液態(tài)金屬凝固原理

第一章液態(tài)金屬凝固原理1.4.1鑄件典型晶粒組織的形成及其影響因素鑄件的典型晶粒凝固組織（三個晶區(qū)）：表面細晶粒區(qū)：緊靠型壁的外殼層，由紊亂排列的細小等軸晶所組成，僅幾個晶粒厚。柱狀晶區(qū)：由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此平行排列的柱狀晶所組成。內(nèi)部等軸晶區(qū)：由紊亂排列的粗大等軸晶所組成。1.4金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制晶區(qū)數(shù)目以及柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)的相對寬度隨合金性質(zhì)和具體凝固條件而變化，在一定條件下，可獲得完全由柱狀晶或等軸晶所組成的宏觀結(jié)晶組織：完全柱狀晶完全等軸晶1.4金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制形成原因：（1）鑄型壁附近熔體受到強烈的激冷作用而大量形核，形成無方向性的表面細等軸晶組織，也叫“激冷晶”。（2）各種形式的晶粒游離（澆注時液體沖刷、液體對流造成）。細化程度取決于（1）澆注溫度、鑄型導(dǎo)熱能力：澆注溫度越高、鑄型導(dǎo)熱能力越強，不利于細晶區(qū)形成；（2）合金成分：溶質(zhì)含量越多，造成“頸縮”，利于細晶區(qū)形成。（3）非金屬夾雜物含量：型壁附近熔體內(nèi)大量的“非均勻形核”，利于細晶區(qū)形成。細晶區(qū)形成的前提：抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層。

1、表面細晶粒區(qū)的形成穩(wěn)定凝固殼層產(chǎn)生→→柱狀晶區(qū)開始內(nèi)部等軸晶區(qū)形成→→柱狀晶區(qū)結(jié)束柱狀晶區(qū)的寬度及存在取決于上述兩個因素綜合作用結(jié)果。生長方式：擇優(yōu)生長2、內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成擇優(yōu)生長:各枝晶主干方向互不相同，主干與熱流方向相平行的枝晶生長迅速，優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶的生長。逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織。競爭淘汰:離開型壁的距離越遠，取向不利的晶體被淘汰得就越多，柱狀晶的方向就越集中，同時晶粒的平均尺寸也就越大。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan柱狀晶區(qū)影響因素：（1）鑄型導(dǎo)熱能力：鑄型導(dǎo)熱能力越強，有利于柱狀區(qū)形成；（2）合金成分：溶質(zhì)含量越少，有利于柱狀晶區(qū)形成。（3）非金屬夾雜物含量：非金屬夾雜物含量少，有利于柱狀晶區(qū)形成。2、內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成穿晶組織凝固殼層→界面處晶粒單向散熱→晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶晶核來源：（1）過冷液態(tài)金屬直接形核溶質(zhì)原子富集而使界面前方成分過冷增大發(fā)生非均勻形核（2）隨對流漂移到鑄件中心的自由小晶體

1）激冷游離晶2）型壁晶粒脫落

3）液面晶粒沉降（結(jié)晶雨）上述晶粒隨著液流漂移到鑄件心部，通過增殖（枝晶熔斷），長大形成內(nèi)部等軸晶（3）共格的非金屬夾雜物的非均勻形核3、中心等軸晶區(qū)的形成

－－液態(tài)金屬內(nèi)部晶核自由生長的結(jié)果

1）激冷游離晶因澆注溫度低，澆注中形成的激冷游離晶凝固初期形成的激冷游離晶非均質(zhì)形核的激冷游離晶圖型壁晶粒脫落示意圖型壁晶體或柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖——理論基點為溶質(zhì)再分配。2）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離

圖枝晶分枝“縮頸”的形成b)c)為二、三次分枝時縮頸形成過程示意圖。V為生長方向。d)分枝縮頸2）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離2）型壁晶粒脫落和枝晶熔斷、游離3）“結(jié)晶雨”游離晶液面處形成的晶粒+頂部凝固層脫落的分枝→→密度比液體大→下沉→產(chǎn)生晶粒游離。多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過程中鑄件中三晶區(qū)的形成相互聯(lián)系、彼此制約穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生決定著表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過渡，而阻止柱狀晶區(qū)進一步發(fā)展的關(guān)鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變是過冷熔體獨立形核能力和各種形式晶粒游離、漂移與沉積的程度這兩個基本條件綜合作用的結(jié)果。決定了鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan澆注溫度的影響1.4.2鑄件晶粒組織的控制鑄件結(jié)晶組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響

表面細晶粒區(qū)薄，對鑄件的質(zhì)量和性能影響不大。鑄件的質(zhì)量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例以及晶粒大小。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1.4.2鑄件晶粒組織的控制（1）柱狀晶（組織致密、晶粒粗大、各向異性）：生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，枝晶不能充分發(fā)展，分枝少，結(jié)晶后顯微縮松等晶間雜質(zhì)少，組織致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，排列位向一致，其性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質(zhì)，將導(dǎo)致鑄件熱裂。

1.4.2鑄件晶粒組織的控制（2）等軸晶（組織疏松、各向同性）：晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性。枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。細化能使雜質(zhì)和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。晶粒越細綜合性能越好。

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan

1.4.2鑄件晶粒組織的控制對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的柱狀晶，增加其致密度；對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多的甚至是全部細小的等軸晶組織；對于高溫下工作的零件，通過單向結(jié)晶消除橫向晶界，防止晶界降低蠕變抗力。1.等軸晶組織的獲得和細化強化非均勻形核促進晶粒游離抑制柱狀晶區(qū)1.4.2鑄件晶粒組織的控制（1）降低澆注溫度

熔體的過熱度較小，與澆道內(nèi)壁接觸就能產(chǎn)生大量的游離晶粒。有助于已形成的游離晶粒的殘存，這對等軸晶的形成和細化有利。

1.等軸晶組織的獲得和細化（2）孕育處理孕育——向液態(tài)金屬中添加少量孕育劑促進液態(tài)金屬內(nèi)部形核，以達到增加晶核數(shù)、細化晶粒、改善組織之目的。

A.形核劑：a）熔點高，直接作為外加晶核

b）通過與液態(tài)金屬的相互作用形成高熔點化合物而產(chǎn)生非均勻晶核－能與液相中某些元素組成較穩(wěn)定的化合物

如，鋁液中加入Ti，形成TiAl3；鋼中加入Ti、V等生成TiC、VC可起到細化晶粒的作用。1.等軸晶組織的獲得和細化UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）孕育處理鋁液中加入Ti，形成TiAl3.1.等軸晶組織的獲得和細化B.造成溶質(zhì)偏析通過在生長界面前沿的富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生細弱縮頸，從而促進晶粒的游離。如，鋼中加入B可起到細化晶粒的作用。（2）孕育處理1.等軸晶組織的獲得和細化溶質(zhì)平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值：

k0=CS/CLUCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（2）孕育處理1.等軸晶組織的獲得和細化UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan(a)中心頂注法（Al-0.2%Cu合金）

圖不同澆注工藝鑄錠的宏觀組織（3）動力學(xué)細化法

1）控制澆注條件強化液流沖刷1.等軸晶組織的獲得和細化(b)沿型壁澆注法（c)靠近型壁（6孔）頂注法

圖不同澆注工藝鑄錠的宏觀組織（3）動力學(xué)細化法

1）控制澆注條件強化液流沖刷1.等軸晶組織的獲得和細化UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）動力學(xué)細化法

1）控制澆注條件強化液流沖刷1.等軸晶組織的獲得和細化（3）動力學(xué)細化法2）鑄型振動：熔體在凝固過程中存在長時間、激烈的對流。（晶?；蛑撀?、破碎、游離、增殖）

振動－－機械振動、電磁振動、音頻或超聲波振動

攪拌－－機械、電磁攪拌

旋轉(zhuǎn)振蕩－周期性地改變鑄型的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度振動對晶粒大小的影響（lin=2.54cm）1.等軸晶組織的獲得和細化圖利用旋轉(zhuǎn)磁場控制晶粒組織柱狀晶區(qū)（未加磁場）細等軸晶區(qū)（加磁場）（3）動力學(xué)細化法1.等軸晶組織的獲得和細化（4）提高冷卻速度薄壁鑄件：激冷使整個斷面同時產(chǎn)生較大的過冷，采用金屬型容易獲得細等軸晶。型壁較厚或?qū)嵝暂^差的鑄件，采用金屬型容易形成凝固殼層，易形成柱狀晶；采用砂型可防止形成凝固殼層，有利于形成等軸晶，但晶粒粗大。1.等軸晶組織的獲得和細化2.柱狀晶組織的獲得

定向凝固發(fā)熱劑法、功率降低法、高速凝固法、液態(tài)金屬冷卻法等發(fā)熱劑法UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2.柱狀晶組織的獲得定向凝固

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2.柱狀晶組織的獲得定向凝固

功率降低法UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan單晶體的制備（1）基本原理：保證一個晶核形成并長大。（2）制備方法：尖端形核法和垂直提拉法。1.4.3凝固缺陷及其控制

鑄件中常見的缺陷有：偏析、縮孔、縮松、氣孔、非金屬夾雜等，這些缺陷的出現(xiàn)，影響了鑄件的質(zhì)量、降低鑄件的使用壽命，嚴重時使鑄件報廢。通過控制鑄造工藝參數(shù)可以控制這些缺陷。

1.4.3凝固缺陷及其控制1．偏析鑄件中化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。偏析分為微觀偏析和宏觀偏析兩大類。

微觀偏析是指在微小范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，一般指一個晶粒范圍內(nèi)；

宏觀偏析是指在大范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，表現(xiàn)為鑄件各部位之間化學(xué)成分的差異，宏觀偏析又稱區(qū)域偏析。（1）微觀偏析按其形式分為胞狀偏析、晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）和晶界偏析.（2）宏觀偏析包括正偏析（正常偏析）與反偏析（反常偏析）、比重偏析（Pb-Sb,Pb-Sn)。（1）微觀偏析：胞狀偏析、晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）、晶界偏析.1．偏析

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1．偏析

（2）宏觀偏析

由于結(jié)晶過程中液相與固相內(nèi)溶質(zhì)原子的重新分布造成的。包括：正偏析、反偏析、比重偏析。UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1．偏析

（2）宏觀偏析

宏觀偏析后果：造成產(chǎn)品各部位性能不均勻。

不能通過均勻化退火消除。消除宏觀偏析的方法：控制凝固速度（1）氣孔1）析出性氣孔在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出氣體，來不及從液面排出而形成氣孔。H2孔、N2孔、O2孔。含氫量2）反應(yīng)性氣孔（皮下氣孔）金屬液－鑄型之間、金屬液內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔。2.氣孔與夾雜1、析出性氣孔形成

形核、長大、上浮三階段上浮受阻→保留于凝固金屬→氣孔氣孔的形成機理鑄件中氣孔的形成示意圖2、反應(yīng)性氣孔形成（1）金屬液與鑄型（芯）反應(yīng)性氣孔原因：鑄型水分高、透氣性低；合金中有易氧化成分。類型：H2O、CO、CH4、渣氣孔。氣孔的形成機理例鋼中氧或氧化物與碳反應(yīng)形成CO，CO不溶鋼。（FeO）+[C]=CO+[Fe]（MnO）+[C]=CO+[Mn]（SiO2）+2[C]=2CO+[Si]（Cu2O）+2[H]=2[Cu]+H2O(氣)1）有效工作斷面↓→σb↓δ↓2）應(yīng)力集中→裂紋，如氫脆3）疏松→δ↓氣密性↓耐蝕性↓

氣孔的危害1．析出性氣孔的防止1）減少金屬液的原始含氣量爐料干燥、避免有機物、預(yù)熱、去除水分、采用真空熔煉2）對金屬液采取除氣處理

a）浮游去氣；b）采用真空去氣；c）氧化去氣；d）冷凝除氣法。3）阻止?jié)踩腓T型內(nèi)的金屬液析出氣體a)提高鑄件冷卻速度對易產(chǎn)生析出性氣孔的鋁合金盡量采用金屬型鑄造。b)提高鑄件凝固時的外壓

如將澆注的鋁合金鑄型放在通入4～6大氣壓的壓縮空氣的壓力容器中凝固,可有效地減少或消除鋁合金鑄件中的氣孔。氣孔的防止UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan浮游去氣:吹入氮氣、惰性氣體如氬氣2．反應(yīng)性氣孔的防止1）減少金屬液的原始含氣量2）嚴格控制和氧親和力強的元素含量

3）適當提高澆注溫度4)限制砂型水分5)增加型內(nèi)還原氣氛，防止金屬液氧化氣孔的防止2）夾雜物

各種非金屬化合物1、按來源分為：內(nèi)生夾雜（如FeS）、外來夾雜（如粘土）2、按形成時間先后：一次夾雜物、二次夾雜物3、按夾雜物成分：氧化物、硫化物、氮化物、磷化物等。

決定于夾雜物的成分、性能、形狀、大小、數(shù)量、分布=>硬脆→δαk

球形→影響↓；針狀、尖角影響↑↑（應(yīng)力集中）事物的另一方面：

高熔點、細小顆?！玫淖饔梅亲园l(fā)形核核心→細化