9金属的晶粒细化.ppt

1、2.金属的晶粒细化，铸锭的形成过程：金属熔体的凝固过程；包括(1)金属熔体与周围介质之间的传热过程；(2)金属熔体成核、生长和晶体结构形成的过程；传热过程的参数(凝固时间、凝固速度、凝固方式)对金属的形核和生长行为以及铸锭的晶体结构有决定性的影响，最终影响铸锭的质量。本章的要点，以及金属熔体的相关性质；金属熔体的凝固特性：传统的晶粒细化理论和方法；现代晶粒细化理论与新技术。2.1金属熔体的结构和性质(1)熔体的结构(2)熔体的性质2.2金属熔体的凝固过程(1)纯金属的凝固(2)合金的凝固，2.3熔体流动对凝固过程的影响(1)熔体对流(2)熔体对流对凝固过程的影响，2.4微观结构控制的方法(1)

2、熔体对流(1) (2)镁的晶粒细化方法；2.6现代晶粒细化理论和新技术(外场)，2.7晶粒标准和检测方法，2.1熔体结构和性质(1)熔体结构一般被认为是短程有序和长程无序，短程有序呈现出一个接一个的动态特征。理想熔体(纯金属)的结构：(1)原子间有很强的结合能，所以原子的排列在小范围内仍有一定的规律性和短程有序性；当金属熔化时，键会被部分破坏，因此排列的规则性只存在于很小的范围内，也就是说，固体的排列特征保持在原子组中。这时，金属熔体由许多原子团组成，原子团之间的键在很长一段时间内被极大地破坏和无序；金属熔化时，热能大、能力波动大的原子可能单独或成簇地从原子群中分离出来，形成无序状态或新的原子

3、群。同时，处于无序状态的原子也可能在其他原子群中富集或形成新的原子群。因此，短程有序和长程无序是不断变化和动态的。实际熔体的结构(熔体中混有合金杂质元素气体):(一)多元合金，原子间的结合能不同；存在能量波动，同时也存在浓度波动；金属原子和气体原子可能在原子团和空位中富集；金属熔体呈固态、液态和气态，呈混浊状态，除了合金元素的金属键外，还有化学键。(2)熔体的性质包括粘度、表面张力、熔点、熔化热、比热、汽化热等。粘度：利用牛顿内耗定律：层流条件下的粘度计算图，其中：为粘度，F为摩擦阻力，S为液层之间的接触面积，为液层之间的相对移动速度。正常情况下：粘度随温度的升高而降低，对于共晶合金，其粘度在

4、共晶成分中最小。表面张力：通常是液相和气相之间的表面张力，即单位面积的能量。单位为焦耳/平方厘米。表面张力是液体表面层中的分子之间的相互作用不同于液体中的分子之间的相互作用的结果，因此表面层具有特殊的性质。表面张力的视觉表征：球直径为r，影响表面张力的因素有温度、溶质元素和界面性质。在正常情况下，(1)随着温度的升高，表面张力降低，但与铜和铸铁相反；(2)表面活性物质加入熔体后表面张力降低(锂、铋、镁是铝的表面活性元素)；(3)润湿性好的界面材料可以降低熔体的界面张力。2.2熔体的凝固过程、液固转变过程(成核和生长过程)；固相转化过程。(1)纯金属凝固核的形成：均匀形核，非均匀形核，均匀形核：

5、形核过冷，临界形核半径B非均匀形核：非均匀形核功：非均匀形核应具有以下特征：它具有高熔点，是稳定的粒子；它有相似的晶体结构和晶格参数来熔化。具有与熔体相似的密度；分散度好；它能与熔体中的原子形成强吸附键。动态形核，G不小于G平均值，C动态形核：动态法是指在凝固过程中，利用振动将初始强度较低的初生枝晶熔化，并使其破碎成小晶粒作为形核颗粒，从而实现组织细化的处理方法。振荡模式主要包括热对流、气体溢出、机械振动、声波和超声波、电磁振动和搅拌等。晶体生长：熔体的流动、传热(温度条件)和传质控制着晶体的生长速率，支配着晶体生长界面的稳定性，对晶体生长的质量起着极其重要的作用。(2)合金凝固与纯金属凝固的

6、区别在于溶质原子的再分布和成分过冷现象。在合金的凝固过程中，当液相和形成的固相处于平衡状态时，固相和液相的成分是不同的。对于铝钛合金，平衡分布系数k1和钛增加了铝钛合金的液相线温度，因此其相图的液相线和固相线为图(a)的形式。平衡分配系数k1表明铝固相的组成大于铝钛液相的组成，因此在非平衡结晶条件下，在铝固相和铝钛液相的界面前端液相中将形成一层贫钛层。当然，贫钛层的厚度和贫钛程度与液相中铝界面的推进速度成反比，贫钛层中钛的浓度分布如图(b)所示。贫钛层可以通过平衡相图转化。当贫钛区的液相线温度分布曲线高于液相的实际温度时，在固液界面前的液相中将形成一个“结构过冷区”(图(b)中的剖面线)。显然

7、，只有当-铝界面处液相的实际温度梯度小于液相线温度梯度时，该-铝界面才是稳定的，这降低了由于偏析而形成枝晶的成分过冷的趋势。据此，界面稳定性条件可推导如下，并可作出如下假设：(1)贫钛层的宽度H与铝界面生长时的推进速度V成反比，即HD1/v，其中D1为比例系数；(2)铝生长过程中的界面稳定性不受熔体中温度场和浓度场的影响；(3)液相线斜率m为一定值；(4)铝界面被认为是直界面；(5)忽略固相中的原子扩散；(6)液相中没有对流，只有扩散。那么，铝界面的稳定性条件可以表示为：当液相中没有对流，只有扩散时，其中mC0(k1) /kTL(C0)Ts(C0)是结晶温度区间(见图(a)。可以看出，mC0(

8、k1) /k值越大，冷却速度越快，组织过冷倾向越大，al形成球形晶体。麦克斯韦将(k-1)mC0定义为晶粒生长的限制因子，以表征ti对结构过冷的影响。铝钛系晶粒细化剂晶粒生长限制因子的相关参数，某些元素晶粒生长限制因子的相关参数，2.3熔体流动对凝固过程的影响，(1)熔体对流按其原因可分为三种类型：(1)浇注过程中流体冲击引起的动量对流；熔融金属温度和浓度不均匀造成的自然对流；电磁场或机械搅动和振动引起的强制对流。通常称为凝固过程中的动量传递。动量对流：它以湍流的形式出现，由于金属的运动粘度很小，长时间凝固后会消失，所以对溶胶有很多不利影响自然对流：由熔融金属的不均匀温度和浓度引起的对流称为自

9、然对流，由不均匀温度引起的对流也称为热对流。自然对流的驱动力是由不同密度引起的浮力。由不均匀温度引起的不均匀热膨胀导致熔融金属不均匀密度表面上的浮力。同样，浓度不均匀也会导致密度和浮力不均匀。当浮力大于熔融金属的滞止力时，就会发生自然对流。(2)熔体对流对凝固过程的影响熔体对流会导致熔融金属冲走结晶器壁和固液界面，引起温度波动，导致枝晶脱落和游离，促进成分均匀化和传热，从而影响铸锭的结晶过程和结构。当固液界面取向不同时，自然对流影响温度波动，对流导致温度波动，对流导致枝晶融合，晶体解离和扩散过程是示意性的。2.4铸锭组织、内生颗粒细化的控制方式：包括快速凝固法、动力学法、成分过冷法和深过冷成核

10、法等。外生颗粒细化：主要是指在熔体中加入晶粒细化剂的方法。(1)快速凝固法快速凝固的合金具有极高的凝固速度，因此合金在凝固过程中形成极细的晶粒组织，晶粒尺寸约为1m。(2)在动力学方法中，凝固过程中初始强度较低的初生枝晶被熔化并破碎成小晶粒，作为形核粒子，从而实现微观组织细化的处理方法。振荡模式主要包括热对流、气体溢出、机械振动、声波和超声波、电磁振动、搅拌等。(3)当固液界面前沿的成分过冷足以促进形核时，成分过冷法将产生等轴晶，阻止柱状晶的生长。(4)通过加入晶粒细化剂向液体中加入少量添加剂，并向熔体中引入结构参数相似的颗粒，使熔体在凝固过程中发生异相成核，形成细晶结构。2.5传统晶粒细化理

11、论和方法不同细化方法的细化效果比较(1)铝的晶粒细化；晶粒细化剂的发展：(1)根据形态：盐细化剂、华夫饼锭和线材细化剂；(B)根据组成：铝-钛、铝-钛-硼、铝-钛-碳、盐形式的晶粒细化剂以及钛和硼的盐化合物(K2TiF6、KBF4等)。)直接加入到铝熔体中进行反应：3K2TiF613Al=3TiAl3 4AlF3 6KF形成TiAl3颗粒，2KB F4 3Al=Al产品：TiAl3 _ 3、TiB2、Al _ 2颗粒与-Al具有较好的晶格相容性，(2)华夫格锭晶粒细化剂，(3)线晶粒细化剂。在线精炼具有以下优点：精炼效果好，利用率高，可减少晶粒细化剂的用量；晶粒细化剂均匀进入熔体，细化效果在整

12、个生产周期内稳定连续；可实现精细加工的自动化，改善工作条件；它可以避免成核颗粒聚集成产品而引起的夹杂。精炼剂的在线添加和应用，可分为以下几个部分：铝-10Ti，铝Al5Ti1B，铝-5Ti 10.25 C，晶粒细化理论，(1)非均相成核理论，(2)包晶反应理论，(3)相图理论，(4)铝晶体增殖理论，(5)最新研究进展铝的晶格类型与碳化钛相同，铝和碳化钛晶格常数的错配度为=0.02762/0.40496100%=6.8%(2)包晶反应理论，当钛含量超过0.15重量%时。%时，包晶反应将发生在665:1的TiAl3-.(3)相图理论，硼降低了钛酸铝在铝中的溶解度，减缓甚至阻止了钛酸铝的溶解。相图理

13、论有两种观点：B降低了TiAl3在铝中的溶解度，减缓甚至阻止了TiAl3的溶解，增加了亚包晶合金中有效晶核的数量，从而提高了细化效果；(2)在熔体凝固过程中，硼促进了钛酸铝的形成，在熔体对流的作用下，晶体可以分离并脱落，成为新的晶核。钠、锶、磷等变质方法与外场耦合，铝硅合金的细化处理，变质方法与变质机理，铝硅铸造合金具有良好的铸造性能，但铝硅铸造合金的共晶硅呈片状，导致机械性能差，特别是塑性韧性差。孪谷生长机制、台阶生长机制、诱导孪晶理论、孪谷生长机制以及变质元素原子在硅表面的吸附改变了硅原子的堆积顺序，导致了硅晶体中大量的孪晶。钠变质后，共晶硅落后于共晶铝相。研究发现，变质处理后，共晶团中铝

14、相由多晶结构转变为单晶结构，这可能是共晶前导相变化的结果。纤维状硅的生长方式，(2)镁的晶粒细化；镁合金晶粒细化有两种方法：变质和强外场。(一)变质和细化的机理是在合金液中加入高熔点物质，形成大量的形核点，从而促进熔体的形核和结晶，获得细小的晶粒结构。(二)强外场作用的基本原理是施加外场(如电场、磁场、超声波、机械振动和搅拌等)。)到合金熔体中以促进熔体的成核，破坏形成的枝晶并成为自由晶体，增加晶核的数量，加强熔体中的传导过程，并消除组分偏析。(3)快速凝固技术还可以提高镁合金的形核率，抑制晶核生长，显著细化晶粒结构。变质的意义：镁合金的晶粒越细，其力学性能和塑性加工性能越好。镁合金熔炼过程中

15、适当的变质可以降低铸件凝固过程中的热裂倾向。此外，变质处理后镁合金铸件中的金属间化合物相更细小且分布更均匀，从而缩短了均匀化处理时间或至少提高了均匀化处理效率。常用的改性剂(1)含碳改性剂碳不能溶于镁，但能与镁反应生成Mg2C3和MgC2化合物。碳对镁铝或镁锌合金具有显著的晶粒细化效果，但对镁锰合金的晶粒细化效果非常有限。工业上常用的含碳改性剂包括菱镁矿(MgCO3)、大理石(CaCO3)、白垩、石煤、焦炭、CO2、炭黑、天然气等。碳酸镁和碳酸钙是最常见的。(2) C2 C16 C2C16是镁合金熔炼中最常用的变质剂之一，可同时实现脱气和精炼双重功能。对于ZM5合金，C2C16的变质效果优于碳酸镁。此外，C2Cl等改性剂也可用于复合改性，效果较好。(3)其他变质剂锆对镁锌系、镁稀土系和镁钙系有明显的晶粒细化作用，是镁合金熔炼中常用的晶粒细化剂。通常，镁锆合金熔体中锆的加入量略高于理论值。只有当熔体中的可溶性锆过饱和时，镁锆合金才能达到最佳的晶粒细化效果。由于熔体中也可能存在各种污染物，导致不溶性锆酸盐，因此熔体中不应尽可能