第七章铸件宏观组织
铸件与焊缝宏观组织及其控制课件PPT
中散失，从而形成了无方向性
的表面细等轴晶组织。
材料成形基本原理
11
二、柱状晶区的形成
柱稳定状的晶凝区固开壳始层于一旦稳形定成凝，固柱壳状层 的晶就产直生接，由而表结面束细等于轴内晶部凝等固轴层晶 区的形成。因此柱状晶区的存 在某些与晶否粒及为宽基窄底程向内度生取长决，于发上展述
两成由个外因向素内综生合长作的柱用状的晶结区果。。枝如 果晶主在干凝取固向初与期热就流方使向得平内行部的产枝生 等轴晶的晶核，将会有效地抑 制晶生柱长状迅晶速的。形成。
材料成形基本原理
5
不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响
材料成形基本原理
6
1
2
3
500℃砂模700 ℃浇注 室温砂模700 ℃浇注 室温铁模700 ℃浇注
4
5
5材00料℃成铁形模基70本0原℃理浇注 室温铁模800 ℃浇注（加Ti）
7
不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响
试样 铸型材 铸型温 浇注温度 编号 料 度(℃) (℃)
材料成形基本原理
30
第四节 铸件宏观结晶组织的控制
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
材料成形基本原理
31
合理的浇注工艺 冷却条件的控制
2)合适的浇注工艺。强化液流对型壁的冲刷有 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。
三、熔池结晶组织的细化 Al-Ti-C中间合金
利等轴晶的形成和晶粒细化。 其存在和宽窄程度取决于二者的综合结果。
2．振动结晶 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。 焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池平均温度可达到1870℃，远高于铸造时的最高平均温度1550℃。
材料科学基础第七章2.3
液态合金凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外， 液态合金凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外， 由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶、 由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶、 固中发生重新分布， 固中发生重新分布，这对合金的凝固方式和晶体 的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或 的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或 宏观偏析。 宏观偏析。 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象 是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中， 是指沿一定方向结晶过程中 域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。 域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。 固溶体的凝固理论 共晶凝固理论 合金铸锭( 合金铸锭(件)的组织与缺陷
R
共晶组织的形成过程 横向扩散 搭桥机制
共晶凝固中的成分过冷
对纯二元共晶， 对纯二元共晶，共晶固相的平均成分与液相 成分一致，没有溶质聚集，不产生成分过冷， 成分一致，没有溶质聚集，不产生成分过冷， 故以平直界面方式凝固。 故以平直界面方式凝固。 如二元共晶合金中包含杂质， 如二元共晶合金中包含杂质，或有第三合金 元素存在，共晶凝固长大中， 元素存在，共晶凝固长大中，杂质元素在其 晶体界面前沿液相中聚集，造成成分过冷， 晶体界面前沿液相中聚集，造成成分过冷， 使共晶界面发展成为胞状形态 胞状形态。 使共晶界面发展成为胞状形态。
平面生长模型 胞状生长模型 树枝状生长模型
平 界 面 生 长
胞 状 生 长 树枝状生长
不同成分过冷程度的三个区域
过冷度影响因素
成分过冷对晶体生长形态的影响
7.4.2 共晶凝固理论
铸件及焊缝的宏观组织及控制
未来发展趋势与挑战
01
02
03
04
技术创新
随着新材料、新工艺的发展， 铸件和焊缝的质量和性能将得
到进一步提升。
环保要求
随着环保意识的提高，绿色铸 造和焊接技术将受到更多关注
，以降低对环境的影响。
智能化发展
智能化铸造和焊接设备的研发 和应用将提高生产效率和产品
质量。
质量控制
对铸件和焊缝的质量要求将更 加严格，需要加强质量控制和源自力学性能测试1 2
拉伸试验
测试铸件或焊缝在拉伸载荷下的强度、延伸率等 性能指标。
弯曲试验
测试铸件或焊缝在弯曲载荷下的强度、韧性等性 能指标。
3
冲击试验
通过冲击载荷测试铸件或焊缝的韧性、抵抗断裂 的能力。
04
铸件及焊缝的应用与发展趋势
铸件的应用领域
机械制造
铸件广泛应用于各种机械设备的关键部件，如发 动机、减速器等。
热处理工艺控制
热处理温度选择
01
合适的热处理温度可以改变材料的组织结构和性能，以满足使
用要求。
加热和冷却速度控制
02
加热和冷却速度对热处理效果有重要影响，需要严格控制。
保温时间确定
03
保温时间的长短会影响材料的组织和性能，需要根据实际情况
确定。
03
铸件及焊缝的质量检测与评估
外观检测
表面粗糙度
检测铸件或焊缝表面的平滑度， 判断其加工质量。
检测技术的研究和应用。
THANKS
感谢观看
尺寸精度
测量铸件或焊缝的尺寸，确保其符 合设计要求。
形状误差
检查铸件或焊缝的形状是否符合设 计图纸，有无扭曲、弯曲等缺陷。
第七章 铸件中的偏析
铸件（ 铸件（锭）中化学成分不均匀的现象称为偏析， 中化学成分不均匀的现象称为偏析， 是铸件的主要缺陷之一。 是铸件的主要缺陷之一。
偏析的分类 微观偏析 宏观偏析
一、偏析的分类 1、根据偏析的范围分
a)微观偏析：短程偏析， 微观偏析：短程偏析， 微观偏析 指微小范围内化学成分不均匀的现象。 指微小范围内化学成分不均匀的现象。
三、宏观偏析
枝晶间的流动对宏观偏析的影响
正常偏析 逆偏析
V型和逆V型偏析 型和逆V
带状偏析 重力偏析
（一）枝晶间的流动对宏观偏析的影响： 枝晶间的流动对宏观偏析的影响：
1、液态金属沿枝晶间流动的原因： 、液态金属沿枝晶间流动的原因：
•熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动； 熔体本身的流动驱使两相区的液体流动 • 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； 凝固收缩的抽吸作用促使液体流动； •密度差而发生对流 ； 密度差而发生对流
k 0：平衡分配系数
K0愈偏离1， Ds愈小，则枝晶偏析愈严重。
3.枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法： 枝晶偏析的表述法
（1）偏析系数: 偏析系数: (2) 枝晶偏析度
1 − k0
越大，枝晶偏析越严重。 越大，枝晶偏析越严重。
Cmax：某组元在枝晶偏析区内的最高浓度 ： Cmin：某组元在枝晶偏析区内的最低浓度 ： C0：某组元的原始平均浓度 ：
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。 微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。
二、微观偏析
微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果。 必然结果。 按其形式可分为： 按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
（一）枝晶偏析
铸件宏观凝固组织的特征及形成机理
（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
状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
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
•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 ：
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，
第七章 铸件中的偏析
讨论：
（3) q>1
v u 1
此时
CS C0
K0<1时 →
C* S
产生负偏析
一、正常偏析
当铸件（锭）凝固区域很窄时（逐层凝固），固 溶体初生晶生长成紧密排列的柱状晶，凝固前沿 是平滑的或为短锯齿形，枝晶间液体流动的作用 次要，宏观偏析的产生与结晶中的溶质再分配有 关。 k0<1的合金，铸件先凝固区域（铸件的外层） 的溶质浓度低于后凝固区。（k0>1的合金与之 相反）。按照结晶的规律（溶质再分配规律）， 这是正常现象，故称为正常偏析。
C k 0C0 1 fS
* S
k 0 1
q
q 1 1
q>0 k0 C0 fs 同号；
C
* S
：固液界面上固相的溶质浓度 β：凝固收缩率
μ ：等温线移动速度
V：液体沿μ方向的流动分速度 当合金一定时，CS*取决于 q， q取决于V/ μ
图6-17
③逆V型偏析是由于密度小的溶质浓化液在固液两相区上升 而引起的——沿枝晶上升。在其流经的区域，枝晶发生熔 断，形成沟槽。残余液体沿沟槽继续上升，产生逆V型偏析
④冷速降低，枝晶粗大，液体沿枝晶间的流动阻力减小，
增加V型和逆V型偏析的倾向。 ⑤铸锭凝固初期：在铸锭下半部形成负偏析区。
而铸锭的上半部则形成正偏析区。
2、按各部位的浓度Cs与Co的偏析情况分类：
CS C0 CS C0 ：正偏析 ：负偏析
微观偏析和宏观偏析也可用这种方法来分。
二、微观偏析
微观偏析是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果。
按其形式可分为： 胞状偏析 枝晶偏析 晶界偏析
铸件宏观凝固组织的控制
北京科技大学材料科学与工程学院文献综述电磁场对铸件宏观凝固组织的控制学生姓名：_________________学号：_________________专业班级：_________________批阅教师：_________________成绩：_________________2013年5月电磁场对铸件宏观凝固组织的控制摘要：随着电磁技术的发展，电磁场在控制金属凝固、改善合金组织及性能等方面将越来越重要，电磁场在材料加工方面的应用也越来越广，到目前为止，已经出现了很多种电磁加工方法。
施加复合电磁场有如下几个优点：1)在内结晶器中施加行波搅拌磁场不但能够显著的改善铸坯的凝固组织，而且电磁搅拌力引起的金属熔体强制流动能够提高管坯的内表面以及皮下质量，解决管坯内表面不易进行铣面处理的困难。
2)在外结晶器侧放置中频约束线圈能够消除管坯内外表面的偏析瘤以及波痕等缺陷。
3)空心管坯电磁连铸凝固过程的数值模拟结果表明：单独在管坯外结晶器侧放置中频约束线圈或者单独在管坯内结晶器中放置行波搅拌磁场都容易造成凝固坯壳厚度不均匀，产生裂纹缺陷。
通过在管坯内外结晶器中施加合适的复合电磁场能够改善凝固坯壳厚度不均匀的状况，消除裂纹缺陷，而且电磁搅拌加速散热能够减小液穴深度，可以提高生产效率。
关键词：电磁制动；电磁搅拌；电磁超声波；电磁热处理；流体流动；凝固组织Abstract：With the development of electromagnetic technique，electromagnetic field plays an important role in the control of metal solidification， the betterment of structure and performance．Since now，many kinds of electromagnetic methods have been used to material processing．The following merits can be acquired by the multi-electromagnetic fields：1)The stirring magnetic field can not only improve the solidification structure of the large·diameter hollow billet but also eliminate the inclusion and blow hole flaws and improve the inner-surface quality of the hollow billet to avoid the milling of the inner·surface．2)The middle frequency magnetic field can restrain the segregation bud and ripple mark of inner and outer surface of hollow billet．3)The temperature field numerical simulation of electromagnetic continuous casting of the hollow billet shows that：Both the only medium frequency coil and the only stirring magnetic field arc easy to create the crack flaw because of the non．homogeneous of the solidification shell．The imposedmulti-electromagnetic fields can not only improve the homogeneous of solidification shell to restrain the crack flaw but also speed-up the heat dissipation to decrease the melt pool and improve the production efficiency．Key words： electromagnetic brake；electromagnetic stirring；electromagnetic ultrasonic waves； heat treatment under electromagnetic field；fluid flow；so1idification structure引言：柱状晶是晶体择优生长形成的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，柱状晶体排列位向一致，因而其性能也具有明显的方向性，纵向好，横向差。
重庆大学 金属凝固原理 第7章 金属凝固的宏观组织与凝固方式
图7.11 内部柱状晶区的形成
铸
型
液 态 金 属
图7.12 柱状晶生长过程的动态演示
3.中心等轴晶区的形成
●
柱状晶在向液体内生长过 型壁上晶体的脱离随液 程中，不断排出多余的低 流进入铸件中心区域， 熔点溶质，使凝固温度降 增加了中心等轴晶区 低（即TX线变陡），同时 ●放出结晶潜热，使铸件中 晶体上分枝的熔断脱落 进入铸件中心区形成中 心液体温度升高，液体的 心等轴晶区 实际结晶温度降低（即GL 线变小），在界面前沿存 ● 顶部晶体的沉积进入铸 在较大成分过冷，当 件中心区而形成中心等 △TC(max)> △T**时，便在铸 轴晶 件中心的液体中独立生核 和长大，且此时枝晶的生 长受铸型散热方向的影响 小，在各个方向上生长成 比较均匀的粗大等轴晶。
（3）枝晶分枝的熔断脱落 ● 枝晶生长时，其分枝也因成分过冷而形成细的“脖 颈”， 遇高温液体时，产生熔断脱落。
图7.7
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（虚线表示溶质富 集层，V为枝晶生长方向） d）环己烷（Cyclohexane）的枝晶，可明显 看出分枝的缩颈
图7.1 液体中的自然对流
（3）存在着枝晶间及分枝间的液体流动（微观流动）
枝晶凝固时，发生收缩而产生负压，液体被吸入枝 晶分枝而产生微观流动
2.液体的流动对凝固过程的影响 （1）顶部晶体的沉积（铸锭上部形成等轴晶）
等轴晶
不锈钢筛网
图7.2
在坩埚中置一不锈钢筛网（大野笃美的实验）
（2）型壁上晶体的脱落及晶体的增殖
二、宏观凝固组织的形成及影响因素 1.表面细等轴晶区的形成
第七章铸件宏观组织
二、孕育处理
孕育处理( Inoculation) : 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。 孕育主要是影响生核过程, 促进非自发形核以细化晶粒；促进 晶粒游离,细化晶粒.
变质处理（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育方法。
32
4．流变铸造
这流种变细铸小造圆又整称的半固半态固铸 态造，金这属种浆方液法由是于当液具体有金 较属凝好固的达流50动～性60而％时容，易在 成氩气形保。护因下为进它行高的速温搅度拌， 远使金低属于成液为相半线固温态浆度液，， 所以对于黑色金属的
将半固态浆液凝固成坯料
压铸件来说，能大大
或挤压至铸型凝固成形。
论 三、 枝晶熔断及结晶雨理论 四.单个等轴晶形成过程的动态演示 8
一、“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。
第七章 铸件宏观组织的控制机理 及方法
一、铸件的宏观组织构成 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 四、 铸件宏观结晶组织的控制
1
一、 铸件的宏观组织构成
内部等轴晶区 表层急冷晶区
1.表面激冷细晶 区，晶粒细小均 匀
2.柱状晶区，晶 粒垂直于型壁排 列，平行于热流 方向.
中间柱状晶区
孕孕育育剂衰加退入: 几合乎金所液有后的要孕经育历剂一都个有孕在育孕期育和处衰理退后期一。 段在时孕间育出期现内孕，育作衰为退孕现育象剂. 的中间合金的某些组分完 成影熔响化孕过育程效，果或的与因合素金: 液孕反育应剂生的成种化类合(成物分，)和起孕细育化
宏观凝固组织资料
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。
材料科学基础-第七章-凝固理论
质 量 浓 度 ρ
s 0 0 1
x L
0 1
0
0 0
表面
位臵x
5
中心
2. 区域熔炼
0 x s 0 1 1 0 e l
如果合金通过由试样一端向另一端局部熔化，经过区域熔炼的固 溶体合金，其溶质浓度随距离的变化与正常凝固有所不同的，其 变化符合区域熔炼方程：P292,7.11式。该式表示经一次区域熔 炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度（不适合多次熔炼,因一 次熔炼后圆棒的成分不均匀；也不适用于最后一个熔区中因为， 熔炼区前进后，熔料的长度小于熔区长度L，得不到dm的表达 式）。 当k0<1时，凝固前端部分的溶质浓度不断降低，后端部分不断地 富集，这使固溶体经区域熔炼后的前端部分因溶质减少而得到提 纯，因此区域熔炼又称为区域提纯（zone refining）。 区域提纯是应用固溶体理论的一个突出成就。区域提纯已广泛应 用于提纯许多半导体材料、金属、有机和无机化合物，如鍺等。
7.4
二元合金的凝固理论
二元合金的凝固理论
液态金属凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外， 由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶液 中发生重新分布，这对合金的凝固方式和晶体的生 长形态产生影响，会引起微观偏析或宏观偏析。 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象,在 显微镜下观察得到。可分为胞状偏析、枝晶偏析、 晶界偏析。 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区域 范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。可 分为正常偏析、反偏析、比重偏析。 固溶体的凝固理论 共晶凝固理论 合金铸锭(件)的组织与缺陷
6
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。
材料成形基本原理3版-合工大第7章答案
第七章铸件与焊缝宏观组织及其控制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。
2.试分析溶质再分配对游离晶粒的形成及晶粒细化的影响。
答：对于纯金属在冷却结晶时候没有溶质再分配，所以在其沿型壁方向晶体迅速长大，晶体与晶体之间很快能够连接起来形成凝固壳。
当形成一个整体的凝固壳时，结晶体再从型壁处游离出来就很困难了。
但是如果向金属中添加溶质，则在晶体与型壁的交汇处将会形成溶质偏析，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，形成游离晶。
一些游离晶被保留下来并发生晶体增殖，成为等轴晶的核心，形成等轴晶，从而起到细化晶粒的作用。
铸件典型宏观凝固组织
铸件典型宏观凝固组织
铸造是一种传统的制造工艺，被广泛应用于许多领域，包括航空、汽车制造、机械制造等。
在铸造过程中，铸件的凝固组织是非常重要的，它会影响到铸件的力学性能和耐用性。
下面我们来一起探讨一下铸件的典型宏观凝固组织。
首先，铸件的典型宏观凝固组织包括两个主要部分：晶体区和凝固缩孔区。
晶体区是由多个晶粒组成的，晶粒的大小和形状对铸件的机械性能具有重要影响。
凝固缩孔区是铸件中的缩孔和气孔区域，它们通常会影响铸件的外观和表面质量。
在铸造过程中，凝固过程是铸件形成的关键步骤。
当铸件被注入熔融金属时，它会逐渐冷却并凝固。
在凝固过程中，熔融金属会凝固成固态晶体。
晶体的生长速度和形状取决于温度梯度和成分梯度。
通常情况下，晶体生长速度越快，晶粒就越小，晶体生长速度越慢，晶粒就越大。
此外，晶粒的形状也会受到铸型结构和流动条件的影响。
随着铸件的逐渐冷却，凝固缩孔区也会逐渐形成。
凝固缩孔区具有较高的孔隙率和局部亚晶粒，这会影响铸件的力学性能和表面质量。
为了降低凝固缩孔区的缺陷率，通常需要采取相应的铸造措施，例如增加铸造温度、改进铸型和流道设计等。
总之，铸件的典型宏观凝固组织是由晶体区和凝固缩孔区组成的。
晶体区由多个晶粒组成，晶粒大小和形状对铸件的机械性能具有重要影响。
凝固缩孔区具有较高的孔隙率和局部亚晶粒，会影响铸件
的力学性能和表面质量。
因此，在铸造过程中，需要采取相应的铸造措施来提高铸件的质量和性能。
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多种机制的共同作用:目前比较统一的看法是
内部等轴晶区的形成很可能是以上几种机制共同 作用的结果。在一种情况下，可能是某种机理起 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。
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四、单个等轴晶形成过程的动态演示
第七章 铸件宏观组织的控制机理 及方法
一、铸件的宏观组织构成
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 四、 铸件宏观结晶组织的控制
1
一、 铸件的宏观组织构成
内部等轴晶区 表层急冷晶区
1.表面激冷细晶 区，晶粒细小均 匀 2.柱状晶区，晶 粒垂直于型壁排 列，平行于热流 方向.
中间柱状晶区
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等轴晶 等轴晶
不锈钢筛网
a) 7500C野笃美的实验
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二、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 。
11
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?
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
晶的零件反而更具优点。 就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着
如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织
质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的 易成为集中的腐蚀通道。 成机理。
4
溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂
内部等轴晶区， 晶粒较为粗大;
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
3
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 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。 向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状
可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向
6
二、柱状晶区的形成
形成机理 : 凝固壳层一旦形成，造 柱状晶区大小 : 开始于稳定凝固壳 层的产生，而结束于内部等轴晶区 成单向的散热条件 ,由表面细等轴
的形成。因此柱状晶区的存在与否 晶凝固层某些晶粒为基底向内生 及宽窄程度取决于上述两个因素综 长合作用的结果。如果在凝固初期就 ,发展成由外向内生长的柱状晶 使得内部产生等轴晶的晶核，将会 区。枝晶主干取向与热流方向平 有效地抑制柱状晶的形成。 行的枝晶生长迅速,择优生长。
从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高
的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力
而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。 对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。 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，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。 悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的R的要求。
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
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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
19
（1）浇注工艺控制 （2）冷却条件的控制
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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。
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
浇注方式
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。
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铸型中间浇注 单孔上注 沿型壁六孔浇注 图5-8 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织
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冷却条件的控制
控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，
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
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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。
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第三节 内部等轴晶的形成机理
一、“成分过冷”理论
二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理
论 三、 枝晶熔断及结晶雨理论
四.单个等轴晶形成过程的动态演示
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一、“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。
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
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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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三、 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。
十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形 横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中
第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成
一、 表面激冷区的形成
二、 柱状晶区的形成
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一、表面激冷区的形成
形成机理:
1)型壁强烈的激冷作用，产生很大的过冷
度而大量非均质生核; 构成稳定的凝固壳层，凝固将转为
一旦型壁附近的晶粒互相连结而
各向同性，多方向生长
各向异性，四向生长
各向异性，六向生长
各向异性，双核生长
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第四节 铸件宏观结晶组织的控 制
铸件中各晶区的相对大小、晶粒的形态和粗细是由 以下两个方面的因素决定: 1)过冷熔体独立生核的能力 2)各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度
凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游 离
柱状晶区由外向内的生长，表面激
轴晶的“晶核”来源。
2)各种形式的晶粒游离也是形成表面细等
冷细晶粒区将不再发展。因此稳定 生长形态:
这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生 的凝固壳层形成得越早，表面细晶
长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也
粒区向柱状晶区转变得也就越快，
性的表面细等轴晶组织。 表面激冷区也就越窄。