凝固后的晶粒尺寸及其控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,材料的凝固速度指的是凝固时固相体积随时间的增长率，它是由形核速度和晶体长大速度两个因素打算的。,形核速度又称形核率，指的是单位体积的液相中，在单位时间内所形成的晶核数目，用N来表示1 /m-2 s。,晶体长大速度通常指的是晶体的长大线速度，用vg来表示m / s。,大小为临界半径r*的晶核处于介稳状态，它们既可消散也可长大。只有rr*的晶核才可成为稳定晶核。,4.5凝固动力学和晶粒尺寸,1、形核率,均匀形核,形核率N受两个冲突的因素掌握，一方面随过冷度增大，rc、Gc 减小，有利于形核；另一方面随过冷度增大，原子从液相向晶胚集中的速率降低，不利于形核。形核率可用下式表示：,(式中 N 为总形核率， N1 为受形核功影响的形核率因子; N2 是受集中影响的形核率因子。,Gc是形核功，GA是集中激活能,R为气体常数.图3-5为N1、N2与T的关系曲线。可见当 T 不大时，形核率主要受形核功因子掌握， T 增大，形核率增大，在 T特别大时，形核率主要受集中因子的掌握，随 T 增加，形核率降低。,晶胚的最大尺寸随过冷度增大而增大，临界晶核半径、晶胚尺寸与过冷度的关系,金属的结晶倾向很大，液体金属不易到达很大的过冷度， N与T的关系如下图，T不大时,N很小，但到达有效形核温度时，N急剧上升，这个有效形核温度值约为0.2Tm(K)。,非均匀形核率,非均匀形核率明显增加时所需的过冷度也比均匀形核小,非均匀形核时，在约为0.02 Tm的过冷度下，非均匀形核率就已到达最大值。,非均匀形核率由低向高的过渡较为平缓，而且到达最大值后，凝固并未完毕，非均匀形核率将连续下降直至凝固完毕。,2、晶体的长大速率,晶体的长大速度vg主要取决于晶体的生长方式和过冷度。当晶体以连续生长方式生长时，随着过冷度的增大，晶体的平均长大线速度vg呈线性增大,晶体的平均长大速度与过冷度之间的关系可描述为，,其中v1为材料相关的比例常数，单位是m / s K。凝固时晶体的长大速度还受所释放潜热的传导速度掌握，对于具有粗糙界面的晶体材料，其结晶潜热一般较小，因此，连续生长时的长大速度较高。,晶体的长大速率,对于二维形核生长方式而言，晶体的生长是不连续的，相应的平均长大速率可表示为，,其中v2和b均为常数。当 很小时，vg特别小，这是由于二维形核所需形核功较大，且二维晶核需到达肯定临界尺寸后才能进一步扩展。,藉螺型位错生长方式的平均长大速率可表示为，,其中v3为比例常数。由于液固界面上所供给的螺型位错露头有限，也就是可填充原子的位置有限，故藉螺型位错生长时的长大速度相对于连续生长时要低。,4-5-2 凝固后的晶粒尺寸及其掌握,晶粒尺寸对材料的性能有重要影响,细化晶粒是提高铸件力学性能的及改善材料压力加工性能的重要手段。,材料凝固后的晶粒尺寸可用单位体积内的晶粒数目或用单位面积上的晶粒数目,Z,来表示，,它取决于凝固过程中的形核率N和晶体长大速度,v,g,，三者之间的关系为：,可见，晶粒尺寸随形核率的增大而减小，随着晶体长大速度的增加而增大。,。,凝固后晶粒尺寸的掌握,(1) 增大过冷度,随着过冷度的增大，凝固时形核率N和生长速度vg都将增加，且N的增加率大于vg的增加率，即增大过冷度会提高N / vg的比值，Z将增大，晶粒变细。,增大过冷度靠提高凝固时的冷却速度来实现，即通过转变铸造条件如降低浇注温度、提高铸型的吸热力量和导热性能等来实现。但利用提高冷却速度增大过冷度来细化晶粒往往只适用于小件和薄件，对大件就难以办到。,值得指出的是，过快的冷却可能导致铸件消失裂纹，造成废品。,2参加形核剂,由于实际的凝固都为非均匀形核，为了提高形核率，可在熔液凝固之前参加一些细小的人工形核剂也称孕育剂或变质剂，使之分散在熔液中作为不均匀形核所需的现成基底，这样能使晶核数目大大提高，晶粒显著细化，这种方法又称为孕育处理或变质处理。,凝固后晶粒尺寸的掌握,凝固后晶粒尺寸的掌握,3承受振动或搅拌等物理方法,在熔液凝固时施加振动或搅拌作用能得到细小的晶粒.,机械振动、电磁搅拌、超声波振动等。,晶粒的细化作用主要是通过两个方面来实现的,由于能量的输入使液相的形核率提高,振动或搅拌使生长的晶体裂开，从而供给更多的结晶核心,