第五章鑄件宏觀組織與控制

1、第一節(jié) 鑄件的宏觀組織第二節(jié) 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成第三節(jié) 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制第五節(jié)第五節(jié) 焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制第一節(jié) 鑄件的宏觀組織u激冷晶區(qū)的晶激冷晶區(qū)的晶粒細(xì)小粒細(xì)小;u柱狀晶區(qū)的晶柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排粒垂直于型壁排列，且平行于熱列，且平行于熱流方向流方向.u內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大的晶粒較為粗大;表層急冷晶區(qū)表層急冷晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)圖圖5-1 幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶）表面細(xì)等軸晶加柱

2、狀晶;（c）三個晶區(qū)都有）三個晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶）只有等軸晶 u大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的等軸細(xì)晶粒組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件各向同性的等軸細(xì)晶粒組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件抑制晶體的柱狀長大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成抑制晶體的柱狀長大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成和等軸晶細(xì)化。和等軸晶細(xì)化。u就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展(特別是存在著特別是存在著溶質(zhì)及雜質(zhì)偏析時溶質(zhì)及雜質(zhì)偏析時)。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性在柱狀晶的質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性

3、在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中橫向方向大幅度下降，對熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。易成為集中的腐蝕通道。u柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方材料、發(fā)動機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點。晶的零件反而更具優(yōu)點。u如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。成機(jī)理。第二節(jié)第二節(jié) 表面激冷區(qū)及

4、柱狀晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、一、 表面激冷區(qū)的形成表面激冷區(qū)的形成二、二、 柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成u 型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質(zhì)生核大量非均質(zhì)生核,各種形式的晶粒各種形式的晶粒游離也是形成表面細(xì)等軸晶的游離也是形成表面細(xì)等軸晶的“晶核晶核”來源。這些晶核在過冷來源。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于熔體中采取枝晶方式生長，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成可向過冷熔體中散失，從而形

5、成了無方向性的表面細(xì)等軸晶組織。了無方向性的表面細(xì)等軸晶組織。 一旦型壁附近的晶粒互相連結(jié)而一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定冷細(xì)晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶的凝固殼層形成得越早，表面細(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。表面激冷區(qū)也就越窄。二、柱狀晶區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成u穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層晶就直接由表面細(xì)等

6、軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長，發(fā)展某些晶粒為基底向內(nèi)生長，發(fā)展成由外向內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。枝成由外向內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速晶生長迅速 。u柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。生，而結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個因素綜合作用的度取決于上述兩個因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會有效地抑產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成。制柱狀晶的形成。

7、柱狀晶生長過程的動態(tài)演示柱狀晶生長過程的動態(tài)演示柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鑄鑄型型液液態(tài)態(tài)金金屬屬第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、一、“成分過冷成分過冷”理論理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、三、 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示 一、一、“成分過冷成分過冷”理論理論u 該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界且液

8、相中的溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當(dāng)成分過冷大到面前方成分過冷逐漸增大。當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶足以發(fā)生非均質(zhì)生核時，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。的形成。 a) 7500C水淬,搖動 b) 在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)大野篤美的實驗等軸晶等軸晶不銹鋼篩網(wǎng)不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶等軸晶二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論u在澆注的過程中及凝固的初期激冷,等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成, 澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū) 。圖5-5 型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離a) 晶體密度比熔體小的情況; b) 晶體密度比熔體大

9、的情況為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢? u溶質(zhì)的偏析溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產(chǎn)生產(chǎn)生“脖頸脖頸”，具有“脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固凝固殼殼, 另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷沖斷“脖頸脖頸”，使晶體脫落并游離出去。 圖5-6 晶體與型壁交會處產(chǎn)生“脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游離 圖5-7 游離晶體的生長、局部熔化與增殖三、 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論u生長著的柱狀枝晶柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷熔斷、游離游離和增殖增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶內(nèi)部等軸晶晶核的形成，

10、稱為“枝晶熔枝晶熔斷斷”理論。 u液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程中也發(fā)生熔斷熔斷和增殖增殖，是鑄錠凝固時內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨結(jié)晶雨”理論。u目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示u 各向同性，多方向生長各向同性，多方向生長 u 各向異性，四向生長各向異性，四向生長u 各向異性，六向生長各向異性，六向

11、生長u 各向異性，雙核生長各向異性，雙核生長 第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制u思路思路: 晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨立生核的能力晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個基本條和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度這兩個基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨立生核，粗細(xì)就是由這個結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨立生核，促進(jìn)晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種促進(jìn)晶粒游離，以及有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而

12、擴(kuò)大等軸晶因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。 一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動力學(xué)細(xì)化合理的澆注工藝?yán)鋮s條件的控制合理的澆注工藝合理的澆注工藝u澆注溫度u澆注方式 合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過低的澆及細(xì)化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導(dǎo)致注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。 通過改變澆注方式強(qiáng)化對流對型壁激通過改變澆注方式強(qiáng)化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促

13、進(jìn)細(xì)等冷晶的沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)等軸晶的形成。但必須注意不要因此而軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。 鑄型中間澆注鑄型中間澆注 單孔上注單孔上注 沿型壁六孔澆注沿型壁六孔澆注 圖圖5-8 不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織 低溫鑄造低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法水流冷卻的斜板澆注方法 冷卻條件的控制冷卻條件的控制u控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。從而促進(jìn)熔體生核

14、和晶粒游離。小的溫度梯度小的溫度梯度GL和和高高的冷卻速度的冷卻速度R可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。 對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。 對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿意的效果。的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時滿足小的懸浮澆注法可同時滿足小的GL與高的與高的R的要求。的要求。 懸浮澆注法是在澆

15、注懸浮澆注法是在澆注過程中過程中將一定量的將一定量的固態(tài)金屬顆粒加固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中入到金屬液中，從，從而改變金屬液凝固過而改變金屬液凝固過程，達(dá)到細(xì)化組織、程，達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工應(yīng)力的目的的一種工藝方法。藝方法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)料斗料斗離心集液包離心集液包直澆道直澆道懸浮澆注法的特點 1) 顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性；學(xué)性能均勻性； 2) 減小凝固收縮，使冒口減小減小凝固收縮，使冒口減小1535%； 3)

16、減少縮松，提高鑄件致密性；減少縮松，提高鑄件致密性； 4) 減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向；減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向； 5) 改善宏觀偏析；改善宏觀偏析； 6) 提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況； 7) 可以實現(xiàn)澆注過程合金化?？梢詫崿F(xiàn)澆注過程合金化。技術(shù)原理技術(shù)原理： 通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學(xué)、晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中晶體學(xué)和熱作用，強(qiáng)制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。 適用范圍適用范圍： 各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金

17、件。各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。 不需要特殊設(shè)備，僅要求簡單輔助工裝。不需要特殊設(shè)備，僅要求簡單輔助工裝。二、孕育處理二、孕育處理u孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的加少量物質(zhì)以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。一種工藝方法。 u孕育孕育( Inoculation)主要是影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)主要是影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（化晶粒；而變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生長機(jī)理，）則是改變晶體的生長機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的

18、非金屬相的結(jié)晶從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。用的則是孕育方法。 孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點u孕育主要起非孕育主要起非自發(fā)形核作用自發(fā)形核作用u通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì) 孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)生

19、成較孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核晶相提前彌散析出而生核 合金種類合金種類孕育劑主要組元孕育劑主要組元加入量加入量wt%加入方法加入方法碳鋼及合金鋼碳鋼及合金鋼Ti0.10.2鐵合金鐵合金V0.060.30B0.0050.01鑄鐵鑄鐵Si-Fe，Ca, Ba, Sr0.11.0，與與Si-Fe復(fù)合復(fù)合鐵合金鐵合金鋁合金鋁合金Ti, Zr , Ti+B, Ti+C Ti:0.15; Zr:0.2；復(fù)合復(fù)合:Ti0.01B或或C0.05;Al-Ti,

20、 Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金中間合金過共晶過共晶Al-Si合金合金P0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金中間合金銅合金銅合金Zr, Zr+B, Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04純金屬或中間合金純金屬或中間合金鎳基高溫合金鎳基高溫合金WC, NbC碳化物粉末碳化物粉末表表5-1 合金常用孕育劑的主要元素情況合金常用孕育劑的主要元素情況 孕育衰退孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）（孕育效果逐漸減弱）u孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育期和衰退期。孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育期和衰退期。u在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的

21、中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化成熔化過程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。u當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時澆注是最理想的，隨合金當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果熔化溫度和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時間也不同。所需要的時間也不同。u幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(xiàn)幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的

22、本孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。u一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。均勻散開的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。u孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處理方法來選擇。和具體的處理方法來選擇。 三、動力學(xué)細(xì)化三、動力學(xué)細(xì)化 1鑄型振動鑄型振動2超聲波振動超聲波振動3液相攪拌液相攪拌4流變鑄造流變鑄造1鑄型振動鑄型振動u在凝固過程中振動鑄型可使液相在凝固過程中振動鑄型可使

23、液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致枝晶和固相發(fā)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動所起的細(xì)化晶粒作用。對運(yùn)動所起的細(xì)化晶粒作用。u振動還可引起局部的溫度起伏，振動還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。有利于枝晶熔斷。u振動鑄型可促使振動鑄型可促使“晶雨晶雨”的形成。的形成。立式離心鑄造機(jī)2超聲波振動超聲波振動u 超聲波振動可在液相中產(chǎn)生超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時，液體迅速補(bǔ)充，液體

24、隙崩潰時，液體迅速補(bǔ)充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時凝固的合金熔力。當(dāng)壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝點溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。使晶粒細(xì)化。3液相攪拌液相攪拌 采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運(yùn)動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。運(yùn)動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、連鑄過程采用電磁攪拌

25、的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。4流變鑄造流變鑄造u 流變鑄造又稱半固態(tài)鑄流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體金造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)屬凝固達(dá)5060時，在時，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形?；驍D壓至鑄型凝固成

26、形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯著提高。械性能顯著提高。這種細(xì)小圓整的半固這種細(xì)小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動性而容易較好的流動性而容易成形。因為它的溫度成形。因為它的溫度遠(yuǎn)低于液相線溫度，遠(yuǎn)低于液相線溫度，所以對于黑色金屬的所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具的熱減輕金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模具沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大黑色金的壽命，擴(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。屬壓鑄的應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)鑄造傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織）所獲得的顯微組織

27、 第五節(jié)第五節(jié) 焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制 一、熔池凝固條件二、熔池結(jié)晶特征三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化一、熔池凝固條件u體積小、冷速快體積小、冷速快 u溫差大、過熱度高溫差大、過熱度高 u動態(tài)凝固過程動態(tài)凝固過程 u液態(tài)金屬對流激烈液態(tài)金屬對流激烈 1. 熔池金屬的體積小，冷卻速度快熔池金屬的體積小，冷卻速度快u在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3 ，重量不超過，重量不超過100g;u周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通?？蛇_(dá)很大，通?？蛇_(dá)4100/s，遠(yuǎn)高于一般鑄件，遠(yuǎn)高于一般鑄件

28、的冷卻速度的冷卻速度;u由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。 2. 溫差大、過熱溫度高溫差大、過熱溫度高u熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度，例如，對熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度，例如，對于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)達(dá)21002300，而熔池后部表面溫度只有，而熔池后

29、部表面溫度只有1600左右，熔池平均溫度為左右，熔池平均溫度為1700100。u由于過熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點數(shù)大為由于過熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。3. 動態(tài)凝固過程動態(tài)凝固過程u處于熱源移動方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔處于熱源移動方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在電弧吹力作用下，對流至池中的熔融的焊接材料一起在電弧吹力作用下，對流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開始凝固。因此，凝固過程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。開始

30、凝固。因此，凝固過程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。圖圖5-11 熔池的運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶熔池的運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶4. 液態(tài)金屬對流激烈液態(tài)金屬對流激烈u熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對流，在熔池上部使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動，而在熔池底其方向一般從熔池頭部向尾部流動，而在熔池底部的流動方向與之正好相反，這一點有利于熔池部的流動方向與之正好相反，這一點有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。金屬成分分布

31、的均勻化與純凈化。二、熔池結(jié)晶特征二、熔池結(jié)晶特征u 聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶 u 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化u 熔池凝固組織形態(tài)的多樣性熔池凝固組織形態(tài)的多樣性 1. 聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶u在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面：一種是合金元素或雜質(zhì)的面：一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點（在正常情況下所起懸浮質(zhì)點（在正常情況下所起作用不大）；另一種就是熔池作用不大）；另一種就是熔池邊界未熔母材晶粒表面，非自邊界未熔母材晶粒表面，非自發(fā)形核就依附在這個表面，在發(fā)形核就依附在這個表面，在較小的過冷度下以柱狀晶的形較小的過冷度下以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長，稱為聯(lián)生態(tài)向

32、焊縫中心生長，稱為聯(lián)生結(jié)晶結(jié)晶(也稱外延生長也稱外延生長)。 2. 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化 u典型的焊接熔池形狀典型的焊接熔池形狀像不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。像不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。熔池的形狀和大小，熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質(zhì)、受母材的熱物理性質(zhì)、尺寸和焊接方法以及尺寸和焊接方法以及工藝參數(shù)等因素的影工藝參數(shù)等因素的影響。焊接速度增大響。焊接速度增大, L增加增加, Bmax減小減小. u熔池的最大散熱方向是液相等溫線的法線方向,晶體生長方向與最大散熱方向正好相反, 因此在生長過程中不斷改變方向,形成彎曲狀柱狀晶。生長速度R與焊接速度滿足關(guān)系式 : cosR在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時（圖中在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時（圖中 H 和和F點）點）, 晶粒生長線速度晶粒生長線速度R為零，即焊縫邊緣的生長速度最慢。而在熱源移動后面的焊縫中心（為零，即焊縫邊緣的生長速度最慢。而在熱源移動后面的焊縫中心（D點），晶粒生長速度點），晶粒生長速度R與焊接速度與焊接速度相等，生長最快。一般情況下，由相等，生長最快。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上各點的法線方向不斷地改變，因此晶粒于等溫線是彎曲的，其曲線上各點的法線方向不斷地改變，因此