第七章 铸件宏观组织
铸造-宏观凝固组织
第一章：铸造凝固组织的形成和控制1.1铸件宏观凝固组织的特征1.1.1特征根据液态金属的成份、铸型的性质、浇注及冷却条件，宏观凝固组织一般包括如下三个部分：表面细晶区，中间柱状晶去，内部等轴晶区。
图：p97 图8-1，b），（1）表面细晶区：紧靠铸型型壁的激冷组织，因此也称激冷区；由无规则的细小等轴晶组成。
特点：非常薄，只有几个晶粒厚。
(2) 中间柱状晶区：紧连细晶区；垂青于型壁（散热方向）；彼此平行排列；断面形状为柱状。
特殊情况：全部是柱状晶区，p97 图8-1，a）（3）内部等轴晶区：各相同性；没有方向性；晶粒尺寸远大于表面细晶区。
特殊情况：全部是等轴晶区：表面细晶区的数量非常小，对工件的整体性能影响不大，而柱状晶区和内部等轴晶区的数量非常大，因此，材料的性能主要取决于这两个相的相对比例。
具体的影响下面再谈。
1.1.2 铸件结晶组织对铸件性能的影响：（1）表面细晶区：特点：晶粒细且没有方向性；性能非常好；非常薄——几个晶粒的厚度:小于1mm。
对铸件性能的影响：对于薄壁铸件：如厚度在4~6mm的铸件，具有一定的意义对于大部分铸件：意义不大，这个厚度所占比例非常小：结论：一般不给与特别重视。
对于特别薄的铸件有一定的意义。
（2）中间柱状晶区：特点：a）晶粒长、粗大、晶界面积小、排列位向一致，b）杂质、非金属夹杂、气体等，一般存在在结晶界面上，特别是最后结晶的界面上。
而在柱状晶区，这些杂质主要存在于柱状晶与柱状晶或柱状晶与等轴晶的界面上，形成性能弱面。
C）进一步的加工，如塑性加工或轧制：在杂质较多的结合界面上产生裂纹。
性能：有方向性；纵向好，横向差；有性能弱面。
结论：一般情况下尽量避免。
特殊情况下充分利用。
举例：高锰钢锤头锤柄。
工况条件，旋转，打击、破碎。
高锰钢成分：Mn=13，C=1.2高锰钢锤头结构及组织示意图性能：韧性非常好，同时加工硬化。
实际生产中遇到的问题：但是浇注出来的铸件，拿锤子一砸就断。
铸件与焊缝宏观组织及其控制课件-PPT
材料成形基本原理
12
液
铸态Βιβλιοθήκη 型金属柱状晶生长过程的动态演示
材料成形基本原理
13
二、柱状晶区的形成
锆和稀土元素细化Al-Mg 合金铸态组织的机理探讨（2005） 周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4～100℃/s，远高于一般铸件的冷却速度; 几种不同类型的铸件宏观组织 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。 第四节 铸件宏观结晶组织的控制
二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。
晶组织。 通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面
大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。
如果柱状晶没来的及形成，断面内面全部形成 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
1) 显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性； 三、熔池结晶组织的细化
焊缝中的结晶组织
2．浇注条件方面 (1) 结晶组织的分布 在焊接熔池中，不同部位具有不同的温度梯度G和结晶速度R，因而具有不同的成分过冷，出现不同的结晶形态
，从而在焊缝中形成分布不同的结晶组织。
第五节 焊接熔池凝固及控制
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;
材料成形基本原理
3
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：
材料成形基本原理
4
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
铸件宏观凝固组织的特征及形成机理
（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论： （4）“结晶雨”游离理论 液面晶粒沉降。
（2）激冷晶游离理论
非均质形核的激冷游离晶
因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶
凝固初期形成 的激冷游离晶
（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论
状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
完全柱状晶
完全等轴晶
二、铸件宏观凝固组织的形成机理
1、表面细晶粒区的形成
• 铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无 方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。
• 细化程度取决于 • △型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度。 • △型壁附近熔体内大量的非均匀形核 • △各种形式的晶粒游离
•竞争淘汰
•离开型壁的距离越远，取向不 利的晶体被淘汰得就越多，柱状 晶的方向就越集中，同时晶粒的 平均尺寸也就越大。
柱状晶择优生长
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3、内部等轴晶区的形成
－－熔体内部晶核自由生长的结果
• 等轴晶晶核来源
（1）过冷熔体直接形核理论：
溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均 匀形核
（2）激冷晶游离理论 ：
型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和 增殖——理论基点为溶质再分配。
图 型壁晶粒脱落示意图
图 枝晶分枝“缩颈”的形成 a) b) c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。 V为生长方向。d)环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈
• 溶质浓度再分配→界面前沿液态金属凝固点降低→实际过冷度减小。 溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。 晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，
铸件宏观凝固组织的控制
北京科技大学材料科学与工程学院文献综述电磁场对铸件宏观凝固组织的控制学生姓名：_________________学号：_________________专业班级：_________________批阅教师：_________________成绩：_________________2013年5月电磁场对铸件宏观凝固组织的控制摘要：随着电磁技术的发展，电磁场在控制金属凝固、改善合金组织及性能等方面将越来越重要，电磁场在材料加工方面的应用也越来越广，到目前为止，已经出现了很多种电磁加工方法。
施加复合电磁场有如下几个优点：1)在内结晶器中施加行波搅拌磁场不但能够显著的改善铸坯的凝固组织，而且电磁搅拌力引起的金属熔体强制流动能够提高管坯的内表面以及皮下质量，解决管坯内表面不易进行铣面处理的困难。
2)在外结晶器侧放置中频约束线圈能够消除管坯内外表面的偏析瘤以及波痕等缺陷。
3)空心管坯电磁连铸凝固过程的数值模拟结果表明：单独在管坯外结晶器侧放置中频约束线圈或者单独在管坯内结晶器中放置行波搅拌磁场都容易造成凝固坯壳厚度不均匀，产生裂纹缺陷。
通过在管坯内外结晶器中施加合适的复合电磁场能够改善凝固坯壳厚度不均匀的状况，消除裂纹缺陷，而且电磁搅拌加速散热能够减小液穴深度，可以提高生产效率。
关键词：电磁制动；电磁搅拌；电磁超声波；电磁热处理；流体流动；凝固组织Abstract：With the development of electromagnetic technique，electromagnetic field plays an important role in the control of metal solidification， the betterment of structure and performance．Since now，many kinds of electromagnetic methods have been used to material processing．The following merits can be acquired by the multi-electromagnetic fields：1)The stirring magnetic field can not only improve the solidification structure of the large·diameter hollow billet but also eliminate the inclusion and blow hole flaws and improve the inner-surface quality of the hollow billet to avoid the milling of the inner·surface．2)The middle frequency magnetic field can restrain the segregation bud and ripple mark of inner and outer surface of hollow billet．3)The temperature field numerical simulation of electromagnetic continuous casting of the hollow billet shows that：Both the only medium frequency coil and the only stirring magnetic field arc easy to create the crack flaw because of the non．homogeneous of the solidification shell．The imposedmulti-electromagnetic fields can not only improve the homogeneous of solidification shell to restrain the crack flaw but also speed-up the heat dissipation to decrease the melt pool and improve the production efficiency．Key words： electromagnetic brake；electromagnetic stirring；electromagnetic ultrasonic waves； heat treatment under electromagnetic field；fluid flow；so1idification structure引言：柱状晶是晶体择优生长形成的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，柱状晶体排列位向一致，因而其性能也具有明显的方向性，纵向好，横向差。
重庆大学 金属凝固原理 第7章 金属凝固的宏观组织与凝固方式
合理的浇注工艺 冷却条件的控制
图7.14
合理的浇注工艺
• 浇注温度
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得 及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇 注温度将降低液态金属的流动性，导致 浇不足和冷隔等缺陷的产生。
• 浇注方式
通过改变浇注方式强化对流对型壁激 冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等 轴晶的形成。但必须注意不要因此而 引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸 件产生相应的缺陷。
铸型中间顶注
沿型壁单孔顶注
沿型壁六孔顶注
图7.15 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织
图7.16 低温铸造
图7.17 水流冷却的斜板浇注方法
冷却条件的控制
• 控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷， 从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的 冷却速度V冷可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而 言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。
图7.20 超声波振动结晶
（3）液相搅拌
连采铸用过机程械采用搅电拌磁、搅电拌磁的主搅要拌作或用气是泡提高搅连拌铸均坯可的造质量成，液例相如相去对除夹固杂相物、
消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的
铸的坯运以动及，浇铸引质起量枝要晶求的较高折时断，、电破磁碎搅拌与技增术殖便，成达为首到选细。化晶粒的目的。
图7.5 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离
图7.6 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
（3）枝晶分枝的熔断脱落 ● 枝晶生长时，其分枝也因成分过冷而形成细的“脖 颈”， 遇高温液体时，产生熔断脱落。
图7.7 枝晶分枝“缩颈”的形成 a）、b）、c）为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图（虚线表示溶质富 集层，V为枝晶生长方向） d）环己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明显 看出分枝的缩颈
铸锭宏观偏析 -回复
铸锭宏观偏析-回复铸锭宏观偏析：金属行业的重要环节引言在现代工业生产中，金属是不可或缺的材料，金属行业也因此成为经济发展的重要支柱。
铸锭作为金属行业的重要环节之一，直接关系到金属产品的质量和生产效率。
本文将围绕铸锭宏观偏析展开讨论，并一步一步回答相关问题。
一、什么是铸锭宏观偏析？铸锭宏观偏析是指在铸造过程中，金属成分在铸锭中的分布不均匀现象。
金属成分的分布不均匀会导致铸锭的性能不稳定，影响后续加工和利用。
铸锭宏观偏析是金属铸造过程中的一种缺陷，通常与铸造工艺和原材料的质量有关。
二、为什么会出现铸锭宏观偏析？1. 原材料质量不均匀：原材料杂质含量高，成分不稳定，会导致铸锭中金属成分的偏析现象；2. 铸造工艺不合理：铸造温度、浇铸速度等参数设置不当，无法保证熔体在整个浇注过程中的均匀性，从而引发铸锭宏观偏析；3. 铸模设计不合理：铸模内部的流动阻力不均匀，导致金属液流不均匀，从而引发铸锭宏观偏析；4. 不同金属的相互作用：当不同金属在熔融状态下相互接触时，可能发生化学反应，导致偏析现象的产生。
三、铸锭宏观偏析的影响1. 机械性能差异：不同部位的金属成分不同，使得铸锭的机械性能存在差异，影响产品质量；2. 工艺性能不稳定：铸锭宏观偏析会导致后续加工过程中的焊接、冷加工等工艺存在困难，影响生产效率；3. 经济成本增加：铸锭宏观偏析会导致生产中的废品率增加，损失金属资源，并增加生产成本。
四、如何解决铸锭宏观偏析问题？1. 精确控制原材料成分：严格控制原材料的杂质含量和成分稳定性，确保铸锭的成分均匀性；2. 优化铸造工艺：合理设置铸造工艺参数，确保熔体的温度和流动性能均匀，减少铸锭宏观偏析的发生；3. 设计合理的铸模：优化铸模的流动性能，减少金属液流动阻力的不均匀性，防止铸锭宏观偏析的发生；4. 加强金属材料研究：通过先进的分析仪器和建模技术，深入研究金属材料的组织结构和成分差异，为解决铸锭宏观偏析问题提供科学依据。
第七章铸件宏观组织
二、孕育处理
孕育处理( Inoculation) : 是浇注之前或浇注过程中向液态金 属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一 种工艺方法。 孕育主要是影响生核过程, 促进非自发形核以细化晶粒；促进 晶粒游离,细化晶粒.
变质处理（Modification）: 则是改变晶体的生长机理，从而 影响晶体形貌。 变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应 用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。
32
4．流变铸造
这流种变细铸小造圆又整称的半固半态固铸 态造，金这属种浆方液法由是于当液具体有金 较属凝好固的达流50动～性60而％时容，易在 成氩气形保。护因下为进它行高的速温搅度拌， 远使金低属于成液为相半线固温态浆度液，， 所以对于黑色金属的
将半固态浆液凝固成坯料
压铸件来说，能大大
或挤压至铸型凝固成形。
论 三、 枝晶熔断及结晶雨理论 四.单个等轴晶形成过程的动态演示 8
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。
第七章 铸件宏观组织的控制机理 及方法
一、铸件的宏观组织构成 二、表面激冷区及柱状晶区的形成 三、 内部等轴晶的形成机理 四、 铸件宏观结晶组织的控制
1
一、 铸件的宏观组织构成
内部等轴晶区 表层急冷晶区
1.表面激冷细晶 区，晶粒细小均 匀
2.柱状晶区，晶 粒垂直于型壁排 列，平行于热流 方向.
中间柱状晶区
孕孕育育剂衰加退入: 几合乎金所液有后的要孕经育历剂一都个有孕在育孕期育和处衰理退后期一。 段在时孕间育出期现内孕，育作衰为退孕现育象剂. 的中间合金的某些组分完 成影熔响化孕过育程效，果或的与因合素金: 液孕反育应剂生的成种化类合(成物分，)和起孕细育化
铸造-56789章 (2)
1.形态 原子状态存在 分子状态存在 化合物存在
固溶体 气泡 反应
2.种类 H、O、N、H2O等;
二、气体来源 1.熔炼过程、炉料中 2.铸型 3.浇注过程
三、气体溶解度的表示方法
1.气孔的危害 2.以固溶体形式存在的气体 如钢中的“氢脆”
H在铸铁液中： 0.8cm3/100g
4.1cm3/100g
2)凝固收缩 纯金属和共晶合金：凝固期间的体收缩 只是由于状态的改变，而与温度无关；
结晶温度范围合金：收缩率既与状态改变 时的体积变化有关，又与温度范围有关；
此两种收缩是铸件产生缩 孔和缩松的基本原因。
3)固态收缩 εv固=αv固(ts-t0)×100% εl=αl(ts-t0)×100%
注意：
§8-4 减少和排除夹杂物途径
第9章 铸件的收缩
§9-1 铸造合金的收缩
一、收缩的基本概念
1.定义：
铸件合金在液态、凝固态和固态的冷却过程 中，所发生的体积缩小的现象称为收缩；
体收缩 金属从液态到常温的体积改变量；
线收缩 金属在固态时的线尺寸改变量；
收缩率
体收缩率εV = [(V0-V1)/V0]×100%
如：球墨铸铁加冰晶石熔化，可降低夹杂物 熔点，而有利于减少铸件产生夹杂物缺陷；
2.过滤法 非活性：石墨、镁砖、陶瓷碎屑等； 活性：NaF、CaF、Na3AlF6等；
二、浇注时形成的非金属夹杂物（二次氧化夹 杂物）
1.形成过程 2.影响形成因素
1)合金成分
2)金属液流 ①金属液与大气接触的机会
②接触面积和接触时间 ③液流运动特性 紊流运动
对于厚壁铸件：采用冷却能力小的铸 型或采取其它措施。
合理控制冷却条件方面的一个比较理 想的方案：悬浮铸造
铸件形成理论11第七章.ppt
2)炉料的锈蚀或油污、使用潮湿或含硫量过高的燃料都会导 致炉气中水蒸气、氢气和二氧化硫等气体的含量增加，增 加合金液的吸气。
3)合金液与铸型的相互作用，是合金吸气的另一途径。铸型 中的水分(即使烘干的铸型，浇注前也会吸收水分)、粘土 中的结晶水在金属液的热作用下分解、有机物的燃烧都能 产生大量气体。
cos SG SL LG
四、气体的析出
（3）气泡的上浮 ✓ 气泡与衬底的接触形态和脱离衬底的形式如图所示。 ✓ ＜90°时，气泡尚未长到很大尺寸即可完全脱离衬底(图a)； ✓ ＞90°时，气泡在长大过程中先有细颈产生，而后气泡才
能脱离衬底，并在衬底上残留一个凸透镜状的气泡，可作为 新气泡的核心(图b) 。
a
气泡脱离衬底表面示意图
b
四、气体的析出
（3）气泡的上浮
✓ 在讨论气泡脱离时， 还应考虑固液界面推 进速度和气泡的长大 速度。固液界面推移 速度较小时，气泡有 较充分的时间逸出， 得到无气孔的铸件。 界面推移速度较大时， 气泡有可能残留在铸 件中，形成气孔，如 图所示。当晶体以枝 晶方式生长时，气泡 被裹入的几率增大。
第七章 铸件中的气孔
§7-2 气体在金属中的溶解与析出
一、金属的吸气过程 二、单质气体在金属中的溶解 三、复合气体在金属中的溶解 四、气体的析出
一、金属的吸气过程
铸锭宏观偏析 -回复
铸锭宏观偏析-回复什么是铸锭宏观偏析？铸锭宏观偏析是一种在金属铸锭制备过程中，通过控制其化学成分和微观组织，达到提高金属材料性能和质量的技术方法。
铸锭宏观偏析的基本原理是利用金属熔融过程中的物理化学理论，通过调控熔融金属的结晶过程，使得铸锭中成分分布更加均匀，微观组织更加致密。
这样一来，铸锭的力学性能、热处理工艺和加工工艺特性都能得到明显提高。
铸锭宏观偏析的步骤：1. 材料选择：首先需要选择适合进行铸锭宏观偏析的材料。
一般来说，高合金钢、不锈钢、镍基合金等材料都是常见的铸锭宏观偏析对象。
2. 成分分析和调整：通过成分分析技术，确定原材料中各种元素的含量，并与目标成分进行对比。
如果成分偏离目标范围，可以通过加入适量合金元素或者调整原材料中的元素含量，使得化学成分更加合理。
3. 熔炼处理：将经过调整的原材料放入熔炼炉中进行熔炼处理。
在熔炼过程中，需要通过控制熔炼温度、时间和熔炼剂的添加量，使得熔融金属中的各种元素均匀分布。
4. 铸锭凝固：将熔融金属倒入模具中，通过凝固过程形成铸锭。
在凝固过程中，需要控制冷却速率和温度梯度，使得铸锭的结晶过程更加均匀。
5. 铸锭评价和改进：通过对铸锭的力学性能、成分分布和微观组织进行评价，确定是否达到了预期目标。
如果存在不足之处，可以通过进一步调整熔炼工艺和凝固条件，进行改进。
铸锭宏观偏析的应用：铸锭宏观偏析技术在金属材料的制备方面具有广泛的应用。
它可以提高材料的力学性能、抗腐蚀性能和耐磨性能，同时也能够改善材料的加工性能和热处理工艺特性。
在航空航天、能源、汽车制造等高端装备制造领域，铸锭宏观偏析技术可以提供高强度、高韧性的金属材料，同时也是提高产品性能和寿命的重要手段。
此外，铸锭宏观偏析技术还可以用于生物材料制备、新能源材料开发和环境保护材料的研究中。
总结：通过铸锭宏观偏析技术，可以有效提高金属材料的性能和质量。
在实际应用中，需要经过材料选择、成分分析和调整、熔炼处理、铸锭凝固、铸锭评价和改进等步骤，逐步实现预期的目标。
铸锭组织的控制
铸锭组织的控制
在一般情况下，注定的宏观组织有三个晶区，当让这并不是说，所有铸锭（铸件）的宏观组织均由三个晶区所组成，由于凝固条件的复杂性，在某些条件下纯金属的铸锭只有柱状晶体，而在另一种情况下却只有等轴晶区，合金的铸锭一般都具有明显的三个晶区，当浇注条件变化时，其三个晶区的所占比例也往往不同。
由于不同的晶区具有不同的性能，因此必须设法控制结晶条件，使性能好的晶区所占比例尽可能大，而使不希望的晶区尽可能的小。
例如柱状晶区的特点是组织密度，性能具有方向性，缺点是存在脆弱，但是这一缺点可以通过改变铸造结构（如将断面的直角连接改为圆弧连接）来解决，因此索性好的铝，铜等铸锭都希望得到尽可能多的致密的柱状晶。
影响柱状晶生长的因素主要有以下几点：
1.铸锭模的冷却能力
注定莫及刚结晶的固体的导热能力越大，越有利于柱状晶的生长。
生产上经常采用导热性能好与热容量大的铸模材料，增大铸模的厚度及降低铸模温度等。
如果铸模的冷却能力很大，以致使整个铸件都在很大的过冷度下结晶，这时不但不能得到较大的柱状晶区，反而促使等轴晶的发展（形核率增大），如采用水冷结晶器进行连续铸锭时，就可以使铸锭全部获得细小的等轴晶粒。
铸件宏观组织与控制
铸件宏观组织的发展趋势与展望
01
智能化铸造
随着智能化技术的发展，未来铸造过程将更加自动化和智能化，有望实
现更精准的铸件宏观组织控制。
02
新材料的应用
新型合金和复合材料的研发和应用，将为铸件宏观组织的优化提供更多
可能性。
03
跨学科研究与应用
铸件宏观组织与控制涉及到材料科学、物理学、化学等多个学科领域，
铸件宏观组织与控制
• 铸件宏观组织的基础知识 • 铸件宏观组织的控制方法 • 铸件宏观组织的缺陷与防止 • 铸件宏观组织的优化与应用 • 案例分析与实践
01
铸件宏观组织的基础知识
铸件宏观组织的形成
01
02
03
液态金属浇注
液态金属在浇注过程中， 受到冷却剂的作用，开始 凝固并形成铸件宏观组织。
凝固过程
其他宏观组织缺陷的防止
01
02
03Leabharlann 04气孔铸件内部存在的气体孔洞。
防止措施
控制金属液中的气体含量，优 化浇注系统和模具设计，以及
使用除气剂。
夹渣和夹杂物
铸件中夹带的外来固体颗粒或 与金属液不混溶的相。
防止措施
控制金属液的纯净度，去除金 属液中的氧化物和夹杂物，以 及优化浇注系统和模具设计。
04
铸件宏观组织的优化与应用
铸造缺陷
铸件宏观组织中可能存在铸造缺陷， 如缩孔、疏松和夹杂物等，这些缺 陷对铸件的性能和使用寿命产生不 利影响。
铸件宏观组织对性能的影响
力学性能
铸件宏观组织对铸件的力 学性能如强度、塑性和韧 性等具有重要影响。
物理性能
铸件宏观组织对铸件的物 理性能如导热性、导电性 和磁性等也有影响。
材料成形基本原理3版-合工大第7章答案
第七章铸件与焊缝宏观组织及其控制1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何?答：铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。
表面激冷区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，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。
这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。
柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），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，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。
内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。
随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。
同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。
2.试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响。
答：对于纯金属在冷却结晶时候没有溶质再分配，所以在其沿型壁方向晶体迅速长大，晶体与晶体之间很快能够连接起来形成凝固壳。
当形成一个整体的凝固壳时，结晶体再从型壁处游离出来就很困难了。
但是如果向金属中添加溶质，则在晶体与型壁的交汇处将会形成溶质偏析，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，形成游离晶。
一些游离晶被保留下来并发生晶体增殖，成为等轴晶的核心，形成等轴晶，从而起到细化晶粒的作用。
铸件典型宏观凝固组织
铸件典型宏观凝固组织
铸造是一种传统的制造工艺，被广泛应用于许多领域，包括航空、汽车制造、机械制造等。
在铸造过程中，铸件的凝固组织是非常重要的，它会影响到铸件的力学性能和耐用性。
下面我们来一起探讨一下铸件的典型宏观凝固组织。
首先，铸件的典型宏观凝固组织包括两个主要部分：晶体区和凝固缩孔区。
晶体区是由多个晶粒组成的，晶粒的大小和形状对铸件的机械性能具有重要影响。
凝固缩孔区是铸件中的缩孔和气孔区域，它们通常会影响铸件的外观和表面质量。
在铸造过程中，凝固过程是铸件形成的关键步骤。
当铸件被注入熔融金属时，它会逐渐冷却并凝固。
在凝固过程中，熔融金属会凝固成固态晶体。
晶体的生长速度和形状取决于温度梯度和成分梯度。
通常情况下，晶体生长速度越快，晶粒就越小，晶体生长速度越慢，晶粒就越大。
此外，晶粒的形状也会受到铸型结构和流动条件的影响。
随着铸件的逐渐冷却，凝固缩孔区也会逐渐形成。
凝固缩孔区具有较高的孔隙率和局部亚晶粒，这会影响铸件的力学性能和表面质量。
为了降低凝固缩孔区的缺陷率，通常需要采取相应的铸造措施，例如增加铸造温度、改进铸型和流道设计等。
总之，铸件的典型宏观凝固组织是由晶体区和凝固缩孔区组成的。
晶体区由多个晶粒组成，晶粒大小和形状对铸件的机械性能具有重要影响。
凝固缩孔区具有较高的孔隙率和局部亚晶粒，会影响铸件
的力学性能和表面质量。
因此，在铸造过程中，需要采取相应的铸造措施来提高铸件的质量和性能。
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在液相中造成很大的微区富集而迫使结 晶相提前弥散析出而生核
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。
26
合金种类 碳钢及合金钢
孕育剂主要组元 Ti
加入量wt% 0.1~0.2
加入方法
V
0.06~0.30
铁合金
铸铁 铝合金 过共晶Al-Si合金
从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高 的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力 而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。
对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。
对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶 的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。 悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的R的要求。
4
第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成
一、 表面激冷区的形成 二、 柱状晶区的形成
5
一、表面激冷区的形成
形成机理:
1)型一壁旦强型烈壁的附激冷近作的用晶，粒产互生很相大连的结过而冷 构成度稳而定大量的非凝均固质壳生层核;，凝固将转为 柱2)各状种晶形区式由的外晶粒向游内离的也生是长形成，表表面面细激等
论 三、 枝晶熔断及结晶雨理论 四.单个等轴晶形成过程的动态演示 8
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。
23
料斗 离心集液包
直浇道
悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统
悬浮浇注法是在浇注
过程中将一定量的 固态金属颗粒加 入到金属液中，从
而改变金属液凝固过 程，达到细化组织、 减小偏析、减小铸造 应力的目的的一种工 艺方法。
24
二、孕育处理
孕育处理( Inoculation) : 是浇注之前或浇注过程中向液态金 属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一 种工艺方法。 孕育主要是影响生核过程, 促进非自发形核以细化晶粒；促进 晶粒游离,细化晶粒.
减轻金属对模具的热 冲其固击态，晶提体高随压搅铸拌转模速具的 的增加寿趋命于，细扩小大而黑圆整色，金机 属械性压能铸显的著应提用高范。 围。
33
传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织
34
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
18
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
19
（1）浇注工艺控制 （2）冷却条件的控制
20
浇注温度
合理的浇注工艺
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得 及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇 注温度将降低液态金属的流动性，导致 浇不足和冷隔等缺陷的产生。
内部等轴晶区， 晶粒较为粗大;
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
3
大柱多状数晶工业的应特用点情是况各下向，异希望性铸，件对宏于观诸组如织磁获得性
各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件
材抑料制、晶发体的动柱机状和长螺大旋，浆而叶促使片内等部这等些轴强晶调的单形成方 向和性等能轴的晶细情化况。，采用定向凝固获得全部柱状 晶就的断零裂件而论反，而裂更纹具最优易点沿。晶界扩展(特别是存在着 溶质如质聚何及积在杂 严质 重技偏 ，术析造上时成有强)。效度柱地、状控塑晶性制相、铸碰韧的件性地的在带宏柱溶观状质组晶及的织杂 十横分向重方要向大。幅因度此下有降必，要对学热裂习敏各感晶，区腐组蚀织介的质中形 成易机成理为。集中的腐蚀通道。
铜合金 镍基高温合金
Zr, Zr+B, Zr+Mg, Zr+Mg+Fe+P
WC, NbC
0.02~0.04
纯金属或中间合金 碳化物粉末
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
27
孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）
孕孕育育剂衰加退入: 几合乎金所液有后的要孕经育历剂一都个有孕在育孕期育和处衰理退后期一。 段在时孕间育出期现内孕，育作衰为退孕现育象剂. 的中间合金的某些组分完 成影熔响化孕过育程效，果或的与因合素金: 液孕反育应剂生的成种化类合(成物分，)和起孕细育化
的形成。因此柱状晶区的存在与否 晶凝固层某些晶粒为基底向内生
及宽窄程度取决于上述两个因素综 长合,发作展用成的由结外果向。内如生果长在的凝柱固状初晶期就 区使。得枝内晶部主产干生取等向轴与晶热的流晶方核向，平将会
有效地抑制柱状晶的形成。 行的枝晶生长迅速,择优生长。
7
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
B Si-Fe， Ca, Ba, Sr
Ti, Zr , Ti+B, Ti+C
P
0.005~0.01
0.1~1.0， 与Si-Fe复合
Ti:0.15; Zr:0.2； 复合:Ti0.01 B或C0.05;
≥0.02
铁合金
Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B, Al-Ti-C中间合金
Al-P，Cu-P，Fe-P 中间合金
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3．液相搅拌
采连铸用过机程械采搅用拌电磁、搅电拌磁的搅主拌要作或用气是泡提搅高拌连铸均坯可的造质成量液，例相如相去对除固夹相杂物的、 运消铸动除坯皮以，下及引气浇起泡铸枝、质晶减量轻要的中求折心较断偏高、析 时破，、电提碎磁高与搅连增拌铸殖技坯，术的便等达成轴到为晶细首率化选。晶。在浇粒铸的断目面的较。大的
轴晶的“晶核”来源。
冷生细长形晶态粒: 区将不再发展。因此稳定
的这凝些晶固核壳在层过形冷成熔体得中越采早取，枝表晶方面式细生晶
长，由于其Leabharlann 晶潜热既可从型壁导出，也粒可区向过向冷柱熔状体晶中区散失转，变从得而也形就成了越无快方，向 表性面的表激面冷细区等也轴就晶组越织窄。。
6
二、柱状晶区的形成
形柱成状机晶理区: 凝大固小壳: 开层始一于旦稳形定成凝，固造壳 成层单的向产的生散，热而条结件束,由于表内面部细等等轴轴晶区
第七章 铸件宏观组织的控制机理 及方法
一、铸件的宏观组织构成 二、表面激冷区及柱状晶区的形成 三、 内部等轴晶的形成机理 四、 铸件宏观结晶组织的控制
1
一、 铸件的宏观组织构成
内部等轴晶区 表层急冷晶区
1.表面激冷细晶 区，晶粒细小均 匀
2.柱状晶区，晶 粒垂直于型壁排 列，平行于热流 方向.
中间柱状晶区
9
等轴晶
等轴晶
不锈钢筛网
a) 7500C水淬,摇动
b) 在坩埚中置一不锈钢筛网
大野笃美的实验
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二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
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 。
11
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?
图5-5 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
12
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。
作用处的理异工质艺固。相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿， 逐渐达到最佳的细化效果。
1)处理温度: 一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育
剂当均细匀化散开效的果前达提到下最，佳应尽值量时降浇低注处是理最温度理。想的，随合金 熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果
2)时间:尽可能缩短孕育处理与浇注之间的时间(瞬时孕育);
各向同性，多方向生长 各向异性，四向生长 各向异性，六向生长 各向异性，双核生长
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第四节 铸件宏观结晶组织的控 制
铸件中各晶区的相对大小、晶粒的形态和粗细是由 以下两个方面的因素决定:
1)过冷熔体独立生核的能力
2)各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度
凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游 离
变质处理（Modification）: 则是改变晶体的生长机理，从而 影响晶体形貌。 变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应 用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。
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孕育剂作用机理的两类观点
孕育剂含有直接作为非自发生核的物质
孕育主要起非 自发形核作用
孕育剂能与液相中某些元素反应生成较 稳定的化合物而产生非自发生核
浇注方式
通过改变浇注方式强化对流对型壁激 冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等 轴晶的形成。但必须注意不要因此而 引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸 件产生相应的缺陷。
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铸型中间浇注
单孔上注
沿型壁六孔浇注
图5-8 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织
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冷却条件的控制
控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，
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4．流变铸造
这流种变细铸小造圆又整称的半固半态固铸 态造，金这属种浆方液法由是于当液具体有金 较属凝好固的达流50动～性60而％时容，易在 成氩气形保。护因下为进它行高的速温搅度拌， 远使金低属于成液为相半线固温态浆度液，， 所以对于黑色金属的
将半固态浆液凝固成坯料
压铸件来说，能大大
或挤压至铸型凝固成形。
振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。 振动铸型可促使“晶雨”的形成。
立式离心铸造机
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2．超声波振动
超声波振动可在液相中产生空化作用， 形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速 补充，液体流动的动量很大，产生很高的 压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度 也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成 形核率的提高，使晶粒细化。