2.2.5～2.2.6 凝固组织的形成与控制.ppt

1、内部等轴晶区的形成熔体内部晶核自由生长的结果,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）界面前方晶粒游离理论：柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖液面晶粒沉积（3）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,等轴晶区形成过程（1）索辛：不仅要界面前方存在等轴晶的晶核，而且还要这些晶核长到一定的大小，并形成网络以阻止柱状晶区的生长；（2）弗兰爵克逊：并不要求形成网络，而是由一部分游离晶的沉淀和一部分游离晶被侧面生长着的柱状前沿捕获后而形成的；（3）一般：凝固界面的生长速率与游离晶垂

2、直于界面的运动速率之间互相作用的结果。两者之差远大于界面捕获游离晶所必需的临界速率，即可形成内部等轴晶区。,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。,铸件凝固组织的控制,影响铸件宏观结晶组织形成的因素如抑制柱状晶区、扩大并细化等轴晶区强化熔体独立形核促进晶粒游离有助于游离晶的残存与堆积（1）金属性质强形核剂在过冷熔体中的存在；宽结晶温度范围的合金和

3、小的温度梯度GL。保证熔体有较宽的形核区域、促使较长的脆弱枝晶的形成；合金中溶质元素含量较高、平衡分配系数k0值偏离1较远。凝固过程中树枝晶比较发达，缩颈现象比较严重；熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流。,（2）浇注条件低的浇注温度。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。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。（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。,铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响表

4、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，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。,（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

5、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。,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（1）传热条件控制：低温浇注可有效减少柱状晶，获得细等轴晶，但低温液态金属流动性差的不足。合理控制冷却条件，控制冷却速度，宽的凝固区域、大的过冷促进熔体形核和晶粒游离小的温度梯度和高的冷却速度,（2）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（有色合金变质

6、、黑色孕育）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,B.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:孕育期孕育衰退,（3）动态晶粒细化：振动机械振动、电磁振动、音频或超声波振动搅拌机械、电磁搅拌或利用气泡搅拌旋转振荡周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度,振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm）,（4）等轴晶枝晶间距的控制：等轴枝晶每个枝晶的一次分枝彼此相交而沿径向辐射，不同枝晶间没有任何确定的位向关系，一次枝晶间距意义不大。研究发现等轴晶二次枝晶间距对机械性能的影响比晶粒大小更为明显。二次枝晶间距的大小与晶体的结构形态及晶粒大小无必然的联系。可采取某些措施既减小二次枝晶间距又能细化等轴晶晶粒组织。,具体措施：薄壁铸件的快速冷却；具有显微激冷