液态金属成型原理0、概论 1、液态金属的结构和性质 2、凝固的热力学基础 3、界面 4、凝固的结晶学基础 5、凝固的传热基础 6、凝固过程的流体流动 7、凝固金属的组织结构 8、凝固过程的缺陷和对策第七章 凝固金属的组织结构第七章 凝固金属的组织结构Î 第一节 凝固金属的组织结构 第二节 偏析（Segregation） 第三节 金属凝固组织形态控制第七章 凝固金属的组织结构2一、凝固铸态组织的含义z 铸态组织，即铸件的晶粒组 织，包括晶粒的形状、尺寸 和取向。
广义讲，还包括合 金元素的分布（偏析）和凝 固过程形成的缺陷。
第七章 凝固金属的组织结构3二、晶粒组织（Grain Structure） 典型铸态组织：表面细晶粒、柱状晶粒、等轴晶粒z激冷晶区的晶粒细小;内部等轴晶区 表层急冷晶区z柱状晶区的晶粒垂直 于型壁排列，且平行 于热流方向.z内部等轴晶区的晶粒 较为粗大;中间柱状晶区第七章 凝固金属的组织结构4几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶第七章 凝固金属的组织结构5三、铸态组织形成原因 1. 表面细晶粒z 型壁激冷，大量生核； z 三维散热，生长迅速，相互抑制； z 生长无方向性。
第七章 凝固金属的组织结构6三、铸态组织形成原因 2. 柱状晶区z 定向散热，平行热流并相反方向生长； z 择优取向，有利的方向生长较快； z 开始于细晶区，结束于等轴区； z 特殊的形成穿晶组织。
第七章 凝固金属的组织结构7三、铸态组织形成原因 3. 等轴晶 熔体内部产生晶核； 三维散热，自由生长； 晶核的来源：内生生核、枝晶熔断、型壁晶 粒游离。
第七章 凝固金属的组织结构8A. 过冷熔体的非自发生核随着凝固层向内推移，固 相散热能力逐渐削弱，内 部温度梯度趋于平缓，且 液相中的溶质原子越来越 富集，从而使界面前方成 分过冷逐渐增大。
第七章 凝固金属的组织结构9B. 枝晶的熔断和增殖 生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖 导致了内部等轴晶晶核的形成。
游离晶体的生长、局部熔化与增殖第七章 凝固金属的组织结构10第七章凝固金属的组织结构11C. 激冷等轴晶的型壁脱落在浇注的过程中及凝固的初期激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成, 浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。
第七章凝固金属的组织结构12第七章凝固金属的组织结构第一节凝固金属的组织结构Î第二节偏析（Segregation ）第三节金属凝固组织形态控制第七章凝固金属的组织结构13第二节偏析（Segregation ） 微观偏析使晶粒范围内的物理和化学性能产生差异，影响力学性能。
宏观偏析是断面尺寸范围内成分不均匀，区域偏析。
危害：影响铸件的机械性能。
微观偏析易引发热裂，并降低铸件的塑性；宏观偏析降低铸件的耐蚀性，暴露在空气中易受侵蚀，表面破裂或开裂，降低使用寿命。
偏析：铸件内部成分不均匀现象;第七章凝固金属的组织结构14A.晶内偏析非平衡凝固具有一定的结晶温度范围 偏析系数（1－K ）合金冷却速度和扩散系数降低强度、塑性和抗蚀性例1：(Al-4.9Cu,铸态,X200)第七章凝固金属的组织结构15B. 晶界偏析两个晶粒对向生长晶界位置与生长方向平行 降低高温性能，诱发热裂例1：(Al-4.9Cu,铸态,X200)第七章凝固金属的组织结构16例：Ni 在Pt 晶界偏析第七章凝固金属的组织结构17C. 微观偏析对策细化晶粒、减小二次枝晶间距；冷却速度的控制；扩散退火，固相线下100-200℃长时间保温; 很难全部消除。
第七章凝固金属的组织结构18二、正偏析符合溶质再分配规律的宏观偏析第七章凝固金属的组织结构19二、正偏析 符合溶质再分配规律的宏观偏析；无法消除第七章凝固金属的组织结构20三、逆偏析不符合溶质再分配规律； 结晶范围宽，糊状凝固，枝晶发达，液体内富含气体，易形成逆偏析。
例1：Al-Cu 合金, 表面富Cu 层；第七章凝固金属的组织结构21例. 灰铸铁床身高P 铁豆第七章凝固金属的组织结构22A. 逆偏析形成机制结晶温度范围宽，糊状凝固 收缩将内部富集溶质通过枝晶间隙挤到表层;气体外逸带出后凝固液体;B. 逆偏析的防止一般加大冷却速度 抑制枝晶生长;第七章凝固金属的组织结构23正、逆偏析的影响因素结晶温度范围：结晶温度范围小→正偏析树枝状晶的尺寸：枝晶粗大→逆偏析冷却条件：冷却缓慢→逆偏析 液体金属受到的压力：气体多、压力大→逆偏析第七章凝固金属的组织结构24四、重力偏析先凝固相轻，或互不混合的液相之间存在密度差时，产生重力偏析例：Al-Ti 合金——合金中细化元素Ti第七章凝固金属的组织结构25重力偏析的防止和消除加大冷却速度;降低合金的浇注温度和浇注速度 加入合金元素, 使枝晶发达, 防止初凝相上浮;加强搅拌，混合均匀；微重力、电磁场下凝固；第七章凝固金属的组织结构26易出现于大型的钢锭，凝后期的通道铸锭中央下部收缩下沉、产生V 型裂缝，溶质充填 防止通道偏析V 型偏析第七章凝固金属的组织结构27大型的钢锭，凝后期的通道比重小的溶质上升，收缩时形成的逆V 型裂缝和裂纹 防止通道偏析A 型偏析第七章凝固金属的组织结构28六、带状偏析与凝固界面平行，间断或连续的偏析条带偏析系数（1－K ）大，溶质扩散慢、晶体生长速度快，易形成带状偏析例：铁素体不锈钢（含硫化锰和细小的条状碳化物）第七章凝固金属的组织结构29带状偏析的防止采取孕育措施细化晶粒加强固液界面的对流和搅拌 减少溶质含量第七章凝固金属的组织结构30第七章凝固金属的组织结构第一节凝固金属的组织结构第二节偏析（Segregation ）Î第三节金属凝固组织形态控制第七章凝固金属的组织结构31第三节金属凝固组织形态控制 主要指相结构和晶粒形态的控制。
¾相结构很大程度上取决于合金成分。
¾晶粒形态和尺寸则由凝固过程决定。
凝固组织控制的关键是晶粒形态，其次是晶粒尺寸。
第七章凝固金属的组织结构32典型凝固组织：柱状晶和等轴晶——各有不同的力学性能。
常温下使用的铸件，均匀细小等轴晶利于力学性能的提高。
在高温下单向受载的铸件，柱状晶使其单向力学性能大幅度提高。
对于普通铸件，柱状晶会导致力学性能和工艺性能的恶化。
第七章凝固金属的组织结构33第三节金属凝固组织形态控制一、等轴晶组织的获得和细化二、等轴晶优化工艺与控制方法三、柱状晶——单(定)向凝固第七章凝固金属的组织结构34一、等轴晶组织的获得和细化加大成分过冷减小G/R加快冷却速度降低浇温 加大铸型导热A. 促进内生生长第七章凝固金属的组织结构35B. 孕育处理、增加晶核孕育处理：加入少量物质，促进液体内部生核1）外加晶核，同类金属颗粒、碎屑高锰钢中加入锰铁、不锈钢中加入铬铁 铸铁中加入石墨粉2）加入细化晶粒合金元素铜–Fe γ质点;铝–Ti 形成TiAl 3 钢–V, Ti 形成TiN , TiC , VN, VC 高熔点质点；第七章凝固金属的组织结构36C. 变质处理(modification) 变质处理：阻碍、抑制和改变晶体的生长方式变质剂：熔点低，K<<1，溶解度很小；强的成分过冷，凝固前沿浓度富集，例：铝硅共晶合金加1.5-3%钠盐（Bi、Sr、Li等）细化硅片;例：铜合金加入Li和Bi，产生很强的成分过冷第七章凝固金属的组织结构37第三节金属凝固组织形态控制一、等轴晶组织的获得和细化二、等轴晶优化工艺与控制方法三、柱状晶——单(定)向凝固第七章凝固金属的组织结构38浇注工艺浇注温度：合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。
但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。
浇注方式：通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。
但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。
二、优化工艺与控制方法第七章凝固金属的组织结构39铸型中间浇注单孔上注沿型壁六孔浇注不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织第七章凝固金属的组织结构40动力学细化方法——铸型运动 在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。
引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。
可促使“晶雨”的形成。
立式离心铸造机第七章凝固金属的组织结构41第三节金属凝固组织形态控制一、等轴晶组织的获得和细化二、等轴晶优化工艺与控制方法三、柱状晶——单(定)向凝固第七章凝固金属的组织结构42三、单(定)向凝固(unidirectional solidification ）A. 单向柱状晶生长单向散热，择优生长；减小成分过冷，提高G/R ； 避免液体金属内形成晶核，如净化和过热、减少流动和搅拌；第七章凝固金属的组织结构43铸件移出法单向结晶柱状晶第七章凝固金属的组织结构44B.单向柱状晶组织 单相合金第七章凝固金属的组织结构45C. 单晶铸件第七章凝固金属的组织结构46柱状晶、螺旋选择器及生长的单晶 等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较第七章凝固金属的组织结构47第七章主要内容典型的铸态组织及成因宏观偏析和微观偏析及其分类、形成原因和防止等轴晶的细化措施 柱状晶生长条件的控制。