第二章純金屬的結(jié)晶

1、第二章第二章 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w金屬的過程金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w金屬的過程 金屬生產(chǎn)的第一步金屬生產(chǎn)的第一步 本章目的：本章目的： 1 介紹金屬結(jié)晶的基本概念和基本過程介紹金屬結(jié)晶的基本概念和基本過程 2 闡明金屬實(shí)際的結(jié)晶組織及其控制闡明金屬實(shí)際的結(jié)晶組織及其控制一、結(jié)晶的概念與現(xiàn)象一、結(jié)晶的概念與現(xiàn)象1 金屬的結(jié)晶金屬的結(jié)晶結(jié)晶概念結(jié)晶概念: 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯w物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂芯w 結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為結(jié)構(gòu)的固相的過程稱為1 金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象 (1) 過冷現(xiàn)象過冷現(xiàn)象 金屬在低于熔點(diǎn)的溫度結(jié)晶的現(xiàn)象金屬在低于熔點(diǎn)的溫度結(jié)晶的現(xiàn)象 (2

2、) 結(jié)晶過程伴隨潛熱釋放結(jié)晶過程伴隨潛熱釋放 結(jié)晶潛熱：液相結(jié)晶為固相時(shí)釋放的熱量。結(jié)晶潛熱：液相結(jié)晶為固相時(shí)釋放的熱量。純金屬結(jié)晶時(shí)的熱分析曲線純金屬結(jié)晶時(shí)的熱分析曲線( T-t )特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1)低于熔點(diǎn)才發(fā)生結(jié)晶低于熔點(diǎn)才發(fā)生結(jié)晶 (2)存在結(jié)晶平臺(tái)存在結(jié)晶平臺(tái)2 金屬結(jié)晶的微觀過程金屬結(jié)晶的微觀過程（1）形核）形核 ：從液體中形成從液體中形成具有一定臨界尺寸的具有一定臨界尺寸的小小晶晶體體(晶核晶核)的過程。的過程。 （2）長大）長大：晶核由小變大晶核由小變大長成晶粒的過程。長成晶粒的過程。 對(duì)于單個(gè)晶粒對(duì)于單個(gè)晶粒: 形核形核長大長大 對(duì)于多個(gè)晶粒對(duì)于多個(gè)晶粒: 形核與長大形核與

3、長大交錯(cuò)重疊進(jìn)行。交錯(cuò)重疊進(jìn)行。實(shí)際金屬最終形成多晶體實(shí)際金屬最終形成多晶體* 當(dāng)只有一個(gè)晶核時(shí)當(dāng)只有一個(gè)晶核時(shí)單晶體單晶體單晶體制備單晶體制備* 晶核越多，最終晶粒越細(xì)晶核越多，最終晶粒越細(xì)晶粒大小控制晶粒大小控制多晶體多晶體二二 金屬結(jié)晶的條件金屬結(jié)晶的條件1 熱力學(xué)條件熱力學(xué)條件熱力學(xué)：研究系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的方向和限度熱力學(xué)：研究系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的方向和限度 轉(zhuǎn)變的可能性轉(zhuǎn)變的可能性 熱力學(xué)第二定律：在恒溫等恒條件下，物熱力學(xué)第二定律：在恒溫等恒條件下，物質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由質(zhì)系統(tǒng)總是自發(fā)地從自由能較高的狀態(tài)向自由能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。能較低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 即即G = G(轉(zhuǎn)變后轉(zhuǎn)變后)

4、G(轉(zhuǎn)變前轉(zhuǎn)變前) S固固 結(jié)晶時(shí)只有存在結(jié)晶時(shí)只有存在T 才才 能能 保保 證：證： G V= GS GL r0 時(shí)時(shí)， 系統(tǒng)的系統(tǒng)的G 0, 熱力學(xué)上結(jié)晶不熱力學(xué)上結(jié)晶不可發(fā)生，但液相中結(jié)構(gòu)起伏可發(fā)生，但液相中結(jié)構(gòu)起伏的穩(wěn)定狀態(tài)不同：的穩(wěn)定狀態(tài)不同： 當(dāng)當(dāng) r rk 時(shí)時(shí)， 隨隨 r ， G 晶胚尺寸減小為自發(fā)晶胚尺寸減小為自發(fā)過程過程會(huì)會(huì)瞬間離散瞬間離散, 只能保持只能保持結(jié)構(gòu)起伏狀態(tài)，不能長大。結(jié)構(gòu)起伏狀態(tài)，不能長大。r0當(dāng)當(dāng) r r0 時(shí)時(shí)， 隨隨 r ， G 晶胚長大為自發(fā)過程晶胚長大為自發(fā)過程 即該尺寸區(qū)域的晶胚即該尺寸區(qū)域的晶胚不再瞬間離散，而為穩(wěn)定不再瞬間離散，而為穩(wěn)定且可長

5、大的且可長大的 。r0 當(dāng)當(dāng) rk r r0 ：系統(tǒng)系統(tǒng)G 0，可結(jié)晶；，可結(jié)晶； rkr0, 按熱力學(xué)理論按熱力學(xué)理論LS并不能發(fā)生。并不能發(fā)生。 結(jié)晶尚需克服結(jié)晶尚需克服Gk的能壘的能壘實(shí)際上將實(shí)際上將rk 認(rèn)定為認(rèn)定為臨界晶核尺寸臨界晶核尺寸。 原因：過冷液體中存在原因：過冷液體中存在能量起伏能量起伏, 其中高能區(qū)可能使其中高能區(qū)可能使G 0, 此時(shí)：此時(shí)：TLTrmmK2 Gk 1/3 (4rk2) 1/3 Sk 代入球形晶胚自由能表達(dá)式可得：代入球形晶胚自由能表達(dá)式可得：引入引入形核功形核功： 過冷液體形過冷液體形核時(shí)的障礙核時(shí)的障礙結(jié)晶總阻力結(jié)晶總阻力形核功形核功: 事實(shí)上，只要事

6、實(shí)上，只要 r rk, 即為穩(wěn)定晶核。即為穩(wěn)定晶核。原因：原因：液體中除結(jié)構(gòu)起伏外，還存在液體中除結(jié)構(gòu)起伏外，還存在能量起伏能量起伏 故故形核功可以依靠能量起伏來補(bǔ)償形核功可以依靠能量起伏來補(bǔ)償。結(jié)論：結(jié)論：除除結(jié)構(gòu)起伏結(jié)構(gòu)起伏外，形核還借助外，形核還借助能量起伏能量起伏。 能量起伏能量起伏:問題：問題： 臨界晶核形核時(shí)需要的體積自由能差和能臨界晶核形核時(shí)需要的體積自由能差和能量起伏各占多少？量起伏各占多少？形核功的影響因素形核功的影響因素 222321316)2(34TLTTLTGmmmmK隨隨T ，G即：即：增大過冷度，可顯著降低形核阻力增大過冷度，可顯著降低形核阻力定義：定義：單位時(shí)間單

7、位體積液相中所形成的晶核數(shù)目單位時(shí)間單位體積液相中所形成的晶核數(shù)目(N = cm -3 s 1) 。 討論的意義討論的意義: N 越大，結(jié)晶后獲得的晶粒越細(xì)越大，結(jié)晶后獲得的晶粒越細(xì)小，材料的強(qiáng)度高，韌性也好。小，材料的強(qiáng)度高，韌性也好。 （3） 形核率形核率形核率為：形核率為：)exp()exp(,21RTQRTGNNNk)exp()exp(,21RTQRTGNNNk形核功形核功Gk 驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力控制控制的因子的因子 (T, N1)exp()exp(,21RTQRTGNNNk擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能Q擴(kuò)散擴(kuò)散控制的因子控制的因子(T, N 2)實(shí)際純金屬：實(shí)際純金屬： (1)隨結(jié)晶溫度隨結(jié)晶溫度

8、，T, N; (2)均勻形核的臨界過冷度均勻形核的臨界過冷度T 0.2Tm擴(kuò)散擴(kuò)散控制控制(T, N2)驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力控制控制(T, N1)金屬玻璃金屬玻璃實(shí)際金屬實(shí)際金屬思考題思考題 （1）從熱力學(xué)（能量）角度分析純金屬在）從熱力學(xué)（能量）角度分析純金屬在凝固過程中均勻形核時(shí)的臨界晶核形成過凝固過程中均勻形核時(shí)的臨界晶核形成過程。程。（2）凝固臨界核心的形成是否是熱力學(xué)自）凝固臨界核心的形成是否是熱力學(xué)自發(fā)過程，并對(duì)此加以解釋。發(fā)過程，并對(duì)此加以解釋。2 非均勻形核（非自發(fā)形核）非均勻形核（非自發(fā)形核）MLLM cos222sinrRAM )cos1 (22 rAL 3coscos3233rV

9、)(4coscos3243432V3fGrGrGL均 )(VLMMMLLAAGVG/cosV2GrLk*)()(316)(*2V3均非GfGfGL )4coscos32()(3f 一般凝固時(shí)液相中都含有大量的形核靠背，一般凝固時(shí)液相中都含有大量的形核靠背，故實(shí)際凝固中非均勻形核率總比均勻形核率要故實(shí)際凝固中非均勻形核率總比均勻形核率要高得多。非均勻形核使臨界過冷度大幅度減小，高得多。非均勻形核使臨界過冷度大幅度減小，形核溫度大大提高，因此實(shí)際凝固過程不能獲形核溫度大大提高，因此實(shí)際凝固過程不能獲得大的過冷度。特別對(duì)于金屬和合金有很大的得大的過冷度。特別對(duì)于金屬和合金有很大的結(jié)晶傾向，更是難以用

10、一般的手段獲得較大的結(jié)晶傾向，更是難以用一般的手段獲得較大的過冷。過冷。 在實(shí)際結(jié)晶過程中為了有效地提高結(jié)晶過程的在實(shí)際結(jié)晶過程中為了有效地提高結(jié)晶過程的形核率（有利于得到細(xì)晶粒的組織），往往會(huì)人為形核率（有利于得到細(xì)晶粒的組織），往往會(huì)人為地加入一些形核質(zhì)點(diǎn)作為非均勻形核的核心。為了地加入一些形核質(zhì)點(diǎn)作為非均勻形核的核心。為了使這種加入的質(zhì)點(diǎn)可以充分起到降低非均勻形核形使這種加入的質(zhì)點(diǎn)可以充分起到降低非均勻形核形核功的目的，加入的質(zhì)點(diǎn)與固相晶核之間具有良好核功的目的，加入的質(zhì)點(diǎn)與固相晶核之間具有良好的浸潤性是有利的的浸潤性是有利的變質(zhì)處理變質(zhì)處理。 形核功遠(yuǎn)低于均勻形核：形核功遠(yuǎn)低于均勻形核

11、： T 0.02Tm 遠(yuǎn)小于均勻形核遠(yuǎn)小于均勻形核T （0.2Tm）非均勻形核特點(diǎn)非均勻形核特點(diǎn)1、必須要有過冷度、必須要有過冷度T，晶胚尺寸，晶胚尺寸rrk。2、rK與與T成反比。成反比。T rk。3、均勻形核既需結(jié)構(gòu)起伏，又需能量起伏、均勻形核既需結(jié)構(gòu)起伏，又需能量起伏 液體中的自然現(xiàn)象。液體中的自然現(xiàn)象。4、結(jié)晶必須在一定溫度下進(jìn)行、結(jié)晶必須在一定溫度下進(jìn)行(擴(kuò)散條件擴(kuò)散條件)5、在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)金屬凝固總是以非均勻、在工業(yè)生產(chǎn)中，液態(tài)金屬凝固總是以非均勻形核進(jìn)行。形核進(jìn)行。 均勻形核均勻形核T 0.2Tm 非均勻形核非均勻形核T 0.02Tm結(jié)晶時(shí)形核要點(diǎn)結(jié)晶時(shí)形核要點(diǎn)結(jié)晶形核時(shí)：結(jié)

12、晶形核時(shí)：THTrfk12m22231316TLTGmmK)exp()exp(,21RTQRTGNNNk)exp()exp(,21RTQRTGNNNkN=V2Grk思考題：思考題： 試對(duì)相同過冷度下均勻形核與非均勻形核的臨界試對(duì)相同過冷度下均勻形核與非均勻形核的臨界半徑、臨界形核功、臨界晶核體積大小進(jìn)行比較。半徑、臨界形核功、臨界晶核體積大小進(jìn)行比較。 二二 晶核的長大晶核的長大 1 液固界面類型液固界面類型小平面界面小平面界面非小平面界面非小平面界面光滑界面光滑界面: 液固界面截然分開液固界面截然分開 粗糙界面粗糙界面: 液固界液固界面面犬牙交錯(cuò)犬牙交錯(cuò)注意注意 (1) 所謂光滑界面、粗糙界

13、面的劃分是從所謂光滑界面、粗糙界面的劃分是從原子尺度，當(dāng)在顯微觀察時(shí)，恰好相反，原子尺度，當(dāng)在顯微觀察時(shí)，恰好相反，光滑界面反不平整、粗糙界面反而平整；光滑界面反不平整、粗糙界面反而平整； (2) 金屬液固界面類型多為粗糙界面金屬液固界面類型多為粗糙界面 光滑界面有兩種機(jī)制：光滑界面有兩種機(jī)制：(1) 二維形核側(cè)向長大機(jī)制二維形核側(cè)向長大機(jī)制 速度很慢速度很慢 (2)借助晶體缺陷借助晶體缺陷(螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)) 長大機(jī)制長大機(jī)制 結(jié)構(gòu)上存在臺(tái)階如螺型位錯(cuò)結(jié)構(gòu)上存在臺(tái)階如螺型位錯(cuò) 速度較速度較 (1) 快快 2 晶核長大的機(jī)制晶核長大的機(jī)制 界面上所有位置均為生長點(diǎn)：界面上所有位置均為生長點(diǎn)：

14、垂直界面連續(xù)長大；垂直界面連續(xù)長大； 長大速度遠(yuǎn)較長大速度遠(yuǎn)較(1)(2)快；快； 金屬晶體長大的主方式金屬晶體長大的主方式粗糙界面主要有一種機(jī)制粗糙界面主要有一種機(jī)制： (3)連續(xù)長大機(jī)制連續(xù)長大機(jī)制 3 晶體的生長形態(tài)晶體的生長形態(tài)（1）液固界面前沿溫度分布）液固界面前沿溫度分布 正溫度梯度正溫度梯度溫度分布溫度分布: 液相溫度隨至界面距離增加而液相溫度隨至界面距離增加而提高。提高?？拷１谔幙拷１谔庁?fù)溫度梯度負(fù)溫度梯度溫度分布溫度分布: 液相溫度隨至界面距離增加而液相溫度隨至界面距離增加而降低。降低。 （2） 晶體的生長形態(tài)晶體的生長形態(tài) (一一) 正溫度梯度下正溫度梯度下光滑界面光滑

15、界面: 易于形成具有規(guī)則形狀的晶體易于形成具有規(guī)則形狀的晶體(100)密排面密排面(簡單立方中簡單立方中)，長大速度慢，長大速度慢(101)非密排非密排面，長大面，長大速度快速度快最終外表面最終外表面為密排面為密排面正溫度梯度下粗糙界面正溫度梯度下粗糙界面 “平面長大平面長大”方式方式平面晶平面晶正溫度梯度下光滑、粗糙界面均為正溫度梯度下光滑、粗糙界面均為穩(wěn)定界面穩(wěn)定界面 (二二) 負(fù)溫度梯度下負(fù)溫度梯度下 “枝晶生長枝晶生長”方式方式樹枝晶樹枝晶常見常見 會(huì)解釋樹枝晶形成會(huì)解釋樹枝晶形成 1 粗糙界面粗糙界面 2 光滑界面光滑界面 多為小平面樹枝狀晶體多為小平面樹枝狀晶體 有時(shí)為規(guī)則外形晶體

16、有時(shí)為規(guī)則外形晶體1 晶粒大小對(duì)材料性能的影響晶粒大小對(duì)材料性能的影響 常溫下常溫下，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度，金屬的晶粒越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性也越好。越高，塑性和韌性也越好。 但高溫下晶界為弱區(qū)，晶粒細(xì)小強(qiáng)度但高溫下晶界為弱區(qū)，晶粒細(xì)小強(qiáng)度反而下降，但晶粒過于粗大會(huì)降低塑性反而下降，但晶粒過于粗大會(huì)降低塑性 。此時(shí)。此時(shí)須采用適當(dāng)粗晶粒度。須采用適當(dāng)粗晶粒度。三、晶粒大小及控制三、晶粒大小及控制 形核率越大，長大速度越小，則單位體積形核率越大，長大速度越小，則單位體積中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。中的晶粒數(shù)目越多，晶粒越細(xì)小。 單位體積中的晶粒數(shù)目為：單位體積中的晶粒數(shù)目為：

17、 ZV=0.9（N / G）3 / 4 細(xì)化晶粒：細(xì)化晶粒： 提高形核率提高形核率N， 降低晶核長大速度降低晶核長大速度G 2 鑄造中晶粒大小的控制鑄造中晶粒大小的控制（1）增加過冷度增加過冷度 過冷度增大，過冷度增大，N、G均增大，但均增大，但N提高的幅度提高的幅度遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)高于G 增加過冷度增加過冷度 加大冷卻速度加大冷卻速度工業(yè)上常用的方法工業(yè)上常用的方法 添加固相微?；虮砻嫣砑庸滔辔⒘；虮砻娣蔷鶆蛐魏朔蔷鶆蛐魏?變質(zhì)處理變質(zhì)處理定義定義：在澆注前往液體中加入變：在澆注前往液體中加入變質(zhì)劑質(zhì)劑(孕育劑孕育劑)，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核，促進(jìn)形成大量的非均勻晶核，該工藝稱為該工藝稱為。孕育劑

18、選擇原則孕育劑選擇原則： 點(diǎn)陣匹配點(diǎn)陣匹配：即：即結(jié)構(gòu)相似、尺寸相當(dāng)。結(jié)構(gòu)相似、尺寸相當(dāng)。 孕育劑熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于金屬本身孕育劑熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于金屬本身（2）變質(zhì)處理）變質(zhì)處理 如如- Fe為為 f c c 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) a0.3652nm Cu也為也為 f c c 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) a0.3688nm 在液體在液體Cu中加入少量中加入少量Fe，可促進(jìn)形核；，可促進(jìn)形核； 又如又如 Zr 能促進(jìn)能促進(jìn) Mg 的非均勻形核；的非均勻形核； Ti 能促進(jìn)能促進(jìn) Al 的非均勻形核。的非均勻形核。（3）振動(dòng)、攪動(dòng)振動(dòng)、攪動(dòng)： 機(jī)械方法、電磁波攪拌、機(jī)械方法、電磁波攪拌、 超聲波攪拌等。超聲波攪拌等。2 金屬鑄錠的組織與缺陷

19、金屬鑄錠的組織與缺陷 1、鑄錠三晶區(qū)、鑄錠三晶區(qū) 1 表層細(xì)晶區(qū)表層細(xì)晶區(qū) 2 中間柱狀晶區(qū)中間柱狀晶區(qū) 3 中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)鑄錠結(jié)構(gòu)圖鑄錠結(jié)構(gòu)圖形成原因：形成原因： （1）過冷度）過冷度T大。大。 （2）模壁作為非均勻形）模壁作為非均勻形核的位置。核的位置。特點(diǎn)：晶粒細(xì)小，組織致特點(diǎn)：晶粒細(xì)小，組織致密，密， 機(jī)械性能好機(jī)械性能好 薄，無實(shí)用意義薄，無實(shí)用意義（一）表層細(xì)晶區(qū)（一）表層細(xì)晶區(qū)形成原因：形成原因： (1) 細(xì)晶區(qū)形成后，模壁溫度細(xì)晶區(qū)形成后，模壁溫度升高，結(jié)晶前沿過冷度升高，結(jié)晶前沿過冷度T較低，較低，不易形成新的晶核；不易形成新的晶核； (2) 細(xì)晶區(qū)中某些取向有利的

20、細(xì)晶區(qū)中某些取向有利的晶粒可以顯著長大；晶?？梢燥@著長大； (3)晶體沿垂直于模壁晶體沿垂直于模壁 (散熱最快散熱最快)相反方向擇優(yōu)生相反方向擇優(yōu)生長成柱狀晶。長成柱狀晶。（二）柱狀晶區(qū)（二）柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)特點(diǎn)：組織粗大而致密柱狀晶區(qū)特點(diǎn)：組織粗大而致密 定義：鑄造過程中形成定義：鑄造過程中形成的一種晶體學(xué)位向一致的一種晶體學(xué)位向一致的鑄態(tài)組織稱為。的鑄態(tài)組織稱為。 又稱又稱“結(jié)晶織構(gòu)結(jié)晶織構(gòu)”鑄造織構(gòu)鑄造織構(gòu)細(xì)晶區(qū)中：細(xì)晶區(qū)中：晶粒的晶粒的無序無序取向取向柱狀晶區(qū)中：柱狀晶區(qū)中：晶粒的晶粒的一致一致取向取向最大散熱方向最大散熱方向注意：晶粒外形注意：晶粒外形(外貌外貌)與晶粒取向的差別與晶

21、粒取向的差別 另有：形變織構(gòu)另有：形變織構(gòu)形成原因：形成原因： （1）液體溫度全部降到結(jié)晶溫度以下，）液體溫度全部降到結(jié)晶溫度以下，可同時(shí)形核。可同時(shí)形核。 （2）未熔雜質(zhì)、沖斷的枝晶分枝可作）未熔雜質(zhì)、沖斷的枝晶分枝可作為非均勻形核的核心。為非均勻形核的核心。 （3）散熱失去了方向性，各方向長大）散熱失去了方向性，各方向長大速度相差不大。速度相差不大。 長成等軸晶。長成等軸晶。 由于過冷度由于過冷度T不大，晶粒較粗大。不大，晶粒較粗大。 （三）中心等軸粗晶區(qū)（三）中心等軸粗晶區(qū) 等等 軸軸 晶晶 柱柱 狀狀 晶晶優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 無方向性，無方向性，無明顯弱面，無明顯弱面，熱加工性能好。熱加工性能

22、好。缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 顯微縮孔多，顯微縮孔多，致密性差。致密性差。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)致密：結(jié)構(gòu)致密缺缺點(diǎn)：點(diǎn)： 1、由于結(jié)晶位向一致，性、由于結(jié)晶位向一致，性能有方向性，熱加工性能差能有方向性，熱加工性能差 2、兩個(gè)不同方向柱狀晶的、兩個(gè)不同方向柱狀晶的結(jié)合處雜質(zhì)多、強(qiáng)度低，稱結(jié)合處雜質(zhì)多、強(qiáng)度低，稱為弱面，熱軋時(shí)易破斷。為弱面，熱軋時(shí)易破斷。 等軸晶和柱狀晶體性能比較等軸晶和柱狀晶體性能比較 一般有三個(gè)晶區(qū)，在某些凝固情況下只一般有三個(gè)晶區(qū)，在某些凝固情況下只有柱狀晶區(qū)，而有的只有等軸晶區(qū)。有柱狀晶區(qū)，而有的只有等軸晶區(qū)。塑性好金屬鋁、銅等塑性好金屬鋁、銅等發(fā)展柱狀晶發(fā)展柱狀晶塑性相對(duì)較低的金屬、鋼等

23、塑性相對(duì)較低的金屬、鋼等發(fā)展等軸晶發(fā)展等軸晶2 鑄錠組織的控制鑄錠組織的控制30CrMoDAl合金合金 總體：總體：(1) 加大液相沿垂直鑄錠模壁方向的散熱能力加大液相沿垂直鑄錠模壁方向的散熱能力 促進(jìn)散熱的方向性促進(jìn)散熱的方向性(2) 降低液相內(nèi)部非均勻形核的可能性降低液相內(nèi)部非均勻形核的可能性（一）促進(jìn)柱狀晶生長的方法（一）促進(jìn)柱狀晶生長的方法 (1) 提高鑄錠模的冷卻能力。提高鑄錠模的冷卻能力。 如：如： 金屬模代替砂型模；金屬模代替砂型模； 增加金屬鑄模的厚度等增加金屬鑄模的厚度等 注意注意：此方法僅適于尺寸較大的鑄件，但不適：此方法僅適于尺寸較大的鑄件，但不適于尺寸較小的鑄件于尺寸較

24、小的鑄件增大溫度梯度增大溫度梯度 原因原因：若鑄模冷卻能力很大，反而促進(jìn)等軸晶：若鑄模冷卻能力很大，反而促進(jìn)等軸晶的發(fā)展的發(fā)展(增加形核率增加形核率) 整體溫度下降整體溫度下降 例：連鑄小截面鋼坯時(shí)，采用水冷結(jié)晶器，例：連鑄小截面鋼坯時(shí)，采用水冷結(jié)晶器， 連連鑄錠全部獲得細(xì)小的等軸晶粒。鑄錠全部獲得細(xì)小的等軸晶粒。具體方法：具體方法：（2）提高鑄模中心區(qū)溫度，增大溫度梯度）提高鑄模中心區(qū)溫度，增大溫度梯度 具體：提高澆注溫度與澆注速度具體：提高澆注溫度與澆注速度 熔化溫度越高，液態(tài)金屬過熱度越大，熔化溫度越高，液態(tài)金屬過熱度越大，非金屬夾雜物溶解越多，從而減少了柱狀非金屬夾雜物溶解越多，從而減

25、少了柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶前沿液體中形核的可能性，有利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。晶區(qū)的發(fā)展。(3) 提高熔化溫度，減少非均勻形核數(shù)目提高熔化溫度，減少非均勻形核數(shù)目例如：例如： 1、磁性鐵合金、磁性鐵合金方向?qū)Т怕首畲?，柱狀方向?qū)Т怕首畲?，柱狀晶的一次軸正好也是這個(gè)方向。晶的一次軸正好也是這個(gè)方向。 發(fā)展柱狀晶，獲得最好的磁學(xué)性能發(fā)展柱狀晶，獲得最好的磁學(xué)性能 2、燃?xì)廨啓C(jī)葉片，其負(fù)荷具有方向性，要、燃?xì)廨啓C(jī)葉片，其負(fù)荷具有方向性，要求在葉片軸線方向有較高的強(qiáng)度。求在葉片軸線方向有較高的強(qiáng)度。 使柱狀晶的長度方向和葉片軸線方向使柱狀晶的長度方向和葉片軸線方向平行。平行。（二）控制鑄

26、錠組織在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用（二）控制鑄錠組織在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用柱狀晶制備柱狀晶制備 單晶制備方法單晶制備方法 降低澆注溫度和澆注速度，減小液體過熱降低澆注溫度和澆注速度，減小液體過熱度，在液體中保留較多非均勻形核核心；度，在液體中保留較多非均勻形核核心； 小鑄件：可用小鑄件：可用過冷度的方法過冷度的方法形核率；形核率； 大鑄件：變質(zhì)處理；大鑄件：變質(zhì)處理； 3、金屬鑄錠組織缺陷、金屬鑄錠組織缺陷自學(xué)自學(xué) 縮孔縮孔 氣孔氣孔 夾雜物夾雜物 （三）發(fā)展等軸晶，限制柱狀晶的方法（三）發(fā)展等軸晶，限制柱狀晶的方法 3、金屬鑄錠組織缺陷、金屬鑄錠組織缺陷自學(xué)自學(xué) 縮孔縮孔 氣孔氣孔 夾雜物夾雜物 大多數(shù)金

27、屬在凝固時(shí)要收縮，如果沒有液態(tài)金屬大多數(shù)金屬在凝固時(shí)要收縮，如果沒有液態(tài)金屬補(bǔ)充，便會(huì)出現(xiàn)收縮空洞，稱之為縮孔。補(bǔ)充，便會(huì)出現(xiàn)收縮空洞，稱之為縮孔。希望縮孔集中在錠子的上方，不希望出現(xiàn)縮管。希望縮孔集中在錠子的上方，不希望出現(xiàn)縮管。在錠子上部加保溫帽，使上部最后凝固。在錠子上部加保溫帽，使上部最后凝固。集中縮孔和縮管集中縮孔和縮管特定的鑄件或鑄錠的收縮量是一定的，所以如果特定的鑄件或鑄錠的收縮量是一定的，所以如果存在疏松，將會(huì)減小最終的集中縮穴或縮管。存在疏松，將會(huì)減小最終的集中縮穴或縮管。鑄造的缺陷鑄造的缺陷疏松疏松小結(jié)小結(jié)小結(jié)小結(jié)驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)力GS-GL阻阻 力力S能量起能量起伏伏與結(jié)構(gòu)起伏

28、類似，是一種自然存在，與結(jié)構(gòu)起伏類似，是一種自然存在，瞬時(shí)出現(xiàn)，大小不等瞬時(shí)出現(xiàn)，大小不等形核功形核功具有臨界晶核尺寸的晶胚具有臨界晶核尺寸的晶胚(液相液相)轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш藶榫Ш?固相固相)時(shí)須外界提供的阻力，時(shí)須外界提供的阻力，具有臨界晶核尺寸的晶胚結(jié)晶時(shí)：具有臨界晶核尺寸的晶胚結(jié)晶時(shí)：實(shí)際鑄錠組織的分析實(shí)際鑄錠組織的分析金屬凝固后鑄錠典型的金屬凝固后鑄錠典型的組織分布組織分布實(shí)際鑄錠中的缺陷實(shí)際鑄錠中的缺陷表層細(xì)晶區(qū)表層細(xì)晶區(qū)柱狀晶區(qū)柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)中心等軸晶區(qū)縮孔縮孔氣泡氣泡夾雜夾雜鑄造組織和缺陷的控制鑄造組織和缺陷的控制第二章第二章 習(xí)題與思考題習(xí)題與思考題1 敘述金屬結(jié)晶過程所需要的三個(gè)必要條件，并說明這三個(gè)條件在凝敘述金屬結(jié)晶過程所需要的三個(gè)必要條件，并說明這三個(gè)條件在凝固過程中所起的作用。固過程中所起的作用。2 說明凝固臨界核心的形成是否是熱力學(xué)自發(fā)過程，并