第4章 铸件凝固组织的形成及控制-精简版

第4章 铸件凝固组织的形成及控制

第一节 第二节 第三节 第四节
铸件的宏观组织 表面激冷区及柱状晶区的形成 内部等轴晶的形成机理 铸件宏观结晶组织的控制

第一节 铸件的宏观组织
内部等轴晶区 表层急冷晶区
u激冷晶区的晶 粒细小 u柱状晶区的晶 粒垂直于型壁排 列，且平行于热 流方向
中间柱状晶区
u内部等轴晶区 的晶粒较为粗大

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
u柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性
各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件
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 •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 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
u如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织
易成为集中的腐蚀通道。 成机理。
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

一、表面激冷区的形成
• 型壁附近熔体由于受到强烈的 一旦型壁附近的晶粒互相连结而 激冷作用，产生很大的过冷度而
构成稳定的凝固壳层，凝固将转为 大量非均质生核,各种形式的晶粒 游离也是形成表面细等轴晶的 柱状晶区由外向内的生长，表面激 “晶核”来源。这些晶核在过冷熔 冷细晶粒区将不再发展。因此稳定 体中采取枝晶方式生长，由于其 的凝固壳层形成得越早，表面细晶 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 粒区向柱状晶区转变得也就越快， 无方向性的表面细等轴晶组织。 表面激冷区也就越窄。

二、柱状晶区的形成
• 稳定的凝固壳层一旦形成，柱状 • 柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产 晶就直接由表面细等轴晶凝固层 生，而结束于内部等轴晶区的形 成。因此柱状晶区的存在与否及宽 某些晶粒为基底向内生长，发展 窄程度取决于上述两个因素综合作 成由外向内生长的柱状晶区。枝 用的结果。如果在凝固初期就使得 晶主干取向与热流方向平行的枝 内部产生等轴晶的晶核，将会有效 晶生长迅速 。 地抑制柱状晶的形成。

第三节 内部等轴晶的形成机理
一、过冷熔体非自发形核理论 二、激冷形成的晶核卷入理论 三、型壁晶粒脱落及枝晶熔断理论 四、结晶雨游离理论

一、过冷熔体非自发形核理论
该理论认为，随着柱状晶层向内推移和溶质 再分配，在固-液界面前沿产生成分过冷，当成 分过冷度大于非自发形核所需过冷度时，则在熔 体内部产生晶核并长大，导致内部等轴晶的形 成。

二、激冷形成的晶核卷入理论

大野笃美等认为，在铸件浇注和凝固初期的激冷层形成之前，由于浇道、型壁等处的激冷作用而使其附近的熔体过冷，并通过非均质形核作用在熔体内形成大量游离状态的激冷晶体，这些小晶体随液流的流动漂移到铸型的中心区域。如果液态金属的浇注温度不高，小晶体就不会全部熔化掉，残存下来的晶体可以作为内部等轴晶的晶核。

a

b 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离

1) 晶体密度比熔体小的情况; 2)晶体密度比熔体大的情况

三、型壁晶粒脱落及枝晶熔断理论

•溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“缩颈”，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“缩颈”，使晶体脱落并游离出去。

游离晶体的生长、局部熔化与增殖

四、结晶雨游离理论

•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，称为“结晶雨”理论。

•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。

第四节铸件宏观结晶组织的控制

一、铸件宏观组织对铸件性能的影响

铸件的宏观结晶组织对铸件的性能具有直接影响，但各结晶区的影响程度不同。表面细晶粒区由于比较薄，对铸件的性能影响较小；而柱状晶区和等轴晶区

的宽度、晶粒的大小均随合金成分及凝固条件的不同变化较大，才是决定铸件性能的主要因素。

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，同时柱状晶体排列位向一致，因而其性能也具有明显的方向性。一般地说，纵向性能较好，横向差。另外，柱状晶生长过程中某些杂质元素、非金属夹杂物和气体易于被排斥在界面前沿，最后分布在柱状晶与柱状晶或等轴晶的交界面处，形成所谓的性能“弱界面”，凝固末期易于在该处形成热裂纹。对于铸锭来说，还易于在以后的塑性加工或轧制过程中产生裂纹。因此，通常铸件不希望获得粗大的柱状晶组织。

但是，鉴于柱状晶在轴向具有良好的性能，对于某些特殊的轴向受拉应力的铸件，如航空发动机叶片则往往特意采用定向凝固技术，控制单向散热，获得全部单向排列的柱状晶组织，以提高铸件的性能和可靠性。

内部等轴晶区的等轴晶粒之间位向各不相同，晶界面积大，而且偏析元素、非金属夹杂物和气体的分布比较分散，等轴枝晶彼此嵌合，结合比较牢固，因而不存在所谓“弱面”，性能比较均匀，没有方向性，即所谓各向同性，使材料性能均匀化，这是一般铸件生产所需要的。另外，细化等轴晶可以使杂质元素和非金属夹杂物、显微缩松等缺陷更加分散，可以显著提高材料的力学性能和抗疲劳性能。因此生产上往往采取措施来细化等轴晶粒，以获得较多甚至全部是细小等轴晶的组织。