材料成型原理-7 凝固金属的组织结构

液态金属成型原理
0、概论 1、液态金属的结构和性质 2、凝固的热力学基础 3、界面 4、凝固的结晶学基础 5、凝固的传热基础 6、凝固过程的流体流动 7、凝固金属的组织结构 8、凝固过程的缺陷和对策
第七章 凝固金属的组织结构

第七章 凝固金属的组织结构
Î 第一节 凝固金属的组织结构 第二节 偏析（Segregation） 第三节 金属凝固组织形态控制
第七章 凝固金属的组织结构
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一、凝固铸态组织的含义
z 铸态组织，即铸件的晶粒组 织，包括晶粒的形状、尺寸 和取向。广义讲，还包括合 金元素的分布（偏析）和凝 固过程形成的缺陷。
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二、晶粒组织（Grain Structure）
„ 典型铸态组织：表面细晶粒、柱状晶粒、等轴晶粒
z激冷晶区的晶粒细小;
内部等轴晶区 表层急冷晶区
z柱状晶区的晶粒垂直 于型壁排列，且平行 于热流方向.
z内部等轴晶区的晶粒 较为粗大;
中间柱状晶区
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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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三、铸态组织形成原因
„ 1. 表面细晶粒
z 型壁激冷，大量生核； z 三维散热，生长迅速，
相互抑制； z 生长无方向性。
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三、铸态组织形成原因
„ 2. 柱状晶区
z 定向散热，平行热流并相反方向生长； z 择优取向，有利的方向生长较快； z 开始于细晶区，结束于等轴区； z 特殊的形成穿晶组织。
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三、铸态组织形成原因
„ 3. 等轴晶
„ 熔体内部产生晶核； „ 三维散热，自由生长； „ 晶核的来源：内生生
核、枝晶熔断、型壁晶 粒游离。
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A. 过冷熔体的非自发生核
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。
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B. 枝晶的熔断和增殖
„ 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。
游离晶体的生长、局部熔化与增殖
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C. 激冷等轴晶的型壁脱落

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。

第七章凝固金属的组织结构12

第七章凝固金属的组织结构

第一节凝固金属的组织结构Î第二节偏析（Segregation ）

第三节金属凝固组织形态控制

第七章凝固金属的组织结构13第二节偏析（Segregation ） 微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响力学性能。

宏观偏析是断面尺寸范围内成分不均匀，区域偏析。

危害：影响铸件的机械性能。微观偏析易引发热裂，并降低铸件的塑性；宏观偏析降低铸件的耐蚀性，暴露在空气中易受侵蚀，表面破裂或开裂，降低使用寿命。

偏析：铸件内部成分不均匀现象;

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A.

晶内偏析

非平衡凝固

具有一定的结晶温度范围 偏析系数（1－K ）

合金冷却速度和扩散系数

降低强度、塑性和抗蚀性例1：(Al-4.9Cu,铸态,X200)

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15B. 晶界偏析

两个晶粒对向生长

晶界位置与生长方向平行 降低高温性能，诱发热裂

例1：(Al-4.9Cu,铸态,X200)

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16例：Ni 在Pt 晶界偏析

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C. 微观偏析对策

细化晶粒、减小二次枝晶间距；

冷却速度的控制；

扩散退火，固相线下100-200℃长时间保温; 很难全部消除。

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18二、正偏析

符合溶质再分配规律的宏观偏析

第七章凝固金属的组织结构

19二、正偏析 符合溶质再分配规律的宏观偏析；

无法消除

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20三、逆偏析

不符合溶质再分配规律； 结晶范围宽，糊状凝固，

枝晶发达，液体内富含气体，易形成逆偏析。

例1：Al-Cu 合金, 表面富Cu 层；

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21例. 灰铸铁床身高P 铁豆

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22A. 逆偏析形成机制

结晶温度范围宽，糊状凝固 收缩将内部富集溶质通过枝晶

间隙挤到表层;

气体外逸带出后凝固液体;B. 逆偏析的防止

一般加大冷却速度 抑制枝晶生长;

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正、逆偏析的影响因素

结晶温度范围：结晶温度范围小→正偏析

树枝状晶的尺寸：枝晶粗大→逆偏析

冷却条件：冷却缓慢→逆偏析 液体金属受到的压力：气体多、压力大→逆偏析