TL TS
S S+L L
T
S+L S
TL TS
S S+L
T
S
逐层凝固
2014-11-8 金属凝固原理
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；
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
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第三节 凝固组织中的偏析及其控制
1．凝固组织中的微观偏析及其控制
微观偏析按其形式分为胞状偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它们的表现 形式虽不同，但形成机理是相似的，都是合金在结晶过程中溶质再分配的 必然结果，其中枝晶偏析是微观偏析的主要表现形式。
胞状偏析
晶界偏析
低合金钢柱状晶的等浓度面
铅合金
铜合金
0.02～0.04
纯金属或合金
镍基高温 合金
碳化物(WC、 NbC)等
—
碳化物粉末
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3. 动力学细化法
（1）浇注过程控制技术
4
(a)
(b)
(c)
(d)
利用浇注过程液流控制进行晶粒细化的几种方法
(a)中心浇注法 (b)沿型壁浇注 (c)沿型壁四周浇注 (d)斜板浇注 1—中间包 2—冷却水 3—游离晶 4—铸型
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（2）铸型振动 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。同时振动铸型可促使“晶雨”的形成。由于“晶雨”的来 源是液态金属表面的凝固层，当液态金属静止时表面凝固的金属结壳而不 能下落，铸型振动可使壳层中的枝晶破碎，形成“晶雨”。 （3）超声波振动 超声振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时， 液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力，起到促进形核的 作用。 （4）液相搅拌 采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动， 引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。其中机械和电磁搅 拌方法不仅使晶粒细化，而且可使晶粒球化，获得流动性很好的半固态金 属，可进行半固态铸造或半固态挤压。
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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。
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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，呈现糊状凝固始幅值， A0 Cmax Cmin
可见，均匀化时间取决于枝晶间距和扩散系数。 枝晶间距越小，均匀化退火时原子扩散路程越短，故均匀化时间 越短。因此，凡能细化枝晶的各种工艺措施均有利于以后的均匀化 退火。偏析元素的扩散系数愈大，在其它条件相同时，均匀化退火 时间愈短。
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1. 传热条件控制
大量实验证实，降低浇注温度是减少柱状晶获得细等轴晶的有效措施之 一，甚至在减少液体流动的情况下也能得到细等轴晶组织。 合理控制冷却条件从而形成宽 的凝固区域和获得大的过冷可促进 熔体生核和晶粒游离。小的温度梯 度和高的冷却速度可以满足上述要 求。但就铸型的冷却能力而言，除 薄壁铸件外，这两者不可兼得。 由于高的冷却速度不仅使温 度梯度变大，而且在凝固初期还 促使稳定凝固壳层的过早形成。 因此对厚壁铸件，一般采用冷却 能力小的铸型以确保等轴晶的形 成，再辅以其它晶粒细化措施以 得到满意的效果。
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常用合金的晶粒细化剂
合 金 晶粒细化元素
Ti、Zr、Ti+B、 Ti+C Se、Bi2Se3、 Ag2Se、BeSe Zr、Zr+B、 Zr+Mg、 Zr+Mg+Fe+P
加入量(质量分数)/%
加入方法
铝合金
Ti+B：0.0l(Ti)、0.005(B) Ti+C：0.0l(Ti)、 中间合金：Al-Ti、 0.005(C) Al-Ti-B、A1-Ti-C Ti：0.15 Zr：0.2 0.0l～0.02 纯金属或合金
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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Ts
T(℃） 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
金属及合金的凝固方式
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2．凝固组织中的宏观偏析及其控制
铸件各部位之间化学成 分的差异
铸件产生宏观偏析的规律与铸件的凝固特点密切相 关。当铸件以逐层凝固方式凝固时，宏观偏析的产生主 要与结晶过程中的溶质再分配有关，可用Scheil方程近 似地描述；当铸件以糊状凝固方式凝固时，铸件产生宏 观偏析的原因主要是凝固早期固相或液相的沉浮以及枝 晶间的液体流动。 液态金属沿枝晶间流动的原因主要有：①凝固收 缩（或膨胀）的抽吸作用促使液体流动；②冷却时液 相和固相的收缩；③由于密度差而发生的对流；④大 容积内液体对流向枝晶间的穿透；⑤固一液两相区内 气体的形成。
k0 小于1时，其值越小，偏析越严重。
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枝晶偏析在凝固后的均匀化处理
把铸件加热到低于固相线100~200oC，长期保温，使溶质 原子充分扩散， 假设枝晶偏析值近似地为正弦波，根据扩散第二定律可解出 在一定温度下经τ时间后的偏析幅值A：
A A0 exp π 2 DS / 2
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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。
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
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fS C k0C0 1 1 k0
* S
k0 1
DS f / 2
影响微观偏析的主要因素是： ① 局部凝固时间 f 或凝固速率 随着局部凝固时间的增大，扩散时 间延长，促进了成分的均匀化，偏析减轻。合理的方法是快速凝固使枝 晶细化，然后进行均匀化退火处理。 ② 合金元素的固相扩散系数DS 合金元素的固相扩散系数越大，凝 固过程的扩散就越充分，该元素的偏析也就越轻。 ③ 溶质平衡分配系数
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。
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