金属凝固理论 第8章 铸件凝固组织的形成及控制

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。
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晶粒增殖
一种非常重要的晶粒游离现象。 过程：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，破碎成几个晶粒。
晶区数及厚度随合金成分 和凝固条件而变。
铸件性能由柱状晶区和内 部等轴晶区的相对量决定， 表面细晶区影响有限。
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事实上，并不是所有 的铸件都具有三个晶 区的组织。
晶区数及柱状晶区和 内部等轴晶区的相对 宽度都随合金的性质 和具体的凝固条件而 变化。
在一定的条件下，甚 至可以获得完全由柱 状晶或等轴晶所组成 的宏观结晶组织。
获得的组织
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铸件内通常含有三个不同形态的晶区
1、表面细晶区：紧靠铸 型 壁 的 激 冷 组 织 ——激 冷区。细小等轴晶。
2、柱状晶区：垂直于型 壁，彼此平行排列的柱 状晶粒。
3、内部等轴晶区：各向 同性的等轴晶。尺寸比 表面细晶区的粗大。
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表面激冷区较薄，仅几个 晶粒厚，其余两晶区较厚。
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A more cellular solidification front
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Dendritic solidification
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（三）内部等轴晶区的形成
内部等铀晶区是熔体内部晶核自由生长的 结果。
关于等轴晶晶核的来源以及这些晶核如何 发展并最终形成等轴晶区的具体过程，还 存在争议。
这个互相竞争淘汰的晶体生长过 程称为晶体的择优生长。
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控制柱状晶区继续发展的关 键因素是内部等轴晶区的出 现。
如果界面前方始终不利于等 轴晶的形成与生长，则柱状 晶区可以一直延伸到铸件中 心，直到与对面型壁长出的 柱状晶相遇为止，从而形成 所谓的穿晶组织。
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2、浇注条件方面： （1）低的浇注温度
过热度小，能产生大量的游离晶，并有助于 游离晶的残存。
（2）合适的浇注工艺 凡能强化液流对型壁的冲刷作用的浇注工艺 均能扩大并细化等轴晶区。
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3、铸型性质和铸件结构方面：
➢ 对于薄壁铸件而言，激冷可以使整个断面同时产 生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的 生核能力越强。因此这时采用金属型铸造比采用 砂型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。
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2、关于等轴晶区的形成过程——三种观点 （1）认为：不仅要求界面前方存在有等轴晶晶核，
而且还要求这些晶核长到一定的大小，并形成网 络以阻止柱状晶区的生长。
（2）认为：并不要求游离晶形成网络阻止柱状晶 区的生长，而是由一部分游离晶的沉淀和一部分 游离晶被侧面生长着的柱状晶前沿捕获而形成。
（3）认为：是由于凝固界面的生长速率R与游离 晶垂直于界面的运动速率v之间互相作用的结果。 当两者之差远大于界面捕获游离晶所必需的临界 速率时，即可形成内部等轴晶区。
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根据该理论：
表面细晶粒的形成与型壁附近熔体内的生 核数量有关。
影响非均质生核的因素直接影响表面细晶 区的宽度和晶粒的大小。
如：有生核能力的杂质颗粒数量，铸型冷 却能力等。
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现代研究表明： 除非均质生核外，各种形式的晶粒游离也
是形成表面细晶区的“晶核”来源。
➢ 另一方面，它减慢了熔体过热热量的散失，不利 于游离晶粒的残存，从而减少了等轴晶的数量。
➢ 通常，前者是矛盾的主导团素，因而在一般生产 中，除薄壁铸件外，采用金属型铸造比砂型铸造 更易获得柱状晶，特别是高温下浇注更是如此。
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➢ 如果促使非均质生核与晶粒游离的其它因素（如 强生核剂的存在、低的浇注温度、严重的晶粒缩 颈以及强烈的熔体对流和搅拌等）足以消除不利 影响，则无论是金属型铸造还是砂型铸造，皆可 获得细的等轴晶粒。
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型壁晶粒脱落示意图
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在流体的冲刷和温度反复波动所形成的热冲击作 用下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极易断开， 晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离。
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型壁晶粒脱落示意图
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缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也存在。
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。
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（二）柱状晶区的形成
稳定的凝固壳层一旦形成，处在 凝固界面前沿的晶粒在垂直于型 壁的单向热流的作用下，便转而 以枝晶状单向延伸生长。
各枝晶主干方向互不相同。
主干与热流方向平行的枝晶比取 向不利的相邻枝晶生长更迅速。
它们优先向内伸展并抑制相邻枝 晶的生长。
在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过 程中发展成柱状晶组织。
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（4）“结晶雨”游离理论：在液面产生过冷并 形成晶核、长大成小晶体——小晶体或顶部凝 固层脱落的分枝——降落——形成游离晶体。
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未加隔离网
加隔离网
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总结
四种理论都存在； 不同条件起主导作用的理论不同； 大多是几个机理综合作用。
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➢ 对于型壁较厚或导热性较差的铸件而言，铸型的 激冷作用只产生于铸件的表面层。在这种情况下， 等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。 这时铸型冷却能力的影响是矛盾的。
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➢ 一方面，低蓄热系数的铸型延缓稳定凝固壳层的 形成，有助于凝固初期激冷晶的游离，同时也使 内部温度梯度GL变小，凝固区城变宽，从而对增 加等轴晶有利；
前提：溶质再分配
晶粒生长 时 ——界 面 前方溶质富集 ——凝 固 点 降 低 —— 晶 体 及 枝晶根部生长被抑 制 —— 其 它 部 位 溶 质 易扩散走、生长速度 快 —— 产 生 “ 缩 颈 ” 现 象 —— 形 成 “ 细 脖 子晶”。
在流体机械冲刷及热冲击对流作用下 ——在 “缩颈”处易断、并脱落——晶粒游离。
➢ 当然，在相同的情况下，金属型铸造获得的等轴 晶粒更为细小。
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三、铸件宏观组织的控制途径和措施
控制铸件的宏观组织就是控制铸件柱状晶区和等轴晶 区的相对比例。
通常希望铸件获得全部等轴晶组织——需要抑制柱状 晶的产生和生长——通过创造有利于等轴晶形成的条 件来达到——凡是有利于小晶粒的产生、游离、漂移、 沉积、增殖的各种因素和措施均有利于扩大等轴晶区 的范围，抑制柱状晶区的形成与发展，并细化等轴晶 组织。
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二、影响铸件宏观结晶组织形成的因素
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； （3）合金中溶质元素含量较高、平衡分配系
数k0偏离1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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▪ 除宏观状态外，结晶组织的微观结构对铸 件的质量和性能也有强烈的影响。
① 平面生长柱状晶的质量和性能优于胞状结 构的柱状晶，更胜过树枝状结构的柱状晶 组织；
② 球状晶组织（无树枝状结构）的质量与性 能比树枝状结构的等轴晶组织更强；
③ 树枝晶的枝晶间距（特别是二次枝晶间距） 越小，铸件的夹杂和缺陷越分散，致密性 就越好，机械性能也就越高。
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如何抑制铸件形成稳定凝固壳层？
措施：促进型壁晶粒游离。 强的型壁晶粒游离条件：①高的溶质含量；
②强烈的液态金属流动等。 否则，过强的型壁激冷能力反而不利于表
面细晶粒区的形成。很快形成凝固壳层。
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铸件结晶中的晶粒游离
游离晶粒的产生是由于溶质再分配在生长的枝晶 根部产生“缩颈”——细脖子晶；
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柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生；结 束于内部等轴晶区的形成。
因此，柱状晶区的宽窄及存在与否取决于 上述两个因素综合作用的结果。
一般，柱状晶区由表面细晶区发展而成， 也可能直接从型壁处长出，甚至在内部等 轴晶处形成。
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液
铸
态
型
金
属
柱状晶生长过程的动态演示源自2020/10/1527/62
1、等轴晶晶核的来源— —有四种说法
（1）过冷熔体非自发生 核理论：成分过冷——生 核、长大。
（2）激冷晶卷入理论： 浇注时产生游离激冷晶— — 漂 到 型 中 心 —— 未 熔 化——晶核。
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（3）型壁晶粒脱落和 枝晶熔断理论：
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一、铸件结晶组织对铸件性能的影响
表面细晶区比较薄，对铸件性能影响较小；柱状 晶区和等轴晶区的宽度及两者比例、晶粒大小是决定铸 件性能的主要因素。
1、柱状晶 （1）柱状晶为细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，
排列位向一致；
（2）性能有方向性，纵向好； （3）杂质元素、非金属夹杂物和气体被排斥在界面前
沿，分布在晶界，易形成热裂；随后的塑性加工易产生 裂纹。
所以，通常不希望得到粗大柱状晶组织。
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2、内部等轴晶 （1）晶粒间位向各不相同，晶界面积大；