金属熔炼与铸锭 第十讲 铸锭晶粒组织及其细化.ppt

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1、第十讲铸锭晶粒组织及其细化10.1铸锭正常晶粒组织10.2铸锭异常晶粒组织10.3晶粒细化技术10.1铸锭正常晶粒组织铁模铸锭的晶粒组织常由三个区域组成：表面细等轴晶区（激冷晶区）柱状晶区中心等轴晶区图具有三个晶区的铸锭晶粒组织示意图铸锭具有上述三种晶区，各自的宽窄也会因合金成分、铸锭方法和工艺的不同而不同。在同一铸锭条件下，纯金属多形成柱状晶，合金则常形成粗等轴晶。对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，易于形成细长柱状晶，用铁模铸锭时可得到粗等轴晶或柱状晶。210.1.1表面细等轴晶区的形成形成表面薄层细等轴晶区的原因与模壁接触的金属液薄层激冷产生极大过冷，形核率大增动量

2、对流、热对流，以及由对流引起的温度起伏结晶快，潜热来不及散失，液-固界面温度升高，停止发展，所以薄形成表面细等轴晶区的影响因素（1）浇温高，显热的散失使模温迅速升高，过冷度迅速降低，形成稳定晶核数减少。脱离模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等轴晶区窄；（2）当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失；（3）合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成缩颈而游离，细等轴晶区变宽。3细晶区形成后，模壁温度升高，散热减慢，冷速降低，过冷度减小，不再生核在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金属为<100>，六方金属<10-10>）与散热方向平行的晶粒优先长大，而与散热方向不平行

3、的晶粒则被压抑。愈往铸锭内部晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向生长并互相接触而形成柱状晶区。柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下形成的。10.1.2柱状晶区的形成4凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素，均有利于扩大柱状晶区。如模壁导热性好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱状晶发达。合金化程度低，溶质偏析系数小，成分过冷弱，晶粒或枝晶根部不易形成缩颈而被熔断，也较易于获得柱状晶。形成柱状晶区的影响因素10.1.2柱状晶区的形成5提高浇注温度，游离晶重熔的可能性增大，故有利于扩大柱状晶区。形成柱状晶区的影响因素10.1.2柱状晶区的形成6合金凝固时，随合金含量提

4、高，由于溶质偏析产生成分过冷，促进晶体根部颈缩及脱落，使固/液界面的前沿晶核增殖，不利于获得柱状晶，柱状晶区变窄。柱状晶区的影响因素7合金凝固时，如在固/液界面前沿能始终保持较大的温度梯度，则柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模壁生长过来的柱状晶相遇为止，如图所示。柱状晶区的影响因素铸锭中具有单一柱状晶组织示意图8对流的冲刷作用以及对流造成的温度起伏，会促使晶体脱落及游离，有利于等轴晶的形成，不利于柱状晶形成。施加稳定磁场，或沿一个方向恒速旋转锭模，可消弱或抑制金属液内部的对流，阻止晶体的游离，有利于得到柱状晶；定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较小的凝

5、固速度。金属液内对流的影响柱状晶区的影响因素定向凝固9在铁模中凝固比在砂模中更易获得柱状晶。冷却速度、传热过程、凝壳形成。砂模和铁模中晶体游离对比（a）砂模；（b）铁模柱状晶区的影响因素10等轴晶晶核的来源均质生核形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶区包围的残余液体中，同时过冷生核而形成。从热力学观点看，均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条件下是难以满足的。成分过冷引起中心非均质生核：当出现成分过冷时，由于固/液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而界面前沿过冷度较大的地方，利于非均质生核而形成等轴晶区。10.1.3中心等轴晶区的形成11公认的形成中心等轴晶区的方式

6、有三种，即：表面细等轴晶的游离；枝晶的熔断及游离；液面或凝壳上晶体的沉积。凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。10.1.3中心等轴晶区的形成1210.1.3中心等轴晶区的形成凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长大成等轴晶。凝固初期因比重不同引起的对流（a）晶体比重小于金属液；（b）晶体比重大于金属液13枝晶的熔断及游离枝晶长大时，在其周围会形成溶质偏析层，因而抑制枝晶生长；由于此偏析层很薄，枝晶一旦穿过该偏析层，就会迅速生长变粗，在偏析

7、层内留下缩颈。这种带缩颈的枝晶，在对流作用下易被熔断，其碎块游离至铸锭中心，在温度较低的情况下，长成为中心等轴晶。枝晶缩颈的形成示意图，虚线表示溶质偏析层14枝晶的熔断及游离QuicklycooledSlowlycooled过共晶Co-33Ge合金形成的（a）枝晶颈缩与断开，（b）颈缩枝晶及枝晶断开的碎块15枝晶的熔断及游离枝晶熔断现象在无对流的情况下也可发生。由于枝晶缩颈处表面张力大，熔点较低，在固/液两相共存温度下保温，该处有可能被熔断，此即等温粗化模型II所示情况。此外，强烈过冷形成的细小枝晶，在结晶潜热作用