材料成形原理-第四章铸件结晶组织的形成与控制.ppt

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1、第4章铸件结晶组织的形成与控制东北大学秦皇岛分校林晓娉教授8/3/20211铸件结晶组织形成与控制§4-1铸件宏观组织的形成及影响因素§4-2铸件结晶组织的控制铸件的结晶组织，仅宏观状态而言，指的是铸态晶粒的形成、大小、取向和分布等情况；铸件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，以及这些结构形态的细化程度等。两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸件的各项性能，特别是力学性能产生强烈的影响。在第三章讲解的基础上，本章我们将主要针对铸件的宏观组织进行讲解及分析。8/3/20212结晶组织铸件宏观组

2、织的形成及影响因素自1954年Winegand和Chalmers提出假设以来，人们对于三个晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：4.1.1铸件结晶中的晶粒游离4.1.2铸件结晶过程表面细晶区的形成4.1.3铸件结晶过程柱状晶区的形成4.1.4铸件结晶过程内部等轴晶区的形成4、1.5影响铸件宏观组织形成的因素8/3/20213结

3、晶组织4.1.1铸件结晶中的晶粒游离液态金属的流动对晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传质过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的影响。浇注过程中的流动凝固期间的流动自然对流强迫对流温度差引起的密度不同溶质再分配引起的成分和密度变化游离晶体和液体间的密度差浇注时注入的动量(mv)外加电磁搅拌或机械搅拌晶粒游离有关的对流传热方面，金属液的流动宏观上加速了过热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的温度起伏，对晶粒游离现象有着极大的影响。传质方面，金属液的流动最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，加速熔体的均匀化。8/3/2

4、0214结晶组织4.1.1铸件结晶中的晶粒游离铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：1）游离晶直接来自过冷熔体内的非均质生核在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这种晶粒游离现象总是存在的。2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷度减小。晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制。而远离根部处易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部产生“缩颈”现象。在流体的冲刷和温度反复波动所形成的热冲击作用下，熔点最低而又最

5、脆弱缩颈部位极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离。8/3/20215结晶组织4.1.1铸件结晶中的晶粒游离缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。另外，还有一种非常重要的晶粒游离现象－晶粒增殖。如图游离晶在漂移过程中不断通过不同的温度区域和浓度区域，不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开而破碎成几个晶粒。铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：2）由型壁晶

6、粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离8/3/20216结晶组织5.1.1铸件结晶中的晶粒游离铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：3）液面晶粒沉积所引起的晶粒游离凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而下沉也能导致晶粒游离的产生。8/3/20217结晶组织4.1.2表面细晶区的形成表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶。根据传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，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。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以

7、往常把表面细等轴晶称为“激冷晶”。现代研究表明，除非均质生核过程以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的必要条件，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其充分条件。大量试验证实，表面细晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体的非均质形核，而且还来自包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。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。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。这时，表面激冷细晶粒区将不再发

8、展。4.1.2表面细晶区的形成8/3/20218结晶