材料成形原理第5章

（变质——加入少量物质通过元素的选择性分布而改变晶体 的生长形貌，如球化或细化。Modification）
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
B.强成分过冷元素：
CL (x)
C0
1
1
k
k
exp(
v DL
x)

液相中气体浓度超过某饱和气体浓度SL 时，才析出气泡，则产生过饱和浓度区
ΔX（x=Δx，CL=SL）：
x DL ln 1 k
v
k

SL C0
1

铸件中气孔的形成示意图
（2）长大条件：
气体内部各气体分压总和>外界压力 内部压力
第5章 铸件凝固组织的形成与控制
• §5-1 铸件宏观凝固组织的特征及形成机理 • 铸件的宏观凝固组织
三个晶区 ：
表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚 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 内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成
• 晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质 和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱 状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到 铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶
（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
p气=pH2+pN2+pO2+pH2O… 外界压力 pn=pa+pM+pσ
pa —为大气压
pM—金属静压力H
pσ —表面压力的附加压力 pσ=2σ/r
即： p气>pa+ H＋ 2σ/r
r ↓ pσ ↑ 难长大 异质形核 r ↑ pσ ↓ 利于长大 （3）上浮条件： 气泡脱离现成表面而上浮
取决于液、气、固三者间的表面张力
＃水蒸气反应气孔
＃碳氢反应气孔
1、危害 有效工作断面 ↓→ σb↓ δ↓ 应力集中 →裂纹 疏松 → δ↓气密性 ↓ 耐蚀性↓
2、防止措施 针对形成原因
3．析出性气孔的防止 以下主要因素影响析出性气孔的形成：
①金属液原始含气量C0 C0含量愈高，CL、Δx和Δt都将增
大，C0高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡。C0不高时， 就依附缩孔较迟析出。
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
• 晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各 种形式晶粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本 条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相 对大小和晶粒的粗细。
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§5-2 铸件宏观凝固组织的控制
• 1.铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响
表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及
图 利用旋转磁场控制 晶粒组织 柱状晶区（未加磁场） 细等轴晶区（加磁场）
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§5-3 气孔与夹杂
一、气孔
• 1.析出性气孔
• 在冷却及凝固过程中， 因气体溶解度下降，析出气
体，来不及从液面排出而形 含
成气孔。
氢 量
2.反应性气孔
金属液－铸型之间、金属液 内部发生化学反应所产生的 气孔
溶质分布方程：
对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止 晶界降低蠕变抗力。
2、铸件宏观组织的控制途径和措施
•等轴晶组织的获得和细化
强化非均匀形核 促进晶粒游离 抑制柱状晶区
（1）加入强生核剂——孕育处理
孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细 化晶粒、改善组织之目的的一种方法。Inoculation
1、来源： 内生夹杂：熔化与凝固过程冶金反应产物 脱O P S 产物 N2 、 O2 、 P 溶解 偏析 形成第二相 外来夹杂： 熔炉耐火材料 、造型材料
按形成时间先后：初生夹杂物
次生夹杂物
二次氧化夹杂物
2、危害：
连续性，均匀性破坏＝>力学性能 ↓致密性↓ 红脆 —热裂（低熔点相） 裂纹源
② 合适的浇注工艺。强化液流冲刷型壁能扩大并 细化等轴晶区。
(a)中心顶注法
（b)靠近型壁（6孔）顶注法
图 不同浇注工艺铸锭的宏观组织
（3）铸型性质和铸件结构
薄壁铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，容易 获得细等轴晶。
型壁较厚或导热性较差的铸件，等轴晶区的形成主要依 靠各种形式的晶粒游离。
a.铸型激冷能力的影响：如金属型、石墨型 b.铸型表面的粗糙度
（4） 动态晶粒细化
熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流。
（晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖） 振动－－机械振动、电磁振动、音频或超声波振动 搅拌－－机械、电磁搅拌 旋转振荡 －周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度
3
晶粒平均直径/mm
2
1
0
0
5 10 15 20
振幅/(in×10-3)
振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm）
•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 ：
• 晶粒增殖: 处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在液流中漂移 时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度波动和浓度波动的冲击 →表面反复局部熔化和反复生长→分枝根部缩颈可能断开而破碎成几部分 →在低温下各自生长为新的游离晶。
• 液态金属流动的作用：
液态金属的流动形式
浇注过程中的流动
凝固期间的对流
• 前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层
凝固壳层→界面处晶粒单向散热→晶粒逆热流方向择优生
长而形成柱状晶
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2.柱状晶区的形成
• 稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始 • 内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束
• 柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因 素综合作用结果。
• 生长方式：择优生长
•各枝晶主干方向互不相同，主 干与热流方向相平行的枝晶生长 迅速，优先向内伸展并抑制相邻 枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不 利的晶体过程中发展成柱状晶组 织。
cos 1,g 1,2 2,g
θ —气泡与现成表面的润湿角
(a) θ<90°容易脱离 (b) θ>90 °长大到颈缩后才能脱离
Leabharlann Baidu
• 动力学条件：
取决于： 上浮速度ve与凝固速度R 当ve < R时 气泡残留于金属中 ve =2(ρL-ρg)gr2/9η
• R↑ 气孔↑ • η↑ ve ↓ 气孔↑ • △ρ(实际上为ρL )↑ ve ↑ 气孔↓
2．阻止气体析出 阻止浇入铸型内的金属液析出气体的方法有： ①提高铸件冷却速度 对易产生析出性气孔的铝合金尽量采用金属型铸造。 ②提高铸件凝固时的外压 这可以有效阻止气体的析出。如将浇注的铝合金铸型放在 通入4～6大气压的压缩空气的压力宝中凝固,可有效地减少 或消除铝合金铸件中的气孔。
二 夹杂物
（2）金属液内反应性气孔 1）渣气孔 例 钢中 CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成CO •（FeO）+[C] = CO+[Fe] •（MnO）+[C] = CO+[Mn] •（SiO2）+2[C] = 2CO+ [Si] •（Cu2O）+2[H] = 2[Cu]+H2O (气)
2）金属液中元素间反应性气孔 ＃碳氧反应气孔
通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部 产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离。
强化熔体内部的非均匀形核， 孕育剂富集抑制晶体生长
时间效应 :
孕育期 孕育衰退
（2） 控制浇注条件
① 低的浇注温度。熔体的过热度较小，与浇道内 壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成 的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有 利。
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，
②冷却速度 冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易
封闭液相，凝固速度v愈大，则Δx和Δt愈小，气体来不及扩 散，因而气孔不易形成。
③合金成分 影响原始含气量C0 ，决定分配系数k和扩散 系数DL以及合金收缩大小及凝固区域。
④气体性质 氢比氮的扩散速度快
可从以下途径来防止或减少它的产生。 1．减少金属液的原始含气量C0 ①减少金属液的吸气量 尽量减少或防止气体进入金属内。 ②对金属液采取除气处理 （a）浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体， 使溶解的气体进入气泡而排除； （b）采用真空去气； （c）氧化去气，对能溶解氧的金属液（如铜液），可先 吹氧去氢，然后再脱氧； （d）冷凝除气法，即缓慢冷到凝固温度，然后迅速加热 至浇注温度。
（4）“结晶雨”游离理论
• 液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分 枝→
→密度比液体大 →下沉 →产生晶粒游离。
• 多发生在大型铸锭的凝固过程中
• 铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约
• 稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状 晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键 则是中心等轴晶区的形成。
晶粒的大小。
（1）柱状晶： 生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶
不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组 织致密。
但柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有 明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较 多的第二相杂质气体 ，将导致铸件热裂。
（2）等轴晶： 晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向
——轻金属易产生气孔（铝、镁）
（4）从铸型侵入型气孔的形成机理与此相似
p气>pa+ H＋ 2σ/r
2.反应性气孔形成机理
（1）金属液与铸型（芯）反应性气孔 （皮下气孔）
原因：铸型水分高、透气性低； 合金中有易氧化成分；熔点较高的合金（钢、铁、铜） 一定中等壁厚范围内。
机理：氢气说 氮气说——有树脂粘结剂时 CO说
生长受到强烈抑制。 远离根部，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀化，面临较大的过冷，
其生长速度要快得多。 故在晶体生长过程中将产生根部“缩颈”现象，生成头大根小的晶粒。 熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离
• 枝干生长侧面溶质偏析层阻碍侧面的生长，偶然产生的凸出部分突破此层， 进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。
也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。 枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。 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。晶粒越细综合性能越好。
对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的 柱状晶，增加其致密度；
对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多 的甚至是全部细小的等轴晶组织；
自然对流
强迫对流
铸型和液面处温度低、密度大而下沉 中心部分温度较高、密度小而上浮
溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化 游离晶体和液态金属之间密度差异
浇注过程中的注入动量 、 电磁搅拌、机械搅拌
液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用 主要是通过影响其传热和传质过程而实现的：
（1）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失， 使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于30s）从浇注温度 下降到凝固温度。 （2）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致游离 晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。 同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的 均匀化。