金属凝固原理

金属凝固原理第1页，共15页，2023年，2月20日，星期四第五章铸件结晶组织的形成与控制第一节铸件宏观结晶组织的形成与及其影响因素第二节铸件结晶组织的控制第2页，共15页，2023年，2月20日，星期四

第一节铸件宏观结晶组织的形成

及其影响因素

基本概念基本原理晶区形成影响因素第3页，共15页，2023年，2月20日，星期四

一、基本概念

1.结晶组织（1）宏观状态：铸态晶粒形态、大小、取向和分布等；（2）微观结构：晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态及这些结构形态的细化程度。2.宏观结晶组织三个晶区：表面细晶粒区；柱状晶区；内部等轴区。

第4页，共15页，2023年，2月20日，星期四第5页，共15页，2023年，2月20日，星期四

二、基本原理——晶粒游离1.液体金属流动（1）流动原因1）浇注过程的流动2）凝固期间的对流：a.自然对流：热对流；b.强迫对流：浇注过程的注入动量、外加电磁/机械搅拌等。（2）对晶粒游离过程的作用1）传热：过热热量散失，游离晶残存；紊流——温度波动——晶粒游离；2）传质：游离晶粒漂移、堆积；晶粒游离不断进行；改变界面前沿溶质分布状态（宏观成分均化、微观成分波动）。

第6页，共15页，2023年，2月20日，星期四2.铸件结晶中的晶粒游离（1）游离晶直接来自过冷熔体中的非均质生核；（2）型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖引起的晶粒游离。图5－3型壁晶粒脱落；图5－4枝晶分枝“缩颈”的形成；图5－5从铸型游离的晶粒的增殖作用“缩颈”形成过程分析第7页，共15页，2023年，2月20日，星期四三、宏观结晶组织的形成

1.表面细晶区

（1）形成原因型壁激冷——激冷晶

（2）影响因素型壁附近熔体内是否存在大量非均质生核条件1）型壁散热条件决定的过冷度和凝固区域宽度；2）型壁和熔体中杂质微粒的生核能力。

（3）晶核来源1）过冷熔体中非均质生核——型壁附近熔体内部的大量生核——必要条件；2）晶粒游离——型壁晶粒脱落、枝晶熔断、晶粒增殖等、抑制铸件形成稳定的凝固壳层——充分条件。第8页，共15页，2023年，2月20日，星期四

2.柱状晶区（1）（开始）稳定凝固层的产生——（结束）内部等轴晶区的形成；（2）形成过程稳定凝固层形成后——垂直于型壁的单向热流作用下——以树枝状单向延伸生长、各枝晶主杆方向互不相同——晶体的择优生长（主杆与热流方向平行的枝晶生长更为迅速、优先生长、并抑制相邻枝晶（取向不利）的生长）——柱状晶的方向越集中、晶粒的平均尺寸就越大。图5-8柱状晶的择优生长第9页，共15页，2023年，2月20日，星期四

3.等轴区（1）本质：熔体内部晶核自由生长的结果。（2）等轴晶晶核的来源1）过冷熔体直接生核理论;2）界面前方晶粒游离理论:杰克逊：生长着的柱状晶在凝固界面前方的熔断、游离、增殖导致内部等轴晶晶核的形成；索辛：液面晶粒下雨似的沉积在柱状晶前方的液体中——铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源；3）激冷晶游离理论：浇注期间和凝固初期的激冷晶游离。第10页，共15页，2023年，2月20日，星期四（3）等轴晶区的形成过程1）索辛：界面前方存在等轴晶的晶核；晶核长大形成网络以阻止柱状晶区的生长。2）弗兰爵克逊：一部分游离晶的沉淀；一部分游离晶被侧面生长着的柱状前沿俘获。3）我国学者：（界面生长速度R－游离晶垂直于界面的运动速率V）V临，则可形成内部等轴晶区。第11页，共15页，2023年，2月20日，星期四四、影响因素1.金属性质方面1）强生核剂——生核2）宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度GL—∆Tc3）溶质元素含量较高，平衡分配系数偏离1较远——成分过冷区宽度Xo4）凝固时长时、激烈的对流——晶粒游离

2.浇注条件方面1）低的浇注温度——过热度低，游离晶粒多、易残存2）合理的浇注工艺第12页，共15页，2023年，2月20日，星期四不同浇注工艺Al-0.2%Cu合金的宏观结构第13页，共15页，2023年，2月20日，星期四3.铸型性质和铸件结构方面1）铸件a.薄壁铸件：激冷——较大的过冷——生核能力越强；薄壁铸件，金属型比砂型更易获得细等轴晶。b.型壁较厚：导热性较差、激冷只在表层、等轴晶的形成主要靠各种形式的晶粒游离。2)铸型a.低蓄热系数b——延缓稳定凝固壳层的形成，有助于激冷晶的游离；使内部温度梯度GL变小，凝固区域加宽，有利于等轴晶的增加——∆Tc（主导因素）厚壁铸件，砂型铸造较金属型铸造更易获得等轴晶（尤在高温浇注下）b.b——过热热量散失——游离晶残存——等轴晶数量（次要因素）第14页，共15页，2023年，2月20日，星期四