鑄件結(jié)晶組織的形成與控制課件

鑄件結(jié)晶組織的形成與控制鑄件結(jié)晶組織1

主要內(nèi)容1、鑄件（錠）典型結(jié)晶組織2、表面細(xì)晶區(qū)及內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成3、中心等軸晶的形成4、鑄件晶粒組織的控制主要內(nèi)容2鑄件的結(jié)晶組織宏觀狀態(tài)指鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布；微觀結(jié)構(gòu)包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式，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)，以及這些結(jié)構(gòu)形態(tài)的細(xì)化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過(guò)程卻密切相關(guān)，并對(duì)鑄件的各項(xiàng)性能，特別是力學(xué)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。鑄件的結(jié)晶組織35.1鑄件（錠）典型結(jié)晶組織

最典型的鑄件晶粒組織由三個(gè)區(qū)組成：1、表面細(xì)晶粒區(qū)2、內(nèi)部柱狀晶區(qū)3、中心等軸晶區(qū)5.1鑄件（錠）典型結(jié)晶組織最典型的鑄件晶粒組織4其中表面細(xì)晶粒區(qū)和中心等軸晶區(qū)是由等軸晶粒（在極大冷卻速度條件下表面細(xì)晶粒區(qū)也可能是柱狀晶）組成的，其排列方向比較紊亂。它們之間的差別僅在于表面細(xì)晶粒區(qū)的晶粒細(xì)小，中心等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大。內(nèi)部柱狀晶區(qū)的特點(diǎn)是晶粒都垂直于型壁排列，且平行于熱流方向。其中表面細(xì)晶粒區(qū)和中心等軸晶區(qū)是由等軸晶5幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖

只有柱狀晶只有等軸晶表面細(xì)等軸晶加柱狀晶三個(gè)晶區(qū)都有幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖只有柱狀晶只有等65.2表面細(xì)晶區(qū)及內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成5.2.1表面細(xì)晶粒區(qū)的形成一般條件下，鑄件表層的細(xì)小等軸晶區(qū)很小，其厚度局限于幾個(gè)晶粒尺寸大小，而其余兩個(gè)區(qū)域尺寸相對(duì)較大。表面細(xì)晶粒區(qū)中的晶粒通常是無(wú)方向性的細(xì)等軸晶。

5.2表面細(xì)晶區(qū)及內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成5.2.1表面細(xì)晶粒區(qū)的7對(duì)于表面細(xì)晶粒區(qū)的形成曾經(jīng)有過(guò)不同的理論解釋。早期曾經(jīng)有人認(rèn)為，液態(tài)金屬澆入鑄型中后，型壁附近的熔體受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過(guò)冷度而大量非均質(zhì)形核。這些晶核又在型壁較強(qiáng)的散熱條件下迅速長(zhǎng)大并相互接觸，從而形成大量無(wú)規(guī)則排列的細(xì)小等軸晶粒。

對(duì)于表面細(xì)晶粒區(qū)的形成曾經(jīng)有過(guò)不同的理論8根據(jù)這種理論，表面細(xì)小晶粒的形成與型壁附近熔體內(nèi)的形核數(shù)量有關(guān)，形核量越大，表面細(xì)晶區(qū)就越大，晶粒尺寸也越小。因此，所有影響非均質(zhì)形核的因素，如外來(lái)質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量、熔體的過(guò)熱度、鑄型的冷卻能力等傳熱條件都將直接影響表面細(xì)晶區(qū)的寬度和晶粒大小。

根據(jù)這種理論，表面細(xì)小晶粒的形成與型壁附9而后來(lái)的研究表明，除非均質(zhì)形核作用外，由于各種因素引起的晶粒游移也是形成表面細(xì)小晶粒的晶核來(lái)源。大野篤美通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于溶質(zhì)再分配導(dǎo)致生長(zhǎng)中的枝晶根部發(fā)生“縮頸”，而澆注及凝固過(guò)程中形成的液體流動(dòng)對(duì)縮頸后的枝晶根部產(chǎn)生沖擊作用，致使枝晶熔斷和型壁處的晶粒脫落，在液體中產(chǎn)生游離晶粒。這些游離晶粒一部分沉積在型壁附近區(qū)域，形成表面細(xì)晶區(qū)。而后來(lái)的研究表明，除非均質(zhì)形核作用外，由10

一旦表層細(xì)晶粒連成一片，形成具有一定厚度的凝固外殼后，晶粒就不能繼續(xù)脫落與游移，于是表層細(xì)晶區(qū)便停止擴(kuò)展。一旦表層細(xì)晶粒連成一片，形成具有一定厚度115.2.2柱狀枝晶區(qū)的形成柱狀晶最初是由表面細(xì)小等軸晶在一定條件下沿垂直型壁方向擇優(yōu)生長(zhǎng)而成的。表面細(xì)小等軸晶的形成與生長(zhǎng)一旦形成穩(wěn)定密實(shí)的凝固外殼，處于凝固界面前沿的晶粒原來(lái)的各相同性生長(zhǎng)條件即被破壞，轉(zhuǎn)而在垂直于型壁的單向熱流作用下，以枝晶方式沿?zé)崃鞯姆聪蜓由焐L(zhǎng)。

5.2.2柱狀枝晶區(qū)的形成柱狀晶最初是由表面細(xì)小等軸晶在12

最初，由于眾多枝晶的主干互不相同，較之其他主干取向不利的枝晶，那些主干與熱流方向平行的枝晶獲得了更為有利的生長(zhǎng)條件，優(yōu)先向液體內(nèi)部延伸生長(zhǎng)并抑制了其他方向的枝晶生長(zhǎng)，如此淘汰掉取向不利的枝晶后逐漸發(fā)展成為柱狀晶（如圖所示）。

最初，由于眾多枝晶的主干互不相同，較之其13晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成柱狀晶示意圖晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成柱狀晶示意圖14

由于晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)，在柱狀晶向前發(fā)展的過(guò)程中，離開型壁的距離越遠(yuǎn)，取向不利的晶體被淘汰得就越多，柱狀晶的生長(zhǎng)方向就越集中，垂直生長(zhǎng)方向的晶粒平均尺寸就越大。由于晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)，在柱狀晶向前發(fā)展的過(guò)15決定柱狀晶持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是其生長(zhǎng)前端是否出現(xiàn)一定數(shù)量的等軸晶粒。如果柱狀晶生長(zhǎng)前沿的液體中始終不具備有利于等軸晶形成與生長(zhǎng)的條件，其生長(zhǎng)過(guò)程將持續(xù)進(jìn)行，甚至一直延伸到鑄件中心，直到與從對(duì)面型壁生長(zhǎng)過(guò)來(lái)的柱狀晶相遇為止，即形成除表面微小的等軸晶薄層以外由柱狀晶貫穿整個(gè)鑄件斷面的所謂“穿晶組織”。

決定柱狀晶持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是其生長(zhǎng)前端16一旦柱狀晶生長(zhǎng)前沿出現(xiàn)等軸晶形成、生長(zhǎng)以及液體中游離晶粒向柱狀晶生長(zhǎng)前沿沉積的有利條件，柱狀晶的生長(zhǎng)即被抑制，而在鑄件中心形成又一個(gè)等軸晶區(qū)。不過(guò)，這一區(qū)域的等軸晶尺寸要比型壁附近的晶粒尺寸大得多。

一旦柱狀晶生長(zhǎng)前沿出現(xiàn)等軸晶形成、生長(zhǎng)以175.3中心等軸晶的形成由于表層等軸晶區(qū)和充分生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)極大地降低了鑄型壁對(duì)液體的冷卻作用，液體散熱的方向性也完全喪失，因此，在柱狀晶生長(zhǎng)前沿形成或沉積在此處的等軸晶將在剩余液體內(nèi)部自由生長(zhǎng)，形成粗大的等軸晶區(qū)。5.3中心等軸晶的形成由于表層等軸晶區(qū)和充分生長(zhǎng)的柱185.3.1過(guò)冷液體中非均質(zhì)形核理論

隨著柱狀晶向內(nèi)生長(zhǎng)及相應(yīng)的溶質(zhì)再分配，在固液界面前沿的液體中產(chǎn)生成分過(guò)冷，當(dāng)成分過(guò)冷的過(guò)冷度超過(guò)非均質(zhì)形核所需的臨界過(guò)冷度時(shí)，就會(huì)在成分過(guò)冷的液體中產(chǎn)生晶核并長(zhǎng)大，形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。5.3.1過(guò)冷液體中非均質(zhì)形核理論隨著柱狀晶向內(nèi)生長(zhǎng)195.3.2型壁激冷作用產(chǎn)生的晶核卷入理論液態(tài)金屬在進(jìn)入鑄型過(guò)程中受到來(lái)自型壁等的激冷作用，通過(guò)非均質(zhì)形核在液體內(nèi)形成大量游離狀態(tài)的晶核，這些晶核隨著液體的流動(dòng)漂移到鑄型的中心區(qū)域，如圖5-4所示。如果液態(tài)金屬的溫度不致使這些游離漂移的晶核全部熔化，其中部分晶核就會(huì)存留下來(lái)成為中心等軸晶區(qū)的形成核心。5.3.2型壁激冷作用產(chǎn)生的晶核卷入理論液態(tài)金屬在進(jìn)入20液態(tài)金屬進(jìn)入鑄型時(shí)形成的游離晶粒

液態(tài)金屬進(jìn)入鑄型時(shí)形成的游離晶粒21

等軸晶即便在澆注過(guò)程中沒有來(lái)得及形成，那么澆注完畢凝固的開始階段，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)生對(duì)流，依靠對(duì)流可將型壁處產(chǎn)生的晶體且游離到鑄件的內(nèi)部，如圖5-5所示。等軸晶即便在澆注過(guò)程中沒有來(lái)得及形成，那22受型壁激冷作用而形成的游離晶粒a）晶體密度比熔體小的情況b）晶體密度比熔體小的情況受型壁激冷作用而形成的游離晶粒a）晶體密度比熔體23此外，型壁處和鑄件心部的液體溫度差造成的熱溫，也使得晶體由型壁處向內(nèi)部熔體游離。而且，金屬表面的空氣冷卻使表面的液體因溫度降低密度增大而下沉和沿型壁處液體的上升使對(duì)流作用加劇，從而也將型壁處的晶體帶至型腔內(nèi)部。此外，型壁處和鑄件心部的液體溫度差造成的24

以上兩種觀點(diǎn)均認(rèn)為中心等軸晶是由于非均質(zhì)形核產(chǎn)生游離晶粒并在液體中自由長(zhǎng)大的結(jié)果，尤其是當(dāng)液態(tài)金屬內(nèi)部存在有大量有效形核質(zhì)點(diǎn)時(shí)，中心等軸晶區(qū)寬度加大，晶粒尺寸減小。以上兩種觀點(diǎn)均認(rèn)為中心等軸晶是由于非均質(zhì)255.3.3型壁晶粒脫落和枝晶熔斷理論

依附型壁形核的晶粒或枝晶生長(zhǎng)過(guò)程中引起界面前沿溶質(zhì)再分配，使相應(yīng)的液相熔點(diǎn)降低，從而導(dǎo)致該區(qū)域的實(shí)際過(guò)冷度減小。溶質(zhì)偏析程度越大，實(shí)際過(guò)冷度就越小，晶體的生長(zhǎng)就越緩慢。由于緊靠型壁的晶體或枝晶根部的溶質(zhì)在液體中擴(kuò)散均勻化的條件最差，這些部位附近的液體中溶質(zhì)偏析程度最為嚴(yán)重，因而其側(cè)向生長(zhǎng)受到強(qiáng)烈抑制。

5.3.3型壁晶粒脫落和枝晶熔斷理論依附型壁形核的晶粒26

與此同時(shí)，遠(yuǎn)離枝晶根部的其他部位則由于界面前沿液體中的溶質(zhì)易于通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流而均勻化，容易獲得較大的過(guò)冷，其生長(zhǎng)速度要快得多。因此，枝晶根部在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，如圖5-6所示。

與此同時(shí)，遠(yuǎn)離枝晶根部的其他部位則由于界27型壁晶粒脫落示意圖

型壁晶粒脫落示意圖28

鑄鐵的樹枝晶及其縮頸鑄鐵的樹枝晶及其縮頸29

在液體對(duì)流的機(jī)械沖刷和溫度起伏引起的熱沖擊作用下，枝晶的縮頸部位很容易斷裂，形成游離晶粒并被液體對(duì)流輸送到鑄件中心區(qū)域，從而形成中心等軸晶區(qū)。

在液體對(duì)流的機(jī)械沖刷和溫度起伏引起的熱沖30

還需要特別說(shuō)明，由于受到液體溫度起伏與成分起伏的影響，這些游離晶粒在輸運(yùn)過(guò)程中，遇到高溫則再溶解，遇到低溫再長(zhǎng)大，長(zhǎng)大時(shí)也可能產(chǎn)生縮頸，再遇到高溫時(shí)熔斷成碎晶，再遇到低溫時(shí)又長(zhǎng)大，完成增殖過(guò)程，如圖5-7所示。還需要特別說(shuō)明，由于受到液體溫度起伏與成31游離晶粒的熔斷與增殖過(guò)程示意圖

游離晶粒的熔斷與增殖過(guò)程示意圖325.3.4“結(jié)晶雨”游離晶粒理論

凝固初期在型壁上表面附近的過(guò)冷液體中形成晶核并生長(zhǎng)，或者枝晶根部縮頸脫落成為細(xì)小晶體，由于這些游離晶粒的密度大于液體而在液體中像雨滴一樣降落，沉積在生長(zhǎng)著的柱狀晶前端抑制其生長(zhǎng)，形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。5.3.4“結(jié)晶雨”游離晶粒理論凝固初期在型壁上表面附近335.4鑄件晶粒組織的控制

鑄件的結(jié)晶組織對(duì)其性能有著重要影響。表面細(xì)晶區(qū)很薄，因而對(duì)鑄件的性能影響較小。而柱狀晶區(qū)與中心等軸晶區(qū)的寬度、晶粒以及兩者的比例則是決定鑄件性能的主要因素。5.4鑄件晶粒組織的控制鑄件的結(jié)晶組織對(duì)其性能有著重要影34

柱狀晶是晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成的單向細(xì)長(zhǎng)晶體，排列位向一致，一般垂直生長(zhǎng)方向的尺寸比較粗大，晶界面積較小，因此，其性能有明顯的方向性，沿柱狀晶生長(zhǎng)方向的性能優(yōu)異，而垂直生長(zhǎng)方向的性能則較差。

柱狀晶是晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成的單向細(xì)長(zhǎng)晶體，35

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、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對(duì)熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。對(duì)于鑄錠來(lái)說(shuō)，還易于在以后的塑性加工或軋制過(guò)程中導(dǎo)致裂紋。因此，通常不希望鑄件中出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織。

柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成36

對(duì)于沿某一特殊方向要求高性能的零部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，可以充分利用柱狀晶性能各向異性，通過(guò)采用定向凝固技術(shù)，控制單向散熱，以獲得全部單向排列的柱狀晶組織，從而極大地提高這類特殊零件的使用性能和可靠性。對(duì)于沿某一特殊方向要求高性能的零部件，如37中心等軸晶區(qū)的晶粒之間位向各不相同，晶界面積較大，而且偏析元素、非金屬夾雜物和氣體等比較分散，等軸晶彼此嵌合，結(jié)合比較牢固，因而不存在所謂“弱面”，性能比較均勻，沒有方向性，即所謂各向同性。

中心等軸晶區(qū)的晶粒之間位向各不相同，晶界38

但是，如果中心等軸晶區(qū)中的枝晶發(fā)達(dá)，顯微縮松較多，凝固組織不夠致密，從而使鑄件性能顯著降低。細(xì)化等軸晶可以使雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物、顯微縮松等缺陷彌散分布，因此能夠顯著提高力學(xué)性能和抗疲勞性能。生產(chǎn)上往往采取措施細(xì)化等軸晶粒，以獲得較多甚至全部是細(xì)小等軸晶的組織。但是，如果中心等軸晶區(qū)中的枝晶發(fā)達(dá)，顯微39

控制鑄件的宏觀組織就是要控制鑄件（錠）中柱狀晶和等軸晶區(qū)的相對(duì)比例。一般鑄件希望獲得全部細(xì)等軸晶組織，為了獲得這種組織，可以通過(guò)創(chuàng)造有利于等軸晶形成的條件來(lái)抑制柱狀晶的形成和生長(zhǎng)。

控制鑄件的宏觀組織就是要控制鑄件（錠）中40

根據(jù)等軸晶的形成機(jī)制，凡是有利于小晶粒的產(chǎn)生、游離、漂移、沉積及增殖的各種因素和措施，都有利于抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。這些因素歸納起來(lái)有兩個(gè)方面的，一個(gè)是金屬方面的，另一個(gè)是鑄型方面的。

根據(jù)等軸晶的形成機(jī)制，凡是有利于小晶粒的41

在金屬方面，影響宏觀組織形成的因素有化學(xué)成分、形核特性、澆注溫度，以及金屬液在澆注過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)等等。在鑄型方面，影響宏觀組織形成的因素有鑄件的熱物理性質(zhì)、鑄型溫度及鑄型結(jié)構(gòu)等等。

在金屬方面，影響宏觀組織形成的因素有化學(xué)425.4.1合理控制熱學(xué)條件

1、較低的澆注溫度大量試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐表明，適當(dāng)降低澆注溫度可以有效減少柱狀晶區(qū)比例，從而獲得細(xì)小等軸晶組織，尤其時(shí)對(duì)于導(dǎo)熱性較差的合金而言，效果更為明顯。較低的澆注溫度一方面有利于減少液態(tài)金屬由于高溫而引起的晶粒重熔的數(shù)量，使得先期形成的晶粒更多地存留下來(lái)；另一方面，液態(tài)金屬過(guò)熱溫度的降低也有利于產(chǎn)生較多的游離晶粒。5.4.1合理控制熱學(xué)條件1、較低的澆注溫度43Al—0.15%Ti合金的鑄造組織（a）1023K澆注（b）1173K澆注Al—0.15%Ti合金的鑄造組織（a）102442、適當(dāng)?shù)臐沧⒐に?/p>

液態(tài)金屬進(jìn)入鑄型及凝固初期受到激冷作用形成的微小晶粒游離后被輸運(yùn)到液體內(nèi)部，成為等軸晶的主要來(lái)源。凡是凝固促進(jìn)液體金屬對(duì)流及其對(duì)型壁沖刷作用的因素均能增加等軸晶數(shù)量，擴(kuò)大等軸晶區(qū)并細(xì)化其尺寸。大野篤美研究比較了幾種澆注方法（石墨型，Al-0.2%Cu合金）對(duì)鑄件宏觀組織的影響。

2、適當(dāng)?shù)臐沧⒐に囈簯B(tài)金屬進(jìn)入鑄型及凝固初期受到激冷作45單孔中心上注法

凝固組織柱狀晶發(fā)達(dá)，等軸晶區(qū)窄且晶粒粗大

單孔中心上注法凝固組46單孔靠近型壁上注法柱狀晶區(qū)縮小，等軸晶區(qū)域擴(kuò)大，晶粒細(xì)化

單孔靠近型壁上注法柱狀晶區(qū)縮47六孔靠近型壁上注法

全部細(xì)小等軸晶

六孔靠近型壁上注法全部細(xì)小等48斜板澆注細(xì)化法示意圖斜板澆注細(xì)化法示意圖493、鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)

（1）鑄型激冷能力的影響鑄型激冷能力對(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。鑄型材料蓄熱系數(shù)越大，液態(tài)金屬就能獲得較大的過(guò)冷，形核能力越強(qiáng)，有利于促進(jìn)細(xì)小等軸晶組織的形成。

3、鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)（1）鑄型激冷能力的影響50

對(duì)于壁厚較大和導(dǎo)熱性較差的鑄件而言，只有型壁附近的金屬才受到激冷作用，因此等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的游離晶粒。在這種情況下，鑄型冷卻能力的影響具有雙重性：

對(duì)于壁厚較大和導(dǎo)熱性較差的51

一方面，冷卻能力較低（低蓄熱系數(shù)）的鑄型能延緩鑄件表面穩(wěn)定凝固殼層的形成，有助于凝固初期激冷晶粒的游離，同時(shí)也使液體金屬內(nèi)部溫度梯度較小，固、液相共存區(qū)域較寬，從而對(duì)增加等軸晶數(shù)量有利；

一方面，冷卻能力較低（低蓄熱系數(shù)）的鑄型52

另一方面，鑄型冷卻能力低減緩了液體過(guò)熱熱量的散失，不利于游離晶粒的存留和增加等軸晶數(shù)量。通常，前者起主導(dǎo)作用。因此，在一般生產(chǎn)過(guò)程中，除薄壁鑄件外，采用金屬型比砂型鑄造更易獲得柱狀晶，特別是高溫澆注時(shí)更為明顯。

另一方面，鑄型冷卻能力低減緩了液體過(guò)熱熱53

如果存在有利于非均質(zhì)形核與晶粒游離的其他因素，如強(qiáng)形核劑的存在、低澆注溫度、促進(jìn)枝晶縮頸及強(qiáng)烈的液體對(duì)流與攪拌等，則無(wú)論是金屬型還是砂型鑄造，皆可獲得細(xì)小的等軸晶組織。

如果存在有利于非均質(zhì)形核與晶粒游離的其他54（2）液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕角

試驗(yàn)表面，液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕性好，即接觸角小，則在鑄型表面易于形成穩(wěn)定的凝固殼層，因而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。（2）液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕角試驗(yàn)表面，液態(tài)金屬與鑄型55（3）鑄型表面的粗糙度

試驗(yàn)結(jié)果表面，隨著鑄型表面粗糙度的提高，不利于柱狀晶生長(zhǎng)，柱狀晶區(qū)減小，而等軸晶區(qū)擴(kuò)大。（3）鑄型表面的粗糙度試驗(yàn)結(jié)果表面，隨著鑄型表面粗糙度的565.4.2孕育處理

孕育處理是向合金液中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善結(jié)晶組織和提高力學(xué)性能及工藝性能之目的的一種方法。

孕育主要是影響生核過(guò)程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)則是改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，從而影響晶體形貌。通過(guò)孕育或變質(zhì)而使結(jié)晶組織細(xì)化的添加物統(tǒng)稱為晶粒細(xì)化劑。5.4.2孕育處理孕育處理是向合金液中添加少量物質(zhì)以達(dá)57一、具有非均質(zhì)形核功能的晶粒細(xì)化劑

1、晶粒細(xì)化劑直接作為外加的晶核，這是一些與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同種金屬顆粒。

懸浮鑄造可歸入此類。已經(jīng)證明，在高錳鋼中加入猛鐵，在高鉻鋼中加入鉻鐵都可以直接作為欲細(xì)化相的非均質(zhì)晶核而細(xì)化晶粒并消除柱狀晶組織。一、具有非均質(zhì)形核功能的晶粒細(xì)化劑1、晶粒細(xì)化劑直接作為58鑄鐵的石墨組織

100×100×

鑄鐵的石墨組織59

2、晶粒細(xì)化劑能與液相中某些元素（最好是欲細(xì)化相的原子）組成較穩(wěn)定的化合物，與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系而能促進(jìn)非均質(zhì)形核。如鋼中的V、Ti就是通過(guò)形成能促進(jìn)非均質(zhì)形核的碳化物和氮化物而達(dá)到細(xì)化等軸晶的目的的。

2、晶粒細(xì)化劑能與液相中某些元素（最好是欲60

鋯在鎂中的作用就是一個(gè)顯著的例子，溶有微量Zr的鎂合金在冷卻過(guò)程中通過(guò)包晶反應(yīng)析出的高度彌散α-Zr可以直接作為鎂的晶核，從而顯著地細(xì)化晶粒。

鋯在鎂中的作用就是一個(gè)顯著的例子，溶有微61

3、通過(guò)在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出。如硅鐵加入鐵水中瞬時(shí)間形成了很多富硅區(qū)，造成局部過(guò)共晶成分迫使石墨提前析出。而硅的脫氧產(chǎn)物SiO2及硅中的某些微量元素形成的化合物可作為石墨析出的有效襯底而促進(jìn)非均質(zhì)形核。3、通過(guò)在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)62二、具有強(qiáng)成分過(guò)冷的晶粒細(xì)化劑

這類細(xì)化劑是作為溶質(zhì)加入合金液中的。它的特點(diǎn)是很大。因此，它很容易在枝晶根部富集而形成縮頸，從而促使晶粒的游離與增殖。由于溶質(zhì)富集程度與溶質(zhì)平衡分配系數(shù)有關(guān)，如果越大，則晶粒細(xì)化的效果越好。倘使溶質(zhì)富集在生長(zhǎng)界面前沿，可以降低熔點(diǎn)（液相線溫度）而抑制晶體的生長(zhǎng)，或改變晶體的生長(zhǎng)形態(tài)（例如Al-Si合金的變質(zhì)處理）。二、具有強(qiáng)成分過(guò)冷的晶粒細(xì)化劑這類細(xì)化劑是作為溶質(zhì)63鋁硅合金中的共晶硅組織250×500×

鋁硅合金中的共晶硅組織250×645.4.3動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化

在結(jié)晶過(guò)程中，采用某些物理方法，如振動(dòng)（通過(guò)機(jī)械、超聲波方法）、攪拌（通過(guò)機(jī)械、電磁方法）或鑄型旋轉(zhuǎn)等，均可以引起液相與固相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶的破碎，增殖，在液相中形成大量晶核，有效地減小或消除柱狀晶區(qū)，細(xì)化等軸晶組織。5.4.3動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化在結(jié)晶過(guò)程中，采用某些物理方法，651、鑄型振動(dòng)

在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。同時(shí)，振動(dòng)鑄型可促使“結(jié)晶雨”的形成。“結(jié)晶雨”的來(lái)源是液態(tài)金屬表面的凝固層。當(dāng)液態(tài)金屬靜止時(shí)，表面凝固的金屬殼不能下落。而鑄型振動(dòng)可使殼層中的枝晶破碎，形成“結(jié)晶雨”。1、鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相66振動(dòng)方法可以直接振動(dòng)鑄型，也可以在澆注過(guò)程中振動(dòng)澆注槽或澆口杯，或者將振動(dòng)器插入液態(tài)金屬中進(jìn)行振動(dòng)。振動(dòng)方法可以直接振動(dòng)鑄型，也可以在澆注過(guò)67直接振動(dòng)鑄型直接振動(dòng)鑄型68澆口杯振動(dòng)澆注

澆口杯振動(dòng)澆注692、超聲波振動(dòng)

超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成大量空隙。當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，周圍液體迅速補(bǔ)充進(jìn)去，液體瞬時(shí)流動(dòng)動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力，從而引起金屬熔點(diǎn)的改變。

2、超聲波振動(dòng)超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成大70克拉布龍公式

式中—壓力的改變量；—壓力引起熔點(diǎn)溫度的改變量；—一個(gè)大氣壓下的熔點(diǎn)溫度；—熔化潛熱；—液相和固相的體積?？死箭埞?1

可見，由于金屬凝固時(shí)，其體積總是減少的，因此壓力的激烈增加必將導(dǎo)致金屬熔點(diǎn)的激烈上升。在液態(tài)金屬溫度一定的情況下，這相當(dāng)于增加了過(guò)冷度，從而導(dǎo)致形核數(shù)大增，使晶粒細(xì)化。高壓條件下凝固可細(xì)化晶粒的原因與之相同。

可見，由于金屬凝固時(shí)，其體積總是減少的，723、攪拌

在凝固初期，采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對(duì)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。其中機(jī)械攪拌和電磁攪拌方法不僅使晶粒細(xì)化，而且可使晶粒趨于球化。

3、攪拌在凝固初期，采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡73電磁攪拌細(xì)化法示意圖

電磁攪拌細(xì)化法示意圖744、流變鑄造

流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造。這種方法的實(shí)質(zhì)是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)50%～60%時(shí)，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿料，并進(jìn)行擠壓成形，其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加而更加趨于細(xì)小而圓整，力學(xué)性能顯著提高。4、流變鑄造流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造。這種方法的實(shí)質(zhì)是75其原因在于，固態(tài)晶體之間以及它們與液體之間發(fā)生碰撞、摩擦和沖刷作用，這使得固相顆粒在各個(gè)方向上溫度均勻，熱流無(wú)方向性；此外，在固-液界面處也沒有溶質(zhì)富集現(xiàn)象，從而消除了“成分過(guò)冷”，這樣就使得晶體在各個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度快而均勻，從而成為細(xì)小圓整的顆粒狀。其原因在于，固態(tài)晶體之間以及它們與液體之76鑄件結(jié)晶組織的形成與控制鑄件結(jié)晶組織77

主要內(nèi)容1、鑄件（錠）典型結(jié)晶組織2、表面細(xì)晶區(qū)及內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成3、中心等軸晶的形成4、鑄件晶粒組織的控制主要內(nèi)容78鑄件的結(jié)晶組織宏觀狀態(tài)指鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布；微觀結(jié)構(gòu)包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形式，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)，以及這些結(jié)構(gòu)形態(tài)的細(xì)化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過(guò)程卻密切相關(guān)，并對(duì)鑄件的各項(xiàng)性能，特別是力學(xué)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。鑄件的結(jié)晶組織795.1鑄件（錠）典型結(jié)晶組織

最典型的鑄件晶粒組織由三個(gè)區(qū)組成：1、表面細(xì)晶粒區(qū)2、內(nèi)部柱狀晶區(qū)3、中心等軸晶區(qū)5.1鑄件（錠）典型結(jié)晶組織最典型的鑄件晶粒組織80其中表面細(xì)晶粒區(qū)和中心等軸晶區(qū)是由等軸晶粒（在極大冷卻速度條件下表面細(xì)晶粒區(qū)也可能是柱狀晶）組成的，其排列方向比較紊亂。它們之間的差別僅在于表面細(xì)晶粒區(qū)的晶粒細(xì)小，中心等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大。內(nèi)部柱狀晶區(qū)的特點(diǎn)是晶粒都垂直于型壁排列，且平行于熱流方向。其中表面細(xì)晶粒區(qū)和中心等軸晶區(qū)是由等軸晶81幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖

只有柱狀晶只有等軸晶表面細(xì)等軸晶加柱狀晶三個(gè)晶區(qū)都有幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖只有柱狀晶只有等825.2表面細(xì)晶區(qū)及內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成5.2.1表面細(xì)晶粒區(qū)的形成一般條件下，鑄件表層的細(xì)小等軸晶區(qū)很小，其厚度局限于幾個(gè)晶粒尺寸大小，而其余兩個(gè)區(qū)域尺寸相對(duì)較大。表面細(xì)晶粒區(qū)中的晶粒通常是無(wú)方向性的細(xì)等軸晶。

5.2表面細(xì)晶區(qū)及內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成5.2.1表面細(xì)晶粒區(qū)的83對(duì)于表面細(xì)晶粒區(qū)的形成曾經(jīng)有過(guò)不同的理論解釋。早期曾經(jīng)有人認(rèn)為，液態(tài)金屬澆入鑄型中后，型壁附近的熔體受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過(guò)冷度而大量非均質(zhì)形核。這些晶核又在型壁較強(qiáng)的散熱條件下迅速長(zhǎng)大并相互接觸，從而形成大量無(wú)規(guī)則排列的細(xì)小等軸晶粒。

對(duì)于表面細(xì)晶粒區(qū)的形成曾經(jīng)有過(guò)不同的理論84根據(jù)這種理論，表面細(xì)小晶粒的形成與型壁附近熔體內(nèi)的形核數(shù)量有關(guān)，形核量越大，表面細(xì)晶區(qū)就越大，晶粒尺寸也越小。因此，所有影響非均質(zhì)形核的因素，如外來(lái)質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量、熔體的過(guò)熱度、鑄型的冷卻能力等傳熱條件都將直接影響表面細(xì)晶區(qū)的寬度和晶粒大小。

根據(jù)這種理論，表面細(xì)小晶粒的形成與型壁附85而后來(lái)的研究表明，除非均質(zhì)形核作用外，由于各種因素引起的晶粒游移也是形成表面細(xì)小晶粒的晶核來(lái)源。大野篤美通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于溶質(zhì)再分配導(dǎo)致生長(zhǎng)中的枝晶根部發(fā)生“縮頸”，而澆注及凝固過(guò)程中形成的液體流動(dòng)對(duì)縮頸后的枝晶根部產(chǎn)生沖擊作用，致使枝晶熔斷和型壁處的晶粒脫落，在液體中產(chǎn)生游離晶粒。這些游離晶粒一部分沉積在型壁附近區(qū)域，形成表面細(xì)晶區(qū)。而后來(lái)的研究表明，除非均質(zhì)形核作用外，由86

一旦表層細(xì)晶粒連成一片，形成具有一定厚度的凝固外殼后，晶粒就不能繼續(xù)脫落與游移，于是表層細(xì)晶區(qū)便停止擴(kuò)展。一旦表層細(xì)晶粒連成一片，形成具有一定厚度875.2.2柱狀枝晶區(qū)的形成柱狀晶最初是由表面細(xì)小等軸晶在一定條件下沿垂直型壁方向擇優(yōu)生長(zhǎng)而成的。表面細(xì)小等軸晶的形成與生長(zhǎng)一旦形成穩(wěn)定密實(shí)的凝固外殼，處于凝固界面前沿的晶粒原來(lái)的各相同性生長(zhǎng)條件即被破壞，轉(zhuǎn)而在垂直于型壁的單向熱流作用下，以枝晶方式沿?zé)崃鞯姆聪蜓由焐L(zhǎng)。

5.2.2柱狀枝晶區(qū)的形成柱狀晶最初是由表面細(xì)小等軸晶在88

最初，由于眾多枝晶的主干互不相同，較之其他主干取向不利的枝晶，那些主干與熱流方向平行的枝晶獲得了更為有利的生長(zhǎng)條件，優(yōu)先向液體內(nèi)部延伸生長(zhǎng)并抑制了其他方向的枝晶生長(zhǎng)，如此淘汰掉取向不利的枝晶后逐漸發(fā)展成為柱狀晶（如圖所示）。

最初，由于眾多枝晶的主干互不相同，較之其89晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成柱狀晶示意圖晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成柱狀晶示意圖90

由于晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)，在柱狀晶向前發(fā)展的過(guò)程中，離開型壁的距離越遠(yuǎn)，取向不利的晶體被淘汰得就越多，柱狀晶的生長(zhǎng)方向就越集中，垂直生長(zhǎng)方向的晶粒平均尺寸就越大。由于晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)，在柱狀晶向前發(fā)展的過(guò)91決定柱狀晶持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是其生長(zhǎng)前端是否出現(xiàn)一定數(shù)量的等軸晶粒。如果柱狀晶生長(zhǎng)前沿的液體中始終不具備有利于等軸晶形成與生長(zhǎng)的條件，其生長(zhǎng)過(guò)程將持續(xù)進(jìn)行，甚至一直延伸到鑄件中心，直到與從對(duì)面型壁生長(zhǎng)過(guò)來(lái)的柱狀晶相遇為止，即形成除表面微小的等軸晶薄層以外由柱狀晶貫穿整個(gè)鑄件斷面的所謂“穿晶組織”。

決定柱狀晶持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素是其生長(zhǎng)前端92一旦柱狀晶生長(zhǎng)前沿出現(xiàn)等軸晶形成、生長(zhǎng)以及液體中游離晶粒向柱狀晶生長(zhǎng)前沿沉積的有利條件，柱狀晶的生長(zhǎng)即被抑制，而在鑄件中心形成又一個(gè)等軸晶區(qū)。不過(guò)，這一區(qū)域的等軸晶尺寸要比型壁附近的晶粒尺寸大得多。

一旦柱狀晶生長(zhǎng)前沿出現(xiàn)等軸晶形成、生長(zhǎng)以935.3中心等軸晶的形成由于表層等軸晶區(qū)和充分生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)極大地降低了鑄型壁對(duì)液體的冷卻作用，液體散熱的方向性也完全喪失，因此，在柱狀晶生長(zhǎng)前沿形成或沉積在此處的等軸晶將在剩余液體內(nèi)部自由生長(zhǎng)，形成粗大的等軸晶區(qū)。5.3中心等軸晶的形成由于表層等軸晶區(qū)和充分生長(zhǎng)的柱945.3.1過(guò)冷液體中非均質(zhì)形核理論

隨著柱狀晶向內(nèi)生長(zhǎng)及相應(yīng)的溶質(zhì)再分配，在固液界面前沿的液體中產(chǎn)生成分過(guò)冷，當(dāng)成分過(guò)冷的過(guò)冷度超過(guò)非均質(zhì)形核所需的臨界過(guò)冷度時(shí)，就會(huì)在成分過(guò)冷的液體中產(chǎn)生晶核并長(zhǎng)大，形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。5.3.1過(guò)冷液體中非均質(zhì)形核理論隨著柱狀晶向內(nèi)生長(zhǎng)955.3.2型壁激冷作用產(chǎn)生的晶核卷入理論液態(tài)金屬在進(jìn)入鑄型過(guò)程中受到來(lái)自型壁等的激冷作用，通過(guò)非均質(zhì)形核在液體內(nèi)形成大量游離狀態(tài)的晶核，這些晶核隨著液體的流動(dòng)漂移到鑄型的中心區(qū)域，如圖5-4所示。如果液態(tài)金屬的溫度不致使這些游離漂移的晶核全部熔化，其中部分晶核就會(huì)存留下來(lái)成為中心等軸晶區(qū)的形成核心。5.3.2型壁激冷作用產(chǎn)生的晶核卷入理論液態(tài)金屬在進(jìn)入96液態(tài)金屬進(jìn)入鑄型時(shí)形成的游離晶粒

液態(tài)金屬進(jìn)入鑄型時(shí)形成的游離晶粒97

等軸晶即便在澆注過(guò)程中沒有來(lái)得及形成，那么澆注完畢凝固的開始階段，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)生對(duì)流，依靠對(duì)流可將型壁處產(chǎn)生的晶體且游離到鑄件的內(nèi)部，如圖5-5所示。等軸晶即便在澆注過(guò)程中沒有來(lái)得及形成，那98受型壁激冷作用而形成的游離晶粒a）晶體密度比熔體小的情況b）晶體密度比熔體小的情況受型壁激冷作用而形成的游離晶粒a）晶體密度比熔體99此外，型壁處和鑄件心部的液體溫度差造成的熱溫，也使得晶體由型壁處向內(nèi)部熔體游離。而且，金屬表面的空氣冷卻使表面的液體因溫度降低密度增大而下沉和沿型壁處液體的上升使對(duì)流作用加劇，從而也將型壁處的晶體帶至型腔內(nèi)部。此外，型壁處和鑄件心部的液體溫度差造成的100

以上兩種觀點(diǎn)均認(rèn)為中心等軸晶是由于非均質(zhì)形核產(chǎn)生游離晶粒并在液體中自由長(zhǎng)大的結(jié)果，尤其是當(dāng)液態(tài)金屬內(nèi)部存在有大量有效形核質(zhì)點(diǎn)時(shí)，中心等軸晶區(qū)寬度加大，晶粒尺寸減小。以上兩種觀點(diǎn)均認(rèn)為中心等軸晶是由于非均質(zhì)1015.3.3型壁晶粒脫落和枝晶熔斷理論

依附型壁形核的晶?；蛑L(zhǎng)過(guò)程中引起界面前沿溶質(zhì)再分配，使相應(yīng)的液相熔點(diǎn)降低，從而導(dǎo)致該區(qū)域的實(shí)際過(guò)冷度減小。溶質(zhì)偏析程度越大，實(shí)際過(guò)冷度就越小，晶體的生長(zhǎng)就越緩慢。由于緊靠型壁的晶體或枝晶根部的溶質(zhì)在液體中擴(kuò)散均勻化的條件最差，這些部位附近的液體中溶質(zhì)偏析程度最為嚴(yán)重，因而其側(cè)向生長(zhǎng)受到強(qiáng)烈抑制。

5.3.3型壁晶粒脫落和枝晶熔斷理論依附型壁形核的晶粒102

與此同時(shí)，遠(yuǎn)離枝晶根部的其他部位則由于界面前沿液體中的溶質(zhì)易于通過(guò)擴(kuò)散和對(duì)流而均勻化，容易獲得較大的過(guò)冷，其生長(zhǎng)速度要快得多。因此，枝晶根部在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生“縮頸”現(xiàn)象，如圖5-6所示。

與此同時(shí)，遠(yuǎn)離枝晶根部的其他部位則由于界103型壁晶粒脫落示意圖

型壁晶粒脫落示意圖104

鑄鐵的樹枝晶及其縮頸鑄鐵的樹枝晶及其縮頸105

在液體對(duì)流的機(jī)械沖刷和溫度起伏引起的熱沖擊作用下，枝晶的縮頸部位很容易斷裂，形成游離晶粒并被液體對(duì)流輸送到鑄件中心區(qū)域，從而形成中心等軸晶區(qū)。

在液體對(duì)流的機(jī)械沖刷和溫度起伏引起的熱沖106

還需要特別說(shuō)明，由于受到液體溫度起伏與成分起伏的影響，這些游離晶粒在輸運(yùn)過(guò)程中，遇到高溫則再溶解，遇到低溫再長(zhǎng)大，長(zhǎng)大時(shí)也可能產(chǎn)生縮頸，再遇到高溫時(shí)熔斷成碎晶，再遇到低溫時(shí)又長(zhǎng)大，完成增殖過(guò)程，如圖5-7所示。還需要特別說(shuō)明，由于受到液體溫度起伏與成107游離晶粒的熔斷與增殖過(guò)程示意圖

游離晶粒的熔斷與增殖過(guò)程示意圖1085.3.4“結(jié)晶雨”游離晶粒理論

凝固初期在型壁上表面附近的過(guò)冷液體中形成晶核并生長(zhǎng)，或者枝晶根部縮頸脫落成為細(xì)小晶體，由于這些游離晶粒的密度大于液體而在液體中像雨滴一樣降落，沉積在生長(zhǎng)著的柱狀晶前端抑制其生長(zhǎng)，形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。5.3.4“結(jié)晶雨”游離晶粒理論凝固初期在型壁上表面附近1095.4鑄件晶粒組織的控制

鑄件的結(jié)晶組織對(duì)其性能有著重要影響。表面細(xì)晶區(qū)很薄，因而對(duì)鑄件的性能影響較小。而柱狀晶區(qū)與中心等軸晶區(qū)的寬度、晶粒以及兩者的比例則是決定鑄件性能的主要因素。5.4鑄件晶粒組織的控制鑄件的結(jié)晶組織對(duì)其性能有著重要影110

柱狀晶是晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成的單向細(xì)長(zhǎng)晶體，排列位向一致，一般垂直生長(zhǎng)方向的尺寸比較粗大，晶界面積較小，因此，其性能有明顯的方向性，沿柱狀晶生長(zhǎng)方向的性能優(yōu)異，而垂直生長(zhǎng)方向的性能則較差。

柱狀晶是晶體擇優(yōu)生長(zhǎng)形成的單向細(xì)長(zhǎng)晶體，111

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、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對(duì)熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。對(duì)于鑄錠來(lái)說(shuō)，還易于在以后的塑性加工或軋制過(guò)程中導(dǎo)致裂紋。因此，通常不希望鑄件中出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織。

柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成112

對(duì)于沿某一特殊方向要求高性能的零部件，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等，可以充分利用柱狀晶性能各向異性，通過(guò)采用定向凝固技術(shù)，控制單向散熱，以獲得全部單向排列的柱狀晶組織，從而極大地提高這類特殊零件的使用性能和可靠性。對(duì)于沿某一特殊方向要求高性能的零部件，如113中心等軸晶區(qū)的晶粒之間位向各不相同，晶界面積較大，而且偏析元素、非金屬夾雜物和氣體等比較分散，等軸晶彼此嵌合，結(jié)合比較牢固，因而不存在所謂“弱面”，性能比較均勻，沒有方向性，即所謂各向同性。

中心等軸晶區(qū)的晶粒之間位向各不相同，晶界114

但是，如果中心等軸晶區(qū)中的枝晶發(fā)達(dá)，顯微縮松較多，凝固組織不夠致密，從而使鑄件性能顯著降低。細(xì)化等軸晶可以使雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物、顯微縮松等缺陷彌散分布，因此能夠顯著提高力學(xué)性能和抗疲勞性能。生產(chǎn)上往往采取措施細(xì)化等軸晶粒，以獲得較多甚至全部是細(xì)小等軸晶的組織。但是，如果中心等軸晶區(qū)中的枝晶發(fā)達(dá)，顯微115

控制鑄件的宏觀組織就是要控制鑄件（錠）中柱狀晶和等軸晶區(qū)的相對(duì)比例。一般鑄件希望獲得全部細(xì)等軸晶組織，為了獲得這種組織，可以通過(guò)創(chuàng)造有利于等軸晶形成的條件來(lái)抑制柱狀晶的形成和生長(zhǎng)。

控制鑄件的宏觀組織就是要控制鑄件（錠）中116

根據(jù)等軸晶的形成機(jī)制，凡是有利于小晶粒的產(chǎn)生、游離、漂移、沉積及增殖的各種因素和措施，都有利于抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。這些因素歸納起來(lái)有兩個(gè)方面的，一個(gè)是金屬方面的，另一個(gè)是鑄型方面的。

根據(jù)等軸晶的形成機(jī)制，凡是有利于小晶粒的117

在金屬方面，影響宏觀組織形成的因素有化學(xué)成分、形核特性、澆注溫度，以及金屬液在澆注過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)等等。在鑄型方面，影響宏觀組織形成的因素有鑄件的熱物理性質(zhì)、鑄型溫度及鑄型結(jié)構(gòu)等等。

在金屬方面，影響宏觀組織形成的因素有化學(xué)1185.4.1合理控制熱學(xué)條件

1、較低的澆注溫度大量試驗(yàn)及生產(chǎn)實(shí)踐表明，適當(dāng)降低澆注溫度可以有效減少柱狀晶區(qū)比例，從而獲得細(xì)小等軸晶組織，尤其時(shí)對(duì)于導(dǎo)熱性較差的合金而言，效果更為明顯。較低的澆注溫度一方面有利于減少液態(tài)金屬由于高溫而引起的晶粒重熔的數(shù)量，使得先期形成的晶粒更多地存留下來(lái)；另一方面，液態(tài)金屬過(guò)熱溫度的降低也有利于產(chǎn)生較多的游離晶粒。5.4.1合理控制熱學(xué)條件1、較低的澆注溫度119Al—0.15%Ti合金的鑄造組織（a）1023K澆注（b）1173K澆注Al—0.15%Ti合金的鑄造組織（a）1021202、適當(dāng)?shù)臐沧⒐に?/p>

液態(tài)金屬進(jìn)入鑄型及凝固初期受到激冷作用形成的微小晶粒游離后被輸運(yùn)到液體內(nèi)部，成為等軸晶的主要來(lái)源。凡是凝固促進(jìn)液體金屬對(duì)流及其對(duì)型壁沖刷作用的因素均能增加等軸晶數(shù)量，擴(kuò)大等軸晶區(qū)并細(xì)化其尺寸。大野篤美研究比較了幾種澆注方法（石墨型，Al-0.2%Cu合金）對(duì)鑄件宏觀組織的影響。

2、適當(dāng)?shù)臐沧⒐に囈簯B(tài)金屬進(jìn)入鑄型及凝固初期受到激冷作121單孔中心上注法

凝固組織柱狀晶發(fā)達(dá)，等軸晶區(qū)窄且晶粒粗大

單孔中心上注法凝固組122單孔靠近型壁上注法柱狀晶區(qū)縮小，等軸晶區(qū)域擴(kuò)大，晶粒細(xì)化

單孔靠近型壁上注法柱狀晶區(qū)縮123六孔靠近型壁上注法

全部細(xì)小等軸晶

六孔靠近型壁上注法全部細(xì)小等124斜板澆注細(xì)化法示意圖斜板澆注細(xì)化法示意圖1253、鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)

（1）鑄型激冷能力的影響鑄型激冷能力對(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。鑄型材料蓄熱系數(shù)越大，液態(tài)金屬就能獲得較大的過(guò)冷，形核能力越強(qiáng)，有利于促進(jìn)細(xì)小等軸晶組織的形成。

3、鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)（1）鑄型激冷能力的影響126

對(duì)于壁厚較大和導(dǎo)熱性較差的鑄件而言，只有型壁附近的金屬才受到激冷作用，因此等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的游離晶粒。在這種情況下，鑄型冷卻能力的影響具有雙重性：

對(duì)于壁厚較大和導(dǎo)熱性較差的127

一方面，冷卻能力較低（低蓄熱系數(shù)）的鑄型能延緩鑄件表面穩(wěn)定凝固殼層的形成，有助于凝固初期激冷晶粒的游離，同時(shí)也使液體金屬內(nèi)部溫度梯度較小，固、液相共存區(qū)域較寬，從而對(duì)增加等軸晶數(shù)量有利；

一方面，冷卻能力較低（低蓄熱系數(shù)）的鑄型128

另一方面，鑄型冷卻能力低減緩了液體過(guò)熱熱量的散失，不利于游離晶粒的存留和增加等軸晶數(shù)量。通常，前者起主導(dǎo)作用。因此，在一般生產(chǎn)過(guò)程中，除薄壁鑄件外，采用金屬型比砂型鑄造更易獲得柱狀晶，特別是高溫澆注時(shí)更為明顯。

另一方面，鑄型冷卻能力低減緩了液體過(guò)熱熱129

如果存在有利于非均質(zhì)形核與晶粒游離的其他因素，如強(qiáng)形核劑的存在、低澆注溫度、促進(jìn)枝晶縮頸及強(qiáng)烈的液體對(duì)流與攪拌等，則無(wú)論是金屬型還是砂型鑄造，皆可獲得細(xì)小的等軸晶組織。

如果存在有利于非均質(zhì)形核與晶粒游離的其他130（2）液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕角

試驗(yàn)表面，液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕性好，即接觸角小，則在鑄型表面易于形成穩(wěn)定的凝固殼層，因而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。（2）液態(tài)金屬與鑄型表面的潤(rùn)濕角試驗(yàn)表面，液態(tài)金屬與鑄型131（3）鑄型表面的粗糙度

試驗(yàn)結(jié)果表面，隨著鑄型表面粗糙度的提高，不利于柱狀晶生長(zhǎng)，柱狀晶區(qū)減小，而等軸晶區(qū)擴(kuò)大。（3）鑄型表面的粗糙度試驗(yàn)結(jié)果表面，隨著鑄型表面粗糙度的1325.4.2孕育處理

孕育處理是向合金液中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善結(jié)晶組織和提高力學(xué)性能及工藝性能之目的的一種方法。

孕育主要是影響生核過(guò)程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)則是改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，從而影響晶體形貌。通過(guò)孕育或變質(zhì)而使結(jié)晶組織細(xì)化的添加物統(tǒng)稱為晶粒細(xì)化劑。5.4.2孕育處理孕育處理是向合金液中添加少量物質(zhì)以達(dá)133一、具有非均質(zhì)形核功能的晶粒細(xì)化劑

1、晶粒細(xì)化劑直接作為外加的晶核，這是一些與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系的高熔點(diǎn)物質(zhì)或同種金屬顆粒。

懸浮鑄造可歸入此類。已經(jīng)證明，在高錳鋼中加入猛鐵，在高鉻鋼中加入鉻鐵都可以直接作為欲細(xì)化相的非均質(zhì)晶核而細(xì)化晶粒并消除柱狀晶組織。一、具有非均質(zhì)形核功能的晶粒細(xì)化劑1、晶粒細(xì)化劑直接作為134鑄鐵的石墨組織

100×100×

鑄鐵的石墨組織135

2、晶粒細(xì)化劑能與液相中某些元素（最好是欲細(xì)化相的原子）組成較穩(wěn)定的化合物，與欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系而能促進(jìn)非均質(zhì)形核。如鋼中的V、Ti就是通過(guò)形成能促進(jìn)非均質(zhì)形核的碳化物和氮化物而達(dá)到細(xì)化等軸晶的目的的。

2、晶粒細(xì)化劑能與液相中某些元素（最好是欲136

鋯在鎂中的作用就是一個(gè)顯著的例子，溶有微量Zr的鎂合金在冷卻過(guò)程中通過(guò)包晶反應(yīng)析出的高度彌散α-Zr可以直接作為鎂的晶核，從而顯著地細(xì)化晶粒。

鋯在鎂中的作用就