铸件凝固组织的形成及控制课件.ppt

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1、第五章铸件凝固组织的形成与控制一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理二、铸件宏观凝固组织的控制一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理（一）铸件的宏观组织（二）表面激冷区及柱状晶区的形成（三）内部等轴晶的形成机理（一）铸件的宏观组织激冷晶区由无规则的细小等轴晶组成;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，各向同性;表层急冷细晶区中间柱状晶区内部等轴晶区图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晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶大多

2、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。

3、因此有必要学习各晶区组织的形成机理。返回（二）表面激冷区及柱状晶区的形成表面激冷区的形成柱状晶区的形成表面激冷区的形成传统理论：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,各种形式的游离晶粒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。浇注时液流的冲刷和浇注结束液体内外温度场引起的对流，引起晶体脱落和增殖溶质再分配引起的颈缩一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝

4、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，表面激冷区也就越窄。铸型冷却能力的双重性！无对流时，即使冷却速度很大也不出现表面细晶层。大野笃美Al-0.1%Ti750℃浇注到用冰水激冷的薄壁不锈钢杯中，铸锭外部为柱状晶。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，并且抑制取向不利的晶体生长，这个

5、互相竞争淘汰的晶体长大过程称为“晶体的择优生长”。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如果界面前沿始终不利于等轴晶的形成与生长，柱状晶区就可以一直延伸到铸件的中心，直到与对面型壁生长出的柱状晶相遇为止，从而形成“穿晶组织”柱状晶生长过程的动态演示铸型液态金属（三）内部等轴晶的形成机理“成分过冷”理论激冷等轴晶型壁脱落与游离

6、理论枝晶熔断及结晶雨理论“成分过冷”理论该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。如：采用很强的生核剂时，可使整个铸件断面获得细等轴晶。激冷等轴晶型壁脱落与游离理论在浇注的过程中及凝固的初期激冷,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5-5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

7、体密度比熔体大的情况溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“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5-6晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离图5-7游离晶体的生长、局部熔化与增殖枝晶熔断及结晶雨理论生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是

8、铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。a)7500C水淬,摇动b)在坩埚中置一不锈钢筛网大野笃美的实验等轴晶不锈钢筛网等轴晶目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用，在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。二、铸件宏观结晶组织的控制思路:晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和