第五章 凝固组织的控制
材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。利用激光表面熔凝技术实现 超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫 描方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。
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。
凝固组织控制ppt
凝固组织通常由固体和液体组成，因此具有不同的密度和孔隙率。这些特性 对凝固组织的物理性质产生重要影响。
凝固组织的热学性质
凝固组织的热学性质包括热导率、比热容和热扩散率等。这些性质与凝固组 织的结构和组成密切相关。
凝固组织的化学性质
凝固组织的化学组成
凝固组织中的化学成分可以影响其耐腐蚀性和耐候性等化学性质。
技术创新与产业升级：凝固组 织控制技术的不断发展和创新 ，可以推动相关产业的技术进 步和产业升级，提高产业的竞 争力和可持续发展能力。
THANKS
化学工业中的凝固组织控制
在化学工业中，凝固组织控制技术被广泛应用于化学反应过 程的控制和优化。
通过控制化学反应过程中物质的凝固和结晶过程，可以实现 对化学反应速率和产品质量的精确调控。
生物医学中的凝固组织控制
生物医学领域中，凝固组织控制技术被用于制备高质量的 生物材料和药物载体。
通过控制生物材料的凝固过程，可以实现生物材料的定向 生长和组织的再造。同时，通过控制药物的凝固状态，可 以制备出具有特定溶解度和释放行为的药品。
凝固组织控制技术的瓶颈
凝固组织控制技术的瓶颈主要表现在以下几个方 面
凝固时间难以精确控制：凝固时间对凝固组织的 质量有很大影响，但目前的技术还难以实现精确 控制，容易导致凝固不充分或过度凝固。
温度场控制精度不高：凝固组织控制需要对温度 场进行精确控制，但目前的控制技术还难以实现 高精度的温度场控制，影响了凝固组织的均匀性 和质量。
生物学凝固组织控制
01
生物学凝固组织控制是一种通过生物技术改变金属材料的显微组织和形态分布 的技术。
02
生物学凝固组织控制常用的生物技术包括基因工程、细胞工程和蛋白质工程等 。
2.2.5～2.2.6 凝固组织的形成与控制
晶粒平均直径/mm
3 2 1 0 0
5 10 15 -3 振幅/(in×10 )
20
振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm）
（4）等轴晶枝晶间距的控制： ）等轴晶枝晶间距的控制： 等轴枝晶每个枝晶的一次分枝彼此相交而沿径向辐射， 一次分枝彼此相交而沿径向辐射 等轴枝晶每个枝晶的一次分枝彼此相交而沿径向辐射， 没有任何确定的位向关系， 不同枝晶间没有任何确定的位向关系 不同枝晶间没有任何确定的位向关系，一次枝晶间距意义 不大。 不大。 研究发现等轴晶二次枝晶间距对机械性能的影响比晶粒大 研究发现等轴晶二次枝晶间距对机械性能的影响比晶粒大 二次枝晶间距 小更为明显。 小更为明显。 二次枝晶间距的大小与晶体的结构形态及晶粒大小无必然 可采取某些措施既减小二次枝晶间距又能细化 的联系 。可采取某些措施既减小二次枝晶间距又能细化 等轴晶晶粒组织。 等轴晶晶粒组织。
孕育期 孕育衰退
（3） 动态晶粒细化： ） 动态晶粒细化：
振动－－机械振动、电磁振动、 振动－－机械振动、电磁振动、音频或超声波振动 －－机械振动 搅拌－－机械、 －－机械 搅拌－－机械、电磁搅拌或利用气泡搅拌 旋转振荡 －周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度 周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度
（2）孕育（变质）处理： ）孕育（变质）处理：
向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、 向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善组织之目 的的一种方法（有色合金变质、黑色孕育） 的的一种方法（有色合金变质、黑色孕育）
A.形核剂 ：a）直接作为外加晶核 ） b）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核 ） －能与液相中某些元素组成较稳定的化合物 －通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出
液态成形概述
注意2个过程： （1）充填型腔； （2）凝固冷却
金属液态成型
定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting， 是将金属加热到液态，使其具有流动性，然后 浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金 属在重力场或外力场的作用下充满型腔，冷却 并凝固成具有型腔形状的铸件。
实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中
复合材料制备）
现代铸造
我国已成功地生产出了世界上最大的轧
钢机机架铸钢件（重410t）和长江三峡 电站巨型水轮机的特大型铸件
感受铸造
砂型sand mould铸造工艺流程图
型砂molding sand配制造型砂型干燥 工装准备炉料准备合金冶炼 芯砂core sand配制造芯core making型芯干燥
青铜文化
司母辛觥
豕尊
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓
长55.7厘米
剑锷锋芒犀利
锋能割断头发
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
三星堆
立人像铸于商代晚期，人像
高172厘米，底座高90厘米， 通高262厘米，是世界上最 大的青铜立人像，被尊称为 “世界铜像之王”。
突目面具铸于商代晚期，原
件高64.5厘米，宽138厘米， 眼球柱状外突长达13.5厘米， 其造型在世界上亦属首见。
第一篇 液态成形原理
第一章 概述
第二章 液态金属的结构与性质 第三章 液态成形过程的传热
第章 液态金属的结晶
第五章 铸件凝固组织的形成及控制
第六章 铸件中缺陷及其控制
第一章
液态材料 浇注 铸型模腔
概述
凝固 固态毛坯
金属的铸造工艺
陶瓷的注浆成形
塑料的注射成形
第五章--成分过冷与单相合金凝固教程文件
成分过冷”冷出现的区域宽度：x, 2D RLmLC 20k(0 1G kL 02D )R2
7
3.界面稳定性的动力学理论
（1）界面稳定性动力学的判别式
Rutter和Chalmer等人提出的成分过冷准则把固-液界面的平衡过于 简单化了，只考虑了温度梯度和浓度梯度这2个具有相反效应的因素对 界面稳定性的影响，即固一液界面前沿液相一侧正的温度梯度和小的 浓度梯度有利于界面的稳定；反之，负的温度梯度和大的浓度梯度则 不利于界面的稳定。但是， “成分过冷”准则没有考虑晶体生长过程
其中：R为界面推进速度；D为溶质在液相中的扩散系数；W*为液相中固-液
界面溶质的波动频率 g, KS G, g KL G，，G，，G为固、液相中的温度梯
K
K
度，m为液相线的斜率，p=1-K0；
H
为表面张力常数，H为单位体积溶剂
的结晶潜热；GC为δ=0时的溶质浓度梯度。Ks,Kl为固液相导热率 •
3） 固液界面的稳定性取决于 的符号的正、负。若为正，则波动增长，
界面不稳定；若为负，则波 动衰减，界面稳定。分母始终为正，因
6
（2）成分过冷的过冷度及过冷区宽度
求最大过冷度：任一处过冷度为：
TTim LC0k1 0k0
1eR DL,xTi GLx,
取：
dT dx,
0
得： x, DLlnRL m C01k0
R GLDLk0
因此：
T m a m L x C 0 K ( 1 0 K 0 ) G L R D L [ 1 lR n m G L L C D 0 L ( 1 K 0 K 0 ) ]
固-液界面是由无穷小的正弦波所组成，界面稳定性取决于正 弦波的振幅对时间的变化率，如果振幅随时间而增大，固-液 界面是不稳定的，相反，如果振幅随时间而减小，则界面是稳 定的。（干扰影响温度和浓度的扩散均匀） 在X，Y， Z坐标中，Z指向液面而垂直于固-液界面，X与固-液 界面平行，则固-液界面在Z方向上的位置与时间t和距离所选坐 标原点的位置x有关，即：
铸造凝固组织及其控制
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 表面激冷层区的形成
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。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，表面激冷区 也就越窄。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 柱状晶区的形成
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的
4.1铸锭/坯的凝固组织
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。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 关于偏析问题 • 显微偏析：发生在一个或几个晶粒范围内。可以分为： • 枝晶偏析 • 晶间偏析 • 晶界偏析 • 胞状偏析 • 宏观偏析：铸坯宏观范围的这一部分和那一部分。可 以分为： • 正常偏析 • 反常偏析 • 比重偏析
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 比重偏析 • 在一个铸件（铸锭/坯）中，经常发现上下部分之间 成分显著差异。 • 原因： • 垂直方向顺序结晶的正常偏析 • 整体凝固均匀时的中间等轴晶带产生 • 后者原因： • 固液相间的成分、比重发生差异，结晶过程出现 了比重差异 • 由于结晶过程浮沉现象造成的成分差异，即比重偏析
• 同时，发生较强的自然 对流。使内部液体比较 迅速的冷却 • 温度梯度变成曲线（2）
铸锭/坯的凝固组织
• 铸锭的冷凝过程（作为了 解铸坯组织的参考） • 此时，四周温度梯度变 缓，中心温度下降至结 晶温度 • 过去的时间内，大量形 核，形成细小等轴晶外 壳 • 随着外壳形成收缩，形 成气隙，传热变慢，枝 晶生长
《凝固和组织控制原理》课程教学大纲
凝固和组织控制原理一、课程介绍《凝固和组织控制原理》是材料科学与工程专业（金属材料工程模块）的主要学科基础课，是研究金属凝固过程相关现象及其物理本质的专业性课程。
本课程按照理论分析-研究手段-工程控制这一主线，以金属凝固过程的物理本质及影响凝固组织的主要因素作为核心内容，开展相关教学。
本课程旨在加深学生对金属材料凝固相关现象和知识的理解和掌握，为学习后续的课程做必要的知识储备；使学生进一步认识到金属材料的重要性，激发学生开展金属材料凝固相关前沿科学研究、推进凝固相关新技术应用的兴趣和热情。
本课程所涵盖的内容包括液态金属的结构与性质、凝固热力学与动力学、凝固过程中的传热与传质、单相合金，多相合金及金属基复合材料的凝固、凝固组织的控制、凝固缺陷、凝固新技术等内容，共10章，共32学时，全部为理论教学，以期末闭卷考试形式结课。
Introduction‘The principles of solidification and microstructure control’ is a specialized course concerning phenomenon and physical essence of solidification and is as well a required course for university students whose major is materials science and engineering. The course is focusing on the physical essence of solidification and main factors that affect the solidification microstructure, and the teaching activities is organized as theoretical analysis, research techniques and engineering control. The purpose of this course is threefold: Firstly, to deepen the understandings of the students about fundamentals of solidification of metallic materials, making them ready for the subsequent other courses. Secondly, to make students recognize the importance of metallic materials and thirdly, to stimulate their interests in frontier researches and development of novel techniques in solidification of metallic materials.The content of this course includes: structures and properties ofliquid metals, thermodynamics and kinetics of solidification, heat and mass transformation during solidification, solidifications of single-phase alloys, multi-phase alloys and metallic composites, control of solidification microstructures, solidification defects and new technologies of solidification. It will take 32 theoretical lessons. The examination adopts close-book mode.课程基本信息二、教学大纲1、教学目的《凝固和组织控制原理》是面向材料科学与工程专业（金属材料工程模块）本科生的一门学科基础课程。
凝固组织控制ppt
凝固模型与数值模拟
建立精确的凝固模型，结合计算机模拟技术，预测实际铸造条件 下的凝固组织。
探索新型的合金材料与工艺
高强度轻质合金
研究高强度、轻质、耐腐蚀的铝合金、钛合金等新型合金材料，提高构件的 性能与寿命。
绿色铸造工艺
医疗器械领域的应用
• 医疗器械的制造：在医疗器械领域，凝固组织控制 技术可用于制造高精度、高质量的医疗器械，如人 工关节、牙科种植体等。通过控制凝固过程，可以 优化医疗器械的显微组织和机械性能，提高其生物 相容性、耐磨性和抗腐蚀性能。
05
凝固组织控制的研究展望
发展新型的凝固组织控制技术
定向凝固技术
汽车制造领域的应用
汽车发动机缸体的制造
通过应用凝固组织控制技术，可以优化汽车发动机缸体的显微组织和机械性能， 提高其耐高温、耐磨损和抗疲劳性能，从而提高发动机的性能和可靠性。
汽车轮毂的制造
汽车轮毂作为重要的安全部件，要求具有高强度、轻量化和良好的散热性能。通 过应用凝固组织控制技术，可以优化轮毂的显微组织和机械性能，提高其安全性 和可靠性。
开发环保、节能的铸造工艺，如真空铸造、低成本快冷工艺等，降低生产成 本与能耗。
为工业制造提供更多的技术支持与指导
产品质量控制
通过精确的凝固组织控制技术，实现产品质量的 稳定提升，降低废品率。
生产效率提高
优化铸造工艺，缩短生产周期，提高生产效率， 降低生产成本。
新产品开发与优化
结合新型合金材料与工艺，开发新产品，提高产 品性能与市场竞争力。
能源领域的应用
大型铸件的制造
在能源领域，凝固组织控制技术可用于制造大型铸件，如核 电站反应堆中的大型铸件。通过控制凝固过程，可以优化铸 件的显微组织和机械性能，提高其抗疲劳、耐高温和抗腐蚀 性能。
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。
凝固过程与控制
凝固过程与控制
凝固是物质由液态转变为固态的过程。
在材料科学和冶金学中，控制凝固过程对于获得理想的结晶微观结构和性能非常重要。
以下是凝固过程的一些常见控制方法：
1. 温度控制：通过控制凝固过程中的温度变化，可以影响晶体生长速率和晶粒尺寸。
降低温度可以促使晶体生长缓慢而细小，有利于获得细小的晶粒。
2. 界面控制：凝固过程涉及到液-固界面的形成和迁移。
通过调整界面条件，如界面能量和界面活性剂浓度，可以控制晶体生长速率和形态。
3. 搅拌和搅拌控制：在凝固过程中施加搅拌力可以打破液态中的大团聚，增加传质速率，并控制晶体的成长方向和结构。
4. 成核控制：通过添加成核剂或控制成核条件，可以控制凝固过程中的初期晶核数量和分布，从而影响最终的晶体结构。
5. 基底控制：在某些凝固过程中，使用特定的基底材料可以影响晶体的取向和生长速率。
基底的选择和处理可以有针对性地控制晶体的取向和形态。
6. 包封和保护控制：在一些凝固过程中，通过包封或保护液相，可以控制氧气或其他外界物质对凝固过程的影响，以获得所需的结构和性能。
第5讲-金属材料组织和性能控制-应变强化和凝固
因此，通过对金属材料施加超过屈服强 度的应力我们就能够使其发生应变硬化；或 者说，在对金属材料进行冷作加工时，在材 料变形的同时，也使材料发生了加工硬化。 这就是许多制造技术如线材拉拔技术的基础。
图8-2图示说明了几种冷作加工（也可进 行热作加工）的材料制造技术。后面我们会 谈及热作加工和冷作加工的区别。许多制造 技术实质上就是变形和加工硬化同时进行的 冷作加工过程，如图8-2。
• 在材料的退火过程中，可能存在三个组织转变阶段。图8-14就是黄铜 退火时的三个阶段对黄铜材料性能的影响情况。
• 回复阶段 材料的冷作加工原始组织是由变形晶粒组成，晶粒中包括大量纠缠 的
位错。当对金属开始加热，附加的热能会让位错运动并形成多边化亚晶 粒结构的边界。此时，材料中的位错密度实际上并没有改变，这种低温 退火处理能够消除冷作加工产生的残余应力，但没有使位错密度发生变 化。因此，叫做回复阶段。
3、退火 • 冷作加工是一种非常有用的强化手段，它通过拉拔、扎制和挤压等方 法为材料成型提供了良好的实现途径。但是，冷作加工也会带来不期望 的问题，如材料塑性变差、存在残余应力等。由于冷作加工硬化产生的 根源是材料中的位错密度增加而形成的，那么我们就可以认定，任何能 够使冷作材料中位错排列改变或者消除的方法度应该能够消除冷作加工 带来的影响。 • 退火处理就是用来消除或部分去除冷作加工带来的影响的一种热处理 工艺。低温退火可以去除冷作加工产生的残余应力，而且对材料的机械 性能不会产生影响。而高温退火则可以用来完全消除冷作加工材料中的 加工硬化现象，退火后的工件硬度低，塑性好，而且表面质量和尺寸精 度都很好。而工件在退火处理后，还可以进行再次冷作加工。材料经过 多次反复的冷作加工和退火处理后，就可以实现材料的大程度变形。
《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）。
第五章 铸件凝固组织的形成及控制
合金种类 碳钢及合金钢
孕育剂主要组元 Ti V
加入量wt% 0.1~0.2 0.06~0.30
加入方法
铁合金
B
铸铁 Si-Fe， Ca, Ba, Sr Ti, Zr , Ti+B, Ti+C P Zr, Zr+B, Zr+Mg, Zr+Mg+Fe+P WC, NbC
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，
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。
无对流时，即使冷却速度很大也 不出现表面细晶层。 一旦型壁附近的晶粒互相连结而大野笃美Al-0.1%Ti750℃浇注到 用冰水激冷的薄壁不锈钢杯中， 铸锭外部为柱状晶。 构成稳定的凝固壳层，凝固将转为
并细化等轴晶组织。
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
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
浇注温度
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。
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TL TS
S S+L L
T
S+L S
TL TS
S S+L
T
S
逐层凝固
2014-11-8 金属凝固原理
糊状凝固
2. 铸件的典型凝固组织与形成过程
表面细晶区 内部等轴晶区
表面细晶粒区。它是紧靠型 壁的一个外壳层，由紊乱排 列的细小等轴晶所组成；
柱状晶区。由自外向内沿着 热流方向彼此平行排列的柱 状晶所组成；
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。
3. 等轴晶的形核
（1）型壁处的晶粒游离
合金的浇注过热度对游 离晶的形成具有决定性 的影响
液态金属在铸型型壁的激冷作用下依附型壁形核，这些晶粒在长大过 程中由于根部溶质的富集产生根部“缩颈”现象，并在流体的机械冲刷和 温度反复波动的热冲击下，自型壁脱落形成游离晶。 （2）枝晶熔断
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金属凝固原理
第三节 凝固组织中的偏析及其控制
1．凝固组织中的微观偏析及其控制
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它们的表现 形式虽不同，但形成机理是相似的，都是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果，其中枝晶偏析是微观偏析的主要表现形式。
胞状偏析
晶界偏析
低合金钢柱状晶的等浓度面
铅合金
铜合金
0.02～0.04
纯金属或合金
镍基高温 合金
碳化物(WC、 NbC)等
—
碳化物粉末
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金属凝固原理
3. 动力学细化法
（1）浇注过程控制技术
4
(a)
(b)
(c)
(d)
利用浇注过程液流控制进行晶粒细化的几种方法
(a)中心浇注法 (b)沿型壁浇注 (c)沿型壁四周浇注 (d)斜板浇注 1—中间包 2—冷却水 3—游离晶 4—铸型
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金属凝固原理
（2）铸型振动 在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎 形成结晶核心。同时振动铸型可促使“晶雨”的形成。由于“晶雨”的来 源是液态金属表面的凝固层，当液态金属静止时表面凝固的金属结壳而不 能下落，铸型振动可使壳层中的枝晶破碎，形成“晶雨”。 （3）超声波振动 超声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，起到促进形核的 作用。 （4）液相搅拌 采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动， 引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。其中机械和电磁搅 拌方法不仅使晶粒细化，而且可使晶粒球化，获得流动性很好的半固态金 属，可进行半固态铸造或半固态挤压。
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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。
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2．金属或合金的凝固方式 金属或合金在铸型中凝固时,可以分为液相区、固相区和 液固两相区三个区域。
液相区
液固两相区 固相区 铸型 金属或合金凝固分区示意图
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△X
固液两相区较窄时－呈现强烈的逐层凝固特点； 固液两相区较宽时－逐层凝固特征不明显，呈现糊状凝固始幅值， A0 Cmax Cmin
可见，均匀化时间取决于枝晶间距和扩散系数。 枝晶间距越小，均匀化退火时原子扩散路程越短，故均匀化时间 越短。因此，凡能细化枝晶的各种工艺措施均有利于以后的均匀化 退火。偏析元素的扩散系数愈大，在其它条件相同时，均匀化退火 时间愈短。
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金属凝固原理
1. 传热条件控制
大量实验证实，降低浇注温度是减少柱状晶获得细等轴晶的有效措施之 一，甚至在减少液体流动的情况下也能得到细等轴晶组织。 合理控制冷却条件从而形成宽 的凝固区域和获得大的过冷可促进 熔体生核和晶粒游离。小的温度梯 度和高的冷却速度可以满足上述要 求。但就铸型的冷却能力而言，除 薄壁铸件外，这两者不可兼得。 由于高的冷却速度不仅使温 度梯度变大，而且在凝固初期还 促使稳定凝固壳层的过早形成。 因此对厚壁铸件，一般采用冷却 能力小的铸型以确保等轴晶的形 成，再辅以其它晶粒细化措施以 得到满意的效果。
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金属凝固原理
常用合金的晶粒细化剂
合 金 晶粒细化元素
Ti、Zr、Ti+B、 Ti+C Se、Bi2Se3、 Ag2Se、BeSe Zr、Zr+B、 Zr+Mg、 Zr+Mg+Fe+P
加入量(质量分数)/%
加入方法
铝合金
Ti+B：0.0l(Ti)、0.005(B) Ti+C：0.0l(Ti)、 中间合金：Al-Ti、 0.005(C) Al-Ti-B、A1-Ti-C Ti：0.15 Zr：0.2 0.0l～0.02 纯金属或合金
热流 方向 热流 方向
x
由凝固动态曲线可以看 出合金在凝固件中的凝固方 式。
⑥ ⑤ ④ ③ ② ①
金属凝固原理
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Ts
T(℃） 54 8
TL
60 0
C u A l
铸件凝固动态曲线的绘制
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a)铸件断面的温度-时间曲线b)凝固动态曲线c)某时刻的凝固状态
金属及合金的凝固方式
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2．凝固组织中的宏观偏析及其控制
铸件各部位之间化学成 分的差异
铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相 关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，宏观偏析的产生主 要与结晶过程中的溶质再分配有关，可用Scheil方程近 似地描述；当铸件以糊状凝固方式凝固时，铸件产生宏 观偏析的原因主要是凝固早期固相或液相的沉浮以及枝 晶间的液体流动。 液态金属沿枝晶间流动的原因主要有：①凝固收 缩（或膨胀）的抽吸作用促使液体流动；②冷却时液 相和固相的收缩；③由于密度差而发生的对流；④大 容积内液体对流向枝晶间的穿透；⑤固一液两相区内 气体的形成。
k0 小于1时，其值越小，偏析越严重。
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枝晶偏析在凝固后的均匀化处理
把铸件加热到低于固相线100~200oC，长期保温，使溶质 原子充分扩散， 假设枝晶偏析值近似地为正弦波，根据扩散第二定律可解出 在一定温度下经τ时间后的偏析幅值A：
A A0 exp π 2 DS / 2
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4. 铸件凝固组织形态的控制
凝固组织形态的控制主要是晶粒形态和相结构的控制。相结构在很大程 度上取决于合金的成分，而晶粒形态及其尺寸则是由凝固过程决定的。 晶粒形态的控制是凝固组织控制的关键，其次是晶粒尺寸。 柱状晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其性能具有明显的方 向性：纵向好，横向差。此外，其凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质， 特别是当不同方位的柱状晶区相遇而构成晶界时大量夹杂与气体等在该处聚集 将导致铸件热裂，或者使铸件在以后的塑形加工中产生裂纹。 等轴晶区的界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向 也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。其缺点是枝晶比较发达，显 微缩松较多，凝固后组织不够致密。等轴晶细化能使杂质和缺陷分布更加分 散，从而在一定程度上提高各项性能。一般说来，晶粒越细，其综合性能就 越好，抗疲劳性能也越高。 基于上述原因，大多数情况下希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组 织。晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制实现的。促进形核的方法包括 浇注过程控制方法、化学方法、物理方法、机械方法、传热条件控制方法等。
金属及合金的凝固方式并不唯一取决于相图，它还与凝固时的温度 梯度相关。
糊状凝固 逐层凝固
工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线 a)砂型铸造b)金属型铸造
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影响凝固方式的因素
凝固方式一般由合金固液相线温度间隔和凝固件断面温度梯度两 个因素决定。凝固温度间隔大的合金倾向于糊状凝固；反之倾向于逐 层凝固
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fS C k0C0 1 1 k0
* S
k0 1
DS f / 2
影响微观偏析的主要因素是： ① 局部凝固时间 f 或凝固速率 随着局部凝固时间的增大，扩散时 间延长，促进了成分的均匀化，偏析减轻。合理的方法是快速凝固使枝 晶细化，然后进行均匀化退火处理。 ② 合金元素的固相扩散系数DS 合金元素的固相扩散系数越大，凝 固过程的扩散就越充分，该元素的偏析也就越轻。 ③ 溶质平衡分配系数
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。
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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。
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。 （3）表面凝固和“晶雨”的形成
人为地进行表面振动有 利于“晶雨”的形成