金屬凝固原理

金屬凝固原理第一頁，共十五頁，2022年，8月28日第五章鑄件結(jié)晶組織的形成與控制第一節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的形成與及其影響因素第二節(jié)鑄件結(jié)晶組織的控制第二頁，共十五頁，2022年，8月28日

第一節(jié)鑄件宏觀結(jié)晶組織的形成

及其影響因素

基本概念基本原理晶區(qū)形成影響因素第三頁，共十五頁，2022年，8月28日

一、基本概念

1.結(jié)晶組織（1）宏觀狀態(tài)：鑄態(tài)晶粒形態(tài)、大小、取向和分布等；（2）微觀結(jié)構(gòu)：晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結(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。2.宏觀結(jié)晶組織三個晶區(qū)：表面細晶粒區(qū)；柱狀晶區(qū)；內(nèi)部等軸區(qū)。

第四頁，共十五頁，2022年，8月28日第五頁，共十五頁，2022年，8月28日

二、基本原理——晶粒游離1.液體金屬流動（1）流動原因1）澆注過程的流動2）凝固期間的對流：a.自然對流：熱對流；b.強迫對流：澆注過程的注入動量、外加電磁/機械攪拌等。（2）對晶粒游離過程的作用1）傳熱：過熱熱量散失，游離晶殘存；紊流——溫度波動——晶粒游離；2）傳質(zhì)：游離晶粒漂移、堆積；晶粒游離不斷進行；改變界面前沿溶質(zhì)分布狀態(tài)（宏觀成分均化、微觀成分波動）。

第六頁，共十五頁，2022年，8月28日2.鑄件結(jié)晶中的晶粒游離（1）游離晶直接來自過冷熔體中的非均質(zhì)生核；（2）型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖引起的晶粒游離。圖5－3型壁晶粒脫落；圖5－4枝晶分枝“縮頸”的形成；圖5－5從鑄型游離的晶粒的增殖作用“縮頸”形成過程分析第七頁，共十五頁，2022年，8月28日三、宏觀結(jié)晶組織的形成

1.表面細晶區(qū)

（1）形成原因型壁激冷——激冷晶

（2）影響因素型壁附近熔體內(nèi)是否存在大量非均質(zhì)生核條件1）型壁散熱條件決定的過冷度和凝固區(qū)域?qū)挾龋?）型壁和熔體中雜質(zhì)微粒的生核能力。

（3）晶核來源1）過冷熔體中非均質(zhì)生核——型壁附近熔體內(nèi)部的大量生核——必要條件；2）晶粒游離——型壁晶粒脫落、枝晶熔斷、晶粒增殖等、抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層——充分條件。第八頁，共十五頁，2022年，8月28日

2.柱狀晶區(qū)（1）（開始）穩(wěn)定凝固層的產(chǎn)生——（結(jié)束）內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成；（2）形成過程穩(wěn)定凝固層形成后——垂直于型壁的單向熱流作用下——以樹枝狀單向延伸生長、各枝晶主桿方向互不相同——晶體的擇優(yōu)生長（主桿與熱流方向平行的枝晶生長更為迅速、優(yōu)先生長、并抑制相鄰枝晶（取向不利）的生長）——柱狀晶的方向越集中、晶粒的平均尺寸就越大。圖5-8柱狀晶的擇優(yōu)生長第九頁，共十五頁，2022年，8月28日

3.等軸區(qū)（1）本質(zhì)：熔體內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果。（2）等軸晶晶核的來源1）過冷熔體直接生核理論;2）界面前方晶粒游離理論:杰克遜：生長著的柱狀晶在凝固界面前方的熔斷、游離、增殖導致內(nèi)部等軸晶晶核的形成；索辛：液面晶粒下雨似的沉積在柱狀晶前方的液體中——鑄錠凝固時內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源；3）激冷晶游離理論：澆注期間和凝固初期的激冷晶游離。第十頁，共十五頁，2022年，8月28日（3）等軸晶區(qū)的形成過程1）索辛：界面前方存在等軸晶的晶核；晶核長大形成網(wǎng)絡(luò)以阻止柱狀晶區(qū)的生長。2）弗蘭爵克遜：一部分游離晶的沉淀；一部分游離晶被側(cè)面生長著的柱狀前沿俘獲。3）我國學者：（界面生長速度R－游離晶垂直于界面的運動速率V）V臨，則可形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。第十一頁，共十五頁，2022年，8月28日四、影響因素1.金屬性質(zhì)方面1）強生核劑——生核2）寬結(jié)晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度GL—?Tc3）溶質(zhì)元素含量較高，平衡分配系數(shù)偏離1較遠——成分過冷區(qū)寬度Xo4）凝固時長時、激烈的對流——晶粒游離

2.澆注條件方面1）低的澆注溫度——過熱度低，游離晶粒多、易殘存2）合理的澆注工藝第十二頁，共十五頁，2022年，8月28日不同澆注工藝Al-0.2%Cu合金的宏觀結(jié)構(gòu)第十三頁，共十五頁，2022年，8月28日3.鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面1）鑄件a.薄壁鑄件：激冷——較大的過冷——生核能力越強；薄壁鑄件，金屬型比砂型更易獲得細等軸晶。b.型壁較厚：導熱性較差、激冷只在表層、等軸晶的形成主要靠各種形式的晶粒游離。2)鑄型a.低蓄熱系數(shù)b——延緩穩(wěn)定凝固殼層的形成，有助于激冷晶的游離；使內(nèi)部溫度梯度GL變小，凝固區(qū)域加寬，有利于等軸晶的增加——?Tc（主導因素）厚壁鑄件，砂型鑄造較金屬型鑄造更易獲得等軸晶（尤在高溫澆注下）b.b——過熱熱量散失——游離晶殘存——等軸晶數(shù)量（次要因素）第十四頁，共十五頁，2022年，8月28日