第一章凝固熱力學(xué)

1、第八章 鑄件結(jié)晶組織的形成和控制,鑄件的結(jié)晶組織宏觀狀態(tài)——指的是鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布；微觀結(jié)構(gòu)——包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)：如樹枝晶、胞狀晶亞結(jié)構(gòu)形態(tài)，共晶團(tuán)內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)及這些結(jié)構(gòu)形態(tài)的細(xì)化程度等,第八章 鑄件結(jié)晶組織的形成和控制,鑄件宏觀結(jié)晶組織的形成及影響因素鑄件結(jié)晶組織的控制,,,表面等軸晶的晶粒細(xì)小;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.中心等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大;,,,幾種不同類型的鑄件宏

2、觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶,第一節(jié) 鑄件結(jié)晶中的晶粒游離：,一、鑄件結(jié)晶中的晶粒游離：液態(tài)金屬流動(dòng)的作用澆注過程中的流動(dòng)凝固期間的流動(dòng),,第一節(jié) 鑄件結(jié)晶中的晶粒游離：,一、鑄件結(jié)晶中的晶粒游離2.鑄件結(jié)晶中的晶粒游離（1）直接來自過冷熔體中的非均質(zhì)生核 （2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離：（3）液面晶粒沉積所引起的晶粒游離：,,三個(gè)晶

3、區(qū)形成的簡單過程是： 金屬液澆入鑄型后，先在溫度低的型壁上形核與生長，同時(shí)又從其上脫落與游離，從而在型壁附近沉積成細(xì)小晶粒，構(gòu)成表面細(xì)晶粒區(qū)； 表層細(xì)晶層形成后，液體對(duì)流強(qiáng)度大大減弱，固液界面前沿晶體在與型壁垂直的單向熱流作用下，向中心延伸，形成柱狀晶區(qū)； 在柱狀晶生長過程中，液體內(nèi)部也將可能出現(xiàn)過冷，形成新的等軸晶，或從別處遷移過來的游離晶生長成新的等軸晶，最終形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。,二、表面

4、細(xì)晶粒區(qū)的形成,,一但型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。,,三、柱狀晶區(qū)的形成,柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。,

5、四、內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成,1、“成分過冷”理論2、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論3、 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論,1、“成分過冷”理論,該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。,2、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論,在澆注的過程中及凝固的初期激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成, 澆

6、注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū) 。,型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a) 晶體密度比熔體小的情況; b) 晶體密度比熔體大的情況,為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢?,溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼, 另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對(duì)流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。,晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”

7、促使晶體發(fā)生脫落而游離,游離晶體的生長、局部熔化與增殖,3、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論,生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。 液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨”理論。,目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情

8、況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。,四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨(dú)立生核的能力和各種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果。,四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,1. 金屬性質(zhì)方面：強(qiáng)生核劑在過冷熔體中的存在GL小——生核區(qū)域?qū)?，較長的脆弱枝晶 C0，k0偏離較遠(yuǎn)——樹枝晶發(fā)達(dá)，縮頸嚴(yán)重熔體中長時(shí)間的激烈的對(duì)

9、流,,抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍；細(xì)化等軸晶組織,四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,2. 澆注條件方面低的澆注溫度過熱度小型壁易產(chǎn)生大量游離晶粒 有助于游離晶的殘存 合適的澆注工藝強(qiáng)化液流對(duì)型壁沖刷作用的澆注工藝能擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū),四、影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素,3. 鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面對(duì)薄壁件，激冷使整個(gè)斷面產(chǎn)生較大過冷。熔體生核能力強(qiáng)金屬型比砂型易獲得細(xì)等軸晶的斷面組織厚壁或鑄件導(dǎo)熱性差

10、，激冷只產(chǎn)生于鑄件的表面層。此時(shí)等軸晶區(qū)主要依靠晶粒游離,第二節(jié) 鑄件結(jié)晶組織的控制,一、鑄件結(jié)晶組織對(duì)鑄件質(zhì)量和性能的影響 1、柱狀晶生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到阻礙，樹枝晶得不到充分的發(fā)展，分枝較少。結(jié)晶后顯微疏松、晶間雜質(zhì)少，組織比較致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。柱狀晶性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。,2、等軸晶晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，位向不同，故性能均勻而穩(wěn)定沒有方向性。缺

11、點(diǎn)：枝晶比較發(fā)達(dá)。顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密等軸晶細(xì)化能夠使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，提高性能。且晶粒越細(xì)其綜合性能就越好，抗疲勞性能就越高,3 根據(jù)具體要求選擇組織塑性較好的有色金屬及其合金、奧氏體不銹鋼鑄錠，為增加致密度，在控制可熔雜質(zhì)進(jìn)行除氣處理的前提下——希望得到較多柱狀晶。一般鋼鐵材料和塑性較差的有色合金及其合金鑄錠，為避免柱狀晶區(qū)的不利作用的危害，希望獲得較多的甚至全部的細(xì)小的等軸晶組織。,高溫工作的零件，晶界降低

12、蠕變抗力，特別是垂直于拉應(yīng)力方向的橫向晶界是工件的薄弱環(huán)節(jié)。通過單向結(jié)晶得到無橫向晶界全部平行于拉應(yīng)力方向的柱狀晶構(gòu)成，零件的性能和壽命大幅度的提高。,,,第二節(jié) 鑄件結(jié)晶組織的控制,二、等軸晶組織的獲得和細(xì)化,,,抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展獲得等軸晶,二、等軸晶組織的獲得和細(xì)化合理控制熱學(xué)條件（1）低溫澆注和采用合理澆注工藝,,,二、等軸晶組織的獲得和細(xì)化合理控制熱學(xué)條件（2）合理控制冷卻條件 目的：形成寬的凝固區(qū)

13、，獲得大的過冷促進(jìn)熔體生 核和晶粒游離。 薄壁件：使用冷卻能力強(qiáng)的鑄型——較大過冷GL又 不大可得到較細(xì)的等軸晶組織。 厚壁件：使用冷卻能力小的鑄型確保等軸晶形成， 同時(shí)采用細(xì)化晶粒的措施?！捎媒饘傩?必需配合強(qiáng)有力的晶粒游離措施。 懸浮鑄

14、造——在澆注過程中相液態(tài)金屬中加入一定 數(shù)量的金屬粉末（2-4%量），降低GL且熔體 能夠快速冷卻。,,,二、等軸晶組織的獲得和細(xì)化2. 孕育處理：向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)達(dá)到細(xì)化晶粒、改善組織之目的的一種方法。孕育：影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒變質(zhì)：改變晶體生長機(jī)理，從而影響晶體形貌,,,（1）合理選用孕育劑：1）生核劑——強(qiáng)化非均質(zhì)生核過程

15、：直接作為外加晶核的生核劑：與欲細(xì)化相具有共格對(duì)應(yīng)的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同類金屬碎粒。通過與液態(tài)金屬的相互作用而產(chǎn)生非均質(zhì)晶核的生核劑,2）強(qiáng)成分過冷元素孕育劑,（2）合理確定孕育工藝,,,3.動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化在鑄件凝固過程中，采用震動(dòng)，攪拌或旋轉(zhuǎn)等各種方法，均能有效的縮小或消除柱狀晶區(qū)，細(xì)化等軸晶組織?！诉^程稱動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化。,,,具體動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化方法：1）振動(dòng)不同振動(dòng)源：機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)、音頻、超聲波振動(dòng)等等 2）攪拌（大野篤美

16、：凝固初期給凝固殼尚處于不穩(wěn)定的部位即型壁附近的液面一強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌，可以獲得良好的細(xì)等軸晶組織）3）旋轉(zhuǎn)振蕩：,4.等軸晶枝晶間距的控制,d2=b（,,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,單向凝固原理：目的：使鑄件或鑄錠獲得按一定方向生長的柱狀晶或單晶組織條件：開始凝固部位形成穩(wěn)定的凝固殼——各種激冷的措施，凝固殼中的晶粒按既定方向通過擇優(yōu)生長而發(fā)展成平行排列的柱狀晶粒組織，且組織中不夾雜有異向晶粒,三、單向凝固和柱狀晶及單晶

17、組織的獲得,1.措施：嚴(yán)格的單向散熱（阻止組織側(cè)向散熱）要有足夠大的GL/R，是成分過冷限制在允許的范圍內(nèi)減小熔體的非均質(zhì)生核能力：提高熔體純度，減少雜質(zhì)污染避免液態(tài)金屬的對(duì)流攪拌和振動(dòng)，從而阻止界面前方的晶粒游離,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,2、單向凝固過程中的枝晶間距控制 所以希望GLR增大，但R增大時(shí)GL/R減小，所以希望GL足夠高，保證較小的d1 d2，另外，GL高，R可相應(yīng)提高，而提高生

18、產(chǎn)率。,d1=a,d2=b,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,提高措施：加強(qiáng)凝固部分的散熱能力Qs提高澆注溫度或加熱界面前方液體 - 將凝固界面上方液態(tài)金屬周圍的高溫環(huán)境與界面下方已凝固部分所處的低溫環(huán)境隔開，從而迫使更多的熱流通過界面?zhèn)鬟f以提高GL,三、單向凝固和柱狀晶及單晶組織的獲得,3. 單向凝固技術(shù)爐外單向凝固法爐內(nèi)單向凝固法,高速凝固法 （H.R.S法）,功率下降法（P.D 法）,4. 單晶體鑄件

19、的獲得,,,,四、共晶合金結(jié)晶組織的控制,1. 共晶團(tuán)形成機(jī)理：從領(lǐng)先相構(gòu)成的初晶表面上生長；借助于共晶體從型壁上的游離。,具體措施：促使領(lǐng)先相在熔體中大量生核。針對(duì)領(lǐng)先相孕育 ；選擇出境由領(lǐng)先相構(gòu)成的合金并加速熔體過冷（2）促使領(lǐng)先相初晶和共晶體游離——各種動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化方法,四、共晶合金結(jié)晶組織的控制,2. 共晶合金的單向凝固 可使非小面-非小面共晶合金的兩相平行生長，形成一種層片狀后棒狀結(jié)構(gòu)的共晶復(fù)合體，提高