金屬凝固原理-第7章-金屬凝固的宏觀組織與凝固方式課件

第七章金屬凝固的宏觀組織與

凝固方式第七章金屬凝固的宏觀組織與

凝固方式1§7-1宏觀凝固組織的形成與控制§7-2凝固方式與凝固時間金屬凝固原理-第7章-金屬凝固的宏觀組織與凝固方式課件2§7-1宏觀凝固組織的形成與控制一、凝固過程中液體金屬的流動1.澆注及凝固過程中液體的流動形式（1）澆注時存在液流的沖刷（強制對流）液流沖刷澆道、型壁及已凝固層的生長界面。（2）澆注時及澆注完畢后液體存在

自然對流液體金屬表面以及液體金屬與型壁或凝固層的接觸區(qū)，溫度低、密度大而下沉，熱的密度小的金屬液上浮，形成自然對流。圖7.1液體中的自然對流§7-1宏觀凝固組織的形成與控制一、凝固過程中液體金3（3）存在著枝晶間及分枝間的液體流動（微觀流動）枝晶凝固時，發(fā)生收縮而產(chǎn)生負壓，液體被吸入枝晶分枝而產(chǎn)生微觀流動（3）存在著枝晶間及分枝間的液體流動（微觀流動）42.液體的流動對凝固過程的影響（1）頂部晶體的沉積（鑄錠上部形成等軸晶）不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶圖7.2在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)（大野篤美的實驗）2.液體的流動對凝固過程的影響（1）頂部晶體的沉積（鑄5（2）型壁上晶體的脫落及晶體的增殖在澆注的過程中及凝固初期的激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成,澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴大等軸晶區(qū)。圖7.3（2）型壁上晶體的脫落及晶體的增殖在澆注的過程中及凝固初期的6圖7.4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?圖7.4型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離為什么純金屬7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。圖7.5晶體與型壁交會處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離

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8圖7.6游離晶體的生長、局部熔化與增殖圖7.6游離晶體的生長、局部熔化與增殖9（3）枝晶分枝的熔斷脫落●枝晶生長時，其分枝也因成分過冷而形成細的“脖頸”，遇高溫液體時，產(chǎn)生熔斷脫落。圖7.7

枝晶分枝“縮頸”的形成a）、b）、c）為二、三次分枝時縮頸形成過程示意圖（虛線表示溶質(zhì)富集層，V為枝晶生長方向）d）環(huán)己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明顯看出分枝的縮頸（3）枝晶分枝的熔斷脫落圖7.7枝晶分枝“縮頸”的形成10二、宏觀凝固組織的形成及影響因素1.表面細等軸晶區(qū)的形成2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成3.中心等軸晶區(qū)的形成二、宏觀凝固組織的形成及影響因素1.表面細等軸晶區(qū)的形成11圖7.8幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（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）只有等軸晶圖7.8幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖12金屬凝固的典型宏觀組織內(nèi)部柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)表面細等軸晶區(qū)1.表層細等軸晶區(qū)2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向3.中心等軸晶區(qū)：晶粒較為粗大圖7.9鑄錠凝固的典型宏觀組織金屬凝固的典型宏觀組織內(nèi)部柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)表面細等軸晶區(qū)131.表面細等軸晶區(qū)的形成

●型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量異質(zhì)生核（必要條件）,各種形式的晶粒游離也是形成表面細等軸晶的“晶核”來源（充分條件）。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于其結晶潛熱既可從型壁導出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細等軸晶組織。一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結而構成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉為柱狀晶區(qū)由型壁向內(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，表面細等軸晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉變得也就越快，表面細等軸晶區(qū)也就越窄。圖7.10表面細晶粒區(qū)1.表面細等軸晶區(qū)的形成●型壁附近熔體由于受到強烈142.內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細等軸晶凝固層中某些一次分枝與散熱方向（垂直于型壁）相反的晶粒擇優(yōu)向生長，發(fā)展成由外向液體內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結束于中心等軸晶區(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。柱狀晶向內(nèi)部生長的條件是界面前沿存在一個較窄的成分過冷區(qū)。圖7.11內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱柱狀晶區(qū)開始15鑄型液態(tài)金屬圖7.12柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鑄液態(tài)金屬圖7.12柱狀晶生長過程的動態(tài)演示163.中心等軸晶區(qū)的形成●

柱狀晶在向液體內(nèi)生長過程中，不斷排出多余的低熔點溶質(zhì)，使凝固溫度降低（即TX線變陡），同時放出結晶潛熱，使鑄件中心液體溫度升高，液體的實際結晶溫度降低（即GL線變?。?，在界面前沿存在較大成分過冷，當△TC(max)>△T**時，便在鑄件中心的液體中獨立生核和長大，且此時枝晶的生長受鑄型散熱方向的影響小，在各個方向上生長成比較均勻的粗大等軸晶?！裥捅谏暇w的脫離隨液流進入鑄件中心區(qū)域，增加了中心等軸晶區(qū)●晶體上分枝的熔斷脫落進入鑄件中心區(qū)形成中心等軸晶區(qū)●頂部晶體的沉積進入鑄件中心區(qū)而形成中心等軸晶圖7.13游離晶促使中心等軸晶形成3.中心等軸晶區(qū)的形成●柱狀晶在向液體內(nèi)生長過程中，不17思路:

晶區(qū)的形成和轉變乃是過冷熔體獨立生核能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個基本條件綜合作用的結果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細就是由這個結果所決定的。凡能強化熔體獨立生核，促進晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴大等軸晶區(qū)的范圍，并細化等軸晶組織。

三、宏觀凝固組織的控制思路:晶區(qū)的形成和轉變乃是過冷熔體獨立生核能力和各種形式18●根據(jù)液態(tài)成形件不同的使用性能，其凝固宏觀組織的要求是不同的。對一些特殊性能要求的成形件，需要獲得單一柱狀晶（如航空發(fā)動機的葉片、磁鋼等）甚至單晶（單晶體葉片），而大量的情況是希望液態(tài)成形件獲得細小等軸晶，使其具有優(yōu)良的各向同性的綜合機械性能。這里重點講述等軸晶的獲得及細化?！窀鶕?jù)液態(tài)成形件不同的使用性能，其凝固宏觀組織的要求是19●獲得細等軸晶的措施措施加強液體金屬在澆注及凝固期間的流動（動力學細化）孕育處理外加晶核采用生核劑采用強成分過冷元素提高冷卻速度（V冷↑），降低澆注溫度（t澆↓

）（控制澆注工藝及冷卻條件）外部工藝措施內(nèi)部措施●獲得細等軸晶的措施措施加強液體金屬在澆注及凝固期間的流201.增大冷卻速度（V冷↑）和降低澆注溫度（t澆↓）V冷↑鑄型激冷能力↑t澆↓t型↓b2↑（金屬型）1.增大冷卻速度（V冷↑）和降低澆注溫度（t澆↓）V冷↑鑄型21合理的澆注工藝冷卻條件的控制圖7.14合理的澆注工藝圖7.1422合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式

合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。通過改變澆注方式強化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進細等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導致鑄件產(chǎn)生相應的缺陷。合理的澆注工藝澆注溫度合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細23鑄型中間頂注沿型壁單孔頂注沿型壁六孔頂注

圖7.15不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織鑄型中間頂注沿型壁單孔24低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法圖7.16圖7.17低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法圖7.16圖7.1725冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，從而促進熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度V冷可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、熱傳導能力強的鑄型。

對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時滿足小的GL與高的V冷的要求。

冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的26懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過程，達到細化組織、減小偏析、減小鑄造應力的目的的一種工藝方法。圖7.18懸浮澆注用渦流導入法的澆注系統(tǒng)料斗離心集液包直澆道懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中27懸浮澆注法的特點

（1）顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善鑄件厚大斷面力學性能均勻性；（2）減小凝固收縮，使冒口減小15～35%；（3）減少縮松，提高鑄件致密性；（4）減小鑄造應力，減小鑄件熱裂傾向；（5）改善宏觀偏析；（6）提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；（7）可以實現(xiàn)澆注過程合金化。懸浮澆注法的特點

（1）顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善28技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學、晶體學和熱作用，強制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。

適用范圍：各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。不需要特殊設備，僅要求簡單輔助工裝。技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理292.加強液體在澆注和凝固期間的流動促使型壁上已凝固層晶體的脫落，分枝的熔斷脫落及脫落晶體的增殖。具體方法：——利用液流的沖刷——利用旋轉磁場使液體旋轉運動——利用慣性力使液體運動

●使鑄型產(chǎn)生振動或振擊

●振動澆口杯

●鑄型變速或不斷變向運動2.加強液體在澆注和凝固期間的流動促使型壁上已凝固層30（1）鑄型振動在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運動，導致枝晶破碎形成結晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉方向可獲得細小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運動所起的細化晶粒作用。振動還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機圖7.19立式離心鑄造機（1）鑄型振動在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運動31（2）超聲波振動超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當這些空隙崩潰時，液體迅速補充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細化。圖7.20超聲波振動結晶（2）超聲波振動超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形32（3）液相攪拌采用機械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達到細化晶粒的目的。連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時，電磁攪拌技術便成為首選。（3）液相攪拌采用機械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液33（4）流變（觸變）鑄造

流變（觸變）鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當液體金屬凝固達50～60％時，在氬氣保護下進行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄件凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉速的增加趨于細小而圓整，機械性能顯著提高。這種細小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動性而容易成形。因為它的溫度遠低于液相線溫度，所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴大黑色金屬壓鑄的應用范圍。圖7.21流變鑄造過程（4）流變（觸變）鑄造流變（觸變）鑄造又稱半固態(tài)鑄造34圖7.22傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織

圖7.22傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織35

3.孕育處理（鋼及鋁、鎂、銅合金中稱變

質(zhì)處理，鐵中稱孕育處理）

（1）外加晶核

在澆注時向液流中加入被細化相具有界面共格對應的高熔點物質(zhì)或同類金屬的碎粒，使之成為異質(zhì)形核的有效襯底，促使異質(zhì)形核，增加晶粒數(shù)而細化晶粒。例如：高Mn鋼中加入Mn鐵高Cr鋼中加入Cr鐵Cu合金中加入Fe（γ）在生產(chǎn)中，外加晶核稱為晶粒細化劑。3.孕育處理（鋼及鋁、鎂、銅合金中稱變

363.孕育處理（2）采用生核劑加入的物質(zhì)不一定能作為晶核，但通過它與液態(tài)金屬的某些元素相互作用，能產(chǎn)生晶核或成為有效襯底，這類物質(zhì)稱為生核劑。分為兩類：●加入的生核劑與液體中某元素形成穩(wěn)定的化合物，且此化合物與被細化相具有界面共格對應，促使異質(zhì)形核。例如鋼中加入V、Ti等，生成的VC，TiC及VN，TiN使鋼的晶粒細化Al合金中加入Ti，生成TiAl3，細化α-Al在生產(chǎn)中，此種生核劑也稱為晶粒細化劑。3.孕育處理（2）采用生核劑37●加入的生核劑造成液體中很多大的微區(qū)富集，迫使結晶相提前彌散析出例如Si加入鐵水中，造成瞬時的很多富Si區(qū)，造成局部的過共晶成分迫使石墨提前析出，Si的脫氧產(chǎn)物SiO2及其他化合物可作為石墨析出的襯底，達到細化組織的目的。

此類生核劑在鑄鐵中稱為孕育劑，處理過程稱為孕育處理?！窦尤氲纳藙┰斐梢后w中很多大的微區(qū)富集，迫38孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應生成化合物，起細化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達到最佳的細化效果。當細化效果達到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達到最佳細化效果所需要的時間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來選擇。孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育393.孕育處理（3）采用強過冷成分元素

強成分過冷元素就是表面活性元素，其實質(zhì)是阻礙某一相的生長，達到細化該相和改變該相的形貌，而不增加形核的數(shù)量?！襁x取原則：——熔點低（mL大）——固溶度?。ǎ影霃酱螅―L小）●Al-Si合金中（Si>5%），加入Na，Ce，La，Sr細化合金中的共晶硅相●強成分過冷元素在Al-Si合金中稱為變質(zhì)劑，生產(chǎn)中稱為變質(zhì)處理3.孕育處理（3）采用強過冷成分元素40合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末合金中常用孕育劑（含晶粒細化劑、變質(zhì)劑）合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti041§7-2凝固方式與凝固時間一、凝固方式二、凝固時間§7-2凝固方式與凝固時間一、凝固方式42一、凝固方式1.凝固方式分類分為三種類型：（1）逐層凝固方式（2）體積（糊狀）凝固方式（3）中間凝固方式一、凝固方式1.凝固方式分類43

●凝固區(qū)域及結構——凝固區(qū)域：鑄件斷面上凝固某瞬間的液相和固相共存區(qū)域圖7.23凝固區(qū)域●凝固區(qū)域及結構圖7.23凝固區(qū)域44——凝固區(qū)域結構：

●液—固區(qū)（液相邊界和補縮邊界之間，其間的傾出邊界又將其分成兩個小區(qū)）●固—液區(qū)（補縮邊界與固相邊界之間）——凝固區(qū)域結構：45（1）逐層凝固方式鑄件在凝固過程中，其斷面上的凝固區(qū)域寬度為零或很窄時，凝固層由鑄件表面向內(nèi)一層層凝固的方式。

特點●流動性好●補縮好，集中縮孔傾向大●熱裂傾向?。?）逐層凝固方式特點●流動性好46（2）體積凝固方式（糊狀凝固方式）鑄件在凝固過程中，其斷面上存在很寬的凝固區(qū)域，凝固是在這個體積范圍內(nèi)進行的。特點：●流動性差●縮松傾向大●熱烈傾向大（2）體積凝固方式（糊狀凝固方式）特點：●流動性差47（3）中間凝固方式凝固過程中，鑄件斷面上始終保持不寬不窄的凝固區(qū)域。

特點：●流動性較好●縮松傾向較小●熱裂傾向較小（3）中間凝固方式特點：●流動性較好482.影響凝固方式的因素（1）合金的凝固溫度區(qū)間△tC=（tL-tS）—合金性質(zhì)決定（2）鑄件斷面上的溫度梯度G—工藝因素通過提高鑄件斷面上的溫度梯度G可改變寬凝固溫度范圍合金的體積凝固方式或減輕體積凝固的程度，提高鑄件質(zhì)量。2.影響凝固方式的因素（1）合金的凝固溫度區(qū)間△tC=49二、凝固時間鑄件的凝固時間是指液態(tài)金屬充滿型腔至鑄件凝固完畢所需的時間。單位時間凝固層的厚度稱凝固速度。凝固時間是制訂液態(tài)成形工藝的重要參數(shù)（如冒口、冷鐵的設計，掌握開箱時間等）確定凝固時間的方法有：●試驗法●理論計算法（數(shù)值模擬法）●經(jīng)驗計算法其中試驗法要對每個鑄件通過試驗測得溫度數(shù)據(jù)來獲得凝固時間，顯然不現(xiàn)實；理論計算法通過諸多假設計算出的數(shù)據(jù)是近似的，僅供參考。這里重點介紹經(jīng)驗計算法。二、凝固時間鑄件的凝固時間是指液態(tài)金屬充滿型50經(jīng)驗計算法:1.“平方根定律”計算法局部凝固時間：式中——凝固層厚度——凝固系數(shù)則——平方根定律鑄件的凝固速度該定律比較適合大平板和凝固溫度區(qū)間小的合金。它的最大缺點是受鑄件形狀因素的影響。經(jīng)驗計算法:1.“平方根定律”計算法512.“折算厚度法則”（當量厚度法則，模數(shù)）

計算法——Chvorinov公式

鑄件完全凝固時間：式中——（折算厚度，當量厚度）模數(shù)，（——鑄件的散熱表面積，——鑄件的體積）

——凝固系數(shù)該式由捷克人chvorinov于上世紀40年代提出。該式最大的優(yōu)點是不受鑄件形狀因素的影響，只要鑄件的模數(shù)（不管什么形狀）相同，其完全凝固時間就相同。該式在生產(chǎn)實踐中被廣泛的應用。注意：該式仍為近似計算公式，有一定誤差。2.“折算厚度法則”（當量厚度法則，模數(shù)）

52●凝固系數(shù)K的確定——試驗法測溫法液體傾出法表1幾種合金的凝固系數(shù)●凝固系數(shù)K的確定——試驗法測溫法液體傾出法表1幾種合53第7章作業(yè)：1.澆注及凝固過程中存在哪幾種液態(tài)金屬的流動形式？它們對鑄件凝固過程產(chǎn)生哪些影響？2.典型鑄件宏觀晶粒組織由哪幾個區(qū)組成？這幾個區(qū)是怎樣形成的？3.型壁上的晶體及枝晶分枝的“脖頸”是怎樣形成的？又是如何產(chǎn)生晶體的增殖現(xiàn)象的？4.獲得細等軸晶的措施有哪些？5.鑄件的凝固方式有哪幾種？影響凝固方式的因數(shù)有哪些不同凝固方式與鑄件質(zhì)量有何關系（充型能力、縮孔、縮松傾向及熱裂傾向分析）？6.chvoinov法則（公式）的表達式是什么？式中各符號的意義，該式說明什么問題？第7章作業(yè)：54第七章金屬凝固的宏觀組織與

凝固方式第七章金屬凝固的宏觀組織與

凝固方式55§7-1宏觀凝固組織的形成與控制§7-2凝固方式與凝固時間金屬凝固原理-第7章-金屬凝固的宏觀組織與凝固方式課件56§7-1宏觀凝固組織的形成與控制一、凝固過程中液體金屬的流動1.澆注及凝固過程中液體的流動形式（1）澆注時存在液流的沖刷（強制對流）液流沖刷澆道、型壁及已凝固層的生長界面。（2）澆注時及澆注完畢后液體存在

自然對流液體金屬表面以及液體金屬與型壁或凝固層的接觸區(qū)，溫度低、密度大而下沉，熱的密度小的金屬液上浮，形成自然對流。圖7.1液體中的自然對流§7-1宏觀凝固組織的形成與控制一、凝固過程中液體金57（3）存在著枝晶間及分枝間的液體流動（微觀流動）枝晶凝固時，發(fā)生收縮而產(chǎn)生負壓，液體被吸入枝晶分枝而產(chǎn)生微觀流動（3）存在著枝晶間及分枝間的液體流動（微觀流動）582.液體的流動對凝固過程的影響（1）頂部晶體的沉積（鑄錠上部形成等軸晶）不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶圖7.2在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)（大野篤美的實驗）2.液體的流動對凝固過程的影響（1）頂部晶體的沉積（鑄59（2）型壁上晶體的脫落及晶體的增殖在澆注的過程中及凝固初期的激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成,澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴大等軸晶區(qū)。圖7.3（2）型壁上晶體的脫落及晶體的增殖在澆注的過程中及凝固初期的60圖7.4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?圖7.4型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離為什么純金屬61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。圖7.5晶體與型壁交會處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離

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62圖7.6游離晶體的生長、局部熔化與增殖圖7.6游離晶體的生長、局部熔化與增殖63（3）枝晶分枝的熔斷脫落●枝晶生長時，其分枝也因成分過冷而形成細的“脖頸”，遇高溫液體時，產(chǎn)生熔斷脫落。圖7.7

枝晶分枝“縮頸”的形成a）、b）、c）為二、三次分枝時縮頸形成過程示意圖（虛線表示溶質(zhì)富集層，V為枝晶生長方向）d）環(huán)己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明顯看出分枝的縮頸（3）枝晶分枝的熔斷脫落圖7.7枝晶分枝“縮頸”的形成64二、宏觀凝固組織的形成及影響因素1.表面細等軸晶區(qū)的形成2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成3.中心等軸晶區(qū)的形成二、宏觀凝固組織的形成及影響因素1.表面細等軸晶區(qū)的形成65圖7.8幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（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）只有等軸晶圖7.8幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖66金屬凝固的典型宏觀組織內(nèi)部柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)表面細等軸晶區(qū)1.表層細等軸晶區(qū)2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)：晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向3.中心等軸晶區(qū)：晶粒較為粗大圖7.9鑄錠凝固的典型宏觀組織金屬凝固的典型宏觀組織內(nèi)部柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)表面細等軸晶區(qū)671.表面細等軸晶區(qū)的形成

●型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量異質(zhì)生核（必要條件）,各種形式的晶粒游離也是形成表面細等軸晶的“晶核”來源（充分條件）。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于其結晶潛熱既可從型壁導出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細等軸晶組織。一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結而構成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉為柱狀晶區(qū)由型壁向內(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，表面細等軸晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉變得也就越快，表面細等軸晶區(qū)也就越窄。圖7.10表面細晶粒區(qū)1.表面細等軸晶區(qū)的形成●型壁附近熔體由于受到強烈682.內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細等軸晶凝固層中某些一次分枝與散熱方向（垂直于型壁）相反的晶粒擇優(yōu)向生長，發(fā)展成由外向液體內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結束于中心等軸晶區(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。柱狀晶向內(nèi)部生長的條件是界面前沿存在一個較窄的成分過冷區(qū)。圖7.11內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成2.內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱柱狀晶區(qū)開始69鑄型液態(tài)金屬圖7.12柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鑄液態(tài)金屬圖7.12柱狀晶生長過程的動態(tài)演示703.中心等軸晶區(qū)的形成●

柱狀晶在向液體內(nèi)生長過程中，不斷排出多余的低熔點溶質(zhì)，使凝固溫度降低（即TX線變陡），同時放出結晶潛熱，使鑄件中心液體溫度升高，液體的實際結晶溫度降低（即GL線變?。?，在界面前沿存在較大成分過冷，當△TC(max)>△T**時，便在鑄件中心的液體中獨立生核和長大，且此時枝晶的生長受鑄型散熱方向的影響小，在各個方向上生長成比較均勻的粗大等軸晶。●型壁上晶體的脫離隨液流進入鑄件中心區(qū)域，增加了中心等軸晶區(qū)●晶體上分枝的熔斷脫落進入鑄件中心區(qū)形成中心等軸晶區(qū)●頂部晶體的沉積進入鑄件中心區(qū)而形成中心等軸晶圖7.13游離晶促使中心等軸晶形成3.中心等軸晶區(qū)的形成●柱狀晶在向液體內(nèi)生長過程中，不71思路:

晶區(qū)的形成和轉變乃是過冷熔體獨立生核能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個基本條件綜合作用的結果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細就是由這個結果所決定的。凡能強化熔體獨立生核，促進晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴大等軸晶區(qū)的范圍，并細化等軸晶組織。

三、宏觀凝固組織的控制思路:晶區(qū)的形成和轉變乃是過冷熔體獨立生核能力和各種形式72●根據(jù)液態(tài)成形件不同的使用性能，其凝固宏觀組織的要求是不同的。對一些特殊性能要求的成形件，需要獲得單一柱狀晶（如航空發(fā)動機的葉片、磁鋼等）甚至單晶（單晶體葉片），而大量的情況是希望液態(tài)成形件獲得細小等軸晶，使其具有優(yōu)良的各向同性的綜合機械性能。這里重點講述等軸晶的獲得及細化?！窀鶕?jù)液態(tài)成形件不同的使用性能，其凝固宏觀組織的要求是73●獲得細等軸晶的措施措施加強液體金屬在澆注及凝固期間的流動（動力學細化）孕育處理外加晶核采用生核劑采用強成分過冷元素提高冷卻速度（V冷↑），降低澆注溫度（t澆↓

）（控制澆注工藝及冷卻條件）外部工藝措施內(nèi)部措施●獲得細等軸晶的措施措施加強液體金屬在澆注及凝固期間的流741.增大冷卻速度（V冷↑）和降低澆注溫度（t澆↓）V冷↑鑄型激冷能力↑t澆↓t型↓b2↑（金屬型）1.增大冷卻速度（V冷↑）和降低澆注溫度（t澆↓）V冷↑鑄型75合理的澆注工藝冷卻條件的控制圖7.14合理的澆注工藝圖7.1476合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式

合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。通過改變澆注方式強化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進細等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導致鑄件產(chǎn)生相應的缺陷。合理的澆注工藝澆注溫度合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細77鑄型中間頂注沿型壁單孔頂注沿型壁六孔頂注

圖7.15不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織鑄型中間頂注沿型壁單孔78低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法圖7.16圖7.17低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法圖7.16圖7.1779冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，從而促進熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度V冷可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、熱傳導能力強的鑄型。

對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時滿足小的GL與高的V冷的要求。

冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的80懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過程，達到細化組織、減小偏析、減小鑄造應力的目的的一種工藝方法。圖7.18懸浮澆注用渦流導入法的澆注系統(tǒng)料斗離心集液包直澆道懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中81懸浮澆注法的特點

（1）顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善鑄件厚大斷面力學性能均勻性；（2）減小凝固收縮，使冒口減小15～35%；（3）減少縮松，提高鑄件致密性；（4）減小鑄造應力，減小鑄件熱裂傾向；（5）改善宏觀偏析；（6）提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；（7）可以實現(xiàn)澆注過程合金化。懸浮澆注法的特點

（1）顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善82技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學、晶體學和熱作用，強制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。

適用范圍：各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。不需要特殊設備，僅要求簡單輔助工裝。技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理832.加強液體在澆注和凝固期間的流動促使型壁上已凝固層晶體的脫落，分枝的熔斷脫落及脫落晶體的增殖。具體方法：——利用液流的沖刷——利用旋轉磁場使液體旋轉運動——利用慣性力使液體運動

●使鑄型產(chǎn)生振動或振擊

●振動澆口杯

●鑄型變速或不斷變向運動2.加強液體在澆注和凝固期間的流動促使型壁上已凝固層84（1）鑄型振動在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運動，導致枝晶破碎形成結晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉方向可獲得細小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運動所起的細化晶粒作用。振動還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機圖7.19立式離心鑄造機（1）鑄型振動在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運動85（2）超聲波振動超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當這些空隙崩潰時，液體迅速補充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細化。圖7.20超聲波振動結晶（2）超聲波振動超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形86（3）液相攪拌采用機械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達到細化晶粒的目的。連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時，電磁攪拌技術便成為首選。（3）液相攪拌采用機械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液87（4）流變（觸變）鑄造

流變（觸變）鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當液體金屬凝固達50～60％時，在氬氣保護下進行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄件凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉速的增加趨于細小而圓整，機械性能顯著提高。這種細小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動性而容易成形。因為它的溫度遠低于液相線溫度，所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴大黑色金屬壓鑄的應用范圍。圖7.21流變鑄造過程（4）流變（觸變）鑄造流變（觸變）鑄造又稱半固態(tài)鑄造88圖7.22傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織

圖7.22傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織89

3.孕育處理（鋼及鋁、鎂、銅合金中稱變

質(zhì)處理，鐵中稱孕育處理）

（1）外加晶核

在澆注時向液流中加入被細化相具有界面共格對應的高熔點物質(zhì)或同類金屬的碎粒，使之成為異質(zhì)形核的有效襯底，促使異質(zhì)形核，增加晶粒數(shù)而細化晶粒。例如：高Mn鋼中加入Mn鐵高Cr鋼中加入Cr鐵Cu合金中加入Fe（γ）在生產(chǎn)中，外加晶核稱為晶粒細化劑。3.孕育處理（鋼及鋁、鎂、銅合金中稱變

903.孕育處理（2）采用生核劑加入的物質(zhì)不一定能作為晶核，但通過它與液態(tài)金屬的某些元素相互作用，能產(chǎn)生晶核或成為有效襯底，這類物質(zhì)稱為生核劑。分為兩類：●加入的生核劑與液體中某元素形成穩(wěn)定的化合物，且此化合物與被細化相具有界面共格對應，促使異質(zhì)形核。例如鋼中加入V、Ti等，生成的VC，TiC及VN，TiN使鋼的晶粒細化Al合金中加入Ti，生成TiAl3，細化α-Al在生產(chǎn)中，此種生核劑也稱為晶粒細化劑。3.孕育處理（2）采用生核劑91●加入的生核劑造成液體中很多大的微區(qū)富集，迫使結晶相提前彌散析出例如Si加入鐵水中，造成瞬時的很多富Si區(qū)，造成局部的過共晶成分迫使石墨提前析出，Si的脫氧產(chǎn)物SiO2及其他化合物可作為石墨析出的襯底，達到細化組織的目的。

此類生核劑在鑄鐵中稱為孕育劑，處理過程稱為孕育處理。●加入的生核劑造成液體中很多大的微區(qū)富集，迫92孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應生成化合物，起細化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達到最佳的細化效果。當細化效果達到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達到最佳細化效果所需要的時間也不同。幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關。一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來選擇。孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育933.孕育處理（3）采用強過冷成分元素

強成分過冷元素就是表面活性元素，其實質(zhì)是阻礙某一相的生長，達到細化該相和改變該相的形貌，而不增加形核的數(shù)量。●選取原則：——熔點低（mL大）——固溶度?。ǎ影霃酱螅―L?。馎l-Si合金中（Si>5%），加入Na，Ce，La，Sr細化合金中的共晶硅相●強成分過冷元素在Al-Si合金中稱為變質(zhì)劑，生產(chǎn)中稱為變質(zhì)處理3.孕育處理（3）采用強過冷成分元素94合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末合金中常用孕育劑（含晶粒細化劑、變質(zhì)劑）合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti095§7-2凝固方式與凝固時間一、凝固方式二、凝固時間§7-2凝固方式與凝固時間一、凝固方式96一、凝固方式1.凝固方式分類分為三種類型：（1）逐層凝固方式（2）體積（糊狀）凝固方式（3）中間凝固方式一、凝固方式1.凝固方式分類97

●凝固區(qū)域及結構——凝固區(qū)域：鑄件斷面上凝固某瞬間的液相和固相共存區(qū)域圖7.23凝固區(qū)域●凝固區(qū)域及結構圖7.23凝固區(qū)域98——凝固區(qū)域結構：

●液—固區(qū)（液相邊界和補縮邊界之間，其間的傾出邊界又將其分成兩個小區(qū)）●固—液區(qū)（補縮邊界與固相邊界之間）