第六章鑄件與焊縫宏觀組織及其控制

1、材料成形基本原理材料成形基本原理第六章第六章 鑄件及焊縫宏觀組織及其控制鑄件及焊縫宏觀組織及其控制材料工程學(xué)院材料工程學(xué)院楊曉莉楊曉莉材料成形基本原理材料成形基本原理2第一節(jié)第一節(jié) 鑄件的宏觀組織鑄件的宏觀組織第二節(jié)第二節(jié) 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理第四節(jié)第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制第五節(jié)第五節(jié) 焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制主要內(nèi)容主要內(nèi)容材料成形基本原理材料成形基本原理3第一節(jié) 鑄件的宏觀組織 鑄件的鑄件的宏觀組織指的是鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大宏觀組織指的是鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分

2、布等情況小、取向和分布等情況。鑄件的微觀結(jié)構(gòu)的概念包。鑄件的微觀結(jié)構(gòu)的概念包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結(jié)括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結(jié)構(gòu)形態(tài)，共晶團(tuán)內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)已經(jīng)這些形態(tài)構(gòu)形態(tài)，共晶團(tuán)內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)已經(jīng)這些形態(tài)的細(xì)化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過程的細(xì)化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過程密切相關(guān)，并對鑄件的各項(xiàng)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。密切相關(guān)，并對鑄件的各項(xiàng)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。 本章側(cè)重本章側(cè)重分析鑄件宏觀組織的成因及其影響因分析鑄件宏觀組織的成因及其影響因素素，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出生產(chǎn)中控制鑄件結(jié)晶組織，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出生產(chǎn)中控制鑄件結(jié)晶組織的

3、有效方法。的有效方法。材料成形基本原理材料成形基本原理4第一節(jié) 鑄件的宏觀組織 通常，鑄件的宏觀結(jié)晶組織可能包含三個(gè)不通常，鑄件的宏觀結(jié)晶組織可能包含三個(gè)不同的晶區(qū)：同的晶區(qū)：1：表面細(xì)晶粒區(qū)；：表面細(xì)晶粒區(qū)；2：柱狀晶區(qū)；：柱狀晶區(qū)；3：內(nèi)部等軸晶區(qū)：內(nèi)部等軸晶區(qū)材料成形基本原理材料成形基本原理5第一節(jié) 鑄件的宏觀組織u激冷晶區(qū)的晶激冷晶區(qū)的晶粒細(xì)小粒細(xì)小;u柱狀晶區(qū)的晶柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排粒垂直于型壁排列，且平行于熱列，且平行于熱流方向流方向.u內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大的晶粒較為粗大;表層急冷晶區(qū)表層急冷晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)材料成形基本原

4、理材料成形基本原理6l 不是每個(gè)鑄件都有上述三個(gè)晶區(qū)，有以下不是每個(gè)鑄件都有上述三個(gè)晶區(qū)，有以下特殊情況：特殊情況：第一節(jié) 鑄件的宏觀組織材料成形基本原理材料成形基本原理7圖圖5-2 幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū)都有）三個(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶）只有等軸晶 幾種不同類型的鑄件宏觀組織幾種不同類型的鑄件宏觀組織材料成形基本原理材料成形基本原理8不同澆注條件對鋁錠結(jié)晶過程及組織影響不同澆注條件對鋁錠結(jié)晶過程及組織影響材料成形基本原理材料成形基本原理9500砂模砂模7

5、00 澆注澆注1室溫砂模室溫砂模700 澆注澆注2室溫鐵模室溫鐵模700 澆注澆注3500鐵模鐵模700 澆注澆注4室溫鐵模室溫鐵模800 澆注（加澆注（加Ti）5材料成形基本原理材料成形基本原理10不同澆注條件對鋁錠結(jié)晶過程及組織影響不同澆注條件對鋁錠結(jié)晶過程及組織影響試樣試樣編號編號鑄型材鑄型材料料鑄型溫鑄型溫度度()()澆注溫度澆注溫度()()組織形貌特征組織形貌特征1 1砂模砂模500500700700多邊形的粗大等軸晶多邊形的粗大等軸晶2 2砂模砂模室溫室溫700700粗大柱狀晶，中心處有等軸晶粗大柱狀晶，中心處有等軸晶3 3鐵模鐵模室溫室溫700700較粗大柱狀晶較粗大柱狀晶4 4

6、鐵模鐵模500500700700較粗大柱狀晶，中心少量等軸晶較粗大柱狀晶，中心少量等軸晶5 5鐵模鐵模室溫室溫800800（加（加TiTi變質(zhì)）變質(zhì)）細(xì)小等軸晶細(xì)小等軸晶材料成形基本原理材料成形基本原理11l大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的等軸細(xì)晶粒組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件各向同性的等軸細(xì)晶粒組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件抑制晶體的柱狀長大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成抑制晶體的柱狀長大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成和等軸晶細(xì)化。和等軸晶細(xì)化。l就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展(特別是存在著特別是存在著溶質(zhì)及雜質(zhì)偏析時(shí)溶質(zhì)及雜

7、質(zhì)偏析時(shí))。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性在柱狀晶的質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中橫向方向大幅度下降，對熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。易成為集中的腐蝕通道。u柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對于諸如磁性材料、柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。u如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重如何在技術(shù)上

8、有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。材料成形基本原理材料成形基本原理12第二節(jié)第二節(jié) 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、一、 表面激冷區(qū)的形成表面激冷區(qū)的形成二、二、 柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)的形成材料成形基本原理材料成形基本原理13一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成l 型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的的激冷激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而度而大量非均質(zhì)生核大量非均質(zhì)生核,各種形各種形式的式的晶粒游離晶粒游離也是形成表面細(xì)也是形成表面細(xì)等軸晶的等軸晶的“晶核晶核

9、”來源。這些來源。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于其結(jié)晶潛熱既可式生長，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了中散失，從而形成了無方向性無方向性的表面細(xì)等軸晶組織。的表面細(xì)等軸晶組織。 一旦型壁附近的晶粒互相連一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層穩(wěn)定的凝固殼層，凝固，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶

10、區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。材料成形基本原理材料成形基本原理14二、柱狀晶區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成l穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長，發(fā)展某些晶粒為基底向內(nèi)生長，發(fā)展成由外向內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。枝成由外向內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速晶生長迅速 。l柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)

11、的存在與否及寬窄程度取決于上述在與否及寬窄程度取決于上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。制柱狀晶的形成。柱狀晶生長過程的動(dòng)態(tài)演示柱狀晶生長過程的動(dòng)態(tài)演示材料成形基本原理材料成形基本原理15柱狀晶生長過程的動(dòng)態(tài)演示柱狀晶生長過程的動(dòng)態(tài)演示鑄鑄型型液液態(tài)態(tài)金金屬屬材料成形基本原理材料成形基本原理16二、柱狀晶區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成l柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。其存

12、在和寬窄程度取。其存在和寬窄程度取決于二者的綜合結(jié)果。決于二者的綜合結(jié)果。l如果界面前方始終不利于等軸晶的形成和生長，如果界面前方始終不利于等軸晶的形成和生長，則柱狀晶一直延伸到鑄件中心，形成所謂的則柱狀晶一直延伸到鑄件中心，形成所謂的穿穿晶組織晶組織。l如果柱狀晶沒來的及形成，斷面內(nèi)面全部形成如果柱狀晶沒來的及形成，斷面內(nèi)面全部形成等軸晶，形成全部等軸晶。等軸晶，形成全部等軸晶。材料成形基本原理材料成形基本原理17第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、一、“成分過冷成分過冷”理論理論二、二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、三、枝晶熔斷及結(jié)晶雨理

13、論枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論材料成形基本原理材料成形基本原理18一、一、“成分過冷成分過冷”理論理論l 該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。漸增大。當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。 l不足不足材料成形基本原理材料成形基本原理19等軸晶等軸晶不銹鋼篩網(wǎng)不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶等軸晶7500C水淬水

14、淬,搖動(dòng)搖動(dòng)在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)大野篤美的實(shí)驗(yàn)大野篤美的實(shí)驗(yàn)材料成形基本原理材料成形基本原理20二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論Chalmers 1963Chalmers 1963；在澆注的過程中及凝在澆注的過程中及凝固的初期激冷，固的初期激冷，促使促使大量的晶核形成并形大量的晶核形成并形成細(xì)小等軸晶，這些成細(xì)小等軸晶，這些小等軸晶隨澆注分布小等軸晶隨澆注分布整個(gè)鑄件并發(fā)展為內(nèi)整個(gè)鑄件并發(fā)展為內(nèi)部等軸晶的核心。部等軸晶的核心。在澆注的過程中及凝在澆注的過程中及凝固的初期激冷，固的初期激冷，小等小等軸晶自型壁脫落與游軸晶自型壁脫落與游離離促

15、使等軸晶形成，促使等軸晶形成， 澆注溫度低可以使柱澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū)軸晶區(qū) 。材料成形基本原理材料成形基本原理21型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a) 晶體密度比熔體小的情況晶體密度比熔體小的情況; b) 晶體密度比熔體大的情況晶體密度比熔體大的情況密度、熱流引起的游離晶的游離密度、熱流引起的游離晶的游離材料成形基本原理材料成形基本原理22l溶質(zhì)的偏析溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生產(chǎn)生“脖頸脖頸”，具有，具有“脖頸脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成的晶體不易于沿型壁方

16、向與其相鄰晶體連接形成凝固殼凝固殼, , 另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷沖斷“脖頸脖頸”，使晶體脫落并游離出去。使晶體脫落并游離出去。 圖圖5-6 晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離促使晶體發(fā)生脫落而游離 二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論材料成形基本原理材料成形基本原理23游離晶體的生長、局部熔化與增殖游離晶體的生長、局部熔化與增殖二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論溶質(zhì)析出溶質(zhì)析出材料成形基本原理材料成形基本原理24二、激冷等軸晶型

17、壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論l大野篤美利用電鏡對大野篤美利用電鏡對Sn-10BiSn-10Bi合金的凝固進(jìn)行合金的凝固進(jìn)行了直接觀察和連續(xù)攝影，證實(shí)了凝固初期通過了直接觀察和連續(xù)攝影，證實(shí)了凝固初期通過型壁晶粒脫落而產(chǎn)生的晶粒游離現(xiàn)象。型壁晶粒脫落而產(chǎn)生的晶粒游離現(xiàn)象。l為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢的合金容易得到等軸晶呢? ? 材料成形基本原理材料成形基本原理25三、三、 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論l生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、

18、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷枝晶熔斷”理論。理論。 l液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等中，下落過程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨結(jié)晶雨”理論。理論。材料成形基本原理材料成形基本原理26l目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是是多種途徑起作用多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(jī)。在一種情況下，可能是這種機(jī)理

19、起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。材料成形基本原理材料成形基本原理27第四節(jié)第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制 柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。本質(zhì)上是：晶區(qū)。本質(zhì)上是：晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨(dú)立生核的能力過冷熔體獨(dú)立生核的能力和和各種形式各種形式晶粒游離、

20、增殖晶粒游離、增殖或或重熔重熔的程度這兩個(gè)的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果。基本條件綜合作用的結(jié)果。材料成形基本原理材料成形基本原理28第四節(jié)第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素l1 1金屬性質(zhì)方面金屬性質(zhì)方面l2 2澆注條件方面澆注條件方面 l3 3鑄鑄件件性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面面材料成形基本原理材料成形基本原理29鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素l1 1金屬性質(zhì)方面金屬性質(zhì)方面1)1)強(qiáng)生核劑強(qiáng)生核劑在過冷熔體中的存在；在過冷熔體中的存在；2)2)寬結(jié)晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度寬結(jié)晶溫

21、度范圍的合金和小的溫度梯度G G。 3)3)合金溶質(zhì)元素含量較高、平衡分配系數(shù)偏離合金溶質(zhì)元素含量較高、平衡分配系數(shù)偏離1 1較遠(yuǎn)。較遠(yuǎn)。4)4)熔體在凝固過程中存在長時(shí)間的激烈的熔體在凝固過程中存在長時(shí)間的激烈的對流對流。 材料成形基本原理材料成形基本原理30鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素l2 2澆注條件方面澆注條件方面 1)1)低的澆注溫度。低的澆注溫度。有利等軸晶的形成和晶粒細(xì)有利等軸晶的形成和晶粒細(xì)化?；?。 2)2)合適的澆注工藝。合適的澆注工藝。強(qiáng)化液流對型壁的沖刷有強(qiáng)化液流對型壁的沖刷有利等軸晶的形成和晶粒細(xì)化。利等軸晶的形成和晶粒細(xì)化。材料成形基本原理材料成

22、形基本原理31鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素l3 3鑄鑄件件性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)方面面材料成形基本原理材料成形基本原理32第四節(jié)第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制l思路思路: : 晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨(dú)立生核過冷熔體獨(dú)立生核的能力的能力和各種形式和各種形式晶粒游離、增殖晶粒游離、增殖或或重熔重熔的程度這的程度這兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相兩個(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。凡對大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個(gè)結(jié)果所決定的。凡能能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離

23、，強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離，以及以及有助于有助于游離晶的殘存與增殖游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。等軸晶組織。 材料成形基本原理材料成形基本原理33一、一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、二、孕育處理孕育處理三、三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化動(dòng)力學(xué)細(xì)化第四節(jié)第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制材料成形基本原理材料成形基本原理34合理的澆注工藝合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制冷卻條件的控制材料成形基本原理材料成形基本原理35合理的

24、澆注工藝合理的澆注工藝l澆注溫度澆注溫度l澆注方式澆注方式 合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過低的澆及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致注溫度將降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。 通過改變澆注方式強(qiáng)化對流對型壁激通過改變澆注方式強(qiáng)化對流對型壁激冷晶的冷晶的沖刷作用沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)等，能有效地促進(jìn)細(xì)等軸晶的形成。但必須注意不要因此而軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。件產(chǎn)生相

25、應(yīng)的缺陷。 材料成形基本原理材料成形基本原理36鑄型中間澆注鑄型中間澆注 單孔上注單孔上注 沿型壁六孔澆注沿型壁六孔澆注 圖圖5-8 5-8 不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織 細(xì)小等細(xì)小等軸晶軸晶粗大等粗大等軸晶軸晶較細(xì)小等較細(xì)小等軸晶軸晶材料成形基本原理材料成形基本原理37l通過改變澆注方式強(qiáng)化對流對型壁的通過改變澆注方式強(qiáng)化對流對型壁的沖刷作用沖刷作用，能有效促進(jìn)等軸晶的形成。能有效促進(jìn)等軸晶的形成。l在鑄件澆注過程中，液態(tài)金屬在型壁的急冷作在鑄件澆注過程中，液態(tài)金屬在型壁的急冷作用下大量形核，被液流沖擊帶進(jìn)液相區(qū)，并發(fā)用下大量形核，被液流沖擊帶進(jìn)液相區(qū)

26、，并發(fā)生增殖，成為后續(xù)凝固的結(jié)晶核心。生增殖，成為后續(xù)凝固的結(jié)晶核心。材料成形基本原理材料成形基本原理38水流冷卻的斜板澆注方法水流冷卻的斜板澆注方法 材料成形基本原理材料成形基本原理39冷卻條件的控制冷卻條件的控制l控制冷卻條件的控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷大的過冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的小的溫度梯度溫度梯度G GL L和和高的冷卻速度高的冷卻速度R R可以滿足以上要可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得這二者不可兼得。 對薄壁鑄

27、件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。 材料成形基本原理材料成形基本原理40冷卻條件的控制冷卻條件的控制 對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿意的效果。到滿意的效果。 懸浮澆注法可同時(shí)滿足小的懸浮澆注法可同時(shí)滿足小的G GL L與高的與高的R R的要求。的要求。 材料成形基本原理材料成形基本原理41懸浮澆注法是在澆注懸浮澆注法是在澆注過程過程中中將一定量的將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中到金屬液中，

28、從而改，從而改變金屬液凝固過程，變金屬液凝固過程，達(dá)到細(xì)化組織、減小達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造應(yīng)力偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工藝方的目的的一種工藝方法。法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)料斗料斗離心集液包離心集液包直澆道直澆道材料成形基本原理材料成形基本原理42懸浮澆注法的特點(diǎn)懸浮澆注法的特點(diǎn) 1) 顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性；大斷面力學(xué)性能均勻性； 2) 減小凝固收縮，使冒口減小減小凝固收縮，使冒口減小1535%； 3) 減少縮松，提高鑄件致密性；減少縮松，提高鑄件致密性；

29、4) 減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向；減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向； 5) 改善宏觀偏析；改善宏觀偏析； 6) 提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況； 7) 可以實(shí)現(xiàn)澆注過程合金化?？梢詫?shí)現(xiàn)澆注過程合金化。材料成形基本原理材料成形基本原理43技術(shù)原理技術(shù)原理： 通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。適用范圍適用范圍： 各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。各種鑄鋼件、鑄鐵

30、件、及有色合金件。 不需要特殊設(shè)備，僅要求簡單輔助工裝。不需要特殊設(shè)備，僅要求簡單輔助工裝。材料成形基本原理材料成形基本原理44二、孕育處理二、孕育處理l孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。一種工藝方法。 l孕育孕育( Inoculation)( Inoculation)主要是主要是影響生核過程和促進(jìn)晶影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（ModificationModification）則是）則是改變晶體的

31、生長機(jī)理改變晶體的生長機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。孕育方法。 材料成形基本原理材料成形基本原理45孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點(diǎn)孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點(diǎn)l孕育主要起孕育主要起非自發(fā)形核非自發(fā)形核作用作用u通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。離而細(xì)化晶

32、粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì) 孕育劑能與液相中某些元素孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)反應(yīng)生成較生成較穩(wěn)定的穩(wěn)定的化合物化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的在液相中造成很大的微區(qū)富集微區(qū)富集而迫使結(jié)而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核晶相提前彌散析出而生核 材料成形基本原理材料成形基本原理孕育鑄鐵孕育鑄鐵l孕育處理后的灰鑄鐵叫做孕育鑄鐵。孕育處理后的灰鑄鐵叫做孕育鑄鐵。 l孕育處理就是：在澆注前，向鐵水中加入一定量的孕孕育處理就是：在澆注前，向鐵水中加入一定量的孕育劑硅鐵、硅鈣合金等，使鐵水內(nèi)同時(shí)生成大量均勻育劑硅鐵、硅鈣合金等，使鐵水內(nèi)同

33、時(shí)生成大量均勻分布的非自發(fā)核心，以獲得細(xì)小均勻的石墨片，并細(xì)分布的非自發(fā)核心，以獲得細(xì)小均勻的石墨片，并細(xì)化基體組織，提高鑄鐵強(qiáng)度；避免鑄件邊緣及薄斷面化基體組織，提高鑄鐵強(qiáng)度；避免鑄件邊緣及薄斷面處出現(xiàn)白口組織，提高斷面組織的均勻性。處出現(xiàn)白口組織，提高斷面組織的均勻性。l孕育鑄鐵適合于動(dòng)載荷較小、靜載荷較大、要求耐磨孕育鑄鐵適合于動(dòng)載荷較小、靜載荷較大、要求耐磨和減震的重要鑄件，尤其是厚大截面的鑄件。和減震的重要鑄件，尤其是厚大截面的鑄件。46材料成形基本原理材料成形基本原理47材料成形基本原理材料成形基本原理球墨鑄鐵球墨鑄鐵 1947年年1)、定義：在澆注前向鐵水中、定義：在澆注前向鐵水

34、中加入球化劑和孕育劑加入球化劑和孕育劑進(jìn)行球化進(jìn)行球化處理和孕育處理，獲得石墨呈球狀分布的鑄鐵，稱為球墨鑄處理和孕育處理，獲得石墨呈球狀分布的鑄鐵，稱為球墨鑄鐵，簡稱鐵，簡稱“球鐵球鐵”?；铱阼T鐵經(jīng)灰口鑄鐵經(jīng)孕育處理孕育處理后雖然細(xì)化了石墨片，但后雖然細(xì)化了石墨片，但球狀石球狀石墨則是最為理想的一種石墨形態(tài)。墨則是最為理想的一種石墨形態(tài)。2)、球墨鑄鐵的組織、球墨鑄鐵的組織 對基體割裂作用進(jìn)一步減輕對基體割裂作用進(jìn)一步減輕材料成形基本原理材料成形基本原理球墨鑄鐵的生產(chǎn)球墨鑄鐵的生產(chǎn)（1） 鐵液的化學(xué)成分鐵液的化學(xué)成分: C(3.6-4.0%) ，Si（1.8-3.2%），）， S、P球化劑（稀

35、土鎂合金球化劑（稀土鎂合金)的作用：的作用：使石墨呈球狀析出；使石墨呈球狀析出；加入量加入量1-1.6%鐵液質(zhì)量。鐵液質(zhì)量。孕育劑孕育劑(硅鐵硅鐵75%Si)的作用：的作用：促使石墨化，防白口。促使石墨化，防白口。加入量加入量0.4-1%鐵液質(zhì)量。鐵液質(zhì)量。材料成形基本原理材料成形基本原理球墨鑄鐵的生產(chǎn)球墨鑄鐵的生產(chǎn)材料成形基本原理材料成形基本原理51合金種類合金種類孕育劑主要組元孕育劑主要組元加入量加入量wt%wt%加入方法加入方法碳鋼及合金鋼碳鋼及合金鋼TiTi0.10.20.10.2鐵合金鐵合金V V0.060.300.060.30B B0.0050.010.0050.01鑄鐵鑄鐵Si-

36、FeSi-Fe，Ca, Ca, BaBa, , SrSr0.11.00.11.0，與與Si-FeSi-Fe復(fù)合復(fù)合鐵合金鐵合金鋁合金鋁合金Ti, Ti, ZrZr , , Ti+BTi+B, , Ti+CTi+C Ti:0.15; Ti:0.15; Zr:0.2Zr:0.2；復(fù)合復(fù)合:Ti0.01:Ti0.01B B或或C0.05;C0.05;Al-Ti, Al-Zr,Al-Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B,Ti-B,Al-Ti-CAl-Ti-C中間合金中間合金過共晶過共晶Al-SiAl-Si合金合金P P0.020.02Al-PAl-P，Cu-PCu-P，F(xiàn)e-PFe-P中間合金中間

37、合金銅合金銅合金Zr, Zr+B, Zr+Mg,Zr, Zr+B, Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+PZr+Mg+Fe+P0.02-0.040.02-0.04純金屬或中間合金純金屬或中間合金鎳基高溫合金鎳基高溫合金WC, NbCWC, NbC碳化物粉末碳化物粉末合金常用孕育劑的主要元素情況合金常用孕育劑的主要元素情況 材料成形基本原理材料成形基本原理52鋯和稀土元素細(xì)化鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg 合金鑄態(tài)組織合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討（的機(jī)理探討（2005）l實(shí)驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)：在Al-Mg Al-Mg 合金中加入相同含量的合金中加入相同含量的ZrZr ,La ,La 和和ErEr不同成分的實(shí)驗(yàn)合金在不同

38、成分的實(shí)驗(yàn)合金在800 800 下熔化并保下熔化并保溫相同時(shí)間溫相同時(shí)間. .蘇婕蘇婕, ,肖于德肖于德, ,黎文獻(xiàn)黎文獻(xiàn), ,吳永玉吳永玉- -材料與冶金學(xué)報(bào)材料與冶金學(xué)報(bào)材料成形基本原理材料成形基本原理53鋯和稀土元素細(xì)化鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg 合金鑄態(tài)組織合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討的機(jī)理探討l金相觀察金相觀察材料成形基本原理材料成形基本原理54鋯和稀土元素細(xì)化鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg 合金鑄態(tài)組織合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討的機(jī)理探討l鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織材料成形基本原理材料成形基本原理55Zr的分布的分布材料成形基本原理材料成形基本原理56Re的分布的分布材料成形基本原理材料成形基本原理57鋯

39、和稀土元素細(xì)化鋯和稀土元素細(xì)化Al-Mg 合金鑄態(tài)組織合金鑄態(tài)組織的機(jī)理探討的機(jī)理探討 結(jié)論結(jié)論(1) 1) ZrZr 和和RE RE 的加入都能使鋁鎂合金凝固時(shí)形成的柱狀晶區(qū)的加入都能使鋁鎂合金凝固時(shí)形成的柱狀晶區(qū)減小或退化減小或退化, ,等軸晶區(qū)相應(yīng)增大等軸晶區(qū)相應(yīng)增大, ,合金的凝固結(jié)晶方式發(fā)生合金的凝固結(jié)晶方式發(fā)生了變化了變化. . 其中其中ZrZr 和和RERE的復(fù)合添加效果最好的復(fù)合添加效果最好, ,單獨(dú)添加單獨(dú)添加ZrZr 次次之之, ,單獨(dú)添加單獨(dú)添加RE RE 效果較差效果較差. .(2) (2) ZrZr 能明顯地細(xì)化鋁鎂合金的鑄態(tài)組織能明顯地細(xì)化鋁鎂合金的鑄態(tài)組織, ,其

40、細(xì)化機(jī)理是凝其細(xì)化機(jī)理是凝固時(shí)作為固時(shí)作為-Al -Al 的領(lǐng)先相的領(lǐng)先相, ,起異質(zhì)形核作用起異質(zhì)形核作用, ,從而細(xì)化晶粒從而細(xì)化晶粒. .(3) RE (3) RE 在鋁鎂合金的細(xì)化機(jī)理是凝固時(shí)富集于界面前沿在鋁鎂合金的細(xì)化機(jī)理是凝固時(shí)富集于界面前沿, ,增增大了合金的成分過冷從而細(xì)化晶粒。大了合金的成分過冷從而細(xì)化晶粒。(4) (4) RE(LaRE(La 、ErEr) ) 的加入的加入, ,并未與并未與ZrZr 形成面心立方形成面心立方Al3 X Al3 X 型型金屬間化合物金屬間化合物. . ZrZr 與與RE RE 在鋁合金中的細(xì)化機(jī)制不相同在鋁合金中的細(xì)化機(jī)制不相同. .材料成

41、形基本原理材料成形基本原理58孕育衰退孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）（孕育效果逐漸減弱）l孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育期和衰退期。孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育期和衰退期。l在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固過程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果?；Ч當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時(shí)澆注是最理想的，隨合金熔化溫當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時(shí)澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和

42、孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時(shí)間度和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時(shí)間也不同。也不同。u幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時(shí)間出現(xiàn)孕幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時(shí)間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。u一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。勻散開的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。u孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和孕育劑的粒度也要根據(jù)處理

43、溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來選擇。具體的處理方法來選擇。 材料成形基本原理材料成形基本原理59三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化 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流變鑄造流變鑄造材料成形基本原理材料成形基本原理601鑄型振動(dòng)鑄型振動(dòng)l在凝固過程中振動(dòng)鑄型可在凝固過程中振動(dòng)鑄型可使液相使液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶和固相發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時(shí)時(shí)若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)所起的細(xì)化晶粒作用。對運(yùn)動(dòng)所起的

44、細(xì)化晶粒作用。l振動(dòng)還可引起振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。有利于枝晶熔斷。l振動(dòng)鑄型可振動(dòng)鑄型可促使促使“晶雨晶雨”的形成的形成。立式離心鑄造機(jī)材料成形基本原理材料成形基本原理612超聲波振動(dòng)超聲波振動(dòng)l 超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶

45、冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。粒細(xì)化。材料成形基本原理材料成形基本原理623液相攪拌液相攪拌 采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要

46、求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。材料成形基本原理材料成形基本原理634流變鑄造流變鑄造l 流變鑄造又稱半固態(tài)流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液鑄造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)體金屬凝固達(dá)5060時(shí)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行時(shí)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。其固至鑄型凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯著提高。械性能顯著提高。這種細(xì)小圓整的半固態(tài)這種細(xì)小圓整的半

47、固態(tài)金屬漿液由于具有較好金屬漿液由于具有較好的流動(dòng)性而容易成形。的流動(dòng)性而容易成形。因?yàn)樗臏囟冗h(yuǎn)低于液因?yàn)樗臏囟冗h(yuǎn)低于液相線溫度，所以對于黑相線溫度，所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具能大大減輕金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大黑色金具的壽命，擴(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。屬壓鑄的應(yīng)用范圍。材料成形基本原理材料成形基本原理64傳統(tǒng)鑄造和流變鑄造所獲得的顯微組織傳統(tǒng)鑄造和流變鑄造所獲得的顯微組織 傳統(tǒng)鑄造傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織）所獲得的顯微組織 材料成形基本原理材料成形基本原理65第五節(jié)第五節(jié) 焊

48、接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制 一、熔池凝固條件一、熔池凝固條件二、熔池結(jié)晶特征二、熔池結(jié)晶特征三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化材料成形基本原理材料成形基本原理66一、熔池凝固條件l體積小、冷速快體積小、冷速快 l溫差大、過熱度高溫差大、過熱度高 l動(dòng)態(tài)凝固過程動(dòng)態(tài)凝固過程 l液態(tài)金屬對流激烈液態(tài)金屬對流激烈 材料成形基本原理材料成形基本原理671. 熔池金屬的體積小，冷卻速度快熔池金屬的體積小，冷卻速度快l在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3 ，重量不超過重量不超過100g;l周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，

49、通周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通?？蛇_(dá)常可達(dá)4100/s，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度;l由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。差的主要原因之一。 材料成形基本原理材料成形基本原理682. 溫差大、過熱溫度高溫差大、過熱溫度高l熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度中心和邊緣存在較大的溫度梯度，例如，對于電弧

50、焊，例如，對于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)2100210023002300，而熔池后部表面溫度只有，而熔池后部表面溫度只有16001600左右，熔池左右，熔池平均溫度為平均溫度為17001700100100。l由于過熱溫度高，由于過熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)大為減少非自發(fā)形核的原始質(zhì)點(diǎn)數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。材料成形基本原理材料成形基本原理693. 動(dòng)態(tài)凝固過程動(dòng)態(tài)凝固過程l處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔處于熱源移動(dòng)方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在電弧

51、吹力作用下，對流至池中的熔融的焊接材料一起在電弧吹力作用下，對流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開始凝固。因此，凝固過程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。開始凝固。因此，凝固過程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。圖圖5-11 熔池的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶熔池的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶材料成形基本原理材料成形基本原理704. 液態(tài)金屬對流激烈液態(tài)金屬對流激烈l熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械力、氣熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(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)烈的攪拌和對流，在

52、熔池上部其方向一般從熔池產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動(dòng)，而在熔池底部的流動(dòng)方向與之正好相頭部向尾部流動(dòng)，而在熔池底部的流動(dòng)方向與之正好相反，這一點(diǎn)有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。反，這一點(diǎn)有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。材料成形基本原理材料成形基本原理71二、熔池結(jié)晶特征二、熔池結(jié)晶特征l 非平衡結(jié)晶非平衡結(jié)晶l 聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶 l 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化l 熔池凝固組織形態(tài)的多樣性熔池凝固組織形態(tài)的多樣性 材料成形基本原理材料成形基本原理1.非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶l熔池體積小、冷卻速度大熔池體積小、冷卻

53、速度大 焊接熔池體積小，其周圍被體積很大的母材金屬所焊接熔池體積小，其周圍被體積很大的母材金屬所包圍，熔池界面導(dǎo)熱條件很好，故熔池冷卻速度很快，包圍，熔池界面導(dǎo)熱條件很好，故熔池冷卻速度很快，其平均值可達(dá)到其平均值可達(dá)到100/s100/s，約為鑄造時(shí)的，約為鑄造時(shí)的10104 4倍。倍。72材料成形基本原理材料成形基本原理1.非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶l熔池過熱、溫度梯度大熔池過熱、溫度梯度大 焊接熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)，如低碳鋼的焊接熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)，如低碳鋼的焊接熔池平均溫度可達(dá)到焊接熔池平均溫度可達(dá)到18701870，遠(yuǎn)高于鑄造時(shí)的最，遠(yuǎn)高于鑄造時(shí)的最高平均溫度

54、高平均溫度15501550。73材料成形基本原理材料成形基本原理1.非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶非平衡的動(dòng)態(tài)結(jié)晶l熔池在動(dòng)態(tài)下結(jié)晶熔池在動(dòng)態(tài)下結(jié)晶焊接熔池中金屬的結(jié)晶和熔焊接熔池中金屬的結(jié)晶和熔化是同時(shí)進(jìn)行的，結(jié)晶前沿隨焊接熱源而移動(dòng)，而且化是同時(shí)進(jìn)行的，結(jié)晶前沿隨焊接熱源而移動(dòng)，而且焊接條件下各種力的作用會(huì)使正在結(jié)晶中的熔池受到焊接條件下各種力的作用會(huì)使正在結(jié)晶中的熔池受到激烈的攪拌。激烈的攪拌。74材料成形基本原理材料成形基本原理75 2. 聯(lián)生結(jié)晶和競爭成長聯(lián)生結(jié)晶和競爭成長l在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面：一種是合金元素或雜質(zhì)的面：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)（在正常情況

55、下所起懸浮質(zhì)點(diǎn)（在正常情況下所起作用不大）；另一種就是熔池作用不大）；另一種就是熔池邊界未熔母材晶粒表面，非自邊界未熔母材晶粒表面，非自發(fā)形核就依附在這個(gè)表面，在發(fā)形核就依附在這個(gè)表面，在較小的過冷度下以柱狀晶的形較小的過冷度下以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長，稱為聯(lián)生態(tài)向焊縫中心生長，稱為聯(lián)生結(jié)晶結(jié)晶( (也稱外延生長也稱外延生長) )。 材料成形基本原理材料成形基本原理76材料成形基本原理材料成形基本原理競爭成長競爭成長l結(jié)晶理論告訴我們，每一種晶體點(diǎn)陣都存在一結(jié)晶理論告訴我們，每一種晶體點(diǎn)陣都存在一個(gè)結(jié)晶速度最快的最優(yōu)結(jié)晶取向，而且溫度梯個(gè)結(jié)晶速度最快的最優(yōu)結(jié)晶取向，而且溫度梯度的方向?qū)Y(jié)晶

56、速度也有極為重要的影響。度的方向?qū)Y(jié)晶速度也有極為重要的影響。77材料成形基本原理材料成形基本原理783. 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化 l典型的焊接熔池形狀典型的焊接熔池形狀像不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。像不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。熔池的形狀和大小，熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質(zhì)、受母材的熱物理性質(zhì)、尺寸和焊接方法以及尺寸和焊接方法以及工藝參數(shù)等因素的影工藝參數(shù)等因素的影響。焊接速度增大響。焊接速度增大, L, L增加增加, , B Bmaxmax減小減小. . 材料成形基本原理材料成形基本原理79l熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向,

57、,晶體生長方向與晶體生長方向與最大散熱方向正好相反最大散熱方向正好相反, , 因此在生長過程中不斷改變方向因此在生長過程中不斷改變方向, ,形成形成彎曲狀柱狀晶。生長速度彎曲狀柱狀晶。生長速度R R與焊接速度與焊接速度滿足關(guān)系式滿足關(guān)系式 : : cosR材料成形基本原理材料成形基本原理柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化cos cos 0t vRvRvRdxdSvRxStRStvx?材料成形基本原理材料成形基本原理20921-3A成長速度和方向的變化成長速度和方向的變化由式可以看出，在焊接由式可以看出，在焊接速度速度v v一定的條件下，晶粒成長速度一定的條件下，晶粒成長速度R

58、 R僅取決于結(jié)晶等僅取決于結(jié)晶等溫面法線方向與焊接方向的夾角溫面法線方向與焊接方向的夾角或晶粒成長方向與或晶粒成長方向與焊接方向的夾角焊接方向的夾角3. 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化 材料成形基本原理材料成形基本原理20921-3A在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時(shí)（如圖在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時(shí)（如圖5-15 5-15 中中 H H 和和F F點(diǎn)）點(diǎn)）, =90, =90，coscos=0=0，晶粒生長線速度，晶粒生長線速度 R R 為零，即為零，即焊縫邊緣的生長速度最慢。而在熱源移動(dòng)后面的焊縫焊縫邊緣的生長速度最慢。而在熱源移動(dòng)后面的焊縫中心（中心（D D 點(diǎn)），點(diǎn)），

59、=0=0，coscos=1, =1, 晶粒生長速度晶粒生長速度R R 與焊與焊接速度接速度相等，即晶體生長最快。一般情況下，由于相等，即晶體生長最快。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點(diǎn)的法線方向不斷地改等溫線是彎曲的，其曲線上各點(diǎn)的法線方向不斷地改變，因此晶粒生長的有利方向也隨之變化，形成了特變，因此晶粒生長的有利方向也隨之變化，形成了特有的有的彎曲柱狀晶彎曲柱狀晶的形態(tài)。的形態(tài)。3. 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化 材料成形基本原理材料成形基本原理20921-3A焊接熔池的結(jié)晶特點(diǎn)焊接熔池的結(jié)晶特點(diǎn)晶粒成長速度與焊接速度的關(guān)系晶粒成長速度與焊接速度的關(guān)系材料成

60、形基本原理材料成形基本原理20921-3A焊接熔池的結(jié)晶特點(diǎn)焊接熔池的結(jié)晶特點(diǎn)晶粒成長速度和方向的變化晶粒成長速度和方向的變化材料成形基本原理材料成形基本原理85l熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向, ,晶體生長方向與晶體生長方向與最大散熱方向正好相反最大散熱方向正好相反, , 因此在生長過程中不斷改變方向因此在生長過程中不斷改變方向, ,形成形成彎曲狀柱狀晶。生長速度彎曲狀柱狀晶。生長速度R R與焊接速度與焊接速度滿足關(guān)系式滿足關(guān)系式 : : cosR在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時(shí)（圖中在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時(shí)（圖中 H H 和和F F點(diǎn)）點(diǎn)）