材料成形原理-第四章鑄件結晶組織的形成與控制課件

第4章

鑄件結晶組織的形成與控制東北大學秦皇島分校林曉娉教授12/19/20221第4章鑄件結晶組織的形成與控制東北大學秦皇島分校林鑄件結晶組織形成與控制§4-1鑄件宏觀組織的形成及影響因素§4-2鑄件結晶組織的控制鑄件的結晶組織，僅宏觀狀態(tài)而言，指的是鑄態(tài)晶粒的形成、大小、取向和分布等情況；鑄件微觀結構的概念包括晶粒內部的結構形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結構形態(tài)，共晶團內部的兩相結構形態(tài)，以及這些結構形態(tài)的細化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過程卻密切相關，并對鑄件的各項性能，特別是力學性能產生強烈的影響。在第三章講解的基礎上，本章我們將主要針對鑄件的宏觀組織進行講解及分析。12/19/20222結晶組織鑄件結晶組織形成與控制§4-1鑄件宏觀組織的形成及影響因鑄件宏觀組織的形成及影響因素

自1954年Winegand和Chalmers提出假設以來，人們對于三個晶區(qū)形成機理的認識，經歷了一個由淺入深的歷史發(fā)展過程。直到最近的二三十年間人們才逐步認識到晶粒游離在鑄件結晶過程中的重大作用，對三個晶區(qū)的形成機理才有一個基本明確的認識。因此在討論鑄件三個晶區(qū)的形成機理之前必須深入研究結晶過程中的晶粒游離問題。因此，本節(jié)的主要內容可拓展為：4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離4.1.2鑄件結晶過程表面細晶區(qū)的形成4.1.3鑄件結晶過程柱狀晶區(qū)的形成4.1.4鑄件結晶過程內部等軸晶區(qū)的形成4、1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素12/19/20223結晶組織鑄件宏觀組織的形成及影響因素自1954年Wi4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離

液態(tài)金屬的流動對晶粒游離過程的作用主要是通過影響其傳熱和傳質過程而實現(xiàn)。此外對流本身對凝固層的機械沖刷作用也有一定的影響。澆注過程中的流動凝固期間的流動自然對流強迫對流溫度差引起的密度不同溶質再分配引起的成分和密度變化游離晶體和液體間的密度差澆注時注入的動量(mv)外加電磁攪拌或機械攪拌晶粒游離有關的對流

傳熱方面，金屬液的流動宏觀上加速了過熱熱量的散失；微觀上紊流帶來了強烈的溫度起伏，對晶粒游離現(xiàn)象有著極大的影響。

傳質方面，金屬液的流動最大作用在于導致游離晶粒的漂移和堆積，并促進晶粒游離的進行，加速熔體的均勻化。12/19/20224結晶組織4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離液態(tài)金屬的流動對4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：

1）游離晶直接來自過冷熔體內的非均質生核在鑄件結晶過程中，只要存在有滿足非均質生核條件的過冷熔體和相應有效的生核質點，這種晶粒游離現(xiàn)象總是存在的。2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離

依附于型壁的晶粒生長時引起溶質再分配，界面前沿液態(tài)凝固點降低，其實際過冷度減小。晶體根部緊靠型壁，溶質不易擴散，偏析嚴重，生長受到抑制。而遠離根部處易于通過擴散和對流而均勻，生長快。這樣將在根部產生“縮頸”現(xiàn)象。在流體的沖刷和溫度反復波動所形成的熱沖擊作用下，熔點最低而又最脆弱縮頸部位極易斷開，晶粒自型壁脫落而導致晶粒游離。12/19/20225結晶組織4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離

縮頸現(xiàn)象在樹枝晶各次分枝的根部也存在。這是因為枝干生長過程中在其側面形成的溶質偏析層阻礙了側面的生長，當偶然產生的凸出部分突破此層后，便進入較大的成分過冷區(qū)內，長出較粗大的分枝，從而在分枝根部留下縮頸。另外，還有一種非常重要的晶粒游離現(xiàn)象－晶粒增殖。如圖游離晶在漂移過程中不斷通過不同的溫度區(qū)域和濃度區(qū)域，不斷受到沖擊，處于反復局部熔化和反復生長之中，這樣分枝根部縮頸就可能斷開而破碎成幾個晶粒。鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離

12/19/20226結晶組織4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離縮頸現(xiàn)象在樹枝晶各5.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：3）液面晶粒沉積所引起的晶粒游離

凝固初期在液面處形成的晶?；蝽敳磕虒用撀涞姆种τ捎诿芏缺纫后w大而下沉也能導致晶粒游離的產生。12/19/20227結晶組織5.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能4.1.2表面細晶區(qū)的形成

表面激冷區(qū)中的晶粒通常是無方向性的細等軸晶。根據(jù)傳統(tǒng)理論，當液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時，型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用，產生很大的過冷度而大量非均質生核。這些晶核在過冷熔體中迅速生長并互相抑制，從而形成了無方向性的表面細等軸晶組織。故以往常把表面細等軸晶稱為“激冷晶”?，F(xiàn)代研究表明，除非均質生核過程以外，各種形式的晶粒游離也是形成表面細晶粒區(qū)的“晶核”來源。型壁附近熔體內部的大量生核只是表面細晶粒區(qū)形成的必要條件，而抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層則為其充分條件。大量試驗證實，表面細晶區(qū)的等軸晶粒不僅直接來源于過冷熔體的非均質形核，而且還來自包括型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和晶粒增值等各種形式的晶粒游離過程。

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。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)由外向內的生長。這時，表面激冷細晶粒區(qū)將不再發(fā)展。4.1.2表面細晶區(qū)的形成12/19/20228結晶組織4.1.2表面細晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)中的晶粒通4.1.2表面細晶區(qū)的形成等軸晶750℃水淬,搖動，不銹鋼杯子大野篤美的實驗

型壁激冷雖然能增大其附近熔體的非均質生核能力，但也使型壁上的晶核數(shù)目大大增加，從而促使型壁晶粒很快連接而形成穩(wěn)定的凝固殼并最終阻止表面細晶粒區(qū)的發(fā)展。因此，如果在凝固開始階段不存在強的型壁晶粒游離條件(如高的溶質含量和強烈的液態(tài)金屬流動等)，那么，過強的型壁激冷能力反而不利于表面細晶粒區(qū)的形成。如圖b）所示，大野篤美的試驗，證實了以上結論。12/19/20229結晶組織4.1.2表面細晶區(qū)的形成等軸晶750℃水淬,搖動，不銹鋼4.1.3柱狀晶區(qū)的形成

緊貼鑄型表面穩(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生長，發(fā)展成由外向內生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速

。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干與熱流方向相平行的枝晶，較之取向不利的相鄰枝晶生長得更為迅速。它們優(yōu)先向內伸展并抑制相鄰枝晶的生長。在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織(如圖)。這個互相競爭淘汰的晶體生長過程稱為晶體的擇優(yōu)生長。鑄型液態(tài)金屬12/19/202210結晶組織4.1.3柱狀晶區(qū)的形成緊貼鑄型表面穩(wěn)定的凝固4.1.3柱狀晶區(qū)的形成

柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產生，而結束于內部等軸晶區(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部產生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成?？刂浦鶢罹^(qū)繼續(xù)發(fā)展的關鍵因素是內部等軸晶區(qū)的出現(xiàn)。如果界面前方始終不利于等軸晶的形成與生長，則柱狀晶區(qū)可以一直延伸到鑄件中心，直到與對面型壁長出的柱狀晶相遇為止，從而形成所謂的穿晶組織。12/19/202211結晶組織4.1.3柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝4.1.4內部等軸晶的形成從本質上說，內部等鈾晶區(qū)的形成是由于熔體內部晶核自由生長的結果。但是，關于等軸晶晶核的來源以及這些晶核如何發(fā)展并最終形成等軸晶區(qū)的具體過程，存在不同的爭議。1、關于等軸晶晶核的來源：（1）過冷熔體直接生核理論（2）界面前方晶粒游離理論（3）激冷晶游離理論12/19/202212結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成從本質上說，內部等4.1.4內部等軸晶的形成這個理論是Winegand和Chalmers于1954年提出來的該理論認為，隨著凝固層向內推移，固相散熱能力逐漸削弱，內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，便導致內部等軸晶的形成。（1）過冷熔體直接生核理論（“成分過冷”理論）等軸晶形貌12/19/202213結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成這個理論是Winegand和Ch4.1.4內部等軸晶的形成Jackson等人提出，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部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。Southin(索辛)、osenhain（羅遜漢）等人則認為，液面冷卻產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，是鑄錠凝固時內部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結晶雨”理論。（2）界面前方晶粒游離理論（枝晶熔斷及結晶雨理論）12/19/202214結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成Jackson等人提出，4.1.4內部等軸晶的形成

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)。等軸晶體即便在澆注過程中沒有來得及形成，那么澆洼完畢凝固的開始階段，在型壁處形成的晶體，由于其密度或大于母液或小于母液也會產生對流，依靠對流可將型壁處產生的晶體脫落且游離到鑄件的內部，圖5-5是產生這種對流的示意圖。（3）激冷晶游離理論（激冷等軸晶型壁脫落與游離理論）12/19/202215結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成在澆注的過程中及凝固的初期4.1.4內部等軸晶的形成2關于等軸晶區(qū)的形成過程：（1）索新（Southin）等人認為不僅要求界面前方存在有等軸晶晶核，而且還要求這些晶核長到一定的大小，并形成網絡以阻止柱狀晶區(qū)的生長。（2）富蘭杰克遜（Fredikesson）認為內部等軸晶區(qū)的產生并不要求游離晶形成網絡阻止柱狀晶區(qū)的生長，而是由一部分游離晶的沉淀和一部分游離晶被側面生長著的狀狀前沿捕獲后而形成的。（3）我國學者，認為內部等軸晶區(qū)的形成是由于凝固界面的生長速率R與游離晶垂直于界面的運動速率v之間互相作用的結果。當兩者之差遠大于界面捕獲游離晶所必需的臨界速率時，即可形成內部等軸晶區(qū)。12/19/202216結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成2關于等軸晶區(qū)的形成過程：12/4.1.4內部等軸晶的形成

無論是關于等軸晶晶核的來源問題，還是等軸晶區(qū)形成的具體過程問題，上述各理論與看法均有自己的實驗根據(jù)，然而也受到各自實驗條件的限制。關于等軸晶區(qū)的形成過程比較統(tǒng)一的看法是，中心等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑的。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。12/19/202217結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成無論是關于等軸4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素

綜上所述，鑄件中三個晶區(qū)的形成是相互聯(lián)系、彼此制約的。穩(wěn)定凝固殼層的產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)展的關鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。

凡能強化熔體獨立生核，促進晶粒游離及有助于游離晶的殘存與堆積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。這些因素包括以下幾個方面：1.金屬性質方面；2.澆注條件方面；3.鑄型性質和鑄件結構方面。12/19/202218結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素綜上所述，鑄4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素1金屬性質方面：（1）強生核劑在過冷熔體中的存在；（2）寬結晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度；（3）合金中溶質元素含量較高、平衡分配系數(shù)k0偏離1較遠；（4）熔體在凝固過程中存在長時間的、激烈的對流。12/19/202219結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素1金屬性質方面：12/4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素2澆注條件方面：（1）低的澆注溫度過熱度小，能產生大量的游離晶，并有助于游離晶的殘存。（2）合適的澆注工藝凡能強化液流對型壁的沖刷作用的澆注工藝均能擴大并細化等軸晶區(qū)。

大野篤美研究比較了幾種澆注方法（石墨型，Al-0.2%Cu合金）對鑄件宏觀凝固組織的影響。圖a所示鑄型中間的方法澆注，對型壁無沖刷作用，獲得的凝固組織大多為粗大柱狀晶。圖b所示單孔上注方法，使液流沿型壁沖刷，結果柱狀晶區(qū)縮小，內部等軸晶區(qū)擴大且晶粒細化。進一步使液流分散，采用圖c所示的沿型壁六孔澆注，得到全部細小等軸晶。澆注緩慢，并且澆注結束時過冷度較低，越利于晶核的生存。后來大野篤美采用水流冷卻的斜板澆注方法，獲得比圖c更好的晶粒細化效果。12/19/202220結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素2澆注條件方面：4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方面：

對于薄壁鑄件而言，激冷可以使整個斷面同時產生較大的過冷。鑄型蓄熱系數(shù)越大，整個熔體的生核能力越強。因此這時采用金屬型鑄造比采用砂型鑄造更易獲得細等軸晶的斷面組織。對于型壁較厚或導熱性較差的鑄件而言，鑄型的激冷作用只產生于鑄件的表面層。在這種情況下，等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的晶粒游離。這時鑄型冷卻能力的影響是矛盾的。12/19/202221結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方面：一方面，低蓄熱系數(shù)的鑄型延緩穩(wěn)定凝固殼層的形成，有助于凝固初期激冷晶的游離，同時也使內部溫度梯度GL變小，凝固區(qū)城變寬，從而對增加等軸晶有利另一方面，它減慢了熔體過熱熱量的散失，不利于游離晶粒的殘存，從而減少了等軸晶的數(shù)量。通常，前者是矛盾的主導團素，因而在一般生產中，除薄壁鑄件外，采用金屬型鑄造比砂型鑄造更易獲得柱狀晶，特別是高溫下澆注更是如此。12/19/202222結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素補充：改善鑄件組織的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)主要影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒；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。孕育主要起非自發(fā)形核作用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12/19/202223結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素補充：改善鑄件組織的孕育4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素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-SiP≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P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碳化物粉末合金常用孕育劑的主要元素情況

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生縮頸，促進枝晶熔斷和游離而細化晶粒。12/19/202224結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素合金種類孕育劑主要組元加§4-2鑄件結晶組織的控制鑄件的質量和性能與其結晶組織密切相關。就宏觀組織而言，表面細晶粒區(qū)一般比較薄，對鑄件的質量和性能影響不大。鑄件的質量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例以及晶粒的大小。柱狀晶在生長過程中凝固區(qū)域較窄，其橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，樹枝晶得不到充分的發(fā)展，分枝較少。因此結晶后顯微縮松等晶間雜質少，組織比較致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。因而其性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。此外，其凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質，特別是當不同方位的柱狀晶區(qū)相遇而構成晶界時，大量夾雜與氣體等在該處聚集將導致鑄件熱裂，或者使鑄錠在以后的塑性加工中產生裂紋。12/19/202225結晶組織§4-2鑄件結晶組織的控制鑄件的質量和性能與§4-2鑄件結晶組織的控制等軸晶區(qū)的晶界面積大，雜質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。其缺點是枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。等軸晶細化能使雜質和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。一般說來，晶粒越細，其綜合性能就越好，抗疲勞性能也越高。除宏觀狀態(tài)外，結晶組織的微觀結構對鑄件的質量和性能也有強烈的影響。在其他條件相同時，平面生長柱狀晶的質量和性能優(yōu)于胞狀結構的柱狀晶，更勝過樹枝狀結構的柱狀晶組織；而沒有樹枝狀結構的球狀晶組織的質量與性能則比樹枝狀結構的等軸晶組織更強，樹枝晶的枝晶間距(特別是二次枝晶間距)越小，鑄件的夾雜和缺陷越分散，致密性就越好，機械性能也就越高。12/19/202226結晶組織§4-2鑄件結晶組織的控制等軸晶區(qū)的晶界面積大，雜4.2.2等軸晶組織的獲得和細化通過強化非均質生核和促進晶粒游離以抑制凝固過程中柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，就能獲得等軸晶組織。非均質晶核數(shù)量越多，晶粒游離的作用越強，熔體內部越有利于游離晶的殘存，則形成的等軸晶粒就越細。根據(jù)上節(jié)分析，不難總結出如下的具體措施：12/19/202227結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化通過強化非均質4.2.2等軸晶組織的獲得和細化1、利用金屬流對型壁的沖刷

大野篤美針對型壁晶體脫落對生核過程的影響進行了一系列試驗，證明利用金屬流對型壁的沖刷作用可以獲得細小等軸晶。2、用電磁攪拌(electromagneticstirring)使金屬液體旋轉

把鑄型放入類似于電動機定子的旋轉磁場中，則鑄型中的液體金屬不斷切割磁力線，將像轉子一樣旋轉。由于鑄型是不動的，凝固層與鑄型一起也不參加旋轉，依次旋轉的液體金屬不斷地沖刷著型壁和以后的凝固層。這種沖刷作用是由通電來控制的，從理論上說，它可以在凝固過程的任何階段，產生不同強度的磁場，使鑄件的不同部分獲得不同的晶粒組織。這種技術在冶金企業(yè)已經廣泛應用于連鑄坯生產中。12/19/202228結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化1、利用金屬流對型壁的沖刷4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inoculation）與變質處理（modification）

孕育處理和變質處理都是在金屬液中加入少量物質。孕育處理主要是通過促進液體內部的形核，達到細化晶粒的目的。變質處理主要通過改變晶體的生長方式，從而改變晶體的形貌和生長速度，達到細化晶粒的作用。

孕育和變質作用的原理可歸納為以下三類：

a)外加晶核

在澆注時向金屬液流中加入與欲細化相具有界面共格對應的高熔點物質或同類金屬的碎粒，使之在液體中作為有效質點促進非自發(fā)生核。

b)加入生核劑

物質本身不一定能作為晶核，但通過它們與液體金屬中某些元素的相互作用，能產生晶核或有效質點，促進非自發(fā)生核。分為兩類：一是少量元素能與液體中某元素（最好是細化相原子）組成較穩(wěn)定的化合物，此化合物與欲細化相具有界面共格對應關系，就能促進非自發(fā)生核。二是少量元素能在液體中造成很大的微區(qū)富集，迫使結晶相提前彌散析出。c)采用成分過冷元素

這類元素在晶體產生時，富集在相界面上，既能阻礙已有晶體生長，又能形成較大的成分過冷促進生核，同時又使晶體的分枝形成新的縮頸，易于熔斷脫落，形成新的晶核。12/19/202229結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inocula4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inoculation）與變質處理（modification）

試驗指出，幾乎所有的孕育劑都有一個時間效應的問題，即在處理后存在孕育衰退現(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。一般說來，處理溫度越高，孕育衰退越快。因此在保證孕育劑均勻溶解的前提下，應盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度和具體的處理方法來選擇。瞬時孕育法－液流孕育法和型內孕育法。

2）合理確定孕育工藝12/19/202230結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inocula4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術

柱狀晶組織雖然有晶粒粗大、雜質偏聚、性能有明顯方向性的不足，但在有些情況下人們也利用其平行于晶體生長方向強度高，抗蠕變能力好的特點，制造特種鑄件。例如，具有柱狀晶組織的發(fā)動機葉片的性能和壽命有大幅度提高，柱狀晶組織還在磁性材料中得到應用。本節(jié)我將就有關柱狀晶獲得的條件及單項凝固技術予以簡要的介紹。主要包括以下三方面的內容：一、單向凝固原理

二、單向凝固技術

三、獲得單晶的條件和單晶制造方法

12/19/202231結晶組織4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術柱4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術單向凝固的目的是為了使鑄件或鑄錠獲得按一定方向生長的柱狀晶或單晶組織。要得到單向凝固組織需要滿足以下條件：一、單向凝固原理

首先，要在開始凝固的部位形成穩(wěn)定的凝固殼。凝固殼的形成阻止了該部位的型壁晶粒游離，并為柱狀晶提供了生長基礎。該條件可通過各種激冷措施達到。

其次，要確保凝固殼中的晶粒按既定方向通過擇優(yōu)生長而發(fā)展成平行排列的柱狀晶組織。同時，為使柱狀晶縱向生長不受限制，并且在其組織中不夾雜有異向晶粒，固-液界面前方不應存在生核和晶粒游離現(xiàn)象。這個條件可通過下述措施來滿足：

1、嚴格的單向散熱。要使凝固系統(tǒng)始終處于柱狀晶生長方向的正溫度梯度作用下，并且要絕對阻止側向散熱以避免界面前方型壁及其附近的生核和長大。

2、有足夠大的GL/R，使成分過冷限制在允許的范圍內。同時要減少熔體的非均質生核能力，這樣就能避免界面前方的生核現(xiàn)象。提高熔體的純凈度，減少因氧化和吸氧而形成的雜質污染，對已有的有效襯底則通過高溫加熱或加入其它元素來改變其組成和結構等方法均有助于減少熔體的非均質生核能力。

3、要避免液態(tài)金屬的對流、攪拌和振動，從而阻止界面前方的晶粒游離。對晶粒密度大于液態(tài)金屬的合金，避免自然對流的最好方法就是自下而上地進行單向結晶。當然也可以通過安置固定磁場的方法阻止其單向結晶過程中的對流。

12/19/202232結晶組織4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術單向4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術

根據(jù)成分過冷理論，要使合金單向凝固得到平面凝固組織，主要取決于合金的性質和工藝參數(shù)的選擇。前者包括溶質含量、液相線斜率和溶質在液相中的擴散系數(shù)，后者包括溫度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定，則靠工藝參數(shù)的選擇來控制凝固組織，其中固-液界面液相一側的溫度梯度又是最關鍵的，所以人們都致力于提高溫度梯度?？梢哉f，單向凝固技術的發(fā)展歷史是不斷提高設備溫度梯度的歷史。大的溫度梯度一方面可以得到理想的合金組織和性能，另一方面又可以允許加快凝固速率，提高設備利用率。下面簡單介紹幾種單向凝固工藝。

二、單向凝固技術

12/19/202233結晶組織4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術根據(jù)5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術1、爐外單向凝固法（發(fā)熱劑法）

將鑄型加熱到高溫后，迅速取出放在激冷板上，立即澆注。冒口上方蓋以發(fā)熱劑，激冷板下噴水冷卻。由于鑄型表面溫度升高到熔點以上，能使金屬較長時間保持液態(tài)，從而創(chuàng)造了自下而上的單向凝固條件。此外也可采用發(fā)熱鑄型的方法。早期的單向凝固技術采用的就是爐外法。其缺點是鑄件一經澆注，GL和R就無法控制。由于單向散熱能力隨界面推進而逐漸減弱，柱狀晶組織也逐漸變粗。當其長度超過50~100mm后，便出現(xiàn)等軸晶粒。因此不適合制造大型和優(yōu)質鑄件。但由于其簡單的工藝和低廉的成本，近年來在簡單零件小批單向凝固生產中又重新引起人們的興趣。

12/19/202234結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術1、爐外單向凝固法5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術2、爐內單向凝固法使鑄件在加熱器內澆注和冷卻。由于可以調節(jié)爐內溫度梯度及對結晶過程實現(xiàn)程度不同的控制，因此可以獲得高質量的復雜鑄件。(a)功率下降法（P．D法）

將加熱器中的開底鑄型放在水冷結晶器上，加熱器的感應圈由上下兩部分組成。先把鑄型加熱到澆注溫度以上30~60℃，澆注后切斷下部感應圈電源。通過合理地調節(jié)上部線圈的輸入功率，可以實現(xiàn)冷卻速度相當大的單向凝固。其缺點是散熱條件沒有得到較好的改善，因此得到的柱狀晶區(qū)仍不超過180mm。

(b)高速凝圖法(H．R．S法)

該法是在P．D法的基礎上發(fā)展起來的。關鍵是通過逐步移出鑄型加強已凝固部分的散熱條件。移出速度應能確保凝固界面處于隔板附近的上方。隔板的作用是將高溫區(qū)和低溫區(qū)分隔開，從而有利于GL的進一步提高。與P．D法相比，該法優(yōu)點是：由于具有較高的GL和R，故枝晶間距較小，柱狀晶細密挺直，生產率比P．D法高2～3倍；凝固區(qū)域較窄，有利于補縮，鑄件缺陷大大減少，能在較長期間內保持恒定生長，故組織均勻，柱狀晶長度可達300mm以上。12/19/202235結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術2、爐內單向凝固法5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(c)液態(tài)金屬冷卻法(L.M.C法)

2、爐內單向凝固法

為了進一步加強H．R．S法的散熱能力，可使結晶器連同鑄型在移出隔板后盡快浸入低熔點、高沸點的液態(tài)金屬中，利用液態(tài)金屬的高散熱能力使凝固區(qū)激冷。這便是L.M.C法（圖）。該法GL可達200℃/cm以上，且原則上不受凝固層拉長的影響，可得到極長的單向柱狀晶。

12/19/202236結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術(c)液態(tài)金屬冷5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術分析一下LMC法單向凝固過程不難發(fā)現(xiàn)，以下兩個問題限制了溫度梯度的提高，一是凝固界面并不處于最佳位置，當抽拉速率較低時，界面相對于擋板上移，使凝固界面遠離檔板；二是未凝固液相中的最高溫度面遠離凝固界面，界面前沿溫度分布平緩。如果改變加熱方式，采用在距冷卻金屬液面較近的特定位置加熱，使液相中最高溫度區(qū)盡量靠近凝固界面，使界面前沿液相中的溫度分布變陡，可進一步提高溫度梯度。如果采用區(qū)域熔化法加熱結合液態(tài)金屬冷卻，就形成了區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻單向凝固法。這種方法GTC可達1270k/cm。(d)區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法（ZMLMC法）

12/19/202237結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術分析一下L5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術凝固是由坩堝的一端開始，坩堝可以垂直放置在爐內，熔體自下而上凝固或自上而下凝固，如圖所示，也可以水平放置。最常用的是將尖底坩堝垂直沿爐體逐漸下降，單晶體從尖底部位緩慢向上生長。也可以將“籽晶”放在坩堝底部，當坩堝向下移動時，從“籽晶”處開始結晶，隨著固-液界面的移動，單晶不斷長大。這類方法的主要缺點是晶體和坩堝壁接觸，容易產生應力或寄生成核，因此，在生產高完整性的單晶時，很少采用。三、獲得單晶的條件和單晶制造方法

(1)坩堝移動或爐體移動單向凝固法

異型高溫合金單晶鑄件大都是采用垂直坩堝移動單向凝固法獲得的，圖5-7是鑄造單向凝固單晶葉片裝置。

12/19/202238結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術凝固5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術這里以高溫合金渦輪葉片為對象來介紹其力學性能。由一個柱狀晶構成的鑄件稱為單晶或準單晶鑄件。由于它不存在晶界，沒有晶界強化元素，因而具有良好的持久壽命，低的蠕變速度和好的熱疲勞性能，并且由于產生偏析的晶界被排除，從而使抗氧化、抗熱腐蝕性能大大提高。單晶鑄件用于航空渦輪發(fā)動機熱端零件制造，在性能上無疑優(yōu)于柱狀晶和用普通鑄造方法得到的鑄件。由圖中的低倍組織可以看出,普通鑄造高溫合金葉片由等軸晶組成，柱晶葉片縱向柱晶貫穿，而單晶葉片是由一顆大晶粒構成。

12/19/202239結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術這5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術

三種鑄造鎳基高溫合金Mar—M200的拉伸性能如圖所示。由圖可以看出,單晶的拉伸塑性在所有溫度下都比較優(yōu)越，柱狀晶的瞬時拉伸強度隨著溫度升高而提高，在760℃附近達最高值，超過800℃時，迅速降低，在760℃附近柱狀晶拉伸強度比等軸晶高出100MPa，在760℃附近出現(xiàn)拉伸塑性的最低值。鎳基高溫合金中低溫塑性是由其內部組織結構所決定的。

12/19/202240結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術三種鑄造5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術蠕變和持久性能是衡量高溫合金材料性能的重要指標。在這方面，柱狀晶和單晶組織顯示了突出的優(yōu)越性。單晶、柱狀晶和等軸晶合金在高溫下蠕變特征曲線，試驗溫度980℃，工作應力205MPa。這一特征對于渦輪熱端轉動部件尤為重要，它預示著零件是否即將破壞，有利于杜絕發(fā)生突然斷裂事故。優(yōu)良的熱疲勞性能是單向凝固柱晶和單晶的特性。試驗在20~1000℃、周期加熱每分鐘2次、加壓80MPa條件下進行的。試驗結果表明，柱晶比等軸晶抗熱疲勞性能提高5倍，其熱疲勞裂紋擴展速度相當緩慢。柱晶熱疲勞裂紋的裂紋源首先產生在枝晶間，裂紋要向前擴展必須反復不斷穿過阻力較大的互相平行的枝晶區(qū)，因而擴展速度緩慢。

12/19/202241結晶組織5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術蠕本章結束12/19/202242本章結束12/17/202242第4章

鑄件結晶組織的形成與控制東北大學秦皇島分校林曉娉教授12/19/202243第4章鑄件結晶組織的形成與控制東北大學秦皇島分校林鑄件結晶組織形成與控制§4-1鑄件宏觀組織的形成及影響因素§4-2鑄件結晶組織的控制鑄件的結晶組織，僅宏觀狀態(tài)而言，指的是鑄態(tài)晶粒的形成、大小、取向和分布等情況；鑄件微觀結構的概念包括晶粒內部的結構形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結構形態(tài)，共晶團內部的兩相結構形態(tài)，以及這些結構形態(tài)的細化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過程卻密切相關，并對鑄件的各項性能，特別是力學性能產生強烈的影響。在第三章講解的基礎上，本章我們將主要針對鑄件的宏觀組織進行講解及分析。12/19/202244結晶組織鑄件結晶組織形成與控制§4-1鑄件宏觀組織的形成及影響因鑄件宏觀組織的形成及影響因素

自1954年Winegand和Chalmers提出假設以來，人們對于三個晶區(qū)形成機理的認識，經歷了一個由淺入深的歷史發(fā)展過程。直到最近的二三十年間人們才逐步認識到晶粒游離在鑄件結晶過程中的重大作用，對三個晶區(qū)的形成機理才有一個基本明確的認識。因此在討論鑄件三個晶區(qū)的形成機理之前必須深入研究結晶過程中的晶粒游離問題。因此，本節(jié)的主要內容可拓展為：4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離4.1.2鑄件結晶過程表面細晶區(qū)的形成4.1.3鑄件結晶過程柱狀晶區(qū)的形成4.1.4鑄件結晶過程內部等軸晶區(qū)的形成4、1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素12/19/202245結晶組織鑄件宏觀組織的形成及影響因素自1954年Wi4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離

液態(tài)金屬的流動對晶粒游離過程的作用主要是通過影響其傳熱和傳質過程而實現(xiàn)。此外對流本身對凝固層的機械沖刷作用也有一定的影響。澆注過程中的流動凝固期間的流動自然對流強迫對流溫度差引起的密度不同溶質再分配引起的成分和密度變化游離晶體和液體間的密度差澆注時注入的動量(mv)外加電磁攪拌或機械攪拌晶粒游離有關的對流

傳熱方面，金屬液的流動宏觀上加速了過熱熱量的散失；微觀上紊流帶來了強烈的溫度起伏，對晶粒游離現(xiàn)象有著極大的影響。

傳質方面，金屬液的流動最大作用在于導致游離晶粒的漂移和堆積，并促進晶粒游離的進行，加速熔體的均勻化。12/19/202246結晶組織4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離液態(tài)金屬的流動對4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：

1）游離晶直接來自過冷熔體內的非均質生核在鑄件結晶過程中，只要存在有滿足非均質生核條件的過冷熔體和相應有效的生核質點，這種晶粒游離現(xiàn)象總是存在的。2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離

依附于型壁的晶粒生長時引起溶質再分配，界面前沿液態(tài)凝固點降低，其實際過冷度減小。晶體根部緊靠型壁，溶質不易擴散，偏析嚴重，生長受到抑制。而遠離根部處易于通過擴散和對流而均勻，生長快。這樣將在根部產生“縮頸”現(xiàn)象。在流體的沖刷和溫度反復波動所形成的熱沖擊作用下，熔點最低而又最脆弱縮頸部位極易斷開，晶粒自型壁脫落而導致晶粒游離。12/19/202247結晶組織4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離

縮頸現(xiàn)象在樹枝晶各次分枝的根部也存在。這是因為枝干生長過程中在其側面形成的溶質偏析層阻礙了側面的生長，當偶然產生的凸出部分突破此層后，便進入較大的成分過冷區(qū)內，長出較粗大的分枝，從而在分枝根部留下縮頸。另外，還有一種非常重要的晶粒游離現(xiàn)象－晶粒增殖。如圖游離晶在漂移過程中不斷通過不同的溫度區(qū)域和濃度區(qū)域，不斷受到沖擊，處于反復局部熔化和反復生長之中，這樣分枝根部縮頸就可能斷開而破碎成幾個晶粒。鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：2）由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離

12/19/202248結晶組織4.1.1鑄件結晶中的晶粒游離縮頸現(xiàn)象在樹枝晶各5.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能存在以下幾種形式：3）液面晶粒沉積所引起的晶粒游離

凝固初期在液面處形成的晶?；蝽敳磕虒用撀涞姆种τ捎诿芏缺纫后w大而下沉也能導致晶粒游離的產生。12/19/202249結晶組織5.1.1鑄件結晶中的晶粒游離鑄件結晶過程中的晶粒游離，可能4.1.2表面細晶區(qū)的形成

表面激冷區(qū)中的晶粒通常是無方向性的細等軸晶。根據(jù)傳統(tǒng)理論，當液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時，型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用，產生很大的過冷度而大量非均質生核。這些晶核在過冷熔體中迅速生長并互相抑制，從而形成了無方向性的表面細等軸晶組織。故以往常把表面細等軸晶稱為“激冷晶”。現(xiàn)代研究表明，除非均質生核過程以外，各種形式的晶粒游離也是形成表面細晶粒區(qū)的“晶核”來源。型壁附近熔體內部的大量生核只是表面細晶粒區(qū)形成的必要條件，而抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層則為其充分條件。大量試驗證實，表面細晶區(qū)的等軸晶粒不僅直接來源于過冷熔體的非均質形核，而且還來自包括型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和晶粒增值等各種形式的晶粒游離過程。

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。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)由外向內的生長。這時，表面激冷細晶粒區(qū)將不再發(fā)展。4.1.2表面細晶區(qū)的形成12/19/202250結晶組織4.1.2表面細晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)中的晶粒通4.1.2表面細晶區(qū)的形成等軸晶750℃水淬,搖動，不銹鋼杯子大野篤美的實驗

型壁激冷雖然能增大其附近熔體的非均質生核能力，但也使型壁上的晶核數(shù)目大大增加，從而促使型壁晶粒很快連接而形成穩(wěn)定的凝固殼并最終阻止表面細晶粒區(qū)的發(fā)展。因此，如果在凝固開始階段不存在強的型壁晶粒游離條件(如高的溶質含量和強烈的液態(tài)金屬流動等)，那么，過強的型壁激冷能力反而不利于表面細晶粒區(qū)的形成。如圖b）所示，大野篤美的試驗，證實了以上結論。12/19/202251結晶組織4.1.2表面細晶區(qū)的形成等軸晶750℃水淬,搖動，不銹鋼4.1.3柱狀晶區(qū)的形成

緊貼鑄型表面穩(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生長，發(fā)展成由外向內生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速

。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干與熱流方向相平行的枝晶，較之取向不利的相鄰枝晶生長得更為迅速。它們優(yōu)先向內伸展并抑制相鄰枝晶的生長。在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織(如圖)。這個互相競爭淘汰的晶體生長過程稱為晶體的擇優(yōu)生長。鑄型液態(tài)金屬12/19/202252結晶組織4.1.3柱狀晶區(qū)的形成緊貼鑄型表面穩(wěn)定的凝固4.1.3柱狀晶區(qū)的形成

柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產生，而結束于內部等軸晶區(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部產生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成?？刂浦鶢罹^(qū)繼續(xù)發(fā)展的關鍵因素是內部等軸晶區(qū)的出現(xiàn)。如果界面前方始終不利于等軸晶的形成與生長，則柱狀晶區(qū)可以一直延伸到鑄件中心，直到與對面型壁長出的柱狀晶相遇為止，從而形成所謂的穿晶組織。12/19/202253結晶組織4.1.3柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝4.1.4內部等軸晶的形成從本質上說，內部等鈾晶區(qū)的形成是由于熔體內部晶核自由生長的結果。但是，關于等軸晶晶核的來源以及這些晶核如何發(fā)展并最終形成等軸晶區(qū)的具體過程，存在不同的爭議。1、關于等軸晶晶核的來源：（1）過冷熔體直接生核理論（2）界面前方晶粒游離理論（3）激冷晶游離理論12/19/202254結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成從本質上說，內部等4.1.4內部等軸晶的形成這個理論是Winegand和Chalmers于1954年提出來的該理論認為，隨著凝固層向內推移，固相散熱能力逐漸削弱，內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，便導致內部等軸晶的形成。（1）過冷熔體直接生核理論（“成分過冷”理論）等軸晶形貌12/19/202255結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成這個理論是Winegand和Ch4.1.4內部等軸晶的形成Jackson等人提出，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部等軸晶晶核的形成，稱為“枝晶熔斷”理論。Southin(索辛)、osenhain（羅遜漢）等人則認為，液面冷卻產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，是鑄錠凝固時內部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結晶雨”理論。（2）界面前方晶粒游離理論（枝晶熔斷及結晶雨理論）12/19/202256結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成Jackson等人提出，4.1.4內部等軸晶的形成

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)。等軸晶體即便在澆注過程中沒有來得及形成，那么澆洼完畢凝固的開始階段，在型壁處形成的晶體，由于其密度或大于母液或小于母液也會產生對流，依靠對流可將型壁處產生的晶體脫落且游離到鑄件的內部，圖5-5是產生這種對流的示意圖。（3）激冷晶游離理論（激冷等軸晶型壁脫落與游離理論）12/19/202257結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成在澆注的過程中及凝固的初期4.1.4內部等軸晶的形成2關于等軸晶區(qū)的形成過程：（1）索新（Southin）等人認為不僅要求界面前方存在有等軸晶晶核，而且還要求這些晶核長到一定的大小，并形成網絡以阻止柱狀晶區(qū)的生長。（2）富蘭杰克遜（Fredikesson）認為內部等軸晶區(qū)的產生并不要求游離晶形成網絡阻止柱狀晶區(qū)的生長，而是由一部分游離晶的沉淀和一部分游離晶被側面生長著的狀狀前沿捕獲后而形成的。（3）我國學者，認為內部等軸晶區(qū)的形成是由于凝固界面的生長速率R與游離晶垂直于界面的運動速率v之間互相作用的結果。當兩者之差遠大于界面捕獲游離晶所必需的臨界速率時，即可形成內部等軸晶區(qū)。12/19/202258結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成2關于等軸晶區(qū)的形成過程：12/4.1.4內部等軸晶的形成

無論是關于等軸晶晶核的來源問題，還是等軸晶區(qū)形成的具體過程問題，上述各理論與看法均有自己的實驗根據(jù)，然而也受到各自實驗條件的限制。關于等軸晶區(qū)的形成過程比較統(tǒng)一的看法是，中心等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑的。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。12/19/202259結晶組織4.1.4內部等軸晶的形成無論是關于等軸4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素

綜上所述，鑄件中三個晶區(qū)的形成是相互聯(lián)系、彼此制約的。穩(wěn)定凝固殼層的產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)展的關鍵則是中心等軸晶區(qū)的形成。

凡能強化熔體獨立生核，促進晶粒游離及有助于游離晶的殘存與堆積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。這些因素包括以下幾個方面：1.金屬性質方面；2.澆注條件方面；3.鑄型性質和鑄件結構方面。12/19/202260結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素綜上所述，鑄4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素1金屬性質方面：（1）強生核劑在過冷熔體中的存在；（2）寬結晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度；（3）合金中溶質元素含量較高、平衡分配系數(shù)k0偏離1較遠；（4）熔體在凝固過程中存在長時間的、激烈的對流。12/19/202261結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素1金屬性質方面：12/4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素2澆注條件方面：（1）低的澆注溫度過熱度小，能產生大量的游離晶，并有助于游離晶的殘存。（2）合適的澆注工藝凡能強化液流對型壁的沖刷作用的澆注工藝均能擴大并細化等軸晶區(qū)。

大野篤美研究比較了幾種澆注方法（石墨型，Al-0.2%Cu合金）對鑄件宏觀凝固組織的影響。圖a所示鑄型中間的方法澆注，對型壁無沖刷作用，獲得的凝固組織大多為粗大柱狀晶。圖b所示單孔上注方法，使液流沿型壁沖刷，結果柱狀晶區(qū)縮小，內部等軸晶區(qū)擴大且晶粒細化。進一步使液流分散，采用圖c所示的沿型壁六孔澆注，得到全部細小等軸晶。澆注緩慢，并且澆注結束時過冷度較低，越利于晶核的生存。后來大野篤美采用水流冷卻的斜板澆注方法，獲得比圖c更好的晶粒細化效果。12/19/202262結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素2澆注條件方面：4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方面：

對于薄壁鑄件而言，激冷可以使整個斷面同時產生較大的過冷。鑄型蓄熱系數(shù)越大，整個熔體的生核能力越強。因此這時采用金屬型鑄造比采用砂型鑄造更易獲得細等軸晶的斷面組織。對于型壁較厚或導熱性較差的鑄件而言，鑄型的激冷作用只產生于鑄件的表面層。在這種情況下，等軸晶區(qū)的形成主要依靠各種形式的晶粒游離。這時鑄型冷卻能力的影響是矛盾的。12/19/202263結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方面：一方面，低蓄熱系數(shù)的鑄型延緩穩(wěn)定凝固殼層的形成，有助于凝固初期激冷晶的游離，同時也使內部溫度梯度GL變小，凝固區(qū)城變寬，從而對增加等軸晶有利另一方面，它減慢了熔體過熱熱量的散失，不利于游離晶粒的殘存，從而減少了等軸晶的數(shù)量。通常，前者是矛盾的主導團素，因而在一般生產中，除薄壁鑄件外，采用金屬型鑄造比砂型鑄造更易獲得柱狀晶，特別是高溫下澆注更是如此。12/19/202264結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素3鑄型性質和鑄件結構方4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素補充：改善鑄件組織的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)主要影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒；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。孕育主要起非自發(fā)形核作用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12/19/202265結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素補充：改善鑄件組織的孕育4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素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-SiP≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P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碳化物粉末合金常用孕育劑的主要元素情況

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生縮頸，促進枝晶熔斷和游離而細化晶粒。12/19/202266結晶組織4.1.5影響鑄件宏觀組織形成的因素合金種類孕育劑主要組元加§4-2鑄件結晶組織的控制鑄件的質量和性能與其結晶組織密切相關。就宏觀組織而言，表面細晶粒區(qū)一般比較薄，對鑄件的質量和性能影響不大。鑄件的質量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的比例以及晶粒的大小。柱狀晶在生長過程中凝固區(qū)域較窄，其橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，樹枝晶得不到充分的發(fā)展，分枝較少。因此結晶后顯微縮松等晶間雜質少，組織比較致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，并且位向一致。因而其性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。此外，其凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質，特別是當不同方位的柱狀晶區(qū)相遇而構成晶界時，大量夾雜與氣體等在該處聚集將導致鑄件熱裂，或者使鑄錠在以后的塑性加工中產生裂紋。12/19/202267結晶組織§4-2鑄件結晶組織的控制鑄件的質量和性能與§4-2鑄件結晶組織的控制等軸晶區(qū)的晶界面積大，雜質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。其缺點是枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。等軸晶細化能使雜質和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。一般說來，晶粒越細，其綜合性能就越好，抗疲勞性能也越高。除宏觀狀態(tài)外，結晶組織的微觀結構對鑄件的質量和性能也有強烈的影響。在其他條件相同時，平面生長柱狀晶的質量和性能優(yōu)于胞狀結構的柱狀晶，更勝過樹枝狀結構的柱狀晶組織；而沒有樹枝狀結構的球狀晶組織的質量與性能則比樹枝狀結構的等軸晶組織更強，樹枝晶的枝晶間距(特別是二次枝晶間距)越小，鑄件的夾雜和缺陷越分散，致密性就越好，機械性能也就越高。12/19/202268結晶組織§4-2鑄件結晶組織的控制等軸晶區(qū)的晶界面積大，雜4.2.2等軸晶組織的獲得和細化通過強化非均質生核和促進晶粒游離以抑制凝固過程中柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，就能獲得等軸晶組織。非均質晶核數(shù)量越多，晶粒游離的作用越強，熔體內部越有利于游離晶的殘存，則形成的等軸晶粒就越細。根據(jù)上節(jié)分析，不難總結出如下的具體措施：12/19/202269結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化通過強化非均質4.2.2等軸晶組織的獲得和細化1、利用金屬流對型壁的沖刷

大野篤美針對型壁晶體脫落對生核過程的影響進行了一系列試驗，證明利用金屬流對型壁的沖刷作用可以獲得細小等軸晶。2、用電磁攪拌(electromagneticstirring)使金屬液體旋轉

把鑄型放入類似于電動機定子的旋轉磁場中，則鑄型中的液體金屬不斷切割磁力線，將像轉子一樣旋轉。由于鑄型是不動的，凝固層與鑄型一起也不參加旋轉，依次旋轉的液體金屬不斷地沖刷著型壁和以后的凝固層。這種沖刷作用是由通電來控制的，從理論上說，它可以在凝固過程的任何階段，產生不同強度的磁場，使鑄件的不同部分獲得不同的晶粒組織。這種技術在冶金企業(yè)已經廣泛應用于連鑄坯生產中。12/19/202270結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化1、利用金屬流對型壁的沖刷4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inoculation）與變質處理（modification）

孕育處理和變質處理都是在金屬液中加入少量物質。孕育處理主要是通過促進液體內部的形核，達到細化晶粒的目的。變質處理主要通過改變晶體的生長方式，從而改變晶體的形貌和生長速度，達到細化晶粒的作用。

孕育和變質作用的原理可歸納為以下三類：

a)外加晶核

在澆注時向金屬液流中加入與欲細化相具有界面共格對應的高熔點物質或同類金屬的碎粒，使之在液體中作為有效質點促進非自發(fā)生核。

b)加入生核劑

物質本身不一定能作為晶核，但通過它們與液體金屬中某些元素的相互作用，能產生晶核或有效質點，促進非自發(fā)生核。分為兩類：一是少量元素能與液體中某元素（最好是細化相原子）組成較穩(wěn)定的化合物，此化合物與欲細化相具有界面共格對應關系，就能促進非自發(fā)生核。二是少量元素能在液體中造成很大的微區(qū)富集，迫使結晶相提前彌散析出。c)采用成分過冷元素

這類元素在晶體產生時，富集在相界面上，既能阻礙已有晶體生長，又能形成較大的成分過冷促進生核，同時又使晶體的分枝形成新的縮頸，易于熔斷脫落，形成新的晶核。12/19/202271結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inocula4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inoculation）與變質處理（modification）

試驗指出，幾乎所有的孕育劑都有一個時間效應的問題，即在處理后存在孕育衰退現(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。一般說來，處理溫度越高，孕育衰退越快。因此在保證孕育劑均勻溶解的前提下，應盡量降低處理溫度。孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度和具體的處理方法來選擇。瞬時孕育法－液流孕育法和型內孕育法。

2）合理確定孕育工藝12/19/202272結晶組織4.2.2等軸晶組織的獲得和細化3、孕育處理（inocula4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術

柱狀晶組織雖然有晶粒粗大、雜質偏聚、性能有明顯方向性的不足，但在有些情況下人們也利用其平行于晶體生長方向強度高，抗蠕變能力好的特點，制造特種鑄件。例如，具有柱狀晶組織的發(fā)動機葉片的性能和壽命有大幅度提高，柱狀晶組織還在磁性材料中得到應用。本節(jié)我將就有關柱狀晶獲得的條件及單項凝固技術予以簡要的介紹。主要包括以下三方面的內容：一、單向凝固原理

二、單向凝固技術

三、獲得單晶的條件和單晶制造方法

12/19/202273結晶組織4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術柱4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術單向凝固的目的是為了使鑄件或鑄錠獲得按一定方向生長的柱狀晶或單晶組織。要得到單向凝固組織需要滿足以下條件：一、單向凝固原理

首先，要在開始凝固的部位形成穩(wěn)定的凝固殼。凝固殼的形成阻止了該部位的型壁晶粒游離，并為柱狀晶提供了生長基礎。該條件可通過各種激冷措施達到。

其次，要確保凝固殼中的晶粒按既定方向通過擇優(yōu)生長而發(fā)展成平行排列的柱狀晶組織。同時，為使柱狀晶縱向生長不受限制，并且在其組織中不夾雜有異向晶粒，固-液界面前方不應存在生核和晶粒游離現(xiàn)象。這個條件可通過下述措施來滿足：

1、嚴格的單向散熱。要使凝固系統(tǒng)始終處于柱狀晶生長方向的正溫度梯度作用下，并且要絕對阻止側向散熱以避免界面前方型壁及其附近的生核和長大。

2、有足夠大的GL/R，使成分過冷限制在允許的范圍內。同時要減少熔體的非均質生核能力，這樣就能避免界面前方的生核現(xiàn)象。提高熔體的純凈度，減少因氧化和吸氧而形成的雜質污染，對已有的有效襯底則通過高溫加熱或加入其它元素來改變其組成和結構等方法均有助于減少熔體的非均質生核能力。

3、要避免液態(tài)金屬的對流、攪拌和振動，從而阻止界面前方的晶粒游離。對晶粒密度大于液態(tài)金屬的合金，避免自然對流的最好方法就是自下而上地進行單向結晶。當然也可以通過安置固定磁場的方法阻止其單向結晶過程中的對流。

12/19/202274結晶組織4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術單向4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術

根據(jù)成分過冷理論，要使合金單向凝固得到平面凝固組織，主要取決于合金的性質和工藝參數(shù)的選擇。前者包括溶質含量、液相線斜率和溶質在液相中的擴散系數(shù)，后者包括溫度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定，則靠工藝參數(shù)的選擇來控制凝固組織，其中固-液界面液相一側的溫度梯度又是最關鍵的，所以人們都致力于提高溫度梯度。可以說，單向凝固技術的發(fā)展歷史是不斷提高設備溫度梯度的歷史。大的溫度梯度一方面可以得到理想的合金組織和性能，另一方面又可以允許加快凝固速率，提高設備利用率。下面簡單介紹幾種單向凝固工藝。

二、單向凝固技術

12/19/202275結晶組織4.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術根據(jù)5.2.2獲得柱狀晶的條件和單向凝固技術1、爐外單向凝固法（發(fā)熱劑法）

將鑄型加熱到高溫后，迅速取出放在激冷板上，立即澆注。冒口上方蓋以發(fā)熱劑，激冷板下噴水冷卻。由于鑄型表面溫度升高到熔點以上，能使金屬較長時間保持液態(tài)，從而創(chuàng)造了自下而上的單向凝固條