第十五節(jié)-典型晶粒組織控制

1、由紊亂排列的粗大等軸晶所組成。由紊亂排列的粗大等軸晶所組成。 第五章第五章 多相合金的凝固多相合金的凝固5-5 5-5 晶粒組織的控制晶粒組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織鑄件宏觀結(jié)晶組織緊靠型壁的外殼層，由紊亂排列的緊靠型壁的外殼層，由紊亂排列的細小等軸晶所組成，僅幾個晶粒厚。細小等軸晶所組成，僅幾個晶粒厚。由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此平行由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此平行排列的柱狀晶所組成。排列的柱狀晶所組成。 u 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)u表面細晶區(qū)表面細晶區(qū)u 內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū) 晶區(qū)數(shù)目晶區(qū)數(shù)目以及柱狀晶區(qū)和等以及柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的軸晶區(qū)的相對寬度相對寬度隨隨合金性質(zhì)合金性質(zhì)和具體和具體凝固條件凝

2、固條件而變化，在一而變化，在一定條件下，可獲得完全由柱狀定條件下，可獲得完全由柱狀晶晶(a)或等軸晶或等軸晶(c)所組成的宏所組成的宏觀結(jié)晶組織。觀結(jié)晶組織。形成原因？形成原因？傳熱與傳質(zhì)傳熱與傳質(zhì)( (包括由動量傳輸引起包括由動量傳輸引起) )5-5-15-5-1表面細晶粒區(qū)的形成表面細晶粒區(qū)的形成細晶區(qū)前提細晶區(qū)前提：抑制抑制鑄件形成鑄件形成 型壁附近熔體受到型壁附近熔體受到強烈的激冷強烈的激冷作用而作用而大量形核大量形核，形成無，形成無方向性的表面細等軸晶組織，也叫方向性的表面細等軸晶組織，也叫“激冷晶激冷晶”。細化程度取決于細化程度取決于型壁散熱條件型壁散熱條件所決定的所決定的過冷度和

3、凝固區(qū)域的寬度過冷度和凝固區(qū)域的寬度型壁附近熔體內(nèi)大量的型壁附近熔體內(nèi)大量的非均勻形核非均勻形核各種形式的各種形式的晶粒游離晶粒游離穩(wěn)定的凝固殼層穩(wěn)定的凝固殼層凝固殼層凝固殼層界面處晶粒單向散熱界面處晶粒單向散熱晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶 柱狀晶區(qū)的寬度及存在取決于兩個因素柱狀晶區(qū)的寬度及存在取決于兩個因素綜合綜合作用結(jié)果作用結(jié)果 生長方式：生長方式：擇優(yōu)生長擇優(yōu)生長 各枝晶主干方向互不相同，主干與熱流方向相平行的枝晶各枝晶主干方向互不相同，主干與熱流方向相平行的枝晶生長迅速生長迅速，優(yōu)先，優(yōu)先向內(nèi)伸展并向內(nèi)伸展并抑制抑制相鄰枝晶的生長。逐漸淘汰掉取向

4、不利的晶體過程中發(fā)展成相鄰枝晶的生長。逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織柱狀晶組織 競爭淘汰競爭淘汰 離開型壁的距離越遠，取向不利的晶體被淘汰得就越多，柱狀晶的方向就離開型壁的距離越遠，取向不利的晶體被淘汰得就越多，柱狀晶的方向就越集中，同時晶粒的平均尺寸也就越大越集中，同時晶粒的平均尺寸也就越大5-5-25-5-2柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定凝固殼層穩(wěn)定凝固殼層產(chǎn)生產(chǎn)生柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)開始開始 柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)結(jié)束結(jié)束內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)形成形成5-5-3 5-5-3 內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成過冷熔體中的非均勻形核過冷熔體中的非均勻形核枝晶游離、增殖枝晶游離、

5、增殖枝晶生長導致溶質(zhì)富集枝晶生長導致溶質(zhì)富集 成分過冷成分過冷液態(tài)金屬流動的作用：液態(tài)金屬流動的作用：型壁晶粒的脫落、游離型壁晶粒的脫落、游離枝晶破斷、游離枝晶破斷、游離液態(tài)金屬的流動形式液態(tài)金屬的流動形式澆注過程中的流動澆注過程中的流動 凝固期間的對流凝固期間的對流 自然對流自然對流強迫對流強迫對流鑄型和液面處溫度低、密度大而下沉鑄型和液面處溫度低、密度大而下沉 中心部分溫度較高、密度小而上浮中心部分溫度較高、密度小而上浮 溶質(zhì)再分配引起界面前沿液體成分和密度的變化 游離晶體和液態(tài)金屬之間密度差異 澆注過程中的注入動量澆注過程中的注入動量 、電磁攪拌、機械攪拌電磁攪拌、機械攪拌 液面晶粒沉積

6、（枝晶雨）液面晶粒沉積（枝晶雨）液面處形成的晶粒液面處形成的晶粒+ +頂部凝固層脫落的分枝頂部凝固層脫落的分枝 密度比液體大密度比液體大下沉下沉產(chǎn)生晶粒游離。產(chǎn)生晶粒游離。 多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過程中多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過程中 液態(tài)金屬流動對鑄件結(jié)晶中晶粒游離過程的作用主要是通過影響其液態(tài)金屬流動對鑄件結(jié)晶中晶粒游離過程的作用主要是通過影響其傳傳熱和傳質(zhì)熱和傳質(zhì)過程而實現(xiàn)的：過程而實現(xiàn)的： （1）傳熱方面：液態(tài)金屬的流動）傳熱方面：液態(tài)金屬的流動加速其過熱熱量的散失加速其過熱熱量的散失，使全部液態(tài)，使全部液態(tài)金屬在澆注后的瞬間（小于金屬在澆注后的瞬間（小于30s）從澆注溫度下降到凝固溫度。

7、）從澆注溫度下降到凝固溫度。 （2）傳質(zhì)方面：液態(tài)金屬流動的最大作用在于導致）傳質(zhì)方面：液態(tài)金屬流動的最大作用在于導致游離晶粒的漂移游離晶粒的漂移和堆積和堆積，并使各種晶粒游離現(xiàn)象得以不斷進行。，并使各種晶粒游離現(xiàn)象得以不斷進行。 同時改變界面前沿同時改變界面前沿的的溶質(zhì)分布狀態(tài)溶質(zhì)分布狀態(tài)，加速流體宏觀成分的均勻化。，加速流體宏觀成分的均勻化。 凝固過程中晶核凝固過程中晶核游離游離獨立形核游離狀態(tài)自由小晶體獨立形核游離狀態(tài)自由小晶體等軸晶粒等軸晶粒“晶核晶核”。游離游離晶形成、漂移、堆積晶形成、漂移、堆積等軸晶的數(shù)量、大小和分布等軸晶的數(shù)量、大小和分布 鑄件宏觀結(jié)晶鑄件宏觀結(jié)晶組織組織 （1

8、 1）柱狀晶）柱狀晶 分枝少分枝少，結(jié)晶后顯微縮松等，結(jié)晶后顯微縮松等晶間雜質(zhì)少，組織致密晶間雜質(zhì)少，組織致密。 但柱狀晶比較但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，粗大，晶界面積小，位向一致，其性能具有明顯的位向一致，其性能具有明顯的方方向性向性：縱向好、橫向差。：縱向好、橫向差。 凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質(zhì)氣體凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質(zhì)氣體 ，將導致鑄件，將導致鑄件熱裂熱裂。 5-5-4 5-5-4 鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響 表面細晶粒區(qū)表面細晶粒區(qū)薄，對鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。薄，對鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。鑄件的質(zhì)量與性能鑄件的質(zhì)

9、量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例比例以及晶粒的以及晶粒的大小大小。 （2 2）等軸晶）等軸晶晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性。枝晶比較發(fā)達，枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。，凝固后組織不夠致密。細化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高細化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。各項性能。晶粒越細綜合性能越好晶粒越細綜合性能越好。5-5-4 5-5-

10、4 鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響 對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的柱狀晶柱狀晶，增加其致密，增加其致密度；度；對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多的甚至是全部對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多的甚至是全部細小的細小的等軸晶等軸晶組織；組織；對于高溫下工作的零件，通過對于高溫下工作的零件，通過單向結(jié)晶單向結(jié)晶消除橫向晶界，防止晶界降低蠕變抗力。消除橫向晶界，防止晶界降低蠕變抗力。5-5-55-5-5影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成的因素影響鑄件宏觀結(jié)晶組織形成

11、的因素5-5-55-5-5等等軸晶組織的獲得和細化軸晶組織的獲得和細化強化強化非均勻形核非均勻形核促進促進晶粒游離晶粒游離游離游離晶的殘存與堆積晶的殘存與堆積如何抑制柱狀晶區(qū)、擴大并細化等軸晶區(qū)如何抑制柱狀晶區(qū)、擴大并細化等軸晶區(qū)（1 1） 金屬性質(zhì)金屬性質(zhì) 寬寬結(jié)晶溫度范圍結(jié)晶溫度范圍的合金和小的的合金和小的溫度梯度溫度梯度G GL L。保證熔體有。保證熔體有較寬的形核區(qū)域、促使較長的脆弱枝晶的形成；較寬的形核區(qū)域、促使較長的脆弱枝晶的形成； 合金中合金中溶質(zhì)溶質(zhì)元素含量較高、元素含量較高、平衡分配系數(shù)平衡分配系數(shù)k k0 0值偏離值偏離1 1較較遠。凝固過程中樹枝晶比較發(fā)達，縮頸現(xiàn)象比較嚴

12、重；遠。凝固過程中樹枝晶比較發(fā)達，縮頸現(xiàn)象比較嚴重；5-5-55-5-5等等軸晶組織的獲得和細化軸晶組織的獲得和細化 （2 2）澆注條件控制）澆注條件控制 低溫澆注低溫澆注可有效減少柱狀晶，獲可有效減少柱狀晶，獲得細等軸晶，但得細等軸晶，但 低溫液態(tài)金屬低溫液態(tài)金屬流流動性動性差的不足。差的不足。 合理控制合理控制冷卻條件冷卻條件，控制冷卻速度，控制冷卻速度型壁激冷型壁激冷 促進熔體形核和晶粒游離促進熔體形核和晶粒游離5-5-55-5-5等等軸晶組織的獲得和細化軸晶組織的獲得和細化 （3 3）孕育（變質(zhì)）處理）孕育（變質(zhì)）處理：向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達到細化晶粒、改善組織之目的的一種方法向

13、液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達到細化晶粒、改善組織之目的的一種方法 A.A.形核劑形核劑 ：a）直接作為外加晶核）直接作為外加晶核 b）通過與液態(tài)金屬的相互作用而產(chǎn)生非均勻晶核）通過與液態(tài)金屬的相互作用而產(chǎn)生非均勻晶核能與液相中某些元素組成較穩(wěn)定的化合物能與液相中某些元素組成較穩(wěn)定的化合物 通過在液相中造成大的微區(qū)富集而使結(jié)晶相提前彌散析出通過在液相中造成大的微區(qū)富集而使結(jié)晶相提前彌散析出B.B.強成分過冷元素強成分過冷元素通過在生長界面前沿的富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生細弱縮通過在生長界面前沿的富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生細弱縮頸，從而頸，從而促進晶粒的游離促進晶粒的游離。強化熔體內(nèi)部的強化熔體內(nèi)部的非均勻形核非均勻形核， 孕育劑富集孕育劑富集抑制晶體生長抑制晶體生長 時間效應時間效應 :孕育期孕育期 孕育衰退孕育衰退 5-5-65-5-6等軸晶組織的獲得和細化等軸晶組織的獲得和細化 （4 4） 動態(tài)晶粒細化：動態(tài)晶粒細化： 振動振動機械振動、電磁振動、音頻或超聲波振動機械振動、電磁振動、音頻或超聲波振動 攪拌攪拌機械、電磁攪拌或利用氣泡攪拌機械、電磁攪拌或利用氣泡攪拌 旋轉(zhuǎn)振蕩旋轉(zhuǎn)振蕩 周期性地改變鑄型的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度周期性地改變鑄型的旋轉(zhuǎn)方向和旋