材料成形原理第四章铸件结晶组织的形成与控制

書式設定,書式設定,第 2,第 3,第 4,第 5,结晶组织,*,*,第,4,章,铸件结晶组织的形成与控制,东北大学秦皇岛分校,林晓娉教授,11/28/2024,1,铸件结晶组织形成与控制,4-1,铸件宏观组织的形成及影响因素,4-2,铸件结晶组织的控制,铸件的结晶组织，仅宏观状态而言，指的是铸态晶粒的形成、大小、取向和分布等情况；铸件微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态，以及这些结构形态的细化程度等。,两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸件的各项性能，特别是力学性能产生强烈的影响。在第三章讲解的基础上，本章我们将主要针对铸件的宏观组织进行讲解及分析。,11/28/2024,2,铸件宏观组织的形成及影响因素,自,1954,年,Winegand,和,Chalmers,提出假设以来，人们对于三个晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：,4,.1.1,铸件结晶中的晶粒游离,4,.1.2,铸件结晶过程表面细晶区的形成,4,.1.3,铸件结晶过程柱状晶区的形成,4,.1.4,铸件结晶过程内部等轴晶区的形成,4,、,1.5,影响铸件宏观组织形成的因素,11/28/2024,3,4.1.1,铸件结晶中的晶粒游离,液态金属的流动,对晶粒游离过程的作用主要是通过影响其,传热和传质,过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的影响。,浇注过程中的流动,凝固期间的流动,自然对流,强迫对流,温度差引起的密度不同,溶质再分配引起的,成分和密度变化,游离晶体和液体间的密度差,浇注时注入的动量,(mv),外加电磁搅拌或机械搅拌,晶粒游离有关的对流,传热方面,，金属液的流动宏观上加速了过热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的,温度起伏,，对晶粒游离现象有着极大的影响。,传质方面,，金属液的流动最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，加速熔体的均匀化。,11/28/2024,4,4.1.1,铸件结晶中的晶粒游离,铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式,：,1,）,游离晶直接来自过冷熔体内的非均质生核,在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这种晶粒游离现象总是存在的。,2,）,由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离,依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷度减小。,晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制,。而远离根部处易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部,产生“缩颈”现象,。,在,流体的冲刷,和温度反复波动所形成的,热冲击作用,下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极易断开，晶粒自型壁脱落而导致,晶粒游离,。,11/28/2024,5,4.1.1,铸件结晶中的晶粒游离,缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。,另外，还有一种非常重要的晶粒游离现象晶粒增殖。如图游离晶在漂移过程中不断通过不同的温度区域和浓度区域，不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开而破碎成几个晶粒。,铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式,：,2,）,由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离,11/28/2024,6,5.1.1,铸件结晶中的晶粒游离,铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式,：,3,）,液面晶粒沉积所引起的晶粒游离,凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而下沉也能导致晶粒游离的产生。,11/28/2024,7,4.1.2,表面细晶区的形成,表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶,。根据传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以往常把,表面细等轴晶称为“激冷晶”,。,现代研究表明，除,非均质生核,过程以外，各种形式的,晶粒游离,也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的,必要条件,，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其,充分条件,。大量试验证实，表面细晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体的非均质形核，而且还来自包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。,稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄,。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长。这时，表面激冷,细晶粒区将不再发展。,4.1.2,表面细晶区的形成,11/28/2024,8,4.1.2,表面细晶区的形成,等轴晶,750,水淬,摇动,，不锈钢杯子,大野笃美的实验,型壁激冷虽然能增大其附近熔体的非均质生核能力，但也使型壁上的晶核数目大大增加，从而促使型壁晶粒很快连接而形成稳定的凝固壳并最终阻止表面细晶粒区的发展。因此，如果在凝固开始阶段不存在强的型壁晶粒游离条件,(,如高的溶质含量和强烈的液态金属流动等,),，那么，过强的型壁激冷能力反而不利于表面细晶粒区的形成。如图,b,）所示，大野笃美的试验，证实了以上结论。,11/28/2024,9,4.1.3,柱状晶区的形成,紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速,。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织,(,如图,),。这个互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。,铸,型,液态金属,11/28/2024,10,4.1.3,柱状晶区的,形,形成,柱状晶区开,始,始于稳定凝,固,固壳层的产,生,生，而结束,于,于内部等轴,晶,晶区的形成,。,。因此柱状,晶,晶区的存在,与,与否及宽窄,程,程度取决于,上,上述两个因,素,素综合作用,的,的结果。如,果,果在凝固初,期,期就使得内,部,部产生等轴,晶,晶的晶核，,将,将会有效地,抑,抑制柱状晶,的,的形成。,控制柱状晶,区,区继续发展,的,的关键因素,是,是内部等轴,晶,晶区的出现,。,。如果界面,前,前方始终不,利,利于等轴晶,的,的形成与生,长,长，则柱状,晶,晶区可以一,直,直延伸到铸,件,件中心，直,到,到与对面型,壁,壁长出的柱,状,状晶相遇为,止,止，从而形,成,成所谓的穿,晶,晶组织。,12/24/2022,11,4.1.4,内部等轴晶,的,的形成,从本质上说,，,，内部等铀,晶,晶区的形成,是,是由于熔体,内,内部晶核自,由,由生长的结,果,果。但是，,关,关于等轴晶,晶,晶核的来源,以,以及这些晶,核,核如何发展,并,并最终形成,等,等轴晶区的,具,具体过程，,存,存在不同的,争,争议。,1,、关于等轴,晶,晶晶核的来,源,源：,（,1,）过冷熔体,直,直接生核理,论,论,（,2,）界面前方,晶,晶粒游离理,论,论,（,3,）激冷晶游,离,离理论,12/24/2022,12,4.1.4,内部等轴晶,的,的形成,这个理论是,Winegand,和,Chalmers,于,1954,年提出来的,该,该理论认为,，,，随着凝固,层,层向内推移,，,，固相散热,能,能力逐渐削,弱,弱，内部温,度,度梯度趋于,平,平缓，且液,相,相中的溶质,原,原子越来越,富,富集，从而,使,使界面前方,成,成分过冷逐,渐,渐增大。当成分过冷,大,大到足以发,生,生非均质生,核,核时，便导,致,致内部等轴,晶,晶的形成。,（,1,）过冷熔体,直,直接生核理,论,论（“成分,过,过冷”理论,）,）,等轴晶形貌,12/24/2022,13,4.1.4,内部等轴,晶,晶的形成,Jackson,等人提出,，,，生长着,的,的柱状枝,晶,晶在凝固,界,界面前方,的,的熔断、,游,游离和增,殖,殖导致了,内,内部等轴,晶,晶晶核的,形,形成，称,为,为“枝晶,熔,熔断”理,论,论。,Southin(,索辛,),、,osenhain,（罗逊汉,）,）等人则,认,认为，液,面,面冷却产,生,生的晶粒,下,下雨似地,沉,沉积到柱,状,状晶区前,方,方的液体,中,中，下落,过,过程中也,发,发生熔断,和,和增殖，,是,是铸锭凝,固,固时内部,等,等轴晶晶,核,核的主要,来,来源，称,为,为“结晶,雨,雨”理论,。,。,（,2,）界面前,方,方晶粒游,离,离理论（,枝,枝晶熔断,及,及结晶雨,理,理论）,12/24/2022,14,4.1.4,内部等轴,晶,晶的形成,在浇注的,过,过程中及,凝,凝固的初,期,期激冷,等轴晶自,型,型壁脱落,与,与游离促,使,使等轴晶,形,形成,浇注温度,低,低可以使,柱,柱状晶区,变,变窄而扩,大,大等轴晶,区,区。,等轴晶体,即,即便在浇,注,注过程中,没,没有来得,及,及形成，,那,那么浇洼,完,完毕凝固,的,的开始阶,段,段，在型,壁,壁处形成,的,的晶体，,由,由于其密,度,度或大于,母,母液或小,于,于母液也,会,会产生对,流,流，依靠,对,对流可将,型,型壁处产,生,生的晶体,脱,脱落且游,离,离到铸件,的,的内部，,图,图,5-5,是产生这,种,种对流的,示,示意图。,（,3,）激冷晶,游,游离理论,（,（激冷等,轴,轴晶型壁,脱,脱落与游,离,离理论）,12/24/2022,15,4.1.4,内部等轴,晶,晶的形成,2,关于等轴,晶,晶区的形,成,成过程：,（,1,）索新（,Southin,）等人认,为,为不仅要,求,求界面前,方,方存在有,等,等轴晶晶,核,核，而且,还,还要求这,些,些晶核长,到,到一定的,大,大小，并,形,形成网络,以,以阻止柱,状,状晶区的,生,生长。,（,2,）富兰杰,克,克逊（,Fredikesson,）认为内,部,部等轴晶,区,区的产生,并,并不要求,游,游离晶形,成,成网络阻,止,止柱状晶,区,区的生长,，,，而是由,一,一部分游,离,离晶的沉,淀,淀和一部,分,分游离晶,被,被侧面生,长,长着的状,状,状前沿捕,获,获后而形,成,成的。,（,3,）我国学,者,者，认为,内,内部等轴,晶,晶区的形,成,成是由于,凝,凝固界面,的,的生长速,率,率,R,与游离晶,垂,垂直于界,面,面的运动,速,速率,v,之间互相,作,作用的结,果,果。当两,者,者之差远,大,大于界面,捕,捕获游离,晶,晶所必需,的,的临界速,率,率时，即,可,可形成内,部,部等轴晶,区,区。,12/24/2022,16,4.1.4,内部等轴,晶,晶的形成,无论是关,于,于等轴晶,晶,晶核的来,源,源问题，,还,还是等轴,晶,晶区形成,的,的具体过,程,程问题，,上,上述各理,论,论与看法,均,均有自己,的,的实验根,据,据，然而,也,也受到各,自,自实验条,件,件的限制,。,。关于等,轴,轴晶区的,形,形成过程,比,比较统一,的,的看法是,，,，中心等,轴,轴晶区的,形,形成很可,能,能是多种,途,途径的。,在,在一种情,况,况下，可,能,能是这种,机,机理起主,导,导作用；,在,在另一种,情,情况下，,可,可能是另,一,一种机理,在,在起作用,，,，或者是,几,几种机理,的,的综合作,用,用，而各,自,自作用的,大,大小当由,具,具体的凝,固,固条件所,决,决定。,12/24