第8章 铸件凝固组织的形成及控制..
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孕育衰退现象：随时间的延长，孕育效果 减弱甚至消失，这种现象称为孕育衰退现象。 大多数孕育剂（生核剂）都有衰退现象。
影响孕育效果的因素： • （1）自身因素； • （2）孕育处理工艺。 • 1）温度越高，孕育衰退越快——在保证 孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育 处理温度。 • 2）孕育剂的粒度也要根据处理温度和具 体的处理方法、液态金属的体积等因素来选择。
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• （三）内部等轴晶区的形成 • 成因：内部晶核自由生长。 关于晶核来源及内部等轴 晶区的形成过程的不同理论观 点（4点）： • 1 、过冷熔体非自发生核理论： 成分过冷——生核、长大。 • 2 、激冷晶卷入理论：浇注时 产生游离激冷晶——漂到型中 心——未熔化——晶核。
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• 3、型壁晶粒脱落和枝 晶熔断理论： • 出发点：溶质再分配 • 晶粒生长时 —— 界面 前方溶质富集 —— 凝 固点降低 —— 晶体及 枝晶根部最甚、生长 被抑制 —— 其它部位 溶质易扩散走、生长 速度快 —— 产生“缩 颈 ” 现 象 —— 形 成 “细脖子晶”。
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• 2、生核剂中元素能与液态金属中的某元素形成 较高熔点的稳定化合物 这些化合物与欲细化相具有界面共格对应 关系和较小界面能。 • 如：钢 —— 加含 V 、 Ti 的生核剂 —— 形成含 V 、 Ti的的碳化物或氮化物——促进非均质生核—— 细化晶粒。 过共晶Al—Si合金——加含P生核剂——形 成磷化物、使初晶硅细化。
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• （二）柱状晶区的形成 • 1 、从表面细晶区形成并 发展起来； • 2 、稳定凝固壳形成后 — —单向热流——界面前沿 晶粒以枝晶状延伸生长； • 3 、主干与热流平行的枝 晶生长更迅速；淘汰取向 不利的晶体，成为柱状晶 组织。
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• 晶体的择优生长：互相 竞争淘汰的晶体生长过 程。 • 控制柱状晶区继续发展 的关键：内部等轴晶区 的出现。 • 穿晶组织：无内部等轴 晶区，柱状晶区一直延 伸到铸件中心，与对面 型壁长出的柱状晶相遇。 • 纯金属 —— 铸态组织全 为柱状晶。
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• •
• • •
• 2、内部等轴晶 • （ 1）晶粒间位向各不相同，晶界面积大，偏析元素、 非金属夹杂物和气体分散分布，性能均匀，无方向 性——各向同性； • （ 2 ）若内部等轴晶比较发达，缩松多，不致密，降 低性能。细化晶粒可改善性能。
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二、铸件宏观组织的控制途径和措施
• 控制铸件的宏观组织就是控制铸件柱状晶区和等轴晶 区的相对比例。 • 通常希望铸件获得全部等轴晶组织 —— 需要抑制柱状 晶的产生和生长 ——通过创造有利于等轴晶形成的条 件来达到 —— 凡是有利于小晶粒的产生、游离、漂移、 沉积、增殖的各种因素和措施均有利于扩大等轴晶区 的范围，抑制柱状晶区的形成与发展，并细化等轴晶 组织。
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在流体机械冲刷及热冲击对流作用下 —— 在“缩颈”处易断、并脱落——晶粒游离。 • 4、“结晶雨”游离理论：在液面产生过冷并形 成晶核、长大成小晶体 —— 小晶体或顶部凝固 层脱落的分枝——降落——形成游离晶体。
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两点注意
• （1）游离晶体增殖现象： 游离晶在液流中漂移， 不断受温度起伏和浓度起伏 影响，表面处于反复局部熔 化和反复生长状态 —— 缩颈 处断开 —— 晶粒破碎 —— 各 自成为新游离晶。该过程为 晶粒增殖。 • （2）四种理论都存在。不同 条件起主导作用的理论不同， 大多是几个机理综合作用。
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二、铸件宏观凝固组织的形成机理
• （一）表面细晶区的形成 早期理论：型壁附近大过冷 ——大量生核、迅速 长大并相互接触。 后期理论：非均质形核+游离晶粒晶核 游离晶粒的产生：由于溶质再分配在生长的枝晶 根部产生“缩颈”，在流动液态金属作用下枝晶熔断 或型壁晶粒脱落而游离。（溶质偏析+流动有利）。
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具体措施
• （一）向熔体加入强生核剂——孕育处理 • 控制金属和合金铸态组织的重要方法之一是控制形核。 生产中主要采用孕育处理的方法，强化非均质形核。 • 孕育处理：向液态金属中添加生核剂，影响生核过程、 增加晶核数，达到细化晶粒的目的，叫孕育处理。该生 核剂也称孕育剂。 • （类似概念）变质处理：向金属液加入某些微量物质以 影响晶体的生长机理，达到改变组织结构，提高机械性 能的目的，该处理工艺称为变质处理。 • 孕育与变质的区别：孕育主要影响生核过程，增加晶核 数实现细化晶粒；变质主要改变晶体的生长过程，通过 变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌。
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第二节 铸件宏观凝固组织的控制
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一、铸件结晶组织对铸件性能的影响
表面细晶区比较薄，对铸件性能影响较小；柱状 晶区和等轴晶区的宽度及两者比例、晶粒大小是决定铸 件性能的主要因素。 1、柱状晶 （ 1）柱状晶为细长晶体，比较粗大，晶界面积较小， 排列位向一致。 （2）性能有方向性，纵向好； （3）杂质元素、非金属夹杂物和气体被排斥在界面前 沿，分布在晶界，易形成热裂；随后的塑性加工易产生 裂纹； 所以，通常不希望得到粗大柱状晶组织。
第八章 铸件凝固组织的形成及控制
第一节 铸件宏观凝固组织的特征及形成机理
• 一、铸件宏观凝固组织的特征 根据液态金属的成分、铸型的性质、浇注及冷却条 件不同，可得到不同的凝固组织。
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铸件内通常含有三个不同形态的晶区
• 1、表面细晶区：紧靠铸型壁的激冷组织 ——激冷区。细 小等轴晶。 • 2、柱状晶区：垂直于型壁，彼此平行排列的柱状晶粒。 • 3、内部等轴晶区：各向同性的等轴晶。尺寸比表面细晶 区的粗大。 表面激冷区较薄，仅几个晶粒厚，其余两晶区较厚。 晶区数及厚度随合金成分和凝固条件而变。 铸件性能由柱状晶区和等轴晶区的相对量决定，表 面细晶区影响有限。
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生核剂分类
• • • • • • • • 1、直接作为外加晶核的生核剂 该类生核剂具备的条件： （1）与欲细化相具有界面共格对应关系； （2）高熔点的物质或同类金属、非金属碎粒； （3）与欲细化相间界面能较小、润湿角小； （4）能直接作为有效衬底促进非自发生核。 如：高锰钢——加锰铁——细化奥氏体组织； 铸铁 —— 加石墨粉 —— 增加石墨数量、 降低尺寸。
孕育衰退现象：随时间的延长，孕育效果 减弱甚至消失，这种现象称为孕育衰退现象。 大多数孕育剂（生核剂）都有衰退现象。
影响孕育效果的因素： • （1）自身因素； • （2）孕育处理工艺。 • 1）温度越高，孕育衰退越快——在保证 孕育剂均匀溶解的前提下，应采用较低的孕育 处理温度。 • 2）孕育剂的粒度也要根据处理温度和具 体的处理方法、液态金属的体积等因素来选择。
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• （三）内部等轴晶区的形成 • 成因：内部晶核自由生长。 关于晶核来源及内部等轴 晶区的形成过程的不同理论观 点（4点）： • 1 、过冷熔体非自发生核理论： 成分过冷——生核、长大。 • 2 、激冷晶卷入理论：浇注时 产生游离激冷晶——漂到型中 心——未熔化——晶核。
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• 3、型壁晶粒脱落和枝 晶熔断理论： • 出发点：溶质再分配 • 晶粒生长时 —— 界面 前方溶质富集 —— 凝 固点降低 —— 晶体及 枝晶根部最甚、生长 被抑制 —— 其它部位 溶质易扩散走、生长 速度快 —— 产生“缩 颈 ” 现 象 —— 形 成 “细脖子晶”。
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• 2、生核剂中元素能与液态金属中的某元素形成 较高熔点的稳定化合物 这些化合物与欲细化相具有界面共格对应 关系和较小界面能。 • 如：钢 —— 加含 V 、 Ti 的生核剂 —— 形成含 V 、 Ti的的碳化物或氮化物——促进非均质生核—— 细化晶粒。 过共晶Al—Si合金——加含P生核剂——形 成磷化物、使初晶硅细化。
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• （二）柱状晶区的形成 • 1 、从表面细晶区形成并 发展起来； • 2 、稳定凝固壳形成后 — —单向热流——界面前沿 晶粒以枝晶状延伸生长； • 3 、主干与热流平行的枝 晶生长更迅速；淘汰取向 不利的晶体，成为柱状晶 组织。
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• 晶体的择优生长：互相 竞争淘汰的晶体生长过 程。 • 控制柱状晶区继续发展 的关键：内部等轴晶区 的出现。 • 穿晶组织：无内部等轴 晶区，柱状晶区一直延 伸到铸件中心，与对面 型壁长出的柱状晶相遇。 • 纯金属 —— 铸态组织全 为柱状晶。
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• 2、内部等轴晶 • （ 1）晶粒间位向各不相同，晶界面积大，偏析元素、 非金属夹杂物和气体分散分布，性能均匀，无方向 性——各向同性； • （ 2 ）若内部等轴晶比较发达，缩松多，不致密，降 低性能。细化晶粒可改善性能。
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二、铸件宏观组织的控制途径和措施
• 控制铸件的宏观组织就是控制铸件柱状晶区和等轴晶 区的相对比例。 • 通常希望铸件获得全部等轴晶组织 —— 需要抑制柱状 晶的产生和生长 ——通过创造有利于等轴晶形成的条 件来达到 —— 凡是有利于小晶粒的产生、游离、漂移、 沉积、增殖的各种因素和措施均有利于扩大等轴晶区 的范围，抑制柱状晶区的形成与发展，并细化等轴晶 组织。
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在流体机械冲刷及热冲击对流作用下 —— 在“缩颈”处易断、并脱落——晶粒游离。 • 4、“结晶雨”游离理论：在液面产生过冷并形 成晶核、长大成小晶体 —— 小晶体或顶部凝固 层脱落的分枝——降落——形成游离晶体。
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两点注意
• （1）游离晶体增殖现象： 游离晶在液流中漂移， 不断受温度起伏和浓度起伏 影响，表面处于反复局部熔 化和反复生长状态 —— 缩颈 处断开 —— 晶粒破碎 —— 各 自成为新游离晶。该过程为 晶粒增殖。 • （2）四种理论都存在。不同 条件起主导作用的理论不同， 大多是几个机理综合作用。
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二、铸件宏观凝固组织的形成机理
• （一）表面细晶区的形成 早期理论：型壁附近大过冷 ——大量生核、迅速 长大并相互接触。 后期理论：非均质形核+游离晶粒晶核 游离晶粒的产生：由于溶质再分配在生长的枝晶 根部产生“缩颈”，在流动液态金属作用下枝晶熔断 或型壁晶粒脱落而游离。（溶质偏析+流动有利）。
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具体措施
• （一）向熔体加入强生核剂——孕育处理 • 控制金属和合金铸态组织的重要方法之一是控制形核。 生产中主要采用孕育处理的方法，强化非均质形核。 • 孕育处理：向液态金属中添加生核剂，影响生核过程、 增加晶核数，达到细化晶粒的目的，叫孕育处理。该生 核剂也称孕育剂。 • （类似概念）变质处理：向金属液加入某些微量物质以 影响晶体的生长机理，达到改变组织结构，提高机械性 能的目的，该处理工艺称为变质处理。 • 孕育与变质的区别：孕育主要影响生核过程，增加晶核 数实现细化晶粒；变质主要改变晶体的生长过程，通过 变质元素的选择性分布实现改变晶体的生长形貌。
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第二节 铸件宏观凝固组织的控制
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一、铸件结晶组织对铸件性能的影响
表面细晶区比较薄，对铸件性能影响较小；柱状 晶区和等轴晶区的宽度及两者比例、晶粒大小是决定铸 件性能的主要因素。 1、柱状晶 （ 1）柱状晶为细长晶体，比较粗大，晶界面积较小， 排列位向一致。 （2）性能有方向性，纵向好； （3）杂质元素、非金属夹杂物和气体被排斥在界面前 沿，分布在晶界，易形成热裂；随后的塑性加工易产生 裂纹； 所以，通常不希望得到粗大柱状晶组织。
第八章 铸件凝固组织的形成及控制
第一节 铸件宏观凝固组织的特征及形成机理
• 一、铸件宏观凝固组织的特征 根据液态金属的成分、铸型的性质、浇注及冷却条 件不同，可得到不同的凝固组织。
Hale Waihona Puke Baidu1/35
铸件内通常含有三个不同形态的晶区
• 1、表面细晶区：紧靠铸型壁的激冷组织 ——激冷区。细 小等轴晶。 • 2、柱状晶区：垂直于型壁，彼此平行排列的柱状晶粒。 • 3、内部等轴晶区：各向同性的等轴晶。尺寸比表面细晶 区的粗大。 表面激冷区较薄，仅几个晶粒厚，其余两晶区较厚。 晶区数及厚度随合金成分和凝固条件而变。 铸件性能由柱状晶区和等轴晶区的相对量决定，表 面细晶区影响有限。
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生核剂分类
• • • • • • • • 1、直接作为外加晶核的生核剂 该类生核剂具备的条件： （1）与欲细化相具有界面共格对应关系； （2）高熔点的物质或同类金属、非金属碎粒； （3）与欲细化相间界面能较小、润湿角小； （4）能直接作为有效衬底促进非自发生核。 如：高锰钢——加锰铁——细化奥氏体组织； 铸铁 —— 加石墨粉 —— 增加石墨数量、 降低尺寸。