铸件凝固组织的形成及控制)
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
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。
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。
凝固组织
4.“结晶雨”游离理论： 凝固初期在液面处的过冷熔体中产生过冷，形成晶核并 生长小晶体。这些小晶体或由铸型顶部凝固层脱落的分枝， 由于密度比液态金属大而像雨滴似地降落，形成游离晶体， 这些小晶体在生长的柱状晶前面的液态金属中长大形成内 部等轴晶。
除上述理论外，还有在游离的晶体中存在增殖现象。图 5-6。在凝固过程中是四种理论的综合作用。
非规则共晶凝固 非金属的固-液界面是小平面生长方式，其长大是有方 向性的，即在某一方向上生长速度很快，在另一方向上生 长缓慢，共晶的界面是参差不齐的，而呈多角的形貌。
1.Fe-C（石墨）合金的共晶凝固
灰铸铁中石墨呈片状与石墨的晶体结构有关。石墨呈六 方晶格，碳原子源源不断地向台阶堆积，石墨在[1010]方 向上以旋转台阶方式快速生长；而在[0001]面是原子密排 面，是光滑的小平面，生长缓慢。
后来研究表明，各种原因引起的游离晶粒也是形成表面 细晶粒的晶核来源。由于铸型界面熔液中的溶质再分配使 枝晶生长的根部产生“缩颈”，在流动的液态金属作用下 枝晶熔断或型壁晶粒脱落而游离。大量游离晶粒的存在抑 制了稳定的凝固层的产生，从而有利于表面细晶粒区的形 成。
（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 垂直型壁的单向热流作用下，便转而以枝晶状延伸生长。 由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热流方向相平 行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更迅速，它们 优先向内伸展度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。图5-2。 （三）内部等轴晶区的形成 主要有以下四种理论：
（一）向熔体中加入强生核剂（孕育处理）
加生核剂主要是影响生核过程，通过增加晶核数实现细 化晶粒；变质剂主要是改变晶体的生长过程，改变晶体的 生长形貌。
铸锭凝固组织
此时，四周温度梯度变缓，中心温度下降至结
过去的时间内，大量形核，形成细小等轴晶外
随着外壳形成收缩，形成气隙，传热变慢，枝
4.1铸锭/坯的凝固组织
•正常偏析
•按照异分结晶一般规律进行凝固，由此产生的偏析即为正常偏析
•分四种情况：
•平衡态凝固
•液态均匀，固态不发生扩散
•液态不均匀，固态也不扩散
•液态和固态均有一定程度但不达到平衡的扩散
4.1铸锭/坯的凝固组织
•原因：
•在出现树枝晶的条件下，枝晶尖端部分孤立深入正面液体中，正面的界面很小，而枝晶之间残留大量液
体，所以枝晶要依靠与枝晶主轴垂直的方向扩散而扩
展凝固界面。
相比之下，纵向的扩散较小，。
材料成形原理第四章铸件结晶组织的形成与控制
4.1.4内部等轴晶的形成
2 关于等轴晶区的形成过程：（1）索新（Southin）等人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）富兰杰克逊（Fredikesson）认为内部等轴晶区的产生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状状前沿捕获后而形成的。（3）我国学者，认为内部等轴晶区的形成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。
4.1.4内部等轴晶的形成
从本质上说，内部等铀晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。但是，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，存在不同的争议。 1、关于等轴晶晶核的来源： （1）过冷熔体直接生核理论 （2）界面前方晶粒游离理论 （3）激冷晶游离理论
依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷度减小。晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制。而远离根部处易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部产生“缩颈”现象。
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。
4.1.4内部等轴晶的形成
无论是关于等轴晶晶核的来源问题，还是等轴晶区形成的具体过程问题，上述各理论与看法均有自己的实验根据，然而也受到各自实验条件的限制。关于等轴晶区的形成过程比较统一的看法是，中心等轴晶区的形成很可能是多种途径的。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用；在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。
第一章凝固热力学 - 材料科学和工程
材料成形技术基础
第二章 材料凝固理论 主要内容： • 材料凝固概述 •凝固的热力学基础 •形核 •生长 •溶质再分配 •共晶合金的凝固 •金属及合金的凝固方式 •凝固成形的应用
第一节 材料凝固概述
一、凝固成形的基本问题和发展概况 1、基本问题： 凝固组织的形成与控制 铸造缺陷的防止与控制 铸件尺寸精度与表面粗糙度控制
( S H
)p
1 T
( S T
)p
1 T
( H T
)p
Cp T
dG dH TdS
C
p
(H T
)p
( T 2G 2)p( T S)pC Tp0
等压条件下，体系自由能随温度升高而 降低，且液态金属自由能随温度降低的趋势 大于固态金属。
三、自发过程 判据一、Helmholtz自由能最低原理：
等温等容条件下体系的自由能永不 增大；自发过程的方向力图减低体系的 自由能，平衡的标志是体系的自由能为 极小。 判据二、Gibbs自由能判据：
等温等压条件下，一个只做体积功 的体系，其自由能永不增大；自发过程 的方向是使体系自由能降低，当自由能 降到极小值时，体系达到平衡。
根据力的平衡原理：
SG LS LG cos cos SG LS
LG
,cos0,900,表现为润湿情况
SG
LS
,cos0，900,表现为不润湿
SG
LS
接触角 又称润湿角。
第三节 形核
一、凝固的热力学条件
等压条件下有：
dG Vdp SdT dH TdS Vdp
(G T)p S0
又：
控制铸件的凝固组织是凝固成 形中的一个基本问题。目前已建立 了许多控制组织的方法，如孕育、 动态结晶、定向凝固等。
铸造金属凝固原理
铸造：一种液态金属生产制品的工艺方法。
将金属熔化成具有一定化学成分和一定温度的液体，然后在重力或外力（压力、离心力、电磁力等）作用下将其浇注到铸型型腔中，充满型腔（良好流动性的液态）经凝固和冷却后便形成具有铸型型腔形状的制品—铸件特点：①使用范围广，可生产各种形状和大小的铸件②较高的尺寸精度③成本低廉。
一．液态金属的结构与性质1.固体金属的加热、熔化：⑴晶体中的原子结合：1）在一定条件下，金属中的原子具有一定排列的原因：①引力：异性电荷间的库仑引力；②斥力：同性电荷间的库仑斥力与泡利原理引起的斥力之和。
⑵原子间距离为R0时，F(R0)=0，平衡态，W极小值，状态稳定，原子之间保持一定间距F(R)=-əW(R)/əR ⑵金属的加热膨胀：晶体中的原子不是固定不动，只要温度高于热力学温度，原子在平衡位置附近热振动热膨胀：温度升高，振动频率、振幅加大，原子间距离增加原因：①原子间距增大：势能曲线不对称性；斥力＞引力②空穴产生：熔点附近，1%空穴数；离子间相互作用——能垒——平衡位置振动；温度升高—部分原子能量＞能垒—原子迁移到表面or原子间隙—留下空穴—vacancy产生；空穴形成—能垒下降—其它原子进入—空穴流动⑶金属的熔化：①熔点附近：离位原子多；熔化始于晶界，晶界原子排列相对不规则，势能高，离位原子多，空穴数目可达到原子总数10% ②熔点：外界能量足够大时——熔化潜热，原子间距离大于R1，原子结合键破坏，固态——液态；固态——液态状态突变；性质突变：体积突变；电阻、粘性突变②熔化实质：规则的原子排列突变为紊乱的非晶质结构的过程2.液态金属的结构：⑴液态金属的热物理性质:①体积：S－L：体积增加3～5％，原子平均间距增加1～1.5%；S－g：体积无限膨胀②熔化潜热：S－L（熔化潜热）：原子结合键破坏百分之几；S－g（汽化潜热）：原子间结合键全部破坏③熵：S－L：熵增加不大⑵液态与固态结构相似，尤在金属过热度不太高（熔点以上100～300℃）的铸造条件下更是如此⑶液体状态的结构特点（熔化－熔点以上不高的温度范围内）：①原子间结合能较强、平均原子间距增加不大、原子排列在较小距离内具有规律性②原子间结合部分破坏，原子集团，近程有序(原子在十几～几百个原子组成的集团内规则排列) ③由于能量起伏，原子集团处于瞬息万变状态④原子集团内，公有电子，金属导电；空穴间，自由电子跟随正离子运动，离子导电；most金属熔化时电阻率能突然增加约1～2倍（半导体金属则减小）⑤温度高——原子集团平均尺寸小、“游动”速度快⑷金属液态结构的理论：①空穴理论：由原子集团（规则排列、近程有序）、空穴组成，能量起伏大、热运动激烈②紊乱排列的密集球堆理论（贝纳尔）：液体金属是均质、密集、紊乱排列的原子集合体⑸实际金属的液态结构：1）微观上：①游动原子集团：成分和结构不同，近程有序②空穴③游离原子④许多固态、气态或液态的化合物组成，是一种“混浊”的液体2）化学键：金属键、其它多种类型的化学键⑹①能量起伏②结构起伏：液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏③浓度起伏：同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异。
第五章 凝固组织的控制
随着熔体的不断冷却，由于生核及晶粒游离、枝晶熔断 等在柱状晶前沿产生大量等轴晶，并形成内部等轴晶区。
Southin认为内部等 轴晶区的形成不仅要 求界面前方存在有等 轴晶的晶核，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。
2020/7/25
Fredriksson等人则 认为内部等轴晶区的 产生是由一部分游离 晶的沉淀和一部分游 离晶被侧面生长着的 柱状前沿捕获后而形 成的。
2020/7/25
金属凝固原理
第二节 等轴晶的晶粒细化
细化晶粒的主要途径：
①控制传热条件促进熔体生核； ②添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强 的异质晶核，达到细化晶粒的目的； ③采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法，促使枝 晶折断、破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小；
④提高冷却速率使液态金属获得大过冷度，增大形核速率； ⑤去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金 液获得很大过冷度，并在大过冷度下突然大量形核，获得细小 等轴晶组织。
（2）枝晶熔断
液相流动对枝晶熔断具有重要影响
枝晶生长过程中，在树枝晶各次分枝的根部同样会由于溶质富集产生
“缩颈”现象，并在液流冲刷和热波动的作用下发生熔断、脱落，形成自
由晶体。
人为地进行表面振动有
（3）表面凝固和“晶雨”的形成
利于“晶雨”的形成
表面形成的晶核由于密度比液体大而下沉，另外液相的流动和表面的 扰动会带动表面形成的晶核下落形成“晶雨”。
金属凝固原理
Wizke等及Lipton等的研究 表明，液相流动对凝固界 面前的液相成分过冷度的 形成具有重要影响，而该 过冷度则是决定等轴晶形 成的关键因素，可作为柱 状晶向等轴晶转变的判据。
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。
铸造合金的冷却速率与凝固组织控制
铸造合金的冷却速率与凝固组织控制在铸造工艺中，冷却速率是一个至关重要的参数，它直接影响着合金凝固组织的形成。
凝固组织的控制对于铸造件的性能和质量具有重要意义。
本文将探讨铸造合金的冷却速率与凝固组织控制的相关性，以及目前常用的凝固组织控制方法。
一、冷却速率与凝固组织的关系冷却速率是指铸造合金从液相态到凝固态的过程中，单位时间内温度降低的速率。
冷却速率的大小直接决定了凝固组织的形成方式和细化程度。
通常情况下，高冷却速率会促使合金形成细小的凝固组织，而低冷却速率则有利于形成粗大的凝固组织。
在铸造过程中，合金的冷却速率受到多种因素的影响，例如浇注温度、铸型材料、冷却介质等。
合理的控制这些因素可以有效地调节铸造合金的冷却速率，从而控制凝固组织的形成。
二、凝固组织控制方法1. 调节浇注温度：浇注温度是指熔融金属从炉中倒入铸型时的温度。
通过调整浇注温度，可以对铸造合金的冷却速率进行控制。
一般来说，较高的浇注温度会使冷却速率减慢，从而有利于形成粗大的凝固组织；而较低的浇注温度则会加快冷却速率，促使形成细小的凝固组织。
2. 选用合适的铸型材料：铸型材料的导热性和热容量也会对合金的冷却速率产生影响。
导热性较高的铸型材料有利于加快合金的冷却速率，而热容量较高的铸型材料则能够减缓冷却速率。
根据具体需求，选择合适的铸型材料可以实现对凝固组织形成的精确控制。
3. 冷却介质的选择：冷却介质是指用于冷却铸造合金的介质，常见的有水、油等。
不同的冷却介质具有不同的冷却性能，其传热系数和传热速度也会对合金的冷却速率产生影响。
通过选择适宜的冷却介质，可以有效地控制冷却速率，从而实现对凝固组织的控制。
4. 辅助手段：在实际生产中，还可以采用一些辅助手段来控制冷却速率和凝固组织的形成，例如采用陶瓷芯棒、添加凝固剂等。
这些辅助手段可以在一定程度上改变凝固路径，从而影响凝固组织的形成。
综上所述，冷却速率是影响铸造合金凝固组织的一个重要参数。
合理的控制冷却速率可以实现对凝固组织形成过程的精确控制，从而满足铸造件的性能和质量要求。
《材料成型理论基础》课程大纲
《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料成型理论基础英文名称：Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码：0809554课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：56学分：3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：1．让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解，掌握其基本原理和规律。
2．了解液态金属的结构和性质；掌握液态金属凝固的基本原理，冶金处理及其对产品性能的影响。
3．掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。
4．掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论，金属流动的基本规律及其应用。
5．了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。
表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程以材料成形工艺的理论基础为主线，根据成形加工过程中材料所处或经历的状态，分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类，学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。
2）本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论，以及传热学、流体力学等专业基础理论知识，学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质，包括共性原理，同时也要注重个性规律性认识。
3）课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识，阐述这些现象的本质，揭示变化的规律。
而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。
4）重点学习的章节内容包括：第4章“单相合金与多相合金的凝固”（6学时）、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”（6学时）、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”（6学时）、第8章“成形过程的冶金反应原理”（6学时）、第11章“应力与应变理论”（4学时）、第12章“屈服准则”（6学时）。
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。
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一、铸件宏观凝固组织的特征及形 成机理
二、铸件宏观凝固组织的控制
一、铸件宏观凝固组织的特 征及形成机理
（一） 铸件的宏观组织 （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
（一） 铸件的宏观组织
内部等轴晶区 表层急冷细晶区
中间柱状晶区
激冷晶区由无 规则的细小等轴 晶组成;
铸型中间浇注
无对流时，即使冷却速度很大也
一旦型壁附近的晶粒互相连结而 不出现表面细晶层。 大野笃美Al-0.1%Ti750℃浇注到 用冰水激冷的薄壁不锈钢杯中，
构成稳定的凝固壳层，凝固将转为 铸锭外部为柱状晶。
柱状晶区由外向内的生长，表面激
冷细晶粒区将不再发展。因此稳定
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，
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（二） 表面激冷区及柱状晶区的形成
表面激冷区的形成 柱状晶区的形成
表面激冷区的形成 浇注时液流的冲刷和浇 注结束液体内外温度场
传统理论：型壁附引近起熔的对体流由，引于起晶体
脱落和增殖
受到强烈的激冷作用溶，质产再分生配很引大起的颈缩 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。
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 。
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
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。
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。
如果界面前沿始终不利 于等轴晶的形成与生长，
因此柱状晶区的存在与否及宽窄程 柱状晶区就可以一直延
度取决于上述两个因素综合作用的 伸到铸件的中心，直到 与对面型壁生长出的柱
结果。如果在凝固初期就使得内部 状晶相遇为止，从而形
产生等轴晶的晶核，将会有效地抑 成“穿晶组织”
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
目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形 成很可能是多种途径起作用。在一种情况 下，可能是这种机理起主导作用，在另一 种情况下，可能是另一种机理在起作用， 或者是几种机理的综合作用，而各自作用 的大小当由具体的凝固条件所决定。
制柱状晶的形成。
柱状晶生长过程的动态演示
液
铸
态
型金属Fra bibliotek柱状晶生长过程的动态演示
（三） 内部等轴晶的形成机理
➢ “成分过冷”理论 ➢ 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 ➢ 枝晶熔断及结晶雨理论
“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。如：采用很强的生核剂 时，可使整个铸件断面获得细等轴晶。
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
合理的浇注工艺 冷却条件的控制
浇注温度 浇注方式
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。
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。
二、 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， 并细化等轴晶组织。
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， 各向同性;
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
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。为此，应创造条件 抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成 和等轴晶细化。
表面激冷区也就越窄。
铸型冷却能力的双重性！
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 ， 并且抑制取向不利的晶体生长，这 个互相竞争淘汰的晶体长大过程称 为“晶体的择优生长”。
就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着 溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂 质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的 横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中 易成为集中的腐蚀通道。
柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性 材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方 向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状 晶的零件反而更具优点。 如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织 十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形 成机理。
图5-6 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离
图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
枝晶熔断及结晶雨理论
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。
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源，称为“结晶雨” 理论。