第五章铸件凝固组织形成与控制

二、孕育处理
• 孕育处理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( Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒
游离以细化晶粒；而变质（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
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
合金种类
碳钢及合金钢 铸铁
孕育剂主要组元
Ti V B Si-Fe， Ca, Ba, Sr
铝合金
Ti, Zr , Ti+B, Ti+C
过共晶Al-Si合金
P
铜合金 镍基高温合金
Zr, Zr+B, Zr+Mg, Zr+Mg+Fe+P
WC, NbC
加入量wt%
0.1~0.2 0.06~0.30 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;
二、柱状晶区的形成
• 稳定的凝固壳层一旦形成，柱
状晶就直接由表面细等轴晶凝 固层某些晶粒为基底向内生长， 发展成由外向内生长的柱状晶 区。枝晶主干取向与热流方向 平行的枝晶生长迅速 。
柱状晶生长过程的动态演示
铸
液 态
型
金
属
• 柱状晶生长过程录像
二、柱状晶区的形成
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的
铝锭截面组织
• 他们相对作用的大小取决于凝固的 实际条件。
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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
第二节 铸件宏观结晶组织的控制
一、 铸件宏观组织的特 性
表面激冷区的形成机理 柱状晶区的形成机理 内部等轴晶的形成机理
柱状晶的特点是各向异性 应用：磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等强调
单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状 晶的零件更具优点。
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第二节 铸件宏观结晶组织的控 制
• 思路: 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，铸件中各晶区的相对
• 如果液态金属的浇注温
度不高，游离晶粒不会 被完全融化掉，残存晶
a) 晶体密度比熔体小的情况; b) 晶体密度比熔体大的情况
图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离
3、wenku.baidu.com枝晶熔断理论
• 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。
游离晶核的形成
一、表面激冷区的形成
• 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,各种形式的游离 晶粒也是形成表面细等轴晶的 “晶核”来源。这些晶核在过冷 熔体中采取枝晶方式生长，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。
游离晶粒的形成
• 形成的出发点：合金 凝固时的溶质再分配。
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流体的机械冲刷和温度反复波动
在激冷初期,依 附于型壁生核 的晶粒或枝晶
溶质图的5偏-6析晶容体易与使型晶壁体交在会与处型产壁生的离“交脖会颈处”产促生使“晶脖体颈发”生，脱具落有而“游脖颈” 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。
理论
1、“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。
2、激冷晶核卷入理论
• 稳定凝固壳层形成之前，
大量游离的激冷晶核随 着液流的流动漂移到铸 型的中心区域。
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图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
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一、表面激冷区的形成
一旦型壁附近的晶粒互相连结而
构成稳定的凝固壳层，凝固将转为
柱状晶区由外向内的生长，表面激
冷细晶粒区将不再发展。
稳定的凝固壳层形成得越早，表面
细晶粒区向柱状晶区转变得也就越
快，表面激冷区也就越窄。
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孕育剂作用机理的两类观点
• 孕育主要起
非自发形核 作用
孕育剂含有直接作为非自发生核的物质
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
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。
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?
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4、 结晶雨理论
• 液面冷却产生的晶粒或者铸型顶部凝固层脱
落的分枝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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• 中心等轴晶的形成大多是以上四种 机理综合作用的结果。
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 材料科学与工程学院
铸件宏观结晶组织的控制措施： 增加形核
1.向熔体中加入强生核剂（孕育处理） 2.控制浇注温度和增大铸件冷却速度
产生，而结束于内部等轴晶区的
形成。因此柱状晶区的存在与否
及宽窄程度取决于上述两个因素
综合作用的结果。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。
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三、 内部等轴晶的形成机理
剩余熔体内部晶核自由生长的结
果。 1、“成分过冷”理论
晶核来源
2、激冷晶核卷入理论 3、型壁晶粒脱落和枝晶熔断
第五章 铸件凝固组织的形成与控制
第一节 铸件的宏观凝固组织 表面激冷区的形成机理 柱状晶区的形成机理 内部等轴晶的形成机理
第二节 铸件宏观结晶组织的控制
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;
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;