第十五节-典型晶粒组织控制.ppt

由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。 第五章 多相合金的凝固 5-5 晶粒组织的控制 铸件宏观结晶组织 紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚。 由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成。 柱状晶区 表面细晶区 内部等轴晶区 晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱状晶(a)或等轴晶(c)所组成的宏观结晶组织。 形成原因？ 传热与传质(包括由动量传输引起) 5-5-1表面细晶粒区的形成 细晶区前提：抑制铸件形成 型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。 细化程度取决于 型壁散热条件所决定的过冷度和凝固区域的宽度 型壁附近熔体内大量的非均匀形核 各种形式的晶粒游离 稳定的凝固壳层 凝固壳层→界面处晶粒单向散热→晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶 柱状晶区的宽度及存在取决于两个因素综合作用结果 生长方式：择优生长 各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶生长迅速，优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织 竞争淘汰 离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大 5-5-2柱状晶区的形成 稳定凝固壳层产生→柱状晶区开始 柱状晶区结束→内部等轴晶区形成 5-5-3 内部等轴晶区的形成 过冷熔体中的非均匀形核 枝晶游离、增殖 枝晶生长导致溶质富集 成分过冷 液态金属流动的作用： －型壁晶粒的脱落、游离 －枝晶破断、游离 液态金属的流动形式 浇注过程中的流动 凝固期间的对流 自然对流 强迫对流 铸型和液面处温度低、密度大而下沉 中心部分温度较高、密度小而上浮 溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化 游离晶体和液态金属之间密度差异 浇注过程中的注入动量 、 电磁搅拌、机械搅拌 液面晶粒沉积（枝晶雨） 液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分枝 →密度比液体大→下沉→产生晶粒游离。 多发生在大型铸锭的凝固过程中 液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传质过程而实现的： （1）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于30s）从浇注温度下降到凝固温度。 （2）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。 同时改变界面前沿的溶质分布状态，加速流体宏观成分的均匀化。 凝固过程中晶核游离独立形核＋游离状态自由小晶体→→等轴晶粒“晶核”。游离晶形成、漂移、堆积→→等轴晶的数量、大小和分布 →→铸件宏观结晶组织 （1）柱状晶 分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。 但柱状晶比较粗大，晶界面积小，位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。 凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体 ，将导致铸件热裂。 5-5-4 铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区 薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能 主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。 （2）等轴晶 晶界面积大，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。 枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。 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。晶粒越细综合性能越好。 5-5-4 铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。 5-5-5影响铸件宏观结晶组织形成的因素 5-5-5等轴晶组织的获得和细化 强化非均匀形核 促进晶粒游离 游离晶的残存与堆积 如何抑制柱状晶区、扩大并细化等轴晶区 （1） 金属性质 ① 宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度GL。保证熔体有较宽的形核区域、促使较长的脆弱枝晶的形成； ②合金中溶质元素含量较高、平衡分配系数k0值偏离1较远。凝固过程中树枝晶比较发达，缩颈现象比较严重； 5-5-5等轴晶组织的获得和细化 （2）浇注条件控制 ① 低温浇注可有效减少柱状晶，获得细等轴晶，但 低温液态金属流动性差的