材料科学基础第七章2.3

2.影响晶区分布的因素
(1)冷却强度（或冷却速度） 冷却强度大的模子散 热能力强，造成铸型中的液体有大的温度梯度，引 起发达的柱状晶。冷却强度由实际的浇注条件决定， 故金属模比砂模柱晶发达，冷模比热模柱晶发达。 (2) 液体金属的过热 液体金属过热，增大内外温 差和温度梯度，加强了单向散热。而且，过热使液 体中部不易形核以形成等轴晶，延长了柱状晶的生 长，从而得到发达的柱状晶区。 (3)外来夹杂或变质剂 外来夹杂或变质剂可促使液 体中部形核，形成等轴晶区，使柱状晶区缩小。

液固界面前沿液体中的溶质浓度分布导致的成分过冷
(2)
成分过冷产生的临界条件
影响成分过冷倾向大小的因素可分为两大类：
一类是外界条件控制的参数温度梯度G和凝 固速度R。 当G值越小和R值越大，越容易产生成分过 冷。 另一类反映合金性质的参数液相线斜率m、 平衡分配系数k0和溶质浓度W0 。 液相线斜率m大、平衡分配系数k0小和合金 溶质浓度W0大，都容易产生成分过冷。
1.影响晶粒大小的因素
(3)加热温度 金属熔化后高于熔点的加热温度叫作 过热。过热对铸锭晶粒大小有重要影响。一方面过 热可使作为非自发形核基底的夹杂熔化，降低形核 率。另一方面能促使液态金属过冷，增大过冷度， 使形核率增加。因此过热的作用要具体分析。 矛盾的主导方面决定于浇注条件，当锭模冷却 能力不大时，如砂模，热金属模，过热减小非自发 核心的作用是主要的，因而使晶粒变得粗大。而当 锭模冷却能力很大，液体量不多时，则过热促进过 冷的作用是主要的，可导致晶粒细化，在一般情况 下，过热使晶粒粗化的作用是主要的。
7.4 二元合金的 凝固理论
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、 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 宏观偏析。 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 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(件)的组织与缺陷
1.影响晶粒大小的因素
(2)变质处理 实际铸锭凝固，主要依靠非均匀形核。 人为加入形核剂可增加非自发晶核的形核数目，这 种处理称为变质处理，加入的形核剂称为变质剂。 通过变质处理可细化铸锭的晶粒。如以金属模浇注 纯铝（纯度99.99%），每立方厘米体积中有2个晶 粒，加入0.2%~0.3%Ti，得到170~180个晶粒，加 入0.5%Zr，得到186个晶粒，加入0.2%B，得到130 个晶粒，显示出细化效果。常用的变质剂有高熔点 的金属和化合物，如铝合金中加入Ti，Nb和TiC， 铜合金中加入Fe，低合金钢中加入Ti，Al，碳化物 等。
7.4.1 固溶体的凝固理论
1.正常凝固 2.区域熔炼 3.有效分配系数ke 4.合金凝固中的成分过冷
1. 正常凝固及平衡分配系数k0
平衡凝固（equilibrium solidification）：在凝固 过程中固相和液相始终保持平衡成分，即冷却时 固相和液相的整体成分分别沿着固相线和液相线 变化。 合金凝固时，要发生溶质的重新分布，重新分 布的程度可用溶质平衡分配系数（ equilibrium distribution coefficient）k0表示。 平衡分配系数为平衡凝固时固相的质量分数 WS 和液相的质量分数 WL之比(即液固两平衡相中溶 质浓度之比)，即： k0 = WS/WL
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，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， 故以平直界面方式凝固。 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，杂质元素在其 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。
1. 正常凝固及平衡分配系数k0
平衡凝固一般难实现，由于冷却时冷
速过快固相和液相的整体成分不可能达 到平衡成分，凝固为非平衡凝固 （nonequilibrium solidification）。 在非平衡条件下，已凝固的固相成分 随凝固先后顺序而变化。即随凝固距离x 而变化。（如图7.65所示）
7.4.3

合金铸锭(件)的组织与缺陷
零件的获得途径： ①铸件 ②铸锭—开坯—热轧(锻)—机加工— 热处理—机加工等工序 铸锭(件)的宏观组织及性能 铸锭(件)的缺陷 —缩孔与偏析
1. 铸锭(件)的宏观组织
典型宏观组织由表层至中心分为： （1）表层细晶区（激冷区chill zone）： （2）柱状晶区形（columnar zone）： （3）中心等轴晶粒区（equiaxed crystal zone）： 镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铝 粉进行充分脱氧 。 沸腾钢：钢液在浇注前仅用锰进行充分脱 氧 ，脱氧不充分。
1.影响晶粒大小的因素
(4)液体金属的振动 采用机械振动、超声波振动和 电磁搅拌等措施使液体金属在锭模中运动，可促使 依附在模壁上的细晶脱落，使柱晶局部折断，增加 晶核的数目而使晶粒细化。
2.影响晶区分布的因素
晶区分布主要指柱状晶区和等轴晶区的分布。 细晶区壳层很薄，对铸锭性能无重要影响，故不予 考虑。柱状晶区和等轴晶区的分布取决于散热方向， 单向散热使柱晶发达，而各向散热则形成等轴晶区。 散热方向决定于铸型中液体的温度梯度，温度梯度 大者，单向散热厉害而形成柱状晶。
区域提纯是应用固溶体理论的一个突出

3. 有效分配系数ke （自学）
4. 合金凝固中的成分过冷
(1)成分过冷的概念

纯金属凝固时， Tm 不变，当 T＜Tm 时引起过冷， 液体的过冷度完全取决于实际温度分布，这种过 冷称为热过冷。 在合金凝固时，由于液相中溶质分布发生变化而 改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定， 因此，将界面前沿液体中的实际温度低于溶质分 布所决定的凝固温度时产生的过冷，称为成分过 冷（constitutional supercooling）。 成分过冷能否产生及程度取决于液固界面前沿液 体中的溶质浓度分布和实际温度分布这两个因素。
铸锭三区的形成 1.表面细晶区 表面细晶区是与模壁接触的液体薄层在 强烈过冷的条件下结晶而形成的。强烈过冷 的液体以及模壁及其上的杂质可作为非均匀 形核的基底，促使形成大量的核心，同时由 于细晶区处于过冷的液体中，晶核可以树枝 状向各个不同方向长大，因而形成细小、等 轴晶粒。由于细晶区结晶很快，放出的结晶 潜热来不及散失，而使液、固界面的温度急 剧升高，使细晶区很快便停止了发展，得到 一层很薄的细晶区壳层。
1.影响晶粒大小的因素
(1)冷却速度 液体在铸锭中的冷却速度决定了其凝 固时的过冷度。冷速增大，结晶过程来不及进行， 结晶在更低的温度下发生，因而过冷度增大，形核 率增加。因此，随凝固时的冷却速度增加，晶粒变 细 。 冷却速度取决于实际的浇注条件，包括：锭模 材料、锭模预热情况、浇注温度和浇注速度。如金 属模比砂模冷却快、金属厚模比薄模冷却快、不预 热的冷模比预热的热模冷却快；同样锭模条件下， 低的浇注温度、慢的浇注速度比高的浇温、快的浇 速冷却快；相应在较快冷却的浇注条件下可以得到 较大的过冷度，形成细小的晶粒。
(3)
成分过冷对晶体生长形态的影响
固溶体凝固时在正的温度梯度下，
由于凝固界面液相中存在成分过冷， 并随着成分过冷冷度从小到大，其 界面生长形态将从平直界面向胞状 和树枝状发展。而纯金属凝固时须 在负的温度梯度下才得到树枝状组 织。这是二者的区别。
平面生长模型 胞状生长模型 树枝状生长模型
平 界 面 生 长

铸锭三区的形成 3.中心等轴晶区
柱状晶长大过程中，铸锭温度升高，中心液体 温度逐渐降低至熔点以下，达到一定的过冷度。或 者，对合金铸锭，由于结晶中固相排出溶质原子， 使液相富集溶质原子，尽管在正温度梯度下也可产 生大的成分过冷。在中心过冷液体中，依靠外来夹 杂可以非均匀形核。此外，由于浇注时液体金属的 流动、冲刷，可将细晶区的小晶体推至铸锭中心， 或将柱状晶区枝晶的分枝冲断，或树枝晶局部脱落， 飘移到中心液体中，成为晶核。这些晶核在过冷液 体中的生长没有方向性，而形成等轴晶体。等轴晶 生长到与柱状晶相遇，便停止生长。
铸锭组织的控制
铸锭组织对材料性能有重要影响，细小晶 粒有好的强韧性能，粗大晶粒使性能变坏。 晶区分布也影响性能，柱状晶纯净、致密， 但在其交界处结合差，聚集杂质，形成弱界 面，热加工时容易开裂，故应防止柱晶形成 穿晶组织。等轴晶晶粒间结合紧密，不形成 弱界面，有好的热加工性。 铸锭组织（晶粒大小和晶区分布）可通 过凝固时的冷却条件来控制。
2.影响晶区分布的因素
综合以上因素对铸锭组织的影响，有以 下趋势： 液体金属过热得到粗而长的柱晶， 加大锭模冷速发展细而长的柱晶，锭模 预热得到粗大等轴晶，添加变质剂发展 细小等轴晶。
镇静钢锭宏观组织示意图
沸腾钢锭宏观组织示意图
焊缝区的组织－晶粒形态
铸锭组织的控制 1.影响晶粒大小的因素 铸锭组织的晶粒大小指等轴晶的大小和柱 状晶的粗细，它取决于凝固时的形核率I和核 心长大速度u。可以导出，单位体积中的晶粒 数目为： Z = 0.9(I /u)3/4 即形核率愈大，长大速度愈小，单位体 积中晶粒数愈多，晶粒愈细小。 在形核率和长大速度的影响中，前者起 主导作用，因此，实际生产中主要通过改变 形核率控制晶粒大小。
X
X

锭模凝固模型
1. 正常凝固及平衡分配系数k0
正常凝固方程：
x S 0 k 0 1 L
k0 1
正偏析：溶质浓度由锭表面向中心逐渐 增加的不均匀分布。它是宏观偏析的一 种。 这种偏析通过扩散退火也难以消除。
2. 区域熔炼
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：
S 0 1 1 k 0 e
Hale Waihona Puke Baidu
k0 x l

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。
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）。 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 等。如锗
铸锭三区的形成 2.柱晶区 细晶区形成后，模壁温度升高，散热减 慢，液体冷速降低，过冷度减小，不再生核。 细晶区中生长速度快的晶体可沿垂直模壁的 散热反方向发展。其侧向生长因相互干扰而 受阻，因而形成一次主轴发达的柱状晶。 具有较大生长速度的柱状晶的晶体学方 向在面心和体心立方晶体中是<100>，在密排 六方晶体中为 1 010

WS1
WL1
WL
WS2
WL2
WS
WL
WS

K0>1
K0<1
k0＜l时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度降低； k0＞1时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高。 k0越接近1，表示该合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分 越接近，即重新分布的程度越小。
当固、液相线假定为直线时，由几何方法不难证明k0为常数。
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
典型共晶组织 1.共晶组织分类及形成机制 (1)金属—金属型：层片状或棒状共晶。 影响形状的因素： ① 共晶中两组成相的相对量（体积分数）。 若共晶中两相中一相的体积分数小于 27.6%时，有 利于形成棒状；反之有利于形成层片状。 ②相界面的比界面能。 在共晶中一相的体积分数在 27.6%以下时，当比界 面能降低有利于降低体系的能量时，有利于形成层片状。 当界面面积降低有利于降低体系的能量时，倾向于形成 棒状。 k 共晶体层片间距：