铸件与焊缝宏观组织及其控制课件PPT

中散失，从而形成了无方向性
的表面细等轴晶组织。
材料成形基本原理
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二、柱状晶区的形成
柱稳定状的晶凝区固开壳始层于一旦稳形定成凝，固柱壳状层 的晶就产直生接，由而表结面束细等于轴内晶部凝等固轴层晶 区的形成。因此柱状晶区的存 在某些与晶否粒及为宽基窄底程向内度生取长决，于发上展述
两成由个外因向素内综生合长作的柱用状的晶结区果。。枝如 果晶主在干凝取固向初与期热就流方使向得平内行部的产枝生 等轴晶的晶核，将会有效地抑 制晶生柱长状迅晶速的。形成。
材料成形基本原理
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不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响
材料成形基本原理
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500℃砂模700 ℃浇注 室温砂模700 ℃浇注 室温铁模700 ℃浇注
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5材00料℃成铁形模基70本0原℃理浇注 室温铁模800 ℃浇注（加Ti）
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不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响
试样 铸型材 铸型温 浇注温度 编号 料 度(℃) (℃)
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第四节 铸件宏观结晶组织的控制
一、合理地控制浇注工艺和冷却条件 二、孕育处理 三、动力学细化
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合理的浇注工艺 冷却条件的控制
2)合适的浇注工艺。强化液流对型壁的冲刷有 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。
三、熔池结晶组织的细化 Al-Ti-C中间合金
利等轴晶的形成和晶粒细化。 其存在和宽窄程度取决于二者的综合结果。
2．振动结晶 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。 焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃，远高于铸造时的最高平均温度1550℃。
较远。 4)熔体在凝固过程中存在长时间的激烈的对流。
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铸件宏观结晶组织的影响因素
2．浇注条件方面 熔池凝固组织形态的多样性
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。 这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。 生长速度R与焊接速度υ满足关系式 :
素，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。
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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
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第一节 铸件的宏观组织
内部等轴晶区 表层急冷晶区
中间柱状晶区
激冷晶区的晶 粒细小;
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。
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第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成
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)。 三、枝晶熔断及结晶雨理论 2．振动结晶 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。 焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃，远高于铸造时的最高平均温度1550℃。 另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联
浇小注等温轴度晶低随可浇以注使分柱布 第四节 铸件宏观结晶组织的控制
铸件宏观结晶组织的影响因素
焊接速度快
焊接速度慢
Z状r,整Zr晶+B个, Z区r+M铸g变, 件窄并而发扩展大为等内
轴部晶等区轴晶。的核心。
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密度、热流引起的游离晶的游离
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
的核心。
在在浇浇注注的的过过程程中中及及凝凝 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。
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。
固固的的初初期期激激冷冷，，小促等使 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
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;
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第一节 铸件的宏观组织
不是每个铸件都有上述三个晶区，有以下 特殊情况：
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几种不同类型的铸件宏观组织
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
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第四节 铸件宏观结晶组织的控制
铸件宏观结晶组织的影响因素 1．金属性质方面 2．浇注条件方面 3．铸件性质和铸件结构方面
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铸件宏观结晶组织的影响因素
1．金属性质方面 1)强生核剂在过冷熔体中的存在； 2)宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度G。 3)合金溶质元素含量较高、平衡分配系数偏离1
不足
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大野笃美的实验
等轴晶
等轴晶
不锈钢筛网
7500C水淬,摇动 材料成形基本原理
在坩埚中置一不锈钢筛网
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二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
Chalmers 1963； 如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。
在浇注的过程中及凝固的初期激冷，促使大量的晶核形成并形成细小等轴晶，这些小等轴晶随浇注分布整个铸件并发展为内部等轴晶
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铸件宏观结晶组织的影响因素
3．铸件性质和铸件结构方面
材料成形基形成和转变乃是过冷熔体独立生核 的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。
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二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
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
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一、表面激冷区的形成
一型旦壁型附壁近附熔近体的由晶于粒受互到相强连烈
结而的构激成冷稳作定用的，凝产固生壳很层大，的凝过固冷 将转度为而柱大状量晶非区均由质外生向核内,各的种生形长， 表面式激的冷晶细粒晶游粒离区也将是不形再成发表展面。细 因此等稳轴定晶的的凝“固晶壳核层”形来成源得。越这早些， 表面晶 式细核生晶在长粒过 ，区冷 由向熔 于柱体 其状中结晶采晶区取潜转枝热变晶既得方可 也就从越型快壁，导表出面，激也冷可区向也过就冷越熔窄体。
一、 表面激冷区的形成 生结晶(也称外延生长)。
(2) 焊接条件对结晶组织的影响 如前所述，对结晶组织起控制作用的成分过冷主要受到熔池金属中溶质含量W、熔池结晶速度R和液 相温度梯度G的影响。 柱状晶生长方向与速度的变化 图3-8 胞状树枝结晶形态
二、 柱状晶区的形成 a) 成分过冷条件 b) 形成机理示意图 c) 胞状树枝晶微观照片
室温铁模700 ℃浇注 熔池金属中不同区域 因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池 中心温度高达2100～2300℃，而熔池后部表面温度只有1600℃左右，熔池平均温度为1700±100℃。 其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，机械性能显著提高。 在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（如图5-15 中 H 和F点）, Ψ=90，cosΨ=0，晶粒生长线速度 R 为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。 传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织 通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。 Zr, Zr+B, Zr+Mg,
发动各机向和同螺性旋的浆等叶轴片细等晶这粒些组强织调。单为方此向，性应能创的造情条况件，
采用抑定制向晶凝体固的获柱得状全长部大柱，状而晶促的使零内件部反等而轴更晶具的优形点成。 如和何等在轴技晶术细上化有。效地控制铸件的宏观组织十分重 要 。就因断此裂有而必论要，学裂习纹各最晶易区沿组晶织界的扩形展成(特机别理是。存在着
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
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三、 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，是铸锭凝固时内部等 轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。
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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。
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第四节 铸件宏观结晶组织的控制
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。本质上是：晶区 的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和 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。
1 砂模 500
700
组织形貌特征 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 500
700
较粗大柱状晶，中心少量等轴晶
5
铁模
室温
800（加Ti
变质）
细小等轴晶
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柱大状多晶数的工特业点应是用各情向况异下性，，希对望于铸诸件如宏磁观性组材织料获、得
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。
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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
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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。
1)低的浇注温度。有利等轴晶的形成和晶粒细 W、R和G对结晶形态的影响
小的温度梯度GL和高的冷却速度R可以满足以上要求。 第五节 焊接熔池凝固及控制
化。 一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲
柱状晶的形态。 第一节 铸件的宏观组织
源。
柱状晶生长方向与速度的变化
轴大晶量自的型晶壁核脱形落成与并游形 温差大、过热温度高
通常，铸件的宏观结晶组织可能包含三个不同的晶区：
离成促细使小等等轴轴晶晶形，成这，些 不是每个铸件都有上述三个晶区，有以下特殊情况：
第三节 内部等轴晶的形成机理 孕育剂(硅铁75%Si)的作用：促使石墨化，防白口。
柱状晶生长过程的动态演示
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液
铸
态
型
金
属
柱状晶生长过程的动态演示
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二、柱状晶区的形成
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。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。
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二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
溶质析出
游离晶体的生长、局部熔化与增殖
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二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
大野笃美利用电镜对Sn-10Bi合金的凝固进行 了直接观察和连续摄影，证实了凝固初期通过 型壁晶粒脱落而产生的晶粒游离现象。
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?