第五章結(jié)晶組織的形成及控制

1、第五章第五章 結(jié)晶組織的形成及控制結(jié)晶組織的形成及控制1鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理2鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制3熔池凝固及焊縫金屬組織熔池凝固及焊縫金屬組織材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering導(dǎo)入案例導(dǎo)入案例目前國(guó)內(nèi)小型航空葉片工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的是高速凝固法目前國(guó)內(nèi)小型航空葉片工業(yè)生產(chǎn)中普遍應(yīng)用的是高速凝固法(HRS)(HRS)定向凝固工藝。隨鑄型尺寸增加，定向凝固中的溫度梯度顯著降低，較定向凝固工藝。隨鑄型尺寸增加，定向凝固中的溫度梯度顯著降低，較易出

2、現(xiàn)斑點(diǎn)、等軸晶等鑄造缺陷，同時(shí)在高溫下合金與模殼、陶瓷型芯易出現(xiàn)斑點(diǎn)、等軸晶等鑄造缺陷，同時(shí)在高溫下合金與模殼、陶瓷型芯容易發(fā)生反應(yīng)。容易發(fā)生反應(yīng)。 20102010年中國(guó)科學(xué)院金屬研究所依托大中型年中國(guó)科學(xué)院金屬研究所依托大中型LMCLMC設(shè)備，突破了一系列設(shè)備，突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，包括低熔點(diǎn)合金污染的控制、隔熱層裝置選材及配置、大型關(guān)鍵技術(shù)，包括低熔點(diǎn)合金污染的控制、隔熱層裝置選材及配置、大型鑄件穩(wěn)定懸臂拉伸系統(tǒng)、大型鑄件穩(wěn)定懸臂拉伸系統(tǒng)、大型LMCLMC設(shè)備半連續(xù)工作、高強(qiáng)防裂型殼等，設(shè)備半連續(xù)工作、高強(qiáng)防裂型殼等，成功制備出了長(zhǎng)度為成功制備出了長(zhǎng)度為430mm430mm的大型定向結(jié)晶

3、鑄件和葉片樣件。的大型定向結(jié)晶鑄件和葉片樣件。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering 鑄件的宏觀組織通常由鑄件的宏觀組織通常由激冷晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶激冷晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)所組成。區(qū)所組成。1 1 鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering現(xiàn)下圖所示的四種情況：只有柱狀晶（圖現(xiàn)下圖所示的四種情況：只有柱狀晶（圖a a）；表面細(xì)等軸）；表面細(xì)等軸晶加柱狀晶（圖

4、晶加柱狀晶（圖b b）；三個(gè)晶區(qū)都有（圖）；三個(gè)晶區(qū)都有（圖c c）；只有等軸晶（圖）；只有等軸晶（圖d d）。甚至由激冷區(qū)和柱狀區(qū)所組成。即使是具有三個(gè)晶區(qū)的宏）。甚至由激冷區(qū)和柱狀區(qū)所組成。即使是具有三個(gè)晶區(qū)的宏觀組織，其各個(gè)晶區(qū)所占的比例因觀組織，其各個(gè)晶區(qū)所占的比例因凝固條件不同凝固條件不同往往也是不一往往也是不一樣的，這造成樣的，這造成鑄件宏觀組織多樣化鑄件宏觀組織多樣化。柱狀晶（圖柱狀晶（圖a a）表面細(xì)等軸晶加表面細(xì)等軸晶加柱狀晶（圖柱狀晶（圖b b）等軸晶（圖等軸晶（圖d d）1 1）鑄件宏觀凝固組織的特征）鑄件宏觀凝固組織的特征材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院Colleg

5、e of Materials Science & Engineering一、表面細(xì)晶區(qū)的形成一、表面細(xì)晶區(qū)的形成 表面細(xì)晶區(qū)中的晶粒通常是表面細(xì)晶區(qū)中的晶粒通常是無(wú)方向性的細(xì)等軸晶無(wú)方向性的細(xì)等軸晶。根據(jù)傳統(tǒng)理論，當(dāng)液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時(shí)，根據(jù)傳統(tǒng)理論，當(dāng)液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時(shí)，型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過(guò)產(chǎn)生很大的過(guò)冷度而大量非均質(zhì)生核冷度而大量非均質(zhì)生核。這些晶核在過(guò)冷熔體中也采用。這些晶核在過(guò)冷熔體中也采用枝晶方式生長(zhǎng)，由于其結(jié)晶潛熱即可從型壁導(dǎo)出，也可枝晶方式生長(zhǎng)，由于其結(jié)晶潛熱即可從型壁導(dǎo)出，也可以向過(guò)冷熔體中散

6、失，從而形成了無(wú)方向性的細(xì)等軸晶以向過(guò)冷熔體中散失，從而形成了無(wú)方向性的細(xì)等軸晶組織。組織。 2 2）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering二、柱狀晶區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成 對(duì)于對(duì)于純金屬純金屬，其凝固前沿基本上呈，其凝固前沿基本上呈平面生長(zhǎng)平面生長(zhǎng)，故其擇優(yōu)生長(zhǎng)并不明顯，凝固前沿以平面生長(zhǎng)的方故其擇優(yōu)生長(zhǎng)并不明顯，凝固前沿以平面生長(zhǎng)的方式式逆著熱流方向向內(nèi)伸展逆著熱流方向向內(nèi)伸展而成為而成為柱狀晶組織柱狀晶組織。對(duì)于。對(duì)于合金合金，當(dāng)溶質(zhì)元素在固，當(dāng)溶質(zhì)

7、元素在固- -液界面前沿富集而逐漸增液界面前沿富集而逐漸增多時(shí)，柱狀晶區(qū)的亞組織能呈現(xiàn)出從多時(shí)，柱狀晶區(qū)的亞組織能呈現(xiàn)出從平面生長(zhǎng)、胞平面生長(zhǎng)、胞狀生長(zhǎng)直到樹枝狀生長(zhǎng)狀生長(zhǎng)直到樹枝狀生長(zhǎng)等各個(gè)階段的結(jié)構(gòu)形態(tài)。等各個(gè)階段的結(jié)構(gòu)形態(tài)。2 2）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering由于固由于固- -液界面處液界面處單向的散熱條件單向的散熱條件（垂（垂直于界面方向），處于凝固界面前沿的直于界面方向），處于凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流作用下，晶粒在垂直于型壁

8、的單向熱流作用下，便轉(zhuǎn)而以枝晶狀單向延伸生長(zhǎng)，由于各便轉(zhuǎn)而以枝晶狀單向延伸生長(zhǎng)，由于各枝晶主干方向各不相同，那些主干取向枝晶主干方向各不相同，那些主干取向與熱流方向與熱流方向平行的枝晶平行的枝晶，較之較之取向不利取向不利的相鄰枝晶生長(zhǎng)更為的相鄰枝晶生長(zhǎng)更為迅速迅速，它們優(yōu)先向，它們優(yōu)先向內(nèi)伸展并內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶抑制相鄰枝晶的生長(zhǎng)，在逐漸的生長(zhǎng)，在逐漸淘汰取向不利的晶體過(guò)程中發(fā)展成柱狀淘汰取向不利的晶體過(guò)程中發(fā)展成柱狀晶組織，這個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)淘汰的晶體生長(zhǎng)晶組織，這個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)淘汰的晶體生長(zhǎng)過(guò)程稱為過(guò)程稱為晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)。晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)。2 2）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)

9、理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering三、內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成三、內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成是由于熔體內(nèi)部晶核自由熔體內(nèi)部晶核自由生長(zhǎng)的結(jié)果生長(zhǎng)的結(jié)果。（一）、過(guò)冷熔體非自發(fā)生核理論（一）、過(guò)冷熔體非自發(fā)生核理論（二）、激冷形成的晶核卷入理論（二）、激冷形成的晶核卷入理論等軸晶體即便在澆注過(guò)程中沒(méi)有來(lái)得及形成，等軸晶體即便在澆注過(guò)程中沒(méi)有來(lái)得及形成，那么澆注完畢凝固的開始那么澆注完畢凝固的開始 階段，在型壁處形成的階段，在型壁處形成的晶體，由于其密度或大于母液或小于母液也會(huì)產(chǎn)晶體

10、，由于其密度或大于母液或小于母液也會(huì)產(chǎn)生對(duì)流，依靠對(duì)流可將型壁處產(chǎn)生的晶體脫落且生對(duì)流，依靠對(duì)流可將型壁處產(chǎn)生的晶體脫落且游離到鑄件的內(nèi)部。游離到鑄件的內(nèi)部。2 2）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering產(chǎn)生這種對(duì)流的示意圖。產(chǎn)生這種對(duì)流的示意圖。此外，型壁處和鑄件心部的此外，型壁處和鑄件心部的液體溫度差造成的熱液體溫度差造成的熱溫對(duì)流溫對(duì)流也使晶體由型壁處向內(nèi)部熔體游離。也使晶體由型壁處向內(nèi)部熔體游離。2 2）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理）鑄件宏觀凝固組織的形

11、成機(jī)理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering 對(duì)那些對(duì)那些溶質(zhì)偏析嚴(yán)重溶質(zhì)偏析嚴(yán)重而易于產(chǎn)生較細(xì)脖頸的晶體來(lái)而易于產(chǎn)生較細(xì)脖頸的晶體來(lái)說(shuō)，在某些區(qū)域可能發(fā)生說(shuō)，在某些區(qū)域可能發(fā)生脖頸根部的熔斷脖頸根部的熔斷而使一個(gè)晶體而使一個(gè)晶體分離成幾個(gè)晶體，使游離晶數(shù)量增加，即晶體發(fā)生增殖。分離成幾個(gè)晶體，使游離晶數(shù)量增加，即晶體發(fā)生增殖。2 2）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering（三）

12、、（三）、 枝晶熔斷及結(jié)晶理論枝晶熔斷及結(jié)晶理論JacksonJackson等人提出，生等人提出，生長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增值導(dǎo)致了內(nèi)固界面前方的熔斷、游離和增值導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成部等軸晶晶核的形成，稱為，稱為“枝晶熔斷枝晶熔斷”理論理論。 （四）、（四）、“結(jié)晶雨結(jié)晶雨”游離理論游離理論液面冷卻產(chǎn)生的晶粒液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，區(qū)前方的液體中，下落過(guò)程中也發(fā)生熔斷下落過(guò)程中也發(fā)生熔斷和增殖和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來(lái)源，稱為主要來(lái)源，稱為“結(jié)晶雨結(jié)晶雨”

13、理論理論。2 2）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理）鑄件宏觀凝固組織的形成機(jī)理材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering一、鑄件結(jié)晶組織對(duì)鑄件性能的影響一、鑄件結(jié)晶組織對(duì)鑄件性能的影響鑄件的結(jié)晶組織對(duì)鑄件的性能具有直接影響。但鑄件的結(jié)晶組織對(duì)鑄件的性能具有直接影響。但影響程度不同，影響程度不同，表面細(xì)晶粒區(qū)表面細(xì)晶粒區(qū)由于比較由于比較薄薄，對(duì)，對(duì)鑄件的性能影響較小，鑄件的性能影響較小，柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的的寬度及兩者的比例、晶粒的大小寬度及兩者的比例、晶粒的大小才是決定鑄件才是決定鑄件性能的性能的主要因素

14、主要因素。柱狀晶是晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成的細(xì)長(zhǎng)晶體，比較粗柱狀晶是晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成的細(xì)長(zhǎng)晶體，比較粗大，晶界面積較小，柱狀晶體排列位向一致。大，晶界面積較小，柱狀晶體排列位向一致。內(nèi)部等軸晶區(qū)的等軸晶粒之間位向各不相同，內(nèi)部等軸晶區(qū)的等軸晶粒之間位向各不相同，晶界面積大，而且偏析元素、非金屬夾雜物和晶界面積大，而且偏析元素、非金屬夾雜物和氣體的分布比較分散，等軸枝晶彼此嵌合，結(jié)氣體的分布比較分散，等軸枝晶彼此嵌合，結(jié)合比較牢固，性能比較均勻，即所謂各向同性合比較牢固，性能比較均勻，即所謂各向同性。 2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College

15、 of Materials Science & Engineering二、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施二、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施鑄件中三個(gè)晶區(qū)的形成是相互聯(lián)系、彼此制約的。從鑄件中三個(gè)晶區(qū)的形成是相互聯(lián)系、彼此制約的。從本質(zhì)上說(shuō)，本質(zhì)上說(shuō)，晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是乃是過(guò)冷熔體獨(dú)立生過(guò)冷熔體獨(dú)立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對(duì)大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。相對(duì)大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。通常在技術(shù)上采取如下幾

16、方面的措施：通常在技術(shù)上采取如下幾方面的措施： 2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering1.向熔體中加入強(qiáng)形核劑向熔體中加入強(qiáng)形核劑控制金屬和合金鑄態(tài)組織重要方法之一是控制金屬和合金鑄態(tài)組織重要方法之一是控制形核控制形核。在實(shí)際鑄件生產(chǎn)中應(yīng)用的主要方法是向液態(tài)金屬中在實(shí)際鑄件生產(chǎn)中應(yīng)用的主要方法是向液態(tài)金屬中添加形核劑或稱孕育劑，進(jìn)行添加形核劑或稱孕育劑，進(jìn)行孕育處理孕育處理。加入形核劑的目的是強(qiáng)化非均質(zhì)形核。根據(jù)形核質(zhì)加入形核劑的目的是強(qiáng)化非均質(zhì)形核。根據(jù)形核質(zhì)

17、點(diǎn)的作用過(guò)程，形核劑主要有以下幾類：點(diǎn)的作用過(guò)程，形核劑主要有以下幾類： 直接作為外加晶核的形核劑直接作為外加晶核的形核劑 能形成較高熔點(diǎn)穩(wěn)定化合物的形核劑能形成較高熔點(diǎn)穩(wěn)定化合物的形核劑 通過(guò)在液相中微區(qū)富集使結(jié)晶相提前彌散析出形成通過(guò)在液相中微區(qū)富集使結(jié)晶相提前彌散析出形成的形核劑的形核劑 含強(qiáng)成分過(guò)冷元素的形核劑含強(qiáng)成分過(guò)冷元素的形核劑 2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering2. .控制澆注工藝和增大鑄件冷卻速度控制澆注工藝和增大鑄件冷卻速度 （一）采用較

18、低的澆注溫度（一）采用較低的澆注溫度大量試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐表明，大量試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐表明，降低澆注溫度降低澆注溫度是減少柱狀晶、是減少柱狀晶、獲得細(xì)等軸晶的獲得細(xì)等軸晶的有效措施之一有效措施之一，尤其是對(duì)于高錳鋼那樣，尤其是對(duì)于高錳鋼那樣導(dǎo)熱性較差的合金而言，其效果更為顯著。較低的澆注導(dǎo)熱性較差的合金而言，其效果更為顯著。較低的澆注溫度溫度一方面一方面有利于從型壁上脫離的晶粒、枝晶熔斷產(chǎn)生有利于從型壁上脫離的晶粒、枝晶熔斷產(chǎn)生的晶粒以及自由表面產(chǎn)生的晶粒雨更多地殘存下來(lái)，減的晶粒以及自由表面產(chǎn)生的晶粒雨更多地殘存下來(lái)，減少被重新熔化的數(shù)量；少被重新熔化的數(shù)量；另一方面另一方面，由于熔體的過(guò)熱度小，由

19、于熔體的過(guò)熱度小，易于產(chǎn)生較多的游離晶粒。這兩個(gè)方面均對(duì)等軸晶的，易于產(chǎn)生較多的游離晶粒。這兩個(gè)方面均對(duì)等軸晶的形成和細(xì)化有利。但是澆注溫度不能過(guò)低、否則會(huì)由于形成和細(xì)化有利。但是澆注溫度不能過(guò)低、否則會(huì)由于液態(tài)金屬流動(dòng)性的降低而產(chǎn)生澆不足或冷隔、夾雜等缺液態(tài)金屬流動(dòng)性的降低而產(chǎn)生澆不足或冷隔、夾雜等缺陷。因此，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定合適的澆注溫度。陷。因此，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定合適的澆注溫度。2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering（二）采用合適的澆注工藝（二）采用合適的

20、澆注工藝 根據(jù)第一節(jié)所述的激冷游離晶理論，等軸根據(jù)第一節(jié)所述的激冷游離晶理論，等軸晶的晶核來(lái)源于澆注期間和凝固初期的激冷游晶的晶核來(lái)源于澆注期間和凝固初期的激冷游離晶。而游離晶體的產(chǎn)生與液態(tài)金屬的流動(dòng)密離晶。而游離晶體的產(chǎn)生與液態(tài)金屬的流動(dòng)密切相關(guān)。因此，凡是能夠增加液流對(duì)型壁的沖切相關(guān)。因此，凡是能夠增加液流對(duì)型壁的沖刷和促進(jìn)液態(tài)金屬內(nèi)部產(chǎn)生對(duì)流的澆注工藝均刷和促進(jìn)液態(tài)金屬內(nèi)部產(chǎn)生對(duì)流的澆注工藝均能擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū)。能擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū)。2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & En

21、gineering（三）（三）鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu) 鑄型激冷能力的影響鑄型激冷能力的影響 鑄型激冷能力對(duì)凝固鑄型激冷能力對(duì)凝固組織的影響與鑄件壁厚和液態(tài)金屬的導(dǎo)熱性組織的影響與鑄件壁厚和液態(tài)金屬的導(dǎo)熱性有關(guān)。對(duì)于薄壁鑄件而言，激冷可以使整個(gè)有關(guān)。對(duì)于薄壁鑄件而言，激冷可以使整個(gè)斷面同時(shí)產(chǎn)生較大的過(guò)冷。鑄型蓄熱系數(shù)越斷面同時(shí)產(chǎn)生較大的過(guò)冷。鑄型蓄熱系數(shù)越大，整個(gè)熔體的生核能力越強(qiáng)，因此這時(shí)采大，整個(gè)熔體的生核能力越強(qiáng)，因此這時(shí)采用金屬型鑄造比采用砂型鑄造更易獲得細(xì)等用金屬型鑄造比采用砂型鑄造更易獲得細(xì)等軸晶的斷面組織。軸晶的斷面組織。2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織

22、的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering（三）（三）鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu) 液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕角液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕角 試驗(yàn)表明，液態(tài)金屬試驗(yàn)表明，液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕性好，即潤(rùn)濕角與鑄型表面的潤(rùn)濕性好，即潤(rùn)濕角 小，在鑄型表面小，在鑄型表面易于形成穩(wěn)定的凝固殼層，有利于柱狀晶的形成與生易于形成穩(wěn)定的凝固殼層，有利于柱狀晶的形成與生長(zhǎng)。反之，則有利于等軸晶的形成與細(xì)化。長(zhǎng)。反之，則有利于等軸晶的形成與細(xì)化。 鑄型表面的粗糙度鑄型表面的粗糙度 大野篤美還做了表面粗糙度對(duì)柱大野篤美還做

23、了表面粗糙度對(duì)柱狀晶尺寸和鑄錠縱剖面等軸晶面積率的影響。結(jié)果表狀晶尺寸和鑄錠縱剖面等軸晶面積率的影響。結(jié)果表明，隨著表面粗糙度的提高，柱狀晶尺寸減少，等軸明，隨著表面粗糙度的提高，柱狀晶尺寸減少，等軸晶面積率提高。晶面積率提高。2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering 動(dòng)力學(xué)細(xì)化方法動(dòng)力學(xué)細(xì)化方法主要是采用主要是采用機(jī)械力或電磁力機(jī)械力或電磁力引起引起固相和液相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶的破碎或與鑄型固相和液相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶的破碎或與鑄型分離，在液相中形成大量結(jié)晶

24、核心，達(dá)到細(xì)化晶粒分離，在液相中形成大量結(jié)晶核心，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。常用的動(dòng)力學(xué)細(xì)化方法如下：的效果。常用的動(dòng)力學(xué)細(xì)化方法如下： 1 1鑄型振動(dòng)鑄型振動(dòng) 2 2超聲波振動(dòng)超聲波振動(dòng) 3 3液相攪拌液相攪拌 4 4流變鑄造流變鑄造2 2 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering 熔焊條件下的液態(tài)金屬凝固過(guò)程與第三章和第四章所熔焊條件下的液態(tài)金屬凝固過(guò)程與第三章和第四章所闡述的一般液態(tài)金屬凝固過(guò)程在本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，都是闡述的一般液態(tài)金屬凝固過(guò)程在本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，都是晶核生成

25、和晶核長(zhǎng)大晶核生成和晶核長(zhǎng)大的過(guò)程。然而，由于焊接熔池凝固的過(guò)程。然而，由于焊接熔池凝固條件的特殊性，其凝固過(guò)程還存在著自己的一些特征。條件的特殊性，其凝固過(guò)程還存在著自己的一些特征。 3 3 熔池凝固及焊縫金屬組織熔池凝固及焊縫金屬組織材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering1. .焊接熔池的特征焊接熔池的特征1 1）. . 熔池金屬的熔池金屬的體積小，冷卻速度快體積小，冷卻速度快 ；2 2）. . 熔池金屬中不同區(qū)域熔池金屬中不同區(qū)域溫差很大、溫差很大、中心部位過(guò)熱溫度最高中心部位過(guò)熱溫度最高 因加因加熱與冷卻

26、速度很快，熔池中心和邊緣存在熱與冷卻速度很快，熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度較大的溫度梯度；3 3）. . 凝固過(guò)程是一個(gè)凝固過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程動(dòng)態(tài)過(guò)程 ，如圖，如圖5-9 5-9 所示，處于熱源移動(dòng)方所示，處于熱源移動(dòng)方向前端（向前端（abcabc）的母材不斷熔化，熔池后部的液態(tài)金屬降溫凝固；）的母材不斷熔化，熔池后部的液態(tài)金屬降溫凝固；4 4）. . 液態(tài)金屬對(duì)流激烈液態(tài)金屬對(duì)流激烈 熔池中存在電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電熔池中存在電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對(duì)攪拌和對(duì)流流。 3 3 熔池凝

27、固及焊縫金屬組織熔池凝固及焊縫金屬組織材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering2. .熔池凝固的特點(diǎn)熔池凝固的特點(diǎn) 1. 聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶 從熔池邊界未熔母材晶粒表面非從熔池邊界未熔母材晶粒表面非自發(fā)形核，以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長(zhǎng)，自發(fā)形核，以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長(zhǎng)，這種結(jié)晶特征稱為聯(lián)生結(jié)晶這種結(jié)晶特征稱為聯(lián)生結(jié)晶(也稱外延生長(zhǎng)也稱外延生長(zhǎng))。 2. 晶體成長(zhǎng)的選擇性與彎曲柱狀晶晶體成長(zhǎng)的選擇性與彎曲柱狀晶。 3. 熔池凝固組織形態(tài)的熔池凝固組織形態(tài)的多樣性多樣性。 3 3 熔池凝固及焊縫金屬組織熔池凝固及

28、焊縫金屬組織材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering3. .焊縫金屬凝固組織的形態(tài)焊縫金屬凝固組織的形態(tài)在焊接凝固過(guò)程中，凝固組織的形態(tài)具有在焊接凝固過(guò)程中，凝固組織的形態(tài)具有柱狀晶及其多種亞結(jié)構(gòu)，通常有平面晶、胞狀柱狀晶及其多種亞結(jié)構(gòu)，通常有平面晶、胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶以及等軸晶等多種形晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶以及等軸晶等多種形態(tài)。態(tài)。柱狀晶柱狀晶1）平面晶（又稱平滑晶）平面晶（又稱平滑晶）2）胞狀晶胞狀晶3）胞狀樹枝晶胞狀樹枝晶4）樹枝狀晶（柱狀枝晶）樹枝狀晶（柱狀枝晶） 3 3 熔池凝固及焊縫金屬組織熔池

29、凝固及焊縫金屬組織材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering 3 3 熔池凝固及焊縫金屬組織熔池凝固及焊縫金屬組織 a） b）平面結(jié)晶形態(tài)a）成分過(guò)冷條件 b）結(jié)晶形態(tài) 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering 3 3 熔池凝固及焊縫金屬組織熔池凝固及焊縫金屬組織Cr25Ni35AlTi合金TIG焊時(shí)胞狀晶Cr25Ni35AlTi合金TIG焊時(shí)胞狀樹枝晶Cr25Ni35AlTi合金TIG焊時(shí)樹枝晶材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院College of Materials Science & Engineering 3 3 熔池凝固及焊縫金屬組織熔池凝固及焊