第一章凝固熱力學(xué)

1、第八章 鑄件結(jié)晶組織的形成和控制,鑄件的結(jié)晶組織宏觀狀態(tài)——指的是鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布；微觀結(jié)構(gòu)——包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)：如樹枝晶、胞狀晶亞結(jié)構(gòu)形態(tài)，共晶團內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)及這些結(jié)構(gòu)形態(tài)的細化程度等,第八章 鑄件結(jié)晶組織的形成和控制,鑄件宏觀結(jié)晶組織的形成及影響因素鑄件結(jié)晶組織的控制,,,表面等軸晶的晶粒細小;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.中心等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大;,,,幾種不同類型的鑄件宏

2、觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細等軸晶加柱狀晶;（c）三個晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶,第一節(jié) 鑄件結(jié)晶中的晶粒游離：,一、鑄件結(jié)晶中的晶粒游離：液態(tài)金屬流動的作用澆注過程中的流動凝固期間的流動,,第一節(jié) 鑄件結(jié)晶中的晶粒游離：,一、鑄件結(jié)晶中的晶粒游離2.鑄件結(jié)晶中的晶粒游離（1）直接來自過冷熔體中的非均質(zhì)生核 （2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離：（3）液面晶粒沉積所引起的晶粒游離：,,三個晶

3、區(qū)形成的簡單過程是： 金屬液澆入鑄型后，先在溫度低的型壁上形核與生長，同時又從其上脫落與游離，從而在型壁附近沉積成細小晶粒，構(gòu)成表面細晶粒區(qū)； 表層細晶層形成后，液體對流強度大大減弱，固液界面前沿晶體在與型壁垂直的單向熱流作用下，向中心延伸，形成柱狀晶區(qū)； 在柱狀晶生長過程中，液體內(nèi)部也將可能出現(xiàn)過冷，形成新的等軸晶，或從別處遷移過來的游離晶生長成新的等軸晶，最終形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。,二、表面

4、細晶粒區(qū)的形成,,一但型壁附近的晶粒互相連結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激冷細晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。,,三、柱狀晶區(qū)的形成,柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成。,

5、四、內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成,1、“成分過冷”理論2、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論3、 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論,1、“成分過冷”理論,該理論認為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。,2、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論,在澆注的過程中及凝固的初期激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成, 澆

6、注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴大等軸晶區(qū) 。,型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a) 晶體密度比熔體小的情況; b) 晶體密度比熔體大的情況,為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢?,溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產(chǎn)生“脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼, 另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。,晶體與型壁交會處產(chǎn)生“脖頸”

7、促使晶體發(fā)生脫落而游離,游離晶體的生長、局部熔化與增殖,3、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論,生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。 液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨”理論。,目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機理起主導(dǎo)作用，在另一種情

8、況下，可能是另一種機理在起作用，或者是幾種機理的綜合作用，而各自作用的大小當由具體的凝固條件所決定。,四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨立生核的能力和各種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度兩個基本條件綜合作用的結(jié)果。,四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,1. 金屬性質(zhì)方面：強生核劑在過冷熔體中的存在GL小——生核區(qū)域?qū)?，較長的脆弱枝晶 C0，k0偏離較遠——樹枝晶發(fā)達，縮頸嚴重熔體中長時間的激烈的對

9、流,,抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展擴大等軸晶區(qū)的范圍；細化等軸晶組織,四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,2. 澆注條件方面低的澆注溫度過熱度小型壁易產(chǎn)生大量游離晶粒 有助于游離晶的殘存 合適的澆注工藝強化液流對型壁沖刷作用的澆注工藝能擴大并細化等軸晶區(qū),四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,3. 鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面對薄壁件，激冷使整個斷面產(chǎn)生較大過冷。熔體生核能力強金屬型比砂型易獲得細等軸晶的斷面組織厚壁或鑄件導(dǎo)熱性差

10、，激冷只產(chǎn)生于鑄件的表面層。此時等軸晶區(qū)主要依靠晶粒游離,第二節(jié) 鑄件結(jié)晶組織的控制,一、鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響 1、柱狀晶生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到阻礙，樹枝晶得不到充分的發(fā)展，分枝較少。結(jié)晶后顯微疏松、晶間雜質(zhì)少，組織比較致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。柱狀晶性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。,2、等軸晶晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，位向不同，故性能均勻而穩(wěn)定沒有方向性。缺

11、點：枝晶比較發(fā)達。顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密等軸晶細化能夠使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，提高性能。且晶粒越細其綜合性能就越好，抗疲勞性能就越高,3 根據(jù)具體要求選擇組織塑性較好的有色金屬及其合金、奧氏體不銹鋼鑄錠，為增加致密度，在控制可熔雜質(zhì)進行除氣處理的前提下——希望得到較多柱狀晶。一般鋼鐵材料和塑性較差的有色合金及其合金鑄錠，為避免柱狀晶區(qū)的不利作用的危害，希望獲得較多的甚至全部的細小的等軸晶組織。,高溫工作的零件，晶界降低

12、蠕變抗力，特別是垂直于拉應(yīng)力方向的橫向晶界是工件的薄弱環(huán)節(jié)。通過單向結(jié)晶得到無橫向晶界全部平行于拉應(yīng)力方向的柱狀晶構(gòu)成，零件的性能和壽命大幅度的提高。,,,第二節(jié) 鑄件結(jié)晶組織的控制,二、等軸晶組織的獲得和細化,,,抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展獲得等軸晶,二、等軸晶組織的獲得和細化合理控制熱學(xué)條件（1）低溫澆注和采用合理澆注工藝,,,二、等軸晶組織的獲得和細化合理控制熱學(xué)條件（2）合理控制冷卻條件 目的：形成寬的凝固區(qū)

13、，獲得大的過冷促進熔體生 核和晶粒游離。 薄壁件：使用冷卻能力強的鑄型——較大過冷GL又 不大可得到較細的等軸晶組織。 厚壁件：使用冷卻能力小的鑄型確保等軸晶形成， 同時采用細化晶粒的措施。——采用金屬型 必需配合強有力的晶粒游離措施。 懸浮鑄

14、造——在澆注過程中相液態(tài)金屬中加入一定 數(shù)量的金屬粉末（2-4%量），降低GL且熔體 能夠快速冷卻。,,,二、等軸晶組織的獲得和細化2. 孕育處理：向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)達到細化晶粒、改善組織之目的的一種方法。孕育：影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒變質(zhì)：改變晶體生長機理，從而影響晶體形貌,,,（1）合理選用孕育劑：1）生核劑——強化非均質(zhì)生核過程

15、：直接作為外加晶核的生核劑：與欲細化相具有共格對應(yīng)的高熔點物質(zhì)或同類金屬碎粒。通過與液態(tài)金屬的相互作用而產(chǎn)生非均質(zhì)晶核的生核劑,2）強成分過冷元素孕育劑,（2）合理確定孕育工藝,,,3.動態(tài)晶粒細化在鑄件凝固過程中，采用震動，攪拌或旋轉(zhuǎn)等各種方法，均能有效的縮小或消除柱狀晶區(qū)，細化等軸晶組織。——此過程稱動態(tài)晶粒細化。,,,具體動態(tài)晶粒細化方法：1）振動不同振動源：機械振動、電磁振動、音頻、超聲波振動等等 2）攪拌（大野篤美

16、：凝固初期給凝固殼尚處于不穩(wěn)定的部位即型壁附近的液面一強烈的機械攪拌，可以獲得良好的細等軸晶組織）3）旋轉(zhuǎn)振蕩：,4.等軸晶枝晶間距的控制,d2=b（,,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,單向凝固原理：目的：使鑄件或鑄錠獲得按一定方向生長的柱狀晶或單晶組織條件：開始凝固部位形成穩(wěn)定的凝固殼——各種激冷的措施，凝固殼中的晶粒按既定方向通過擇優(yōu)生長而發(fā)展成平行排列的柱狀晶粒組織，且組織中不夾雜有異向晶粒,三、單向凝固和柱狀晶及單晶

17、組織的獲得,1.措施：嚴格的單向散熱（阻止組織側(cè)向散熱）要有足夠大的GL/R，是成分過冷限制在允許的范圍內(nèi)減小熔體的非均質(zhì)生核能力：提高熔體純度，減少雜質(zhì)污染避免液態(tài)金屬的對流攪拌和振動，從而阻止界面前方的晶粒游離,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,2、單向凝固過程中的枝晶間距控制 所以希望GLR增大，但R增大時GL/R減小，所以希望GL足夠高，保證較小的d1 d2，另外，GL高，R可相應(yīng)提高，而提高生

18、產(chǎn)率。,d1=a,d2=b,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,提高措施：加強凝固部分的散熱能力Qs提高澆注溫度或加熱界面前方液體 - 將凝固界面上方液態(tài)金屬周圍的高溫環(huán)境與界面下方已凝固部分所處的低溫環(huán)境隔開，從而迫使更多的熱流通過界面?zhèn)鬟f以提高GL,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,3. 單向凝固技術(shù)爐外單向凝固法爐內(nèi)單向凝固法,高速凝固法 （H.R.S法）,功率下降法（P.D 法）,4. 單晶體鑄件

19、的獲得,,,,四、共晶合金結(jié)晶組織的控制,1. 共晶團形成機理：從領(lǐng)先相構(gòu)成的初晶表面上生長；借助于共晶體從型壁上的游離。,具體措施：促使領(lǐng)先相在熔體中大量生核。針對領(lǐng)先相孕育 ；選擇出境由領(lǐng)先相構(gòu)成的合金并加速熔體過冷（2）促使領(lǐng)先相初晶和共晶體游離——各種動態(tài)晶粒細化方法,四、共晶合金結(jié)晶組織的控制,2. 共晶合金的單向凝固 可使非小面-非小面共晶合金的兩相平行生長，形成一種層片狀后棒狀結(jié)構(gòu)的共晶復(fù)合體，提高