核游离凝固过程中晶核游离独立形核游离状态自由小晶体独立形核游离状态自由小晶体等轴晶粒等轴晶粒“晶核晶核”。游离晶形成、漂移、堆积游离晶形成、漂移、堆积等轴晶的数量、大小和分布等轴晶的数量、大小和分布 铸件宏观结晶组织铸件宏观结晶组织 （1

8、 1）柱状晶）柱状晶 分枝少分枝少，结晶后显微缩松等，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密晶间杂质少，组织致密。 但柱状晶比较但柱状晶比较粗大，晶界面积小，粗大，晶界面积小，位向一致，其性能具有明显的位向一致，其性能具有明显的方方向性向性：纵向好、横向差。：纵向好、横向差。 凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体 ，将导致铸件，将导致铸件热裂热裂。 5-5-4 5-5-4 铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能铸件的质

9、量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例比例以及晶粒的以及晶粒的大小大小。 （2 2）等轴晶）等轴晶晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故相同，故性能均匀而稳定，没有方向性性能均匀而稳定，没有方向性。枝晶比较发达，枝晶比较发达，显微缩松较多显微缩松较多，凝固后组织不够致密。，凝固后组织不够致密。细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。各项性能。晶粒越细综合性能越好晶粒越细综合性能越好。5-5-4 5-5-

10、4 铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶柱状晶，增加其致密，增加其致密度；度；对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的细小的等轴晶等轴晶组织；组织；对于高温下工作的零件，通过对于高温下工作的零件，通过单向结晶单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。5-5-55-5-5影响铸件宏观结晶组织形成的因素影响铸件宏观结晶组织形成

11、的因素5-5-55-5-5等轴晶组织的获得和细化等轴晶组织的获得和细化强化非均匀形核强化非均匀形核促进晶粒游离促进晶粒游离游离晶的残存与堆积游离晶的残存与堆积如何抑制柱状晶区、扩大并细化等轴晶区如何抑制柱状晶区、扩大并细化等轴晶区（1 1） 金属性质金属性质 宽宽结晶温度范围结晶温度范围的合金和小的的合金和小的温度梯度温度梯度G GL L。保证熔体有。保证熔体有较宽的形核区域、促使较长的脆弱枝晶的形成；较宽的形核区域、促使较长的脆弱枝晶的形成； 合金中合金中溶质溶质元素含量较高、元素含量较高、平衡分配系数平衡分配系数k k0 0值偏离值偏离1 1较较远。凝固过程中树枝晶比较发达，缩颈现象比较严

12、重；远。凝固过程中树枝晶比较发达，缩颈现象比较严重；5-5-55-5-5等轴晶组织的获得和细化等轴晶组织的获得和细化 （2 2）浇注条件控制）浇注条件控制 低温浇注低温浇注可有效减少柱状晶，获可有效减少柱状晶，获得细等轴晶，但得细等轴晶，但 低温液态金属低温液态金属流流动性动性差的不足。差的不足。 合理控制合理控制冷却条件冷却条件，控制冷却速度，控制冷却速度型壁激冷型壁激冷 促进熔体形核和晶粒游离促进熔体形核和晶粒游离5-5-55-5-5等轴晶组织的获得和细化等轴晶组织的获得和细化 （3 3）孕育（变质）处理）孕育（变质）处理：向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善组织之目的的一种方法向

13、液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善组织之目的的一种方法 A.A.形核剂形核剂 ：a）直接作为外加晶核）直接作为外加晶核 b）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核能与液相中某些元素组成较稳定的化合物能与液相中某些元素组成较稳定的化合物 通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出B.B.强成分过冷元素强成分过冷元素通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而颈，从而促进晶粒的游离促进晶粒的游离。强化熔体内部的强化熔体内部的非均匀形核非均匀形核， 孕育剂富集孕育剂富集抑制晶体生长抑制晶体生长 时间效应时间效应 :孕育期孕育期 孕育衰退孕育衰退 5-5-65-5-6等轴晶组织的获得和细化等轴晶组织的获得和细化 （4 4） 动态晶粒细化：动态晶粒细化： 振动振动机械振动、电磁振动、音频或超声波振动机械振动、电磁振动、音频或超声波振动 搅拌搅拌机械、电磁搅拌或利用气泡搅拌机械、电磁搅拌或利用气泡搅拌 旋转振荡旋转振荡 周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度周期性地改变铸型的旋转方向和旋