材料成型理論基礎課件 成形原理50

教師：呂書林第五章鑄件凝固組織的形成與控制Chapter5FormationandControlofSolidification

MicrostructureofCastings

2§5-1鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機理一、鑄件宏觀組織的特征二、鑄件宏觀凝固組織的形成機理

1.表面細晶區(qū)的形成

2.柱狀晶區(qū)的形成

3.內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成§5-2鑄件宏觀凝固組織的控制3§5-1鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機理一、鑄件宏觀凝固組織的特征圖

鑄錠截面典型宏觀組織示意圖

a）柱狀晶形成“穿晶”的凝固組織b）含有三個晶區(qū)的凝固組織c）全部等軸晶的凝固組織4表面細晶區(qū)

緊靠鑄型壁外側，也稱激冷區(qū)，由紊亂排列的細小等軸晶所組成，僅幾個晶粒厚；中間柱狀晶區(qū)

由垂直于型壁（沿熱流方向）彼此平行排列的柱狀晶粒所組成；內(nèi)部等軸晶區(qū)

由各向同性的等軸晶組成。等軸晶比表面細晶粒區(qū)的晶粒粗大。圖鑄錠截面典型宏觀組織示意圖、實際組織5

決定鑄件性能的重要因素是柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的相對量，表面細晶粒區(qū)的影響很有限。

合金性質(zhì)和實際凝固條件決定晶區(qū)數(shù)目、晶區(qū)相對寬度（柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)）。完全柱狀晶完全等軸晶一定條件下，可獲得單一的柱狀晶或等軸晶宏觀組織：6二、鑄件宏觀凝固組織的形成機理型壁附近熔體內(nèi)非均勻形核（大量的雜質(zhì)顆粒）數(shù)量；各種形式的晶粒游離（溶質(zhì)再分配，枝晶根部縮頸、熔斷）；型壁散熱條件（決定過冷度和凝固區(qū)域的寬度）。早期理論：大量的非均質(zhì)生核后期理論：大量的非均質(zhì)生核＋游離晶核（縮頸熔斷）受鑄型激冷，型壁附近熔體產(chǎn)生較大的過冷度而大量形核，并迅速長大而相互接觸，形成無方向性的表面細等軸晶組織，也叫“激冷晶”。細化程度取決于：1.表面細晶粒區(qū)的形成7獲得表面細晶區(qū)的條件：為界面處晶粒單向散熱提供條件促使晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生長形成柱狀晶凝固殼層鑄型附近大量游離晶粒可抑制凝固殼層的形成；鑄型激冷能力對細晶區(qū)的雙重影響：利：提高型壁附近熔體非均質(zhì)形核能力，促進形成等軸晶；——抑制鑄件表面形成穩(wěn)定的凝固殼層弊：激冷能力過強，晶核快速消耗、生長，短時間內(nèi)連接成為穩(wěn)定的凝固殼層。（大量的游離晶方可抑制?。?柱狀晶區(qū)由表面細晶區(qū)形成并發(fā)展而來。穩(wěn)定凝固殼層產(chǎn)生柱狀晶區(qū)開始；內(nèi)部等軸晶區(qū)形成

柱狀晶區(qū)結束。柱狀晶區(qū)的寬度及存在取決于上述兩個因素綜合作用結果。2.柱狀晶區(qū)的形成9擇優(yōu)生長各枝晶主干方向互不相同，主干與熱流方向相平行的枝晶比取向不利的枝晶生長更快，優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長。競爭淘汰離開型壁的距離越遠，取向不利的晶體被淘汰的就越多，柱狀晶的方向就越集中，同時晶粒的平均尺寸也就越大。柱狀晶生長方式：擇優(yōu)生長+競爭淘汰10剩余熔體內(nèi)部晶核自由生長的結果。3.內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成晶核來源、等軸晶區(qū)成形過程的四種理論：1）

過冷熔體非自發(fā)生核理論由于溶質(zhì)再分配，在固/液界面前沿產(chǎn)生成分過冷，當成分過冷度大于非自發(fā)生核所需過冷度ΔT異時，在熔體內(nèi)部產(chǎn)生晶核并長大，最終形成等軸晶區(qū)。112）激冷晶核卷入理論澆注和凝固初期，澆道、型壁的激冷+非均質(zhì)形核，在熔體內(nèi)形成大量游離狀態(tài)的激冷晶體，殘存的晶體作為內(nèi)部等軸晶的晶核。因澆溫低，澆注中形成的激冷游離晶凝固初期形成的激冷游離晶123）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷理論

型壁晶體或柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖——以溶質(zhì)再分配理論為基點。型壁晶粒脫落示意圖溶質(zhì)再分配凝固前沿溶質(zhì)富集（富集程度決定過冷度、生長速度）根部溶質(zhì)擴散差遠離根部擴散好側面生長抑制生長速度快產(chǎn)生縮頸13圖枝晶分枝“縮頸”的形成a)b)c)為二、三次分枝時縮頸形成過程示意圖，V為生長方向；d)環(huán)乙烷的枝晶，可見分枝縮頸14氯化銨的枝晶熔斷15鑄鐵的奧氏體樹枝晶及其縮頸16溶質(zhì)濃度再分配→界面前沿液態(tài)金屬凝固點降低→實際過冷度減小。遠離根部，界面前方的溶質(zhì)易于通過擴散和對流而均化，面臨較大的過冷，其生長速度要快得多；故在晶體生長過程中將產(chǎn)生根部“縮頸”現(xiàn)象，生成頭大根小的晶粒。熔點最低、最脆弱的縮頸在液流和溫度起伏的作用下自型壁脫落，導致晶粒游離。

型壁晶粒脫落過程：晶體根部緊靠型壁，溶質(zhì)在液體中擴散均化的條件最差，偏析程度最為嚴重，生長受到強烈抑制；17

游離晶的增殖過程：自由狀態(tài)下的游離晶一般以樹枝狀生長，在液流中漂移時，經(jīng)反復局部熔化和反復生長，破碎成幾部分，在低溫下各自生長為新的游離晶。游離的晶粒增殖過程樹枝晶結構的游離晶隨液流漂移溫度起伏濃度起伏反復熔化、生長縮頸處斷裂游離晶破裂為多個晶粒繼續(xù)生長為新的游離晶18液態(tài)金屬流動的作用19液態(tài)金屬流動對鑄件結晶中晶粒游離過程的作用主要是通過影響其傳熱和傳質(zhì)過程而實現(xiàn)的：

傳熱方面：液態(tài)金屬的流動加速其過熱熱量的散失，使全部液態(tài)金屬在澆注后的瞬間（小于30s）從澆注溫度下降到凝固溫度。（保留游離晶核）

傳質(zhì)方面：液態(tài)金屬流動的最大作用在于導致游離晶粒的漂移和堆積，并使各種晶粒游離現(xiàn)象不斷進行。同時改變界面前沿的溶質(zhì)分布狀態(tài)，加速流體宏觀成分的均勻化。20多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過程中。4）“結晶雨”游離理論液面處形成的晶粒+頂部凝固層脫落的分枝液面處熔體過冷密度大于金屬液下沉晶粒游離21總結：鑄件中三晶區(qū)的形成相互聯(lián)系、彼此制約。

穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生決定表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過渡，而阻止柱狀晶區(qū)進一步發(fā)展的關鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。

晶區(qū)的形成和轉變是過冷熔體獨立形核能力和各種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度這兩個基本條件綜合作用的結果。決定了鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細。上述四種關于等軸晶形成機理都是存在的，作用強弱取決于實際凝固條件，實際上中心等軸晶區(qū)的形成是多種機理綜合作用的結果。22§5-2鑄件宏觀凝固組織的控制等軸晶柱狀晶單晶23（1）柱狀晶：一、鑄件宏觀組織對鑄件性能的影響通常鑄件不希望獲得粗大的柱狀晶組織。對于某些特殊的軸向受拉應力鑄件，如航空發(fā)動機葉片往往特意采用定向凝固技術，獲得全部單向排列的柱狀晶組織。表面細晶粒區(qū)薄，對鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。鑄件質(zhì)量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例以及晶粒的大小。優(yōu)點生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，枝晶不能充分發(fā)展，分枝少，結晶后顯微縮松少，組織致密。缺點柱狀晶比較粗大，晶界面積小，排列位向一致，其性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。晶界處常匯集有較多的第二相雜質(zhì)，形成“弱界面”，將導致鑄件熱裂。24優(yōu)點晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性。對于高溫下工作的零件，通過單向結晶消除橫向晶界，防止晶界降低蠕變抗力。對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的柱狀晶，增加其致密度；對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多的甚至是全部細小的等軸晶組織；細化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。晶粒越細，鑄件的綜合性能越好。（2）等軸晶：缺點枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。25二、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施目標：控制鑄件（錠）中柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對比例。一般希望獲得全部細小等軸晶組織抑制柱狀晶的產(chǎn)生和生長促進小晶粒的產(chǎn)生、游離、漂移、增殖擴大并細化等軸晶區(qū)，抑制柱狀晶兩種方式：1.內(nèi)部因素：加入生核劑2.外部因素：控制鑄造條件261.向熔體中加入強生核劑目的：控制形核，即強化非均質(zhì)形核。實際鑄件生產(chǎn)中應用的主要方法是向液態(tài)金屬中添加生核劑（或稱孕育劑）進行孕育處理。孕育和變質(zhì)的區(qū)別孕育（Inoculation）：主要是影響生核過程，通過增加晶核數(shù)實現(xiàn)細化晶粒。變質(zhì)（Modification）：主要是改變晶體的生長過程，通過變質(zhì)元素的選擇性分布來改變晶體生長形貌。如球化或細化。27（1）直接作為外加晶核的生核劑例：鑄鐵中加石墨粉；Mg合金中加Zr。四種類型的生核劑：生核劑是與被細化相具有界面共格對應的高熔點物質(zhì)或同類金屬、非金屬碎粒，與要細化相間具有較小的界面能，潤濕角小，直接作為有效襯底促進非自發(fā)生核。（2）能生成較高熔點穩(wěn)定化合物的生核劑生核劑中的元素能與液態(tài)金屬反應形成化合物，這些化合物與被細化相間具有界面共格對應關系。例：過共晶Al-Si合金中的初生Si變質(zhì)。變質(zhì)劑：P-Cu合金

變質(zhì)機理：Al+P=AlP（熔點：1600℃）具有不同潤濕角的非均質(zhì)晶核

形核的溫度條件θ1<θ2<θ328能形成具有小潤濕角的固相顆粒是選擇生核劑的依據(jù)！以上兩種生核必須滿足溫度條件：異質(zhì)固相顆粒穩(wěn)定，不易溶解；金屬液與異質(zhì)固相顆粒潤濕角?。己玫木Ц衿ヅ潢P系）；異質(zhì)固相顆粒尺寸細小，高度彌散；不帶入有害元素（降低合金性能的元素）。生核劑應具備的四個特性：——存在異質(zhì)形核所需的過冷度。29合金種類晶粒細化元素加入量(質(zhì)量分數(shù),%)加入方法純鋁、Al-Cu

Al-Mn

Al-SiTi、Zr、Ti+BTi:0.15、Zr:0.2Ti+B:0.01Ti、0.05B中間合金過共晶Al-SiP＞0.02Cu-P或Al-P合金鑄鐵Ca、Sr、Ba通常與Si-Fe制成復合生核劑中間合金Si-Fe0.1~1.0中間合金碳鋼及合金鋼V0.06~0.30中間合金Ti0.1~0.2中間合金B(yǎng)0.005~0.01中間合金銅合金Zr、Zr+B0.02~0.04純金屬或合金常用合金的生核劑（孕育劑）30（3）促使結晶相提前析出的生核劑例：鑄鐵的孕育處理，在鐵水中加Si鐵，[Si]在很多區(qū)域富集，

造成局部過共晶成分，促使石墨提前析出。加入的元素在液相中局部富集，改變微小區(qū)域內(nèi)合金成分（共晶），使析出相提前彌散析出（成為核心）。（4）含強成分過冷元素的生核劑

生長界面前沿溶質(zhì)富集，使晶粒（樹枝晶分枝）根部產(chǎn)生細弱縮頸，從而促進晶粒游離；同時，抑制晶粒生長。作用：強化熔體內(nèi)非均勻形核；溶質(zhì)富集抑制晶體生長，細化晶粒。31生核效果由孕育劑本身性能和孕育工藝決定。孕育衰退：孕育劑（生核劑）的孕育效果隨著時間

的延長，逐漸減弱甚至消失的現(xiàn)象。

孕育溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑充分溶解的前提下，孕育處理溫度應盡可能低！時間效應322.控制澆注條件（1）采用較低的澆注溫度降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得細等軸晶的有效措施之一，尤其是導熱性較差的合金效果更為顯著。熔體的過熱度較小，與澆道內(nèi)壁接觸能產(chǎn)生大量游離晶粒；

防止已形成的游離晶粒重熔，利于其殘存，這對等軸晶的形成和細化有利。33低過熱度傾斜板冷卻法澆注34（2）采用合適的澆注工藝凡是能夠增加液流對型壁的沖刷、促進金屬液內(nèi)部對流的澆注工藝均能擴大并細化等軸