铸件凝固组织的形成及控制)

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。
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
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。
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。
第五章 铸件凝固组织的形成与控制
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 Leabharlann Baidu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;
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。
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。
铸型中间浇注
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”。
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”
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，
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。
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。
返回
（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。