2018/10/14 金属凝固原理
第二节 等轴晶的晶粒细化
细化晶粒的主要途径：
①控制传热条件促进熔体生核； ②添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强 的异质晶核，达到细化晶粒的目的； ③采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法，促使枝 晶折断、破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小； ④提高冷却速率使液态金属获得大过冷度，增大形核速率； ⑤去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金 液获得很大过冷度，并在大过冷度下突然大量形核，获得细小 等轴晶组织。
金属凝固原理
Wizke等及Lipton等的研究 表明，液相流动对凝固界 面前的液相成分过冷度的 形成具有重要影响，而该 过冷度则是决定等轴晶形 成的关键因素，可作为柱 状晶向等轴晶转变的判据。
3. 等轴晶的形核
（1）型壁处的晶粒游离
合金的浇注过热度对游 离晶的形成具有决定性 的影响
液态金属在铸型型壁的激冷作用下依附型壁形核，这些晶粒在长大过 程中由于根部溶质的富集产生根部“缩颈”现象，并在流体的机械冲刷和 温度反复波动的热冲击下，自型壁脱落形成游离晶。 （2）枝晶熔断
C2
T(℃） 548
固液两相区 宽度较窄
600
X 2
X1
Cu
固液两相区宽 度较宽
Al
固液两相区宽度将对凝固时液相补缩的影响
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凝固动态曲线
在凝固件横断面处设置 温度传感器测定冷却曲线， 即温度-时间曲线。据不同 断面的冷却曲线，结合该合 金的相图，便可以绘出凝固 件断面液相线-固相线与凝 固时间的关系----凝固动态 曲线。
热流 方向 热流 方向
x
由凝固动态曲线可以看 出合金在凝固件中的凝固方 式。
⑥ ⑤ ④ ③ ② ①
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Hale Waihona Puke TsT(℃） 54 8
TL
60 0
C u A l
铸件凝固动态曲线的绘制
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a)铸件断面的温度-时间曲线b)凝固动态曲线c)某时刻的凝固状态
内部等轴晶区。由紊乱排列 的粗大等轴晶所组成。
柱状晶区
铸件典型凝固组织
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当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由 于受到强烈的激冷作用而大量生核加上型壁晶粒脱落、枝晶 熔断和晶粒增殖等各种形式的晶粒游离过程，在铸型表面形 成了无方向性的表面细等轴晶组织。
一旦型壁晶粒互相连接而构成稳定的凝固壳层，处在凝 固界面前沿的晶粒便开始向内生长，在垂直于型壁的单向热 流的作用下，那些择优生长方向与热流方向平行的枝晶，生 长速度快，逐步淘汰取向不利的晶粒而发展成柱状晶组织。 随着熔体的不断冷却，由于生核及晶粒游离、枝晶熔断 等在柱状晶前沿产生大量等轴晶，并形成内部等轴晶区。
第五章
铸件凝固组织控制
• • • • •
铸件凝固组织的形成 等轴晶的晶粒细化 凝固组织中的偏析及其控制 凝固收缩及其控制 半固态金属的特性及半固态铸造
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第一节
铸件凝固组织的形成
1．凝固条件与晶体生长方式
平界面
等轴晶
柱状晶
等轴晶
(a)
(b)
(c)
(d)
铸件凝固过程中的温度分布与凝固方式
TL TS
S S+L L
T
S+L S
TL TS
S S+L
T
S
逐层凝固
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糊状凝固
2. 铸件的典型凝固组织与形成过程
表面细晶区 内部等轴晶区
表面细晶粒区。它是紧靠型 壁的一个外壳层，由紊乱排 列的细小等轴晶所组成；
柱状晶区。由自外向内沿着 热流方向彼此平行排列的柱 状晶所组成；
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2．金属或合金的凝固方式 金属或合金在铸型中凝固时,可以分为液相区、固相区和 液固两相区三个区域。
液相区
液固两相区 固相区 铸型 金属或合金凝固分区示意图
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△X
固液两相区较窄时－呈现强烈的逐层凝固特点； 固液两相区较宽时－逐层凝固特征不明显，呈现糊状凝固特点， 造成液相补缩困难。 C1
液相流动对枝晶熔断具有重要影响
枝晶生长过程中，在树枝晶各次分枝的根部同样会由于溶质富集产生 “缩颈”现象，并在液流冲刷和热波动的作用下发生熔断、脱落，形成自 由晶体。 （3）表面凝固和“晶雨”的形成
人为地进行表面振动有 利于“晶雨”的形成
表面形成的晶核由于密度比液体大而下沉，另外液相的流动和表面的 扰动会带动表面形成的晶核下落形成“晶雨”。
金属及合金的凝固方式
金属及合金的凝固方式并不唯一取决于相图，它还与凝固时的温度 梯度相关。
糊状凝固 逐层凝固
工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线 a)砂型铸造b)金属型铸造
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影响凝固方式的因素
凝固方式一般由合金固液相线温度间隔和凝固件断面温度梯度两 个因素决定。凝固温度间隔大的合金倾向于糊状凝固；反之倾向于逐 层凝固
Southin认为内部等 轴晶区的形成不仅要 求界面前方存在有等 轴晶的晶核，而且还 要求这些晶核长到一 定的大小，并形成网 络以阻止柱状晶区的 生长。
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Fredriksson等人则 认为内部等轴晶区的 产生是由一部分游离 晶的沉淀和一部分游 离晶被侧面生长着的 柱状前沿捕获后而形 成的。
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4. 铸件凝固组织形态的控制
凝固组织形态的控制主要是晶粒形态和相结构的控制。相结构在很大程 度上取决于合金的成分，而晶粒形态及其尺寸则是由凝固过程决定的。 晶粒形态的控制是凝固组织控制的关键，其次是晶粒尺寸。 柱状晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其性能具有明显的方 向性：纵向好，横向差。此外，其凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质， 特别是当不同方位的柱状晶区相遇而构成晶界时大量夹杂与气体等在该处聚集 将导致铸件热裂，或者使铸件在以后的塑形加工中产生裂纹。 等轴晶区的界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向 也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。其缺点是枝晶比较发达，显 微缩松较多，凝固后组织不够致密。等轴晶细化能使杂质和缺陷分布更加分 散，从而在一定程度上提高各项性能。一般说来，晶粒越细，其综合性能就 越好，抗疲劳性能也越高。 基于上述原因，大多数情况下希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组 织。晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制实现的。促进形核的方法包括 浇注过程控制方法、化学方法、物理方法、机械方法、传热条件控制方法等。