金属凝固的宏观组织与凝固方式

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1、第七章金属凝固的宏观组织与凝固方式§7-1宏观凝固组织的形成与控制§7-2凝固方式与凝固时间§7-1宏观凝固组织的形成与控制一、凝固过程中液体金属的流动1.浇注及凝固过程中液体的流动形式（1）浇注时存在液流的冲刷（强制对流）液流冲刷浇道、型壁及已凝固层的生长界面。（2）浇注时及浇注完毕后液体存在自然对流液体金属表面以及液体金属与型壁或凝固层的接触区，温度低、密度大而下沉，热的密度小的金属液上浮，形成自然对流。图7.1液体中的自然对流（3）存在着枝晶间及分枝间的液体流动（微观流动）枝晶凝固时，发生收缩而产生负压

2、，液体被吸入枝晶分枝而产生微观流动2.液体的流动对凝固过程的影响（1）顶部晶体的沉积（铸锭上部形成等轴晶）不锈钢筛网等轴晶图7.2在坩埚中置一不锈钢筛网（大野笃美的实验）（2）型壁上晶体的脱落及晶体的增殖在浇注的过程中及凝固初期的激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成,浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。图7.3图7.4型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离a)晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?溶质的偏析容易使晶体在与型壁的

3、交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。图7.5晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离图7.6游离晶体的生长、局部熔化与增殖（3）枝晶分枝的熔断脱落●枝晶生长时，其分枝也因成分过冷而形成细的“脖颈”，遇高温液体时，产生熔断脱落。图7.7枝晶分枝“缩颈”的形成a）、b）、c）为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图（虚线表示溶质富集层，V为枝晶生长方向）d）环己烷（Cyclohexane

4、）的枝晶，可明显看出分枝的缩颈二、宏观凝固组织的形成及影响因素1.表面细等轴晶区的形成2.内部柱状晶区的形成3.中心等轴晶区的形成图7.8几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶金属凝固的典型宏观组织内部柱状晶区中心等轴晶区表面细等轴晶区1.表层细等轴晶区2.内部柱状晶区：晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向3.中心等轴晶区：晶粒较为粗大图7.9铸锭凝固的典型宏观组织1.表面细等轴晶区的形成●型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的

5、过冷度而大量异质生核（必要条件）,各种形式的晶粒游离也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源（充分条件）。这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由型壁向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细等轴晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面细等轴晶区也就越窄。图7.10表面细晶粒区2.内部柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接

6、由表面细等轴晶凝固层中某些一次分枝与散热方向（垂直于型壁）相反的晶粒择优向生长，发展成由外向液体内生长的柱状晶区。柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于中心等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。柱状晶向内部生长的条件是界面前沿存在一个较窄的成分过冷区。图7.11内部柱状晶区的形成铸型液态金属图7.12柱状晶生长过程的动态演示3.中心等轴晶区的形成●柱状晶在向液体内生长过程中，不断排出多余的低熔点

7、溶质，使凝固温度降低（即TX线变陡），同时放出结晶潜热，使铸件中心液体温度升高，液体的实际结晶温度降低（即GL线变小），在界面前沿存在较大成分过冷，当△TC(max)>△T**时，便在铸件中心的液体中独立生核和长大，且此时枝晶的生长受铸型散热方向的影响小，在各个方向上生长成比较均匀的粗大等轴晶。●型壁上晶体的脱离随液流进入铸件中心区域，增加了中心等轴晶区●晶体上分枝的熔断脱落进入铸件中心区形成中心等轴晶区●顶部晶体的沉积进入铸件中心区而形成中心等轴晶图7.13游离晶促使中心等轴晶形成思路:晶区的形成和转变乃是过

8、冷熔体独立生核能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。三、宏观凝固组织的控制●根据液态成形件不同的使用性能，其凝固宏观组织的要求是不同的。对一些特殊性能要