凝固后的晶粒尺寸及其控制.ppt

1、材料的凝固速度是指凝固時固相體積隨時間的增加率，由成核速度和結(jié)晶生長速度兩個因素決定。 形核速度也稱為形核率，是指在每單位體積的液相中在單位時間內(nèi)形成的晶核的數(shù)量，用n表示(1 /m-2 s )。 晶體生長速度通常是指晶體的生長線速度，用vg表示(m/s )。 臨界半徑r*大小的晶核處于穩(wěn)定的狀態(tài)，能夠消散和生長。 只有rr*的結(jié)晶核成為穩(wěn)定結(jié)晶核。 4.5凝固動力學(xué)和晶粒尺寸、1、成核率均勻成核率n受兩個矛盾的因素控制，而隨著過冷度的增大，rc、Gc減少，有利于成核。 另一方面，隨著過冷度的增大，原子從液相向晶胚擴(kuò)散的速度降低，不利于成核。 成核率可以用下式表示： (式中，n為總成核率，N1

2、為受成核功影響的成核率因子N2為受擴(kuò)散影響的成核率因子。 Gc是形核功，GA是擴(kuò)散活化能，r是氣體常數(shù)。圖3-5是N1、N2和t的關(guān)系曲線。 t不大時，成核率主要受成核功率因子控制，t增大，成核率增大，t非常大時，成核率主要受擴(kuò)散因子控制，成核率隨t增加而降低。 晶胚的最大尺寸隨過冷度的增大而增大，臨界晶核半徑、晶胚尺寸與過冷度的關(guān)系是，金屬的結(jié)晶傾向大，液體金屬難以達(dá)到大的過冷度，n與t的關(guān)系如圖所示，t不大則n小，但達(dá)到有效核溫度則n急劇上升在不均勻核率、不均勻核率明顯增加時所需的過冷度也比均勻核小的不均勻核的情況下，在約0.02 Tm的過冷度下不均勻核率達(dá)到了最大值。 不均勻核率由低向高

3、的轉(zhuǎn)變緩慢，而且達(dá)到最大值時凝固不結(jié)束，不均勻核率在凝固結(jié)束之前持續(xù)降低。 2、晶體生長速度、晶體生長速度vg主要取決于晶體生長方式和過冷度。 當(dāng)晶體以連續(xù)生長方式生長時，隨著過冷度的增大，晶體的平均生長線速度vg可以表示線性增大的晶體的平均生長速度與過冷度的關(guān)系，其中v1是材料相關(guān)的比例常數(shù)，單位為m/s K。 凝固時的結(jié)晶生長速度也受發(fā)射潛熱的傳導(dǎo)速度控制，但是，在具有粗界面的結(jié)晶材料中，一般結(jié)晶潛熱小，因此，連續(xù)生長時的生長速度高。 晶體的生長速度在二維核生長方式下晶體的生長是不連續(xù)的，對應(yīng)的平均生長速度可以表示為v2和b都是常數(shù)。 小時候，vg非常小。 這是因為，二維核所需的成核功能較

4、大，二維核需要達(dá)到一定的臨界尺寸才能進(jìn)一步擴(kuò)張。 碟形位錯生長方式的平均生長速度可以表示為v3是比例常數(shù)。 由于供給液固界面的螺旋位錯的露頭有限，即能夠填充原子的位置有限，因此，螺旋位錯生長時的生長速度比連續(xù)生長時低。4-5-2凝固后的晶粒尺寸及其控制、晶粒尺寸對材料性能產(chǎn)生重要影響，使晶粒微細(xì)化是提高鑄件力學(xué)性能、改善材料沖壓加工性能的重要手段。 材料凝固后的晶粒尺寸可以用單位體積內(nèi)的晶粒數(shù)或單位面積上的晶粒數(shù)z表示，取決于凝固過程中的成核率n和晶體生長速度vg，三者的關(guān)系為，隨著成核率變大，晶體尺寸變小，隨著晶體生長速度變大，晶體尺寸變大。 是。 控制凝固后的晶粒尺寸，(1)過冷度隨過冷度

5、的增大而增大，凝固時核形成率n和生長速度vg都增加，n的增加率大于vg的增加率，過冷度增大時N/vg之比增大，z增大，晶粒變細(xì)。 增大過冷度是通過提高凝固時的冷卻速度來實現(xiàn)的，通過改變鑄造條件如降低澆注溫度、提高鑄模的吸熱能力和熱傳導(dǎo)性能等來實現(xiàn)。但是，通過提高冷卻速度增大過冷度來使晶粒微細(xì)化，大多只適用于小物品和薄物品，不能用于大物品。 值得注意的是，過度冷卻可能會使鑄件產(chǎn)生裂紋，造成廢品。 (2)由于添加成核劑的實際凝固都是不均勻的核，因此為了提高成核率，在熔液凝固前添加細(xì)小的人工成核劑(也稱為育成劑或變質(zhì)劑)，可以在熔液中作為不均勻核所必需的既有基礎(chǔ)分散，由此大幅增加結(jié)晶核的數(shù)量，使結(jié)晶粒顯現(xiàn)該方法也稱為培育處理和變質(zhì)，通過凝固后的晶粒尺寸的控制、凝固后的晶粒尺寸的控制、(3)振動和攪拌等物理方法，在熔融液