铸件及焊缝宏观组织及其控制

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1、材料成形基本原理第五章铸件及焊缝宏观组织及其控制四川大学材料成型系彭华备www.scu.edu.cn2第一节铸件的宏观组织第二节表面激冷区及柱状晶区的形成第三节内部等轴晶的形成机理第四节铸件宏观结晶组织的控制第五节焊接熔池凝固及控制主要内容www.scu.edu.cn3第一节铸件的宏观组织铸件的宏观组织指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。铸件的微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态已经这些形态的细化程度等。两者表现形式不同，但其形成过程密切相关，并对铸件的各项性能产生强烈的影响。本章侧重分析铸件宏观组织的成因及其影响因素

2、，并在此基础上总结出生产中控制铸件结晶组织的有效方法。www.scu.edu.cn4第一节铸件的宏观组织通常，铸件的宏观结晶组织可能包含三个不同的晶区：1：表面细晶粒区；2：柱状晶区；3：内部等轴晶区www.scu.edu.cn5第一节铸件的宏观组织激冷晶区的晶粒细小;柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.内部等轴晶区的晶粒较为粗大;表层急冷晶区中间柱状晶区内部等轴晶区www.scu.edu.cn6不是每个铸件都有上述三个晶区，有以下特殊情况：第一节铸件的宏观组织www.scu.edu.cn7图5-2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

3、晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶几种不同类型的铸件宏观组织www.scu.edu.cn8不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响www.scu.edu.cn9500℃砂模700℃浇注1室温砂模700℃浇注2室温铁模700℃浇注3500℃铁模700℃浇注4室温铁模800℃浇注（加Ti）5www.scu.edu.cn10不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响试样编号铸型材料铸型温度(℃)浇注温度(℃)组织形貌特征1砂模500700多边形的粗大等轴晶2砂模室温700粗大柱状晶，中心处有等轴晶3铁模室温700较粗大柱状晶4铁模500700较粗大柱状晶，中心少量等轴晶5铁模室温800（加Ti

4、变质）细小等轴晶www.scu.edu.cn11大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形

5、成机理。www.scu.edu.cn12第二节表面激冷区及柱状晶区的形成一、表面激冷区的形成二、柱状晶区的形成www.scu.edu.cn13一、表面激冷区的形成型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核,各种形式的晶粒游离也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源。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外向内的生长，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，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快

6、，表面激冷区也就越窄。www.scu.edu.cn14二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速。柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。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。柱状晶生长过程的动态演示www.scu.edu.cn15柱状晶生长过程的动态演示铸型液态金属www.scu.edu.cn16二、柱状晶区的形成柱状晶区开始于稳定凝固壳层

7、的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。其存在和宽窄程度取决于二者的综合结果。如果界面前方始终不利于等轴晶的形成和生长，则柱状晶一直延伸到铸件中心，形成所谓的穿晶组织。如果柱状晶没来的及形成，断面内面全部形成等轴晶，形成全部等轴晶。www.scu.edu.cn17第三节内部等轴晶的形成机理一、“成分过冷”理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论三、枝晶熔断及结晶雨理论www.scu.edu.cn18一、“成分过冷”理论该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐