材料成型原理 61晶粒組織62鑄態(tài)組織課件

大連理工大學(xué)材料學(xué)院本科生課程材料成形原理

——液態(tài)成形原理主講教師：姚曼教授大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院大連理工大學(xué)材料學(xué)院本科生課程材料成形原理主講教師：姚材料液態(tài)成形原理1液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)3凝固的結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)4凝固的傳熱學(xué)問題5凝固過程液相的流動現(xiàn)象6凝固組織及其控制7伴隨凝固與冷卻過程產(chǎn)生的現(xiàn)象材料液態(tài)成形原理1液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)6凝固組織及其控制Solidificationstructure

andcontrol6凝固組織及其控制Solidificationstruc凝固組織凝固組織指凝固后冷卻到室溫，不經(jīng)后續(xù)熱加工或熱處理的組織，通常又稱為鑄態(tài)組織。凝固條件不同，其組織可能差異很大如：從晶態(tài)，到納米晶、微晶、準晶或非晶。凝固組織凝固組織指凝固后冷卻到室溫，不經(jīng)后續(xù)熱加工或熱處理的結(jié)晶材料的組織主要特征通常包括兩方面：晶粒（grain）組織，包括其尺寸、形狀和取向。亞結(jié)構(gòu)（substructure）,包括合金元素的分布與狀態(tài)、枝晶結(jié)構(gòu)。材料成分確定以后，性能取決于它的組織。凝固組織取決于凝固條件。結(jié)晶材料的組織主要特征通常包括兩方面：

通過控制凝固過程控制凝固組織，取得優(yōu)異的材料性能，是一個十分活躍的研究領(lǐng)域。鑄件的凝固組織很難改變，特別對不進行后繼熱處理的鑄件更是如此。金屬鑄錠可以通過后繼壓力加工改變組織和位錯密度。本章將應(yīng)用前面學(xué)習(xí)的凝固理論，理解、分析和控制凝固組織。

通過控制凝固過程控制凝固組織，取得優(yōu)異的材料性能，是一個十6凝固組織及其控制6.1晶粒組織6.2鑄態(tài)宏觀組織6.3影響晶粒組織因素6.4非晶態(tài)固體、準晶、納米晶、微晶6.5凝固組織控制6.6熔焊金屬的凝固6凝固組織及其控制6.1晶粒組織6.1晶粒組織金屬凝固組織通常是多晶體，它由尺寸不同的小晶體組成。小晶體從不同的晶核長大，其形狀、尺寸和取向都不相同。這些小晶體稱為晶粒。凝固金屬晶粒的直徑尺度從大約0.25mm到幾個毫米。

晶粒的概念是了解凝固組織及其控制的基礎(chǔ)，是金屬組織結(jié)構(gòu)最重要的概念之一。grain,grainboundaryengineering6.1晶粒組織金屬凝固組織通常是多晶體，它由尺寸不同的小晶體單相合金晶粒組織對于單相合金，凝固時形成的晶粒在冷卻過程不再發(fā)生相變。單相合金晶粒組織對于單相合金，凝固時形成的晶粒在冷卻過程不再多相合金晶粒組織常見的多相合金晶粒組織有兩種類型：一個相的晶粒形成基體（通常是固溶體），其它相在凝固或隨后冷卻過程時形成的，以分散的小晶體形態(tài)散布在基體上。兩相混合共同生長的共晶晶粒（共晶團）或共析晶粒。對亞共晶和過共晶合金，在先凝固相剩余的空間進行共晶。多相合金晶粒組織常見的多相合金晶粒組織有兩種類型：鐵碳系平衡凝固時晶粒的形成

p179案例6.1鐵碳系平衡凝固時晶粒的形成

p179案例6.16.2鑄態(tài)宏觀組織鑄態(tài)晶粒有柱狀晶和等軸晶兩種形態(tài)，通常比較粗大。在加工后，經(jīng)蝕顯或不經(jīng)蝕顯，一般可以用肉眼或低倍下觀察，故晶粒組織稱為宏觀組織或低倍組織。宏觀組織的兩個重要參數(shù)是晶粒形狀和尺寸。6.2鑄態(tài)宏觀組織鑄態(tài)晶粒有柱狀晶和等軸晶兩種形態(tài)，通常比本節(jié)討論用常規(guī)鑄造方法，鑄件和鑄錠的宏觀組織。鑄態(tài)宏觀組織：表層激冷細晶粒區(qū)柱狀晶中心等軸晶本節(jié)討論用常規(guī)鑄造方法，鑄件和鑄錠的宏觀組織。表層激冷層鑄件表層常常由很細的等軸晶組成，稱為激冷層。在鑄錠內(nèi)表現(xiàn)最明顯。其厚度隨鑄錠大小而異，最厚可達十幾毫米。激冷層可能很薄，薄壁件不明顯以至觀察不到。激冷層殼的收縮導(dǎo)致形成與模壁間的氣隙，結(jié)晶釋放的潛熱阻止了液體進一步冷卻，激冷層終止。

表層激冷層鑄件表層常常由很細的等軸晶組成，稱為激冷層。激冷層表層激冷層形成形成機制：表層激冷形成細小晶體，流動沖刷，游離的晶體在密度差驅(qū)動下沿型壁運動，部分小晶體受到冷卻而被型壁“捕捉”，形成等軸的激冷層。激冷層殼的收縮導(dǎo)致形成與模壁間的氣隙，結(jié)晶釋放的潛熱阻止了液體進一步冷卻，激冷層的形成即被終止等軸的激冷層

表層激冷層形成形成機制：表層激冷形成細小晶體，流動沖刷，游離鑄態(tài)組織的形成-柱狀晶柱狀晶-帶方向性的柱狀晶粒。生長方向：與散熱方向相反。常近似與型壁垂直，與激冷層相連。以枝狀晶方式長大。一次、二次、三次臂…鑄態(tài)組織的形成-柱狀晶柱狀晶-帶方向性的柱狀晶粒。

二次枝晶臂間距測量4~5個臂平均值，無標準；二次枝晶臂間距測量4~5個臂平均值，無標準；擇優(yōu)生長（preferredgrowthdirection）擇優(yōu)生長-柱狀晶生長的機制柱狀晶區(qū)晶體性能呈現(xiàn)方向性，它的枝晶的分支少，凝固后的顯微縮松與雜質(zhì)較少，組織致密。擇優(yōu)生長（preferredgrowthdirectio鑄態(tài)組織的形成-等軸晶等軸晶:各個晶體同時以無方向性的枝狀晶方式長大形成的組織。等軸晶粒近似球形。等軸晶晶體性能不呈現(xiàn)方向性，在晶粒周界形成微觀偏析和微觀縮松，相對柱狀晶來說，其組織不夠致密。

鑄態(tài)組織的形成-等軸晶等軸晶:各個晶體同時以無方向性的枝狀晶混合的鑄態(tài)組織柱狀晶和等軸晶混合組織;柱狀晶組織等軸晶組織混合的鑄態(tài)組織柱狀晶和等軸晶混合組織;大型鋼錠的鑄態(tài)組織與宏觀偏析p185案例6.2掌握其溶質(zhì)元素的分布、組織不均勻性和凝固缺陷大型鋼錠的宏觀偏析與鑄態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它是大型鍛件宏觀偏析的根源。55噸重34CrMo1A合金鋼錠解剖分析大型鋼錠的鑄態(tài)組織與宏觀偏析p185案例6.2掌握其溶質(zhì)元鑄態(tài)組織和缺陷爐前分析鋼液化學(xué)成分為：0.33%C，0.52Mn，0.27Si，0.015P，0.008S，0.96Cr，0.45Mo硫印檢查：沿鋼錠軸線縱向剖開。取樣化學(xué)分析：從外表面至中軸。冷酸蝕法：顯示低倍組織。I區(qū)-位于錠身上部（冒口端）：細等軸晶帶：距邊緣40~50mm。柱狀晶帶：向內(nèi)230~285mm，有向上傾斜的趨勢。

心部：等軸晶帶，中心嚴重縮松。II區(qū)-錠身下部（水口端）：細等軸晶帶：較薄，約為20mm。柱狀晶帶：較薄，約為90~110mm心部：等軸晶帶，中心微量縮松。34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析鑄態(tài)組織和缺陷爐前分析鋼液化學(xué)成分為：0.33%C，0.52化學(xué)成分分布和偏析橫截面上碳含量：不均勻性最為明顯，沿鑄錠高度出現(xiàn)帶狀富集區(qū)域，含量高達0.37~0.39%C。A偏析在縱斷面這條碳偏析帶上，溶質(zhì)元素量都較高，S、P、Al、Cr量都是同一斷面內(nèi)的最高值形成這種偏析帶可能的兩種機制：一是柱狀晶凝固前沿的溶質(zhì)再分配，造成溶質(zhì)元素從表向里富集，在柱狀晶區(qū)的終結(jié)處區(qū)域形成溶質(zhì)富集區(qū)。二是A型偏析帶。34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析化學(xué)成分分布和偏析橫截面上碳含量：不均勻性最為明顯，沿鑄錠高化學(xué)成分分布和偏析錠身的最大正偏析出現(xiàn)在上部中心區(qū)；最大負偏析則相反，出現(xiàn)在下部中心區(qū)，是由于晶體的沉積形成的。34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析化學(xué)成分分布和偏析錠身的最大正偏析出現(xiàn)在上部中心區(qū)；34Cr硫印檢查結(jié)果：硫印檢查出現(xiàn)與化學(xué)分析類似的偏析帶。硫偏析呈斷續(xù)細帶狀分布，具有A型偏析特征。在中心軸區(qū)，自縮孔下方延伸至錠身中部，硫的偏聚很明顯，具有V型偏析特征。柱狀晶與等軸晶宏觀形貌（20Mn2SiMo鋼87噸錠）

沿鋼錠軸線縱向剖面的硫印照片（A，V-A、V型偏析）34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析硫印檢查結(jié)果：柱狀晶與等軸晶宏觀形貌沿鋼錠軸線縱向剖面的硫印亞結(jié)構(gòu)

合金元素的分布與狀態(tài)是一種重要的亞結(jié)構(gòu)。包括：偏析枝狀晶形貌晶粒間的第二相網(wǎng)狀物、顆粒相共晶晶粒內(nèi)兩相的分布和狀態(tài)等

偏析問題與晶粒形態(tài)密切相關(guān)。晶粒粗大和存在偏析是鑄件性能低于鍛件的主要原因。亞結(jié)構(gòu)合金元素的分布與狀態(tài)是一種重要的亞結(jié)構(gòu)。包括：偏析是鑄件內(nèi)部成分不均勻現(xiàn)象。包括:微觀偏析宏觀偏析微觀偏析

晶內(nèi)偏析

晶界偏析宏觀偏析重力偏析、通道偏析

正偏析、負偏析

等偏析及其分類偏析是鑄件內(nèi)部成分不均勻現(xiàn)象。包括:偏析及其分類晶內(nèi)、晶界偏析案例

AlCu5Mn鋁合金鑄態(tài)組織，合金含0.35%Ti晶內(nèi)、晶界偏析案例AlCu5Mn鋁合金鑄態(tài)組織，合金含0.晶界偏析案例

：Ni在晶界偏析晶界偏析案例：Ni在晶界偏析晶界偏析案例

：316不銹鋼(0.08C,17Cr,12Ni,0.045P)晶界偏析場離子顯微鏡(Field-IonMicroscopy)圖象原子探針顯示晶界B,C,P偏析。

black–P,grey–B,clearC晶界偏析案例：316不銹鋼(0.08C,17Cr,12N正偏析符合溶質(zhì)再分配規(guī)律的宏觀偏析；無法消除；正偏析符合溶質(zhì)再分配規(guī)律的宏觀偏析；逆偏析不符合溶質(zhì)再分配規(guī)律。例1：Al-Cu合金,連鑄,表面富Cu層。結(jié)晶范圍寬，糊狀凝固，枝晶發(fā)達，液體內(nèi)富含氣體，易形成逆偏析。逆偏析不符合溶質(zhì)再分配規(guī)律。例1：Al-Cu合金,連鑄重力偏析先凝固相密度小，或互不混合的液相之間存在密度差時，產(chǎn)生重力偏析案例：Cu-40%Pb，

Cu=8240kg/m3

Pb=10040kg/m3Cu，Pb分層，Pb沉底；重力偏析先凝固相密度小，或互不混合的液相之間存在密度差時，產(chǎn)重力偏析案例：Al-Ti合金合金中細化元素Ti重力偏析案例：Al-Ti合金合金中細化元素Ti通道偏析、V偏析鋼錠凝固后的Channel防止通道偏析，工程方法還是研究課題；通道偏析、V偏析鋼錠凝固后Endof6.2Endof6.2

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——液態(tài)成形原理主講教師：姚曼教授大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院大連理工大學(xué)材料學(xué)院本科生課程材料成形原理主講教師：姚材料液態(tài)成形原理1液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)3凝固的結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)4凝固的傳熱學(xué)問題5凝固過程液相的流動現(xiàn)象6凝固組織及其控制7伴隨凝固與冷卻過程產(chǎn)生的現(xiàn)象材料液態(tài)成形原理1液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)6凝固組織及其控制Solidificationstructure

andcontrol6凝固組織及其控制Solidificationstruc凝固組織凝固組織指凝固后冷卻到室溫，不經(jīng)后續(xù)熱加工或熱處理的組織，通常又稱為鑄態(tài)組織。凝固條件不同，其組織可能差異很大如：從晶態(tài)，到納米晶、微晶、準晶或非晶。凝固組織凝固組織指凝固后冷卻到室溫，不經(jīng)后續(xù)熱加工或熱處理的結(jié)晶材料的組織主要特征通常包括兩方面：晶粒（grain）組織，包括其尺寸、形狀和取向。亞結(jié)構(gòu)（substructure）,包括合金元素的分布與狀態(tài)、枝晶結(jié)構(gòu)。材料成分確定以后，性能取決于它的組織。凝固組織取決于凝固條件。結(jié)晶材料的組織主要特征通常包括兩方面：

通過控制凝固過程控制凝固組織，取得優(yōu)異的材料性能，是一個十分活躍的研究領(lǐng)域。鑄件的凝固組織很難改變，特別對不進行后繼熱處理的鑄件更是如此。金屬鑄錠可以通過后繼壓力加工改變組織和位錯密度。本章將應(yīng)用前面學(xué)習(xí)的凝固理論，理解、分析和控制凝固組織。

通過控制凝固過程控制凝固組織，取得優(yōu)異的材料性能，是一個十6凝固組織及其控制6.1晶粒組織6.2鑄態(tài)宏觀組織6.3影響晶粒組織因素6.4非晶態(tài)固體、準晶、納米晶、微晶6.5凝固組織控制6.6熔焊金屬的凝固6凝固組織及其控制6.1晶粒組織6.1晶粒組織金屬凝固組織通常是多晶體，它由尺寸不同的小晶體組成。小晶體從不同的晶核長大，其形狀、尺寸和取向都不相同。這些小晶體稱為晶粒。凝固金屬晶粒的直徑尺度從大約0.25mm到幾個毫米。

晶粒的概念是了解凝固組織及其控制的基礎(chǔ)，是金屬組織結(jié)構(gòu)最重要的概念之一。grain,grainboundaryengineering6.1晶粒組織金屬凝固組織通常是多晶體，它由尺寸不同的小晶體單相合金晶粒組織對于單相合金，凝固時形成的晶粒在冷卻過程不再發(fā)生相變。單相合金晶粒組織對于單相合金，凝固時形成的晶粒在冷卻過程不再多相合金晶粒組織常見的多相合金晶粒組織有兩種類型：一個相的晶粒形成基體（通常是固溶體），其它相在凝固或隨后冷卻過程時形成的，以分散的小晶體形態(tài)散布在基體上。兩相混合共同生長的共晶晶粒（共晶團）或共析晶粒。對亞共晶和過共晶合金，在先凝固相剩余的空間進行共晶。多相合金晶粒組織常見的多相合金晶粒組織有兩種類型：鐵碳系平衡凝固時晶粒的形成

p179案例6.1鐵碳系平衡凝固時晶粒的形成

p179案例6.16.2鑄態(tài)宏觀組織鑄態(tài)晶粒有柱狀晶和等軸晶兩種形態(tài)，通常比較粗大。在加工后，經(jīng)蝕顯或不經(jīng)蝕顯，一般可以用肉眼或低倍下觀察，故晶粒組織稱為宏觀組織或低倍組織。宏觀組織的兩個重要參數(shù)是晶粒形狀和尺寸。6.2鑄態(tài)宏觀組織鑄態(tài)晶粒有柱狀晶和等軸晶兩種形態(tài)，通常比本節(jié)討論用常規(guī)鑄造方法，鑄件和鑄錠的宏觀組織。鑄態(tài)宏觀組織：表層激冷細晶粒區(qū)柱狀晶中心等軸晶本節(jié)討論用常規(guī)鑄造方法，鑄件和鑄錠的宏觀組織。表層激冷層鑄件表層常常由很細的等軸晶組成，稱為激冷層。在鑄錠內(nèi)表現(xiàn)最明顯。其厚度隨鑄錠大小而異，最厚可達十幾毫米。激冷層可能很薄，薄壁件不明顯以至觀察不到。激冷層殼的收縮導(dǎo)致形成與模壁間的氣隙，結(jié)晶釋放的潛熱阻止了液體進一步冷卻，激冷層終止。

表層激冷層鑄件表層常常由很細的等軸晶組成，稱為激冷層。激冷層表層激冷層形成形成機制：表層激冷形成細小晶體，流動沖刷，游離的晶體在密度差驅(qū)動下沿型壁運動，部分小晶體受到冷卻而被型壁“捕捉”，形成等軸的激冷層。激冷層殼的收縮導(dǎo)致形成與模壁間的氣隙，結(jié)晶釋放的潛熱阻止了液體進一步冷卻，激冷層的形成即被終止等軸的激冷層

表層激冷層形成形成機制：表層激冷形成細小晶體，流動沖刷，游離鑄態(tài)組織的形成-柱狀晶柱狀晶-帶方向性的柱狀晶粒。生長方向：與散熱方向相反。常近似與型壁垂直，與激冷層相連。以枝狀晶方式長大。一次、二次、三次臂…鑄態(tài)組織的形成-柱狀晶柱狀晶-帶方向性的柱狀晶粒。

二次枝晶臂間距測量4~5個臂平均值，無標準；二次枝晶臂間距測量4~5個臂平均值，無標準；擇優(yōu)生長（preferredgrowthdirection）擇優(yōu)生長-柱狀晶生長的機制柱狀晶區(qū)晶體性能呈現(xiàn)方向性，它的枝晶的分支少，凝固后的顯微縮松與雜質(zhì)較少，組織致密。擇優(yōu)生長（preferredgrowthdirectio鑄態(tài)組織的形成-等軸晶等軸晶:各個晶體同時以無方向性的枝狀晶方式長大形成的組織。等軸晶粒近似球形。等軸晶晶體性能不呈現(xiàn)方向性，在晶粒周界形成微觀偏析和微觀縮松，相對柱狀晶來說，其組織不夠致密。

鑄態(tài)組織的形成-等軸晶等軸晶:各個晶體同時以無方向性的枝狀晶混合的鑄態(tài)組織柱狀晶和等軸晶混合組織;柱狀晶組織等軸晶組織混合的鑄態(tài)組織柱狀晶和等軸晶混合組織;大型鋼錠的鑄態(tài)組織與宏觀偏析p185案例6.2掌握其溶質(zhì)元素的分布、組織不均勻性和凝固缺陷大型鋼錠的宏觀偏析與鑄態(tài)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，它是大型鍛件宏觀偏析的根源。55噸重34CrMo1A合金鋼錠解剖分析大型鋼錠的鑄態(tài)組織與宏觀偏析p185案例6.2掌握其溶質(zhì)元鑄態(tài)組織和缺陷爐前分析鋼液化學(xué)成分為：0.33%C，0.52Mn，0.27Si，0.015P，0.008S，0.96Cr，0.45Mo硫印檢查：沿鋼錠軸線縱向剖開。取樣化學(xué)分析：從外表面至中軸。冷酸蝕法：顯示低倍組織。I區(qū)-位于錠身上部（冒口端）：細等軸晶帶：距邊緣40~50mm。柱狀晶帶：向內(nèi)230~285mm，有向上傾斜的趨勢。

心部：等軸晶帶，中心嚴重縮松。II區(qū)-錠身下部（水口端）：細等軸晶帶：較薄，約為20mm。柱狀晶帶：較薄，約為90~110mm心部：等軸晶帶，中心微量縮松。34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析鑄態(tài)組織和缺陷爐前分析鋼液化學(xué)成分為：0.33%C，0.52化學(xué)成分分布和偏析橫截面上碳含量：不均勻性最為明顯，沿鑄錠高度出現(xiàn)帶狀富集區(qū)域，含量高達0.37~0.39%C。A偏析在縱斷面這條碳偏析帶上，溶質(zhì)元素量都較高，S、P、Al、Cr量都是同一斷面內(nèi)的最高值形成這種偏析帶可能的兩種機制：一是柱狀晶凝固前沿的溶質(zhì)再分配，造成溶質(zhì)元素從表向里富集，在柱狀晶區(qū)的終結(jié)處區(qū)域形成溶質(zhì)富集區(qū)。二是A型偏析帶。34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析化學(xué)成分分布和偏析橫截面上碳含量：不均勻性最為明顯，沿鑄錠高化學(xué)成分分布和偏析錠身的最大正偏析出現(xiàn)在上部中心區(qū)；最大負偏析則相反，出現(xiàn)在下部中心區(qū)，是由于晶體的沉積形成的。34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析化學(xué)成分分布和偏析錠身的最大正偏析出現(xiàn)在上部中心區(qū)；34Cr硫印檢查結(jié)果：硫印檢查出現(xiàn)與化學(xué)分析類似的偏析帶。硫偏析呈斷續(xù)細帶狀分布，具有A型偏析特征。在中心軸區(qū)，自縮孔下方延伸至錠身中部，硫的偏聚很明顯，具有V型偏析特征。柱狀晶與等軸晶宏觀形貌（20Mn2SiMo鋼87噸錠）

沿鋼錠軸線縱向剖面的硫印照片（A，V-A、V型偏析）34CrMo1A合金鋼錠（55噸重）解剖分析硫印檢查結(jié)果：柱狀晶與等軸晶宏觀形貌沿鋼錠軸線縱向剖面的硫印亞結(jié)構(gòu)

合金元素的分布與狀態(tài)是一種重要的亞結(jié)構(gòu)。包括：偏析枝狀晶形貌晶粒間的第二相網(wǎng)狀物、顆粒相共晶晶粒內(nèi)兩相的分布和狀態(tài)等

偏析問題與晶粒形態(tài)密切相關(guān)。晶粒粗大和存在偏