材料成型理论基础课件 成形原理50VIP

教师：吕书林第五章铸件凝固组织的形成与控制Chapter5FormationandControlofSolidification

MicrostructureofCastings

2§5-1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.表面细晶区的形成

2.柱状晶区的形成

3.内部等轴晶区的形成§5-2铸件宏观凝固组织的控制3§5-1铸件宏观凝固组织的特征及形成机理一、铸件宏观凝固组织的特征图

铸锭截面典型宏观组织示意图

a）柱状晶形成“穿晶”的凝固组织b）含有三个晶区的凝固组织c）全部等轴晶的凝固组织4表面细晶区

紧靠铸型壁外侧，也称激冷区，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚；中间柱状晶区

由垂直于型壁（沿热流方向）彼此平行排列的柱状晶粒所组成；内部等轴晶区

由各向同性的等轴晶组成。等轴晶比表面细晶粒区的晶粒粗大。图铸锭截面典型宏观组织示意图、实际组织5

决定铸件性能的重要因素是柱状晶区与等轴晶区的相对量，表面细晶粒区的影响很有限。

合金性质和实际凝固条件决定晶区数目、晶区相对宽度（柱状晶区和等轴晶区）。完全柱状晶完全等轴晶一定条件下，可获得单一的柱状晶或等轴晶宏观组织：6二、铸件宏观凝固组织的形成机理型壁附近熔体内非均匀形核（大量的杂质颗粒）数量；各种形式的晶粒游离（溶质再分配，枝晶根部缩颈、熔断）；型壁散热条件（决定过冷度和凝固区域的宽度）。早期理论：大量的非均质生核后期理论：大量的非均质生核＋游离晶核（缩颈熔断）受铸型激冷，型壁附近熔体产生较大的过冷度而大量形核，并迅速长大而相互接触，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：1.表面细晶粒区的形成7获得表面细晶区的条件：为界面处晶粒单向散热提供条件促使晶粒逆热流方向择优生长形成柱状晶凝固壳层铸型附近大量游离晶粒可抑制凝固壳层的形成；铸型激冷能力对细晶区的双重影响：利：提高型壁附近熔体非均质形核能力，促进形成等轴晶；——抑制铸件表面形成稳定的凝固壳层弊：激冷能力过强，晶核快速消耗、生长，短时间内连接成为稳定的凝固壳层。（大量的游离晶方可抑制！）8柱状晶区由表面细晶区形成并发展而来。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。2.柱状晶区的形成9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比取向不利的枝晶生长更快，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。竞争淘汰离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰的就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。柱状晶生长方式：择优生长+竞争淘汰10剩余熔体内部晶核自由生长的结果。3.内部等轴晶区的形成晶核来源、等轴晶区成形过程的四种理论：1）

过冷熔体非自发生核理论由于溶质再分配，在固/液界面前沿产生成分过冷，当成分过冷度大于非自发生核所需过冷度ΔT异时，在熔体内部产生晶核并长大，最终形成等轴晶区。112）激冷晶核卷入理论浇注和凝固初期，浇道、型壁的激冷+非均质形核，在熔体内形成大量游离状态的激冷晶体，残存的晶体作为内部等轴晶的晶核。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123）型壁晶粒脱落和枝晶熔断理论

型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖——以溶质再分配理论为基点。型壁晶粒脱落示意图溶质再分配凝固前沿溶质富集（富集程度决定过冷度、生长速度）根部溶质扩散差远离根部扩散好侧面生长抑制生长速度快产生缩颈13图枝晶分枝“缩颈”的形成a)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14氯化铵的枝晶熔断15铸铁的奥氏体树枝晶及其缩颈16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。远离根部，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均化，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、最脆弱的缩颈在液流和温度起伏的作用下自型壁脱落，导致晶粒游离。

型壁晶粒脱落过程：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；17

游离晶的增殖过程：自由状态下的游离晶一般以树枝状生长，在液流中漂移时，经反复局部熔化和反复生长，破碎成几部分，在低温下各自生长为新的游离晶。游离的晶粒增殖过程树枝晶结构的游离晶随液流漂移温度起伏浓度起伏反复熔化、生长缩颈处断裂游离晶破裂为多个晶粒继续生长为新的游离晶18液态金属流动的作用19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：

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。（保留游离晶核）

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。20多发生在大型铸锭的凝固过程中。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液面处熔体过冷密度大于金属液下沉晶粒游离21总结：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。上述四种关于等轴晶形成机理都是存在的，作用强弱取决于实际凝固条件，实际上中心等轴晶区的形成是多种机理综合作用的结果。22§5-2铸件宏观凝固组织的控制等轴晶柱状晶单晶23（1）柱状晶：一、铸件宏观组织对铸件性能的影响通常铸件不希望获得粗大的柱状晶组织。对于某些特殊的轴向受拉应力铸件，如航空发动机叶片往往特意采用定向凝固技术，获得全部单向排列的柱状晶组织。表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件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。优点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，结晶后显微缩松少，组织致密。缺点柱状晶比较粗大，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。晶界处常汇集有较多的第二相杂质，形成“弱界面”，将导致铸件热裂。24优点晶界面积大，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。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。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；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，铸件的综合性能越好。（2）等轴晶：缺点枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。25二、铸件宏观组织的控制途径和措施目标：控制铸件（锭）中柱状晶区和等轴晶区的相对比例。一般希望获得全部细小等轴晶组织抑制柱状晶的产生和生长促进小晶粒的产生、游离、漂移、增殖扩大并细化等轴晶区，抑制柱状晶两种方式：1.内部因素：加入生核剂2.外部因素：控制铸造条件261.向熔体中加入强生核剂目的：控制形核，即强化非均质形核。实际铸件生产中应用的主要方法是向液态金属中添加生核剂（或称孕育剂）进行孕育处理。孕育和变质的区别孕育（Inoculation）：主要是影响生核过程，通过增加晶核数实现细化晶粒。变质（Modification）：主要是改变晶体的生长过程，通过变质元素的选择性分布来改变晶体生长形貌。如球化或细化。27（1）直接作为外加晶核的生核剂例：铸铁中加石墨粉；Mg合金中加Zr。四种类型的生核剂：生核剂是与被细化相具有界面共格对应的高熔点物质或同类金属、非金属碎粒，与要细化相间具有较小的界面能，润湿角小，直接作为有效衬底促进非自发生核。（2）能生成较高熔点稳定化合物的生核剂生核剂中的元素能与液态金属反应形成化合物，这些化合物与被细化相间具有界面共格对应关系。例：过共晶Al-Si合金中的初生Si变质。变质剂：P-Cu合金

变质机理：Al+P=AlP（熔点：1600℃）具有不同润湿角的非均质晶核

形核的温度条件θ1<θ2<θ328能形成具有小润湿角的固相颗粒是选择生核剂的依据！以上两种生核必须满足温度条件：异质固相颗粒稳定，不易溶解；金属液与异质固相颗粒润湿角小（良好的晶格匹配关系）；异质固相颗粒尺寸细小，高度弥散；不带入有害元素（降低合金性能的元素）。生核剂应具备的四个特性：——存在异质形核所需的过冷度。29合金种类晶粒细化元素加入量(质量分数,%)加入方法纯铝、Al-Cu

Al-Mn

Al-SiTi、Zr、Ti+BTi:0.15、Zr:0.2Ti+B:0.01Ti、0.05B中间合金过共晶Al-SiP＞0.02Cu-P或Al-P合金铸铁Ca、Sr、Ba通常与Si-Fe制成复合生核剂中间合金Si-Fe0.1~1.0中间合金碳钢及合金钢V0.06~0.30中间合金Ti0.1~0.2中间合金B0.005~0.01中间合金铜合金Zr、Zr+B0.02~0.04纯金属或合金常用合金的生核剂（孕育剂）30（3）促使结晶相提前析出的生核剂例：铸铁的孕育处理，在铁水中加Si铁，[Si]在很多区域富集，

造成局部过共晶成分，促使石墨提前析出。加入的元素在液相中局部富集，改变微小区域内合金成分（共晶），使析出相提前弥散析出（成为核心）。（4）含强成分过冷元素的生核剂

生长界面前沿溶质富集，使晶粒（树枝晶分枝）根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒游离；同时，抑制晶粒生长。作用：强化熔体内非均匀形核；溶质富集抑制晶体生长，细化晶粒。31生核效果由孕育剂本身性能和孕育工艺决定。孕育衰退：孕育剂（生核剂）的孕育效果随着时间

的延长，逐渐减弱甚至消失的现象。

孕育温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂充分溶解的前提下，孕育处理温度应尽可能低！时间效应322.控制浇注条件（1）采用较低的浇注温度降低浇注温度是减少柱状晶、获得细等轴晶的有效措施之一，尤其是导热性较差的合金效果更为显著。熔体的过热度较小，与浇道内壁接触能产生大量游离晶粒；

防止已形成的游离晶粒重熔，利于其残存，这对等轴晶的形成和细化有利。33低过热度倾斜板冷却法浇注34（2）采用合适的浇注工艺凡是能够增加液流对型壁的冲刷、促进金属液内部对流的浇注工艺均能扩大并细化等轴