材料成形原理華科第五章鑄件凝固組織的形成及控制

材料成形原理華科第五章鑄件凝固組織的形成及控制第1頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理（一）鑄件的宏觀組織（二）表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成（三）內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理第2頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（一）鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)由無(wú)規(guī)則的細(xì)小等軸晶組成;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大，各向同性;表層急冷細(xì)晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)第3頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖5-2幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶第4頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)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，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。如何在技術(shù)上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。返回第5頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（二）表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成

表面激冷區(qū)的形成

柱狀晶區(qū)的形成第6頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五表面激冷區(qū)的形成

傳統(tǒng)理論：型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核,各種形式的游離晶粒也是形成表面細(xì)等軸晶的“晶核”來(lái)源。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長(zhǎng)，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無(wú)方向性的表面細(xì)等軸晶組織。澆注時(shí)液流的沖刷和澆注結(jié)束液體內(nèi)外溫度場(chǎng)引起的對(duì)流，引起晶體脫落和增殖溶質(zhì)再分配引起的頸縮第7頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長(zhǎng)，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，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。鑄型冷卻能力的雙重性！無(wú)對(duì)流時(shí)，即使冷卻速度很大也不出現(xiàn)表面細(xì)晶層。大野篤美Al-0.1%Ti750℃澆注到用冰水激冷的薄壁不銹鋼杯中，鑄錠外部為柱狀晶。第8頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長(zhǎng)，發(fā)展成由外向內(nèi)生長(zhǎng)的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長(zhǎng)迅速，并且抑制取向不利的晶體生長(zhǎng)，這個(gè)互相競(jìng)爭(zhēng)淘汰的晶體長(zhǎng)大過程稱為“晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)”。第9頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五柱狀晶區(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。因此柱狀晶區(qū)的存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)有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)演示如果界面前沿始終不利于等軸晶的形成與生長(zhǎng)，柱狀晶區(qū)就可以一直延伸到鑄件的中心，直到與對(duì)面型壁生長(zhǎng)出的柱狀晶相遇為止，從而形成“穿晶組織”第10頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五柱狀晶生長(zhǎng)過程的動(dòng)態(tài)演示鑄型液態(tài)金屬第11頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（三）內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理

“成分過冷”理論激冷等軸晶型壁脫落與游離理論

枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論第12頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五“成分過冷”理論

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，且液相中的溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。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。如：采用很強(qiáng)的生核劑時(shí)，可使整個(gè)鑄件斷面獲得細(xì)等軸晶。第13頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過程中及凝固的初期激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成,澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū)。第14頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖5-5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;b)晶體密度比熔體大的情況第15頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼,另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對(duì)流容易沖斷“脖頸”，使晶體脫落并游離出去。圖5-6晶體與型壁交會(huì)處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離第16頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖5-7游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖第17頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。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)部等軸晶晶核的主要來(lái)源，稱為“結(jié)晶雨”理論。第18頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(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，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。第19頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五§5-2鑄件宏觀凝固組織的控制第20頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1.鑄件結(jié)晶組織對(duì)鑄件質(zhì)量和性能的影響

表面細(xì)晶粒區(qū)薄，對(duì)鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。鑄件的質(zhì)量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例以及晶粒的大小。

（1）柱狀晶：生長(zhǎng)過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長(zhǎng)受到相鄰晶體的阻礙，枝晶不能充分發(fā)展，分枝少，結(jié)晶后顯微縮松等晶間雜質(zhì)少，組織致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，排列位向一致，其性能具有明顯的方向性：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，將導(dǎo)致鑄件熱裂。第21頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

（2）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相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性。枝晶比較發(fā)達(dá)，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。細(xì)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(xiàng)性能。晶粒越細(xì)綜合性能越好。對(duì)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，增加其致密度；對(duì)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(xì)小的等軸晶組織；對(duì)于高溫下工作的零件，通過單向結(jié)晶消除橫向晶界，防止晶界降低蠕變抗力。第22頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五等軸晶組織的獲得和細(xì)化強(qiáng)化非均勻形核促進(jìn)晶粒游離抑制柱狀晶區(qū)2、鑄件宏觀組織的控制途徑和措施第23頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

（1）加入強(qiáng)生核劑——孕育處理孕育——向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達(dá)到增加晶核數(shù)、細(xì)化晶粒、改善組織之目的的一種方法。Inoculation（變質(zhì)——加入少量物質(zhì)通過元素的選擇性分布而改變晶體的生長(zhǎng)形貌，如球化或細(xì)化。Modification）

A.形核劑：a）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－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)晶相提前彌散析出第24頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第25頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五B.強(qiáng)成分過冷元素：通過在生長(zhǎng)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(xì)弱縮頸，從而促進(jìn)晶粒的游離。強(qiáng)化熔體內(nèi)部的非均勻形核，孕育劑富集抑制晶體生長(zhǎng)時(shí)間效應(yīng)

:

孕育期孕育衰退

第26頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（2）控制澆注條件①低的澆注溫度。熔體的過熱度較小，與澆道內(nèi)壁接觸就能產(chǎn)生大量的游離晶粒。有助于已形成的游離晶粒的殘存，這對(duì)等軸晶的形成和細(xì)化有利。②合適的澆注工藝。強(qiáng)化液流沖刷型壁能擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū)。第27頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五(a)中心頂注法（b)靠近型壁（6孔）頂注法

圖不同澆注工藝鑄錠的宏觀組織第28頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（3）鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)薄壁鑄件：激冷使整個(gè)斷面同時(shí)產(chǎn)生較大的過冷，容易獲得細(xì)等軸晶。型壁較厚或?qū)嵝暂^差的鑄件，等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的晶粒游離。

a.鑄型激冷能力的影響：如金屬型、石墨型b.鑄型表面的粗糙度第29頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五

（4）動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化熔體在凝固過程中存在長(zhǎng)時(shí)間、激烈的對(duì)流。（晶粒或枝晶脫落、破碎、游離、增殖）

振動(dòng)－－機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)、音頻或超聲波振動(dòng)

攪拌－－機(jī)械、電磁攪拌

旋轉(zhuǎn)振蕩－周期性地改變鑄型的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度振動(dòng)對(duì)晶粒大小的影響（lin=2.54cm）第30頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五圖利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)控制晶粒組織柱狀晶區(qū)（未加磁場(chǎng)）細(xì)等軸晶區(qū)（加磁場(chǎng)）返回目錄第31頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第32頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二、鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路:

晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨(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。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖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)化等軸晶組織。第33頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化第34頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制第35頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式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。通過改變澆注方式強(qiáng)化對(duì)流對(duì)型壁激冷晶的沖刷作用，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。第36頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五鑄型中間澆注單孔上注沿型壁六孔澆注圖5-8不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織第37頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法第38頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度R可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。對(duì)薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。對(duì)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)化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時(shí)滿足小的GL與高的R的要求。第39頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過程，達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)料斗離心集液包直澆道第40頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五懸浮澆注法的特點(diǎn)

1)顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性；

2)減小凝固收縮，使冒口減小15～35%；

3)減少縮松，提高鑄件致密性；

4)減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向；

5)改善宏觀偏析；

6)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。第41頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五技術(shù)原理：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，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。

適用范圍：各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。不需要特殊設(shè)備，僅要求簡(jiǎn)單輔助工裝。第42頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五二、孕育處理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一種工藝方法。

孕育(Inoculation)主要是影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，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。第43頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五孕育劑作用機(jī)理孕育主要起非自發(fā)形核作用通過在生長(zhǎng)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)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。促使界面前沿熔體內(nèi)的非勻質(zhì)形核成分過冷，溶質(zhì)富集會(huì)抑制晶體生長(zhǎng)速度，使晶粒細(xì)化。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反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核含強(qiáng)成分過冷元素的生核劑第44頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復(fù)合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復(fù)合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末表5-1合金常用孕育劑的主要元素情況第45頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個(gè)孕育期和衰退期。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)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤(rùn)濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。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。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，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。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。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來(lái)選擇。第46頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五鑄型涂覆層的處理1.鑄型涂覆劑與鑄件金屬同種材料。2.鑄型涂覆層與鑄件金屬具有相似的晶體結(jié)構(gòu)。3.揮發(fā)性涂料。促使等軸晶從型壁脫落及使枝晶破碎。第47頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五三、動(dòng)力學(xué)細(xì)化1．鑄型振動(dòng)2．超聲波振動(dòng)3．液相攪拌4．流變鑄造第48頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五1．鑄型振動(dòng)在凝固過程中振動(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。離心鑄造時(shí)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)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所起的細(xì)化晶粒作用。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動(dòng)鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機(jī)第49頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2．超聲波振動(dòng)

超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(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。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。第50頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五第51頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3．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(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。

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。第52頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4．流變鑄造

流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(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)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯著提高。這種細(xì)小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動(dòng)性而容易成形。因?yàn)樗臏囟冗h(yuǎn)低于液相線溫度，所以對(duì)于黑色金屬的壓鑄件來(lái)說，能大大減輕金屬對(duì)模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。第53頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織

第54頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五液態(tài)金屬在特殊條件下的凝固成形一、快速凝固二、定向凝固第55頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五一、快速凝固（一）快速凝固簡(jiǎn)介（二）快速凝固方法（三）快速凝固顯微組織（四）金屬玻璃第56頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（一）快速凝固簡(jiǎn)介

快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過程。快界面推進(jìn)速率大于10mm/s冷卻速率達(dá)到104~109K/s固-液界面的移動(dòng)速率趕上或超過原子間擴(kuò)散速率時(shí)，晶體將來(lái)不及轉(zhuǎn)移成分，界面固、液相成分不再平衡。第57頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五完全擴(kuò)散平衡固-液界面局部平衡非穩(wěn)定界面局部平衡界面不平衡凝固中的固、液界面溶質(zhì)成分第58頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五定義：在比常規(guī)工藝過程(冷速不超過102℃/s)快得多的冷速下，合金以極快的速度從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。冷速第59頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※快速凝固的組織特征快速凝固的實(shí)質(zhì)在于通過某種技術(shù)手段，使液態(tài)合金在很大的冷卻速度下達(dá)到足夠大的過冷度，使凝固過程盡可能按無(wú)溶質(zhì)再分配、無(wú)擴(kuò)散、無(wú)偏析的模式進(jìn)行。

顯著擴(kuò)大合金的固溶極限；超細(xì)的晶粒度；少偏析或無(wú)偏析；形成亞穩(wěn)相；形成非晶相；高的點(diǎn)缺陷密度。第60頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※快速凝固合金的性能特點(diǎn)高強(qiáng)度及高韌性；高耐蝕性；高抗蠕變能力；使不銹鋼成為理想的核反應(yīng)內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)材料；某些晶態(tài)合金也與非晶合金一樣具有良好的磁學(xué)、電學(xué)和超導(dǎo)能力；非晶合金具有一系列極有價(jià)值的性能特點(diǎn)。第61頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五※動(dòng)力學(xué)激冷凝固技術(shù)※熱力學(xué)深過冷凝固技術(shù)液相微粒的霧化法；經(jīng)過特殊處理的塊體材料快速凝固；第62頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（二）快速凝固方法1、把金屬或合金熔體分散成小液滴也稱之為霧化技術(shù)、乳化技術(shù)或噴射成形技術(shù)，以使這些小液滴在凝固前達(dá)到很大的過冷度。霧化法的裝置2、使液流保持一個(gè)很小的截面，并與高效冷卻（散熱）器接觸，如熔體旋轉(zhuǎn)法或薄截面連續(xù)鑄造法。

熔體旋轉(zhuǎn)法3、使材料的一個(gè)薄層快速熔化并與無(wú)限大散熱器緊密接觸，散熱器通常是同一種材料或相關(guān)的材料，如電子或激光束表面脈沖/移動(dòng)熔化。表面熔化法第63頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五深過冷法深過冷法是另一類快速凝固方法，其核心是:消除合金液中的異質(zhì)形核核心。熔融玻璃凈化法通過熔融玻璃對(duì)合金液的凈化作用，消除合金液中的異質(zhì)形核核心。懸浮熔煉法（電磁懸浮、靜電懸浮、聲懸?。┩ㄟ^無(wú)容器熔煉消除合金熔體與容器接觸對(duì)形核的促進(jìn)作用。第64頁(yè)，共72頁(yè)，2023年，2月20日，星期五（三）快速凝固顯微組織

凝固在很大的過冷度和很高的冷卻速率下進(jìn)行，凝固組織中會(huì)出現(xiàn)非平衡相。

可以把溫度梯度G和生長(zhǎng)速率R聯(lián)系起來(lái)，用GR空間表示顯微組織的變化和枝晶間距（偏析間距）的變化：

對(duì)鑄件和鑄錠，通常GR=10-3~101K/s，但對(duì)霧化法，GR=102~106K/s。相應(yīng)