凝固科學基礎：6-1晶粒組織6-2鑄態(tài)組織

1、材料液態(tài)成形原理材料液態(tài)成形原理 1 液體的結構與性質液體的結構與性質 2 凝固的熱力學基礎凝固的熱力學基礎 3 凝固的結晶學基礎凝固的結晶學基礎 4 凝固的傳熱學問題凝固的傳熱學問題 5 凝固過程液相的流動現(xiàn)象凝固過程液相的流動現(xiàn)象 6 凝固組織及其控制凝固組織及其控制 7 伴隨凝固與冷卻過程產生的現(xiàn)象伴隨凝固與冷卻過程產生的現(xiàn)象 6 凝固組織及其控制凝固組織及其控制 凝固組織凝固組織 凝固組織凝固組織指凝固后冷卻到室溫，不經后續(xù)熱加指凝固后冷卻到室溫，不經后續(xù)熱加 工或熱處理的組織，通常又稱為工或熱處理的組織，通常又稱為鑄態(tài)組織鑄態(tài)組織。 凝固條件不同，其組織可能差異很大凝固條件不同，其組

2、織可能差異很大 如：從晶態(tài)，到納米晶、微晶、準晶或非晶。如：從晶態(tài)，到納米晶、微晶、準晶或非晶。 結晶材料的組織結晶材料的組織 主要特征通常包括兩方面：主要特征通常包括兩方面： 晶粒（晶粒（grain）組織）組織，包括其尺寸、形狀和，包括其尺寸、形狀和 取向。取向。 亞結構（亞結構（substructure）,包括合金元素的分包括合金元素的分 布與狀態(tài)、枝晶結構。布與狀態(tài)、枝晶結構。 材料成分確定以后，性能取決于它的組織。材料成分確定以后，性能取決于它的組織。 凝固組織取決于凝固條件。凝固組織取決于凝固條件。 通過控制凝固過程控制凝固組織，取得優(yōu)異通過控制凝固過程控制凝固組織，取得優(yōu)異 的材料

3、性能，是一個十分活躍的研究領域。的材料性能，是一個十分活躍的研究領域。 鑄件的凝固組織很難改變鑄件的凝固組織很難改變，特別對不進行后繼，特別對不進行后繼 熱處理的鑄件更是如此。金屬鑄錠可以通過后熱處理的鑄件更是如此。金屬鑄錠可以通過后 繼壓力加工改變組織和位錯密度。繼壓力加工改變組織和位錯密度。 本章將應用前面學習的凝固理論，理解、分析本章將應用前面學習的凝固理論，理解、分析 和控制凝固組織和控制凝固組織。 6 凝固組織及其控制凝固組織及其控制 6.1晶粒組織晶粒組織 6.2鑄態(tài)宏觀組織鑄態(tài)宏觀組織 6.3影響晶粒組織因素影響晶粒組織因素 6.4非晶態(tài)固體、準晶、納米晶、微晶非晶態(tài)固體、準晶、

4、納米晶、微晶 6.5凝固組織控制凝固組織控制 6.6熔焊金屬的凝固熔焊金屬的凝固 6.1晶粒組織晶粒組織 金屬凝固組織通常是多晶體，它由尺寸不同的金屬凝固組織通常是多晶體，它由尺寸不同的 小晶體組成。小晶體組成。 小晶體從不同的晶核長大，其形狀、尺寸和取小晶體從不同的晶核長大，其形狀、尺寸和取 向都不相同。這些小晶體稱為向都不相同。這些小晶體稱為晶粒晶粒。 凝固金屬晶粒的直徑尺度從大約凝固金屬晶粒的直徑尺度從大約0.25mm到幾個到幾個 毫米。毫米。 晶粒的概念是了解凝固組織及其控制的基晶粒的概念是了解凝固組織及其控制的基 礎，是金屬組織結構最重要的概念之一。礎，是金屬組織結構最重要的概念之一

5、。 grain, grain boundary engineering 單相合金晶粒組織單相合金晶粒組織 對于單相合金對于單相合金，凝固時形成的晶粒在冷卻過程，凝固時形成的晶粒在冷卻過程 不再發(fā)生相變。不再發(fā)生相變。 多相合金晶粒組織多相合金晶粒組織 常見的多相合金晶粒組織有兩種類型：常見的多相合金晶粒組織有兩種類型： 一個相的晶粒形成基體（通常是固溶體），其它相一個相的晶粒形成基體（通常是固溶體），其它相 在凝固或隨后冷卻過程時形成的，以分散的小晶體在凝固或隨后冷卻過程時形成的，以分散的小晶體 形態(tài)散布在基體上。形態(tài)散布在基體上。 兩相混合共同生長的共晶晶粒（共晶團）或共析晶兩相混合共同生長

6、的共晶晶粒（共晶團）或共析晶 粒。對亞共晶和過共晶合金，在先凝固相剩余的空粒。對亞共晶和過共晶合金，在先凝固相剩余的空 間進行共晶。間進行共晶。 鐵碳系平衡凝固時晶粒的形成鐵碳系平衡凝固時晶粒的形成 p179案例案例6.1 6.2 鑄態(tài)宏觀組織鑄態(tài)宏觀組織 鑄態(tài)晶粒有鑄態(tài)晶粒有柱狀晶和等軸晶柱狀晶和等軸晶 兩種形態(tài)，通常比較粗大。兩種形態(tài)，通常比較粗大。 在加工后，經蝕顯或不經蝕在加工后，經蝕顯或不經蝕 顯，一般可以用肉眼或低倍顯，一般可以用肉眼或低倍 下觀察，故晶粒組織稱為下觀察，故晶粒組織稱為宏宏 觀組織或低倍組織。觀組織或低倍組織。 宏觀組織的兩個重要參數(shù)是宏觀組織的兩個重要參數(shù)是 晶粒

7、形狀和尺寸晶粒形狀和尺寸。 本節(jié)討論用常規(guī)鑄造方法，鑄件和鑄錠本節(jié)討論用常規(guī)鑄造方法，鑄件和鑄錠 的宏觀組織。的宏觀組織。 鑄態(tài)宏觀組織：鑄態(tài)宏觀組織： 表層激冷細晶粒區(qū)表層激冷細晶粒區(qū) 柱狀晶柱狀晶 中心等軸晶中心等軸晶 表層激冷層表層激冷層 鑄件表層常常由很細的等軸晶組成鑄件表層常常由很細的等軸晶組成，稱為，稱為激冷激冷 層層。 在鑄錠內表現(xiàn)最明顯。其厚度隨鑄錠大小而異，在鑄錠內表現(xiàn)最明顯。其厚度隨鑄錠大小而異， 最厚可達十幾毫米。最厚可達十幾毫米。 激冷層可能很薄，薄壁件不明顯以至觀察不到。激冷層可能很薄，薄壁件不明顯以至觀察不到。 激冷層殼的收縮導致形成與模壁激冷層殼的收縮導致形成與模

8、壁 間的氣隙，結晶釋放的潛熱阻止間的氣隙，結晶釋放的潛熱阻止 了液體進一步冷卻，激冷層終止。了液體進一步冷卻，激冷層終止。 表層激冷層形成表層激冷層形成 形成機制形成機制：表層激冷形成細小晶體，：表層激冷形成細小晶體， 流動沖刷，游離的晶體在密度差驅流動沖刷，游離的晶體在密度差驅 動下沿型壁運動，部分小晶體受到動下沿型壁運動，部分小晶體受到 冷卻而被型壁冷卻而被型壁“捕捉捕捉”，形成等軸的，形成等軸的 激冷層。激冷層。 激冷層殼的收縮導致形成與模壁間激冷層殼的收縮導致形成與模壁間 的氣隙，結晶釋放的潛熱阻止了液的氣隙，結晶釋放的潛熱阻止了液 體進一步冷卻，激冷層的形成即被體進一步冷卻，激冷層的

9、形成即被 終止等軸的激冷層終止等軸的激冷層 鑄態(tài)組織的形成鑄態(tài)組織的形成-柱狀晶柱狀晶 柱狀晶柱狀晶-帶方向性的柱狀晶粒。帶方向性的柱狀晶粒。 生長方向：與散熱方向相反。生長方向：與散熱方向相反。 常近似與型壁垂直，與激冷層常近似與型壁垂直，與激冷層 相連。相連。 以枝狀晶方式長大以枝狀晶方式長大。一次、二。一次、二 次、三次臂次、三次臂 二次枝晶臂二次枝晶臂 間距測量間距測量45個臂平均值，無標準；個臂平均值，無標準； 擇優(yōu)生長擇優(yōu)生長（preferredgrowthdirection） 擇優(yōu)生長擇優(yōu)生長-柱狀晶生長的機制柱狀晶生長的機制 柱狀晶區(qū)晶體性能呈現(xiàn)方向性，它的枝晶的分支柱狀晶區(qū)晶

10、體性能呈現(xiàn)方向性，它的枝晶的分支 少，凝固后的顯微縮松與雜質較少，組織致密。少，凝固后的顯微縮松與雜質較少，組織致密。 鑄態(tài)組織的形成鑄態(tài)組織的形成-等軸晶等軸晶 等軸晶等軸晶:各個晶體同時以無方向性的枝狀晶方式長大形各個晶體同時以無方向性的枝狀晶方式長大形 成的組織。等軸晶粒近似球形。成的組織。等軸晶粒近似球形。 等軸晶晶體性能不呈現(xiàn)方向性等軸晶晶體性能不呈現(xiàn)方向性，在晶粒周界形成微觀，在晶粒周界形成微觀 偏析和微觀縮松，相對柱狀晶來說，其組織不夠致密。偏析和微觀縮松，相對柱狀晶來說，其組織不夠致密。 混合的鑄態(tài)組織混合的鑄態(tài)組織 柱狀晶和等軸晶混柱狀晶和等軸晶混 合組織合組織; 柱狀晶組織

11、柱狀晶組織 等軸晶組織等軸晶組織 大型鋼錠的鑄態(tài)組織與宏觀偏析大型鋼錠的鑄態(tài)組織與宏觀偏析 p185案例案例6.2 掌握其溶質元素的分掌握其溶質元素的分 布、組織不均勻性和布、組織不均勻性和 凝固缺陷凝固缺陷 大型鋼錠的宏觀偏析大型鋼錠的宏觀偏析 與鑄態(tài)結構密切相關與鑄態(tài)結構密切相關 ，它是大型鍛件宏觀，它是大型鍛件宏觀 偏析的根源。偏析的根源。 55噸重噸重34CrMo1A合金合金 鋼錠解剖分析鋼錠解剖分析 鑄態(tài)組織和缺陷鑄態(tài)組織和缺陷 爐前分析鋼液化學成分爐前分析鋼液化學成分為：為： 0.33%C，0.52Mn，0.27Si， 0.015P，0.008S，0.96Cr，0.45Mo 硫印檢

12、查：硫印檢查：沿鋼錠軸線縱向剖開。沿鋼錠軸線縱向剖開。 取樣化學分析：取樣化學分析：從外表面至中軸。從外表面至中軸。 冷酸蝕法：冷酸蝕法：顯示低倍組織。顯示低倍組織。 I區(qū)區(qū)-位于錠身上部（冒口端）：位于錠身上部（冒口端）： 細等軸晶帶：距邊緣細等軸晶帶：距邊緣4050mm。 柱狀晶帶：向內柱狀晶帶：向內230285mm，有，有 向上傾斜的趨勢。向上傾斜的趨勢。 心部：等軸晶帶，中心嚴重縮松。心部：等軸晶帶，中心嚴重縮松。 II區(qū)區(qū)-錠身下部（水口端）：錠身下部（水口端）： 細等軸晶帶：較薄，約為細等軸晶帶：較薄，約為20mm。 柱狀晶帶：較薄，約為柱狀晶帶：較薄，約為90110mm 心部：等

13、軸晶帶，中心微量縮松。心部：等軸晶帶，中心微量縮松。 34CrMo1A合金鋼錠（合金鋼錠（ 55噸重）解剖分析噸重）解剖分析 化學成分分布和偏析化學成分分布和偏析 橫截面上碳含量橫截面上碳含量：不均勻性最：不均勻性最 為明顯，沿鑄錠高度出現(xiàn)帶狀為明顯，沿鑄錠高度出現(xiàn)帶狀 富集區(qū)域，含量高達富集區(qū)域，含量高達 0.370.39%C。A偏析偏析 在縱斷面這條碳偏析帶上，溶在縱斷面這條碳偏析帶上，溶 質元素量都較高，質元素量都較高，S、P、Al、 Cr量都是同一斷面內的最高值量都是同一斷面內的最高值 形成這種形成這種偏析帶可能的兩種機偏析帶可能的兩種機 制制：一是柱狀晶凝固前沿的溶：一是柱狀晶凝固前

14、沿的溶 質再分配，造成溶質元素從表質再分配，造成溶質元素從表 向里富集，在柱狀晶區(qū)的終結向里富集，在柱狀晶區(qū)的終結 處區(qū)域形成溶質富集區(qū)。二是處區(qū)域形成溶質富集區(qū)。二是 A型偏析帶。型偏析帶。 34CrMo1A合金鋼錠（合金鋼錠（ 55噸重）解剖分析噸重）解剖分析 化學成分分布和偏析化學成分分布和偏析 錠身的最大錠身的最大正偏析正偏析出現(xiàn)在上部出現(xiàn)在上部 中心區(qū)；中心區(qū)； 最大最大負偏析負偏析則相反，出現(xiàn)在下則相反，出現(xiàn)在下 部中心區(qū)，是由于晶體的沉積部中心區(qū)，是由于晶體的沉積 形成的。形成的。 34CrMo1A合金鋼錠（合金鋼錠（ 55噸重）解剖分析噸重）解剖分析 硫印檢查結果硫印檢查結果：

15、 硫印檢查出現(xiàn)與化學分析類似的偏析帶。硫偏析呈斷續(xù)細帶狀分布，硫印檢查出現(xiàn)與化學分析類似的偏析帶。硫偏析呈斷續(xù)細帶狀分布， 具有具有A型偏析特征。型偏析特征。 在中心軸區(qū)，自縮孔下方延伸至錠身中部，硫的偏聚很明顯，具有在中心軸區(qū)，自縮孔下方延伸至錠身中部，硫的偏聚很明顯，具有V 型偏析特征。型偏析特征。 柱狀晶與等軸晶宏觀形貌柱狀晶與等軸晶宏觀形貌 （20Mn2SiMo鋼鋼87噸錠）噸錠） 沿鋼錠軸線縱向剖面的硫印照片沿鋼錠軸線縱向剖面的硫印照片 （A，V - A、V型偏析）型偏析） 34CrMo1A合金鋼錠（合金鋼錠（ 55噸重）解剖分析噸重）解剖分析 亞結構亞結構 合金元素的分布與狀態(tài)是一

16、種重要的亞合金元素的分布與狀態(tài)是一種重要的亞 結構。包括：結構。包括： 偏析偏析 枝狀晶形貌枝狀晶形貌 晶粒間的第二相網(wǎng)狀物、顆粒相晶粒間的第二相網(wǎng)狀物、顆粒相 共晶晶粒內兩相的分布和狀態(tài)等共晶晶粒內兩相的分布和狀態(tài)等 偏析問題與晶粒形態(tài)密切相關。偏析問題與晶粒形態(tài)密切相關。晶粒粗大和存晶粒粗大和存 在偏析是鑄件性能低于鍛件的主要原因。在偏析是鑄件性能低于鍛件的主要原因。 偏析偏析是鑄件內部成分不均勻現(xiàn)象。包括是鑄件內部成分不均勻現(xiàn)象。包括: 微觀偏析微觀偏析 宏觀偏析宏觀偏析 微觀偏析微觀偏析 晶內偏析晶內偏析 晶界偏析晶界偏析 宏觀偏析宏觀偏析 重力偏析、通道偏析重力偏析、通道偏析 正偏析

17、、負偏析正偏析、負偏析等等 偏析及其分類偏析及其分類 晶內、晶界偏析案例晶內、晶界偏析案例 AlCu5Mn鋁合金鑄態(tài)組織，合金含鋁合金鑄態(tài)組織，合金含 0.35%Ti 晶界偏析案例晶界偏析案例 ：Ni在晶界偏析在晶界偏析 晶界偏析案例晶界偏析案例 ：316 不銹鋼不銹鋼 (0.08C,17Cr,12Ni,0.045P) 晶界偏析場離子顯微鏡晶界偏析場離子顯微鏡(Field- Ion Microscopy)圖象圖象 原子探針顯示晶界原子探針顯示晶界 B, C ,P 偏析偏析 。 black P, grey B, clear C 正偏析正偏析 符合溶質再分配規(guī)符合溶質再分配規(guī) 律的宏觀偏析；律的宏觀偏析； 無法消除；無法消除； 逆偏析逆偏析 不符合溶質再分配規(guī)不符合溶質再分配規(guī) 律。律。 例例1： Al-Cu合金合金 , 連鑄連鑄, 表面富表面富Cu層。層。 結晶范圍寬，糊狀凝結晶范圍寬，糊狀凝 固，枝晶發(fā)達，液體固，枝晶發(fā)達，液體 內富含氣體，易形成內富含氣體，易形成