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晶体沉积形成中心等轴晶区的过程
大量晶体在对流作用下，沿模壁下沉；部分晶体由于模壁的冷却， 积聚在模壁上形成表面细等轴晶；部分晶体由于对流作用被卷向 铸锭中部，悬浮在液体中。 随着温度的降低，对流的减弱，沉积于铸锭下部的晶体越来越多； 表面细等轴晶通过竞争生长形成柱状晶区； 中部晶体长大后与柱状晶相遇，凝固结束。
➢ 形成表面细等轴晶区的影响因素
（1）浇温高，显热的散失使模温迅速升高，过冷度迅速降低，形成 稳定晶核数减少。脱离模壁的晶粒少或易于被完全重溶，因而表面等 轴晶区窄； （2）当模壁激冷作用过强时，细等轴晶区也变窄甚至消失； （3）合金中元素含量较高时，晶粒或枝晶根部易形成缩颈而游离， 细等轴晶区变宽。
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10.2 铸锭异常晶粒组织
10.2.1 异常粗大晶粒 表层粗晶粒 悬浮晶 粗大金属间化合物
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10.2 铸锭异常晶粒组织
表层粗晶粒
通常铸锭表层为细等轴晶。但在连续铸锭表层中，宏观 组织也可能由冷隔、细晶粒和粗晶粒组成。由于传热过程受 到影响，使形成稳定凝壳的时间延迟，只有少量晶核在该处 长大成粗大晶粒。
合金凝固时，如在固/液界面前沿能始终保持较大的温度 梯度，则柱状晶区可延伸至铸锭中心，直至与由对面模 壁生长过来的柱状晶相遇为止，如图所示。
铸锭中具有单一柱状晶组织示意图
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柱状晶区的影响因素
金属液内对流的影响 对流的冲刷作用以及对流造成的温度起伏，会使晶体脱落
及游离，有利于等轴晶的形成，不利于柱状晶形成。 施加稳定磁场，或沿一个方向恒速旋转锭模，可消弱或抑制
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10.1.2 柱状晶区的形成
细晶区形成后，模壁温度升高，散热减慢， 冷速降低，过冷度减小，不再生核
在表面细等轴晶区内，生长方向（立方金 属为<100>，六方金属<10-10>）与散 热方向平行的晶粒优先长大，而与散热方 向不平行的晶粒则被压抑。愈往铸锭内部 晶粒数目愈少，优先生长的晶粒最后单向 生长并互相接触而形成柱状晶区。
柱状晶区是在单向导热及顺序凝固条件下 形成的。
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10.1.2 柱状晶区的形成
形成柱状晶区的影响因素
凡能阻止晶体脱离模壁和在固/液界面前沿形核的因素， 均有利于扩大柱状晶区。
如模壁导热性好，激冷作用强，易形成稳定的凝壳，则柱 状晶发达。
合金化程度低，溶质偏析系数小，成分过冷弱，晶粒或枝 晶根部不易形成缩颈而被熔断，也较易于获得柱状晶。
• 凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大于或小于
液体比重，也会产生对流，晶体被卷入铸锭中心，然后长 大成等轴晶。
凝固初期因比重不同引起的对流
（a）晶体比重小于金属液；（b）晶体比重大于金属液
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枝晶的熔断及游离
枝晶长大时，在其周围 会形成溶质偏析层，因而抑 制枝晶生长；由于此偏析层 很薄，枝晶一旦穿过该偏析 层，就会迅速生长变粗，在 偏析层内留下缩颈。这种带 缩颈的枝晶，在对流作用下 易被熔断，其碎块游离至铸 锭中心，在温度较低的情况 下，长成为中心等轴晶。
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10.1.3 中心等轴晶区的形成
公认的形成中心等轴晶区的方式有三种，即：
• 表面细等轴晶的游离； • 枝晶的熔断及游离； • 液面或凝壳上晶体的沉积。 • 凝固初期在模壁附近形成的晶体，由于其比重大
于或小于液体比重，也会产生对流，晶体被卷入 铸锭中心，然后长大成等轴晶。
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10.1.3 中心等轴晶区的形成
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10.1.2 柱状晶区的形成
形成柱状晶区的影响因素 提高浇注温度，游离晶重
熔的可能性增大，故有利 于扩大柱状晶区。
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柱状晶区的影响因素
合金凝固时，随合金含量提高，由于溶质偏析产生成分过 冷，促进晶体根部颈缩及脱落，使固/液界面的前沿晶核 增殖，不利于获得柱状晶，柱状晶区变窄。
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柱状晶区的影响因素
第十讲 铸锭晶粒组织及其细化
10.1 铸锭正常晶粒组织 10.2 铸锭异常晶粒组织 10.3 晶粒细化技术
10.1 铸锭正常晶粒组织
铁模铸锭的晶粒组织常由三个区域组成： 表面细等轴晶区（激冷晶区） 柱状晶区 中心等轴晶区
铸锭具有上述三种晶区，各自的宽窄也会 因合金成分、铸锭方法和工艺的不同而不同。
在同一铸锭条件下，纯金属多形成柱状晶， 合金则常形成粗等轴晶。
对于同一合金，用冷却强度大的连铸方法，
易于形成细长柱状晶，用铁模铸锭时可得到粗 等轴晶或柱状晶。
图 具有三个晶区的铸锭晶粒 组织示意图
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10.1.1 表面细等轴晶区的形成
➢ 形成表面薄层细等轴晶区的原因
✓ 与模壁接触的金属液薄层激冷产生极大过冷，形核率大增 ✓ 动量对流、热对流，以及由对流引起的温度起伏 ✓ 结晶快，潜热来不及散失，液-固界面温度升高，停止发展，所以薄
• 等轴晶晶核的来源
(1) 均质生核形成中心等轴晶区：中心等轴晶区是在柱状晶 区包围的残余液体中，同时过冷生核而形成。从热力学 观点看，均质生核需要较大的过冷度，这在一般铸锭条 件下是难以满足的。
(2) 成分过冷引起中心非均质生核：当出现成分过冷时， 由于固/液界面处过冷度最小，柱状晶生长被抑制，而 界面前沿过冷度较大的地方，利于非均质生核而形成等 轴晶区。
枝晶缩颈的形成示意图，虚线表示溶质偏 析层
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枝晶的熔断及游离
Slowly cooled
Quickly cooled
过共晶Co-33Ge合金形成的（a）枝晶颈缩与断开，（b）颈缩枝 晶及枝晶断开的碎块
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枝晶的熔断及游离
枝晶熔断现象在无对流的情况下 也可发生。由于枝晶缩颈处表面张力大， 熔点较低，在固/液两相共存温度下保 温，该处有可能被熔断，此即等温粗化 模型II所示情况。此外，强烈过冷形成 的细小枝晶，在结晶潜热作用下，将会 被熔断而形成极细小的粒状晶。在上述 两种情况下，如有对流存在，则更易形 成等轴晶。
金属液内部的对流，阻止晶体的游离，有利于得到柱状晶； 定向凝固，关键是保证单向导热，保持较大的温度梯度和较
小的凝固速度。
定向凝固
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柱状晶区的影响因素
在铁模中凝固比在砂模中 更易获得柱状晶。
冷却速度、传热过程、凝 壳形成。
砂模和铁模中晶体游离对比 （a）砂模；（b）铁模
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10.1.3 中心等轴晶区的形成