凝固动力学和晶粒尺寸

• 增大过冷度靠提高凝固时的冷却速度来实现，即通过 改变铸造条件如降低浇注温度、提高铸型的吸热能力 和导热性能等来实现。但利用提高冷却速度增大过冷 度来细化晶粒往往只适用于小件和薄件，对大件就难 以办到。
• 值得指出的是，过快的冷却可能导致铸件出现裂纹， 造成废品。
凝固后晶粒尺寸的控制
• （2）加入形核剂 • 由于实际的凝固都为非均 匀形核，为了提高形核率， 可在熔液凝固之前加入一 些细小的人工形核剂（也 称孕育剂或变质剂），使 之分散在熔液中作为不均 匀形核所需的现成基底， 这样能使晶核数目大大提 高，晶粒显著细化，这种 方法又称为孕育处理或变 质处理。
1、形核率
均匀形核
形核率N受两个矛盾的因素控制，一方面随过冷度增大， rc、ΔGc 减小，有利于形核；另一方面随过冷度增大， 原子从液相向晶胚扩散的速率降低，不利于形核。形核 率可用下式表示： Gc GA - RT RT N N1N 2 KVe e (式中 N 为总形核率， N1 为受形核功影响的形核率因子; N2 是受扩散影响的形核率因子。 ΔGc是形核功，ΔGA是扩散激活能
Tk
•
•
v g v3 Tk 固界 其中v3为比例常数。由于液 面上所提供的螺型位错露头有限， 也就是可填充原子的位置有限，故 藉螺型位错生长时的长大速度相对 于连续生长时要低。
2Leabharlann 。晶粒尺寸对材料的性能有重要影响 细化晶粒是提高铸件力学性能的及改善材料压力加工 性能的重要手段。 材料凝固后的晶粒尺寸可用单位体积内的晶粒数目或 用单位面积上的晶粒数目Z来表示， 它取决于凝固过程中的形核率N和晶体长大速度vg，三 者之间的关系为： 3/ 4
2、晶体的长大速率
• 晶体的长大速度vg主要取决于晶 体的生长方式和过冷度。当晶体 以连续生长方式生长时，随着过 冷度的增大，晶体的平均长大线 速度vg呈线性增大 • 晶体的平均长大速度与过冷度之 间的关系可描述为，
v g v1 Tk
• 其中v1为材料相关的比例常数， 单位是m / s ·K。凝固时晶体的 长大速度还受所释放潜热的传导 速度控制，对于具有粗糙界面的 晶体材料，其结晶潜热一般较小， 因此，连续生长时的长大速度较 高。
凝固后晶粒尺寸的控制
• （3）采用振动或搅拌等物理方法 • 在熔液凝固时施加振动或搅拌作用能得到细小的 晶粒. • 机械振动、电磁搅拌、超声波振动等。 • 晶粒的细化作用主要是通过两个方面来实现的 • 由于能量的输入使液相的形核率提高 • 振动或搅拌使生长的晶体破碎，从而提供更多的 结晶核心
金属的结晶倾向很大，液 体金属不易达到很大的过 冷度， N与ΔT的关系如 图所示，ΔT不大时,N很 小，但达到有效形核温度 时，N急剧上升，这个有 效形核温度值约为 0.2Tm(K)。
非均匀形核率
•非均匀形核率明显增加时所需 的过冷度也比均匀形核小 •非均匀形核时，在约为0.02 Tm的过冷度下，非均匀形核率 就已达到最大值。 •非均匀形核率由低向高的过渡 较为平缓，而且达到最大值后， 凝固并未结束，非均匀形核率 将继续下降直至凝固完毕。
R为气体常数.图3-5为N1、 N2与ΔT的关系曲线。可 见当 ΔT 不大时，形核 率主要受形核功因子控 制， ΔT 增大，形核率 增大，在 ΔT非常大时， 形核率主要受扩散因子 的控制，随 ΔT 增加， 形核率降低。
晶胚 的 最 大 尺寸随过冷 度增大而增大，临界晶 核半 径 、 晶 胚 尺 寸 与 过 冷度的关系
晶体的长大速率
• 对于二维形核生长方式而言，晶体 的生长是不连续的，相应的平均长 b 大速率可表示为， v g v 2 exp( )
•
其中v2和b均为常数。当 Tk 很小时， vg非常小，这是因为二维形核所需 形核功较大，且二维晶核需达到一 定临界尺寸后才能进一步扩展。 藉螺型位错生长方式的平均长大速 率可表示为，
N Z 0.9 vg
4-5-2 制
凝固后的晶粒尺寸及其控
可见，晶粒尺寸随形核率的增大而减小，随着晶体长 大速度的增加而增大。
凝固后晶粒尺寸的控制
• (1) 增大过冷度
•
随着过冷度的增大，凝固时形核率N和生长速度vg都 将增加，且N的增加率大于vg的增加率，即增大过冷 度会提高N / vg的比值，Z将增大，晶粒变细。
凝固动力学和晶粒尺寸
材料的凝固速度指的是凝固时固相体积随时间的增长率， 它是由形核速度和晶体长大速度两个因素决定的。 形核速度又称形核率，指的是单位体积的液相中，在单位 时间内所形成的晶核数目，用N来表示（1 /m-2 ·s）。 晶体长大速度通常指的是晶体的长大线速度，用vg来表示 （m / s）。 大小为临界半径r*的晶核处于介稳状态，它们既可消 散也可长大。只有r＞r*的晶核才可成为稳定晶核。