华科大材料成形理论基础课件第8章 铸件凝固组织的形成与控制

第八章铸件凝固组织的形成与控制Chapter8FormationandControlofSolidification

MicrostructureofCastings

5/29/20261第八章铸件凝固组织的形成与控制§8-1铸件宏观凝固组织的特征及形成机理一、铸件宏观组织的特征二、铸件宏观凝固组织的形成机理

1、表面细晶粒区的形成

2、柱状晶区的形成

3、内部等轴晶区的形成§8-2铸件宏观凝固组织的控制5/29/20262§8-1铸件宏观凝固组织的特征及形成机理铸件的宏观凝固组织三个晶区：表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成

内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成

5/29/20263晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织：完全柱状晶完全等轴晶5/29/20264

1、表面细晶粒区的形成二、铸件宏观凝固组织的形成机理5/29/20265铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。细化程度取决于△型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度。△型壁附近熔体内大量的非均匀形核△各种形式的晶粒游离前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层凝固壳层→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

返回目录5/29/20266

2、柱状晶区的形成5/29/20267稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。生长方式：择优生长5/29/20268柱状晶择优生长返回目录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，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。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，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。5/29/202693、内部等轴晶区的形成

－－熔体内部晶核自由生长的结果

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等轴晶晶核来源（1）过冷熔体直接形核理论：溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核（2）激冷晶游离理论：浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论：（4）“结晶雨”游离理论液面晶粒沉降。5/29/202611（2）激冷晶游离理论因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶凝固初期形成的激冷游离晶非均质形核的激冷游离晶5/29/202612（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论图型壁晶粒脱落示意图型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——理论基点为溶质再分配。5/29/202613图枝晶分枝“缩颈”的形成b)c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。V为生长方向。d)环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈5/29/202614溶质浓度再分配→界面前沿液态金属凝固点降低→实际过冷度减小。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，生长受到强烈抑制。远离根部，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀化，面临较大的过冷，其生长速度要快得多。故在晶体生长过程中将产生根部“缩颈”现象，生成头大根小的晶粒。熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离枝干生长侧面溶质偏析层阻碍侧面的生长，偶然产生的凸出部分突破此层，进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。晶粒增殖:处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在液流中漂移时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度波动和浓度波动的冲击→表面反复局部熔化和反复生长→分枝根部缩颈可能断开而破碎成几部分→在低温下各自生长为新的游离晶。5/29/2026155/29/202616液态金属流动的作用：5/29/202617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热和传质过程而实现的：

（1）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于30s）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游离晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化。5/29/202618（4）“结晶雨”游离理论液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝→→密度比液体大→下沉→产生晶粒游离。多发生在大型铸锭的凝固过程中5/29/202619铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。返回目录5/29/202620§8-2铸件宏观凝固组织的控制5/29/2026211、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响

表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。

（1）柱状晶：生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有明显的方向性：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，将导致铸件热裂。5/29/202622

（2）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相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。枝晶比较发达，显微缩松较多，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各项性能。晶粒越细综合性能越好。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，增加其致密度；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细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。5/29/202623等轴晶组织的获得和细化强化非均匀形核促进晶粒游离抑制柱状晶区2、铸件宏观组织的控制途径和措施5/29/202624（1）加入强生核剂——孕育处理孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。Inoculation（变质——加入少量物质通过元素的选择性分布而改变晶体的生长形貌，如球化或细化。Modification）

A.形核剂：a）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－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5/29/2026255/29/202626B.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颈，从而促进晶粒的游离。强化熔体内部的非均匀形核，孕育剂富集抑制晶体生长时间效应

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孕育期孕育衰退

5/29/202627（2）控制浇注条件①低的浇注温度。熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有利。②合适的浇注工艺。强化液流冲刷型壁能扩大并细化等轴晶区。5/29/202628(a)中心顶注法（b)靠近型壁（6孔）顶注法

图不同浇注工艺铸锭的宏观组织5/29/202629（3）铸型性质和铸件结构薄壁铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，容易获得细等轴晶。型壁较厚或导热性较差的铸件，等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。

a.铸型激冷能力的影响：如金属型、石墨型b.铸型表面的粗糙度5/29/202630（4）动态晶粒细化熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流。（晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖）

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