第五章 鑄件及焊縫的宏觀組織及控制

第五章鑄件及焊縫的宏觀組織及控制第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制1第一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制2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)部等軸晶的形成機理第四節(jié)鑄件宏觀結晶組織的控制第五節(jié)焊接熔池凝固及控制第二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制3第一節(jié)鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)的晶粒細小;柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向.內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大;表層急冷晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)第三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制4圖5-2幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶;（b）表面細等軸晶加柱狀晶;（c）三個晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶第四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制5大多數(shù)工業(yè)應用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的等軸細晶粒組織。為此，應創(chuàng)造條件抑制晶體的柱狀長大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成和等軸晶細化。就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴展(特別是存在著溶質及雜質偏析時)。柱狀晶相碰的地帶溶質及雜質聚積嚴重，造成強度、塑性、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對熱裂敏感，腐蝕介質中易成為集中的腐蝕通道。柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動機和螺旋漿葉片等這些強調單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點。如何在技術上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學習各晶區(qū)組織的形成機理。第五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制6第二節(jié)表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成第六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制7一、表面激冷區(qū)的形成

型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而大量非均質生核,各種形式的晶粒游離也是形成表面細等軸晶的“晶核”來源。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于其結晶潛熱既可從型壁導出，也可向過冷熔體中散失，從而形成了無方向性的表面細等軸晶組織。一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結而構成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激冷細晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。第七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制8二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細等軸晶凝固層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)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結束于內(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度取決于上述兩個因素綜合作用的結果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長過程的動態(tài)演示第八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制9柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鑄型液態(tài)金屬第九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制10第三節(jié)內(nèi)部等軸晶的形成機理一、“成分過冷”理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、枝晶熔斷及結晶雨理論四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示第十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制11一、“成分過冷”理論該理論認為，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，且液相中的溶質原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當成分過冷大到足以發(fā)生非均質生核時，便導致內(nèi)部等軸晶的形成。第十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制12a)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不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶第十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制13二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論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)變窄而擴大等軸晶區(qū)。第十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制14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)晶體密度比熔體大的情況為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質濃度大的合金容易得到等軸晶呢?第十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制15溶質的偏析容易使晶體在與型壁的交會處產(chǎn)生“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殼,另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷“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)生脫落而游離第十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制16圖5-7游離晶體的生長、局部熔化與增殖第十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制17三、枝晶熔斷及結晶雨理論生長著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。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)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結晶雨”理論。第十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制18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。在一種情況下，可能是這種機理起主導作用，在另一種情況下，可能是另一種機理在起作用，或者是幾種機理的綜合作用，而各自作用的大小當由具體的凝固條件所決定。第十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制19四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示

各向同性，多方向生長

各向異性，四向生長

各向異性，六向生長

各向異性，雙核生長

第十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制20第四節(jié)鑄件宏觀結晶組織的控制思路:

晶區(qū)的形成和轉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件綜合作用的結果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細就是由這個結果所決定的。凡能強化熔體獨立生核，促進晶粒游離，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，從而擴大等軸晶區(qū)的范圍，并細化等軸晶組織。第二十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制21一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理三、動力學細化第二十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制22合理的澆注工藝冷卻條件的控制第二十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制23合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細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，導致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。通過改變澆注方式強化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進細等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導致鑄件產(chǎn)生相應的缺陷。第二十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制24鑄型中間澆注單孔上注沿型壁六孔澆注圖5-8不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織第二十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制25低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法第二十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制26冷卻條件的控制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，從而促進熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度R可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，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的形成，再輔以其他晶粒細化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時滿足小的GL與高的R的要求。第二十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制27懸浮澆注法是在澆注過程中將一定量的固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中，從而改變金屬液凝固過程，達到細化組織、減小偏析、減小鑄造應力的目的的一種工藝方法。懸浮澆注用渦流導入法的澆注系統(tǒng)料斗離心集液包直澆道第二十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制28懸浮澆注法的特點

1)顯著細化鑄件組織，提高力學性能，改善鑄件厚大斷面力學性能均勻性；

2)減小凝固收縮，使冒口減小15～35%；

3)減少縮松，提高鑄件致密性；

4)減小鑄造應力，減小鑄件熱裂傾向；

5)改善宏觀偏析；

6)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。第二十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制29技術原理：通過加入金屬顆粒與金屬液的物理化學、晶體學和熱作用，強制金屬液生核，并改變鑄型中金屬液的溫度分布，從而改變金屬凝固方式。

適用范圍：各種鑄鋼件、鑄鐵件、及有色合金件。不需要特殊設備，僅要求簡單輔助工裝。第二十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制30二、孕育處理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以達到細化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。

孕育(Inoculation)主要是影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒；而變質（Modification）則是改變晶體的生長機理，從而影響晶體形貌。變質在改變共晶合金的非金屬相的結晶形貌上有著重要的應用，而在等軸晶組織的獲得和細化中采用的則是孕育方法。第三十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制31孕育劑作用機理的兩類觀點孕育主要起非自發(fā)形核作用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，促進枝晶熔斷和游離而細化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質

孕育劑能與液相中某些元素反應生成較穩(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)富集而迫使結晶相提前彌散析出而生核第三十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制32合金種類孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末表5-1合金常用孕育劑的主要元素情況第三十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制33孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應生成化合物，起細化作用的異質固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達到最佳的細化效果。當細化效果達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，達到最佳細化效果所需要的時間也不同。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本身，而且也與孕育處理工藝密切相關。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，應盡量降低處理溫度。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。第三十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制34三、動力學細化1．鑄型振動2．超聲波振動3．液相攪拌4．流變鑄造第三十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制351．鑄型振動在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運動，導致枝晶破碎形成結晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉方向可獲得細小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運動所起的細化晶粒作用。振動還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動鑄型可促使“晶雨”的形成。立式離心鑄造機第三十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制362．超聲波振動超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當這些空隙崩潰時，液體迅速補充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細化。第三十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制373．液相攪拌采用機械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達到細化晶粒的目的。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。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質量要求較高時，電磁攪拌技術便成為首選。第三十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制384．流變鑄造

流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當液體金屬凝固達50～60％時，在氬氣保護下進行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉速的增加趨于細小而圓整，機械性能顯著提高。這種細小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動性而容易成形。因為它的溫度遠低于液相線溫度，所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴大黑色金屬壓鑄的應用范圍。第三十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制39傳統(tǒng)鑄造a）和流變鑄造b）所獲得的顯微組織

第三十九頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制40第五節(jié)焊接熔池凝固及控制一、熔池凝固條件二、熔池結晶特征三、熔池結晶組織的細化第四十頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制41一、熔池凝固條件體積小、冷速快溫差大、過熱度高動態(tài)凝固過程液態(tài)金屬對流激烈第四十一頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制421.熔池金屬的體積小，冷卻速度快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100g;周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通常可達4～100℃/s，遠高于一般鑄件的冷卻速度;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、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。第四十二頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制432.溫差大、過熱溫度高熔池金屬中不同區(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，對于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達2100～2300℃，而熔池后部表面溫度只有1600℃左右，熔池平均溫度為1700±100℃。由于過熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質點數(shù)大為減少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。第四十三頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制443.動態(tài)凝固過程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)進行并隨熔池前進。圖5-11熔池的運動狀態(tài)下結晶第四十四頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制454.液態(tài)金屬對流激烈熔池中存在許多復雜的作用力，如電弧的機械力、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。第四十五頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制46二、熔池結晶特征

聯(lián)生結晶

柱狀晶生長方向與速度的變化

熔池凝固組織形態(tài)的多樣性第四十六頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制471.聯(lián)生結晶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的懸浮質點（在正常情況下所起作用不大）；另一種就是熔池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)生結晶(也稱外延生長)。第四十七頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制482.柱狀晶生長方向與速度的變化典型的焊接熔池形狀像不標準的半橢球。熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質、尺寸和焊接方法以及工藝參數(shù)等因素的影響。焊接速度增大,L增加,Bmax減小.第四十八頁，共五十三頁，編輯于2023年，星期五第五章鑄件及焊縫宏觀組織及其控制49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υ滿足關系式:在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時（圖中

H和F點）,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（D點），晶粒生長速度R與焊接速度υ相等，生長最快。一般情況下，由于等溫線是彎曲的，其曲線上