1、第三章 結晶組織的形成和控制1教學大綱 教學目的和要求:掌握過冷及其對結晶的影響、凝固過程中的液體流動對結晶的影響、鑄件和鑄錠典型晶粒組織的形成、鑄件（鑄錠）晶粒組織的控制途徑。教學內容：1.過冷及其對結晶的影響。2.凝固過程中的液體流動對結晶的影響。3.鑄件和鑄錠典型晶粒組織的形成。4.鑄件（鑄錠）晶粒組織的控制途徑。教學重點和難點：重點：過冷及其對結晶的影響，鑄件和鑄錠典型晶粒組織的形成，鑄件（鑄錠）晶粒組織的控制途徑。難點：凝固過程中的液體流動對結晶的影響。2第一節 鑄件宏觀結晶組織的形成及其影響因素一、鑄件宏觀組織特征表面細晶粒區：緊靠型壁的外殼層，由紊亂排列的細小等軸晶所組成，僅幾個

2、晶粒厚；柱狀晶區：由自外向內沿著熱流方向彼此平行排列的柱狀晶所組成；內部等軸晶區：由紊亂排列的粗大等軸晶所組成。(a) 包括三個晶區的鑄件宏觀結晶組織 圖3-1 幾種鑄件截面宏觀組織示意圖3晶區數目以及柱狀晶區和等軸晶區的相對寬度隨合金性質和具體凝固條件而變化在一定的條件下，也可以獲得完全由柱狀晶或等軸晶所組成的宏觀結晶組織圖3-1(b)、(c)。(b) 由柱狀晶構成的鑄件組織 (c) 全部由等軸晶構成的組織圖3-1 幾種鑄件截面宏觀組織示意圖4二、晶粒游離的產生 獨立形核游離狀態自由小晶體等軸晶粒“晶核”。游離晶形成、漂移、堆積等軸晶的數量、大小和分布鑄件宏觀結晶組織51液態金屬流動的作用6

3、液態金屬流動對鑄件結晶中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的。（1）傳熱方面：液態金屬的流動加速其過熱熱量的散失，使全部液態金屬在澆注后的瞬間（小于30s）從澆注溫度下降到凝固溫度。（2）傳質方面：液態金屬流動的最大作用在于導致游離晶粒的漂移和堆積，并使各種晶粒游離現象得以不斷進行。同時改變界面前沿的溶質分布狀態，加速流體宏觀成分的均勻化。72直接來自過冷熔體中的非均質生核所引起的晶粒游離澆道、型壁及液面等處的激冷作用而使其附近的熔體過冷，并通過非均勻形核作用在其內部形成大量處于游離狀態的小晶體先形成的游離晶隨著液流向深入漂移的時候，新過冷的熔體中又會不斷形成新的游離晶。圖

4、 3-2 澆注過程及凝固初期的晶粒游離83型壁晶粒的脫落形成的晶粒游離在澆注過程及凝固初期由于澆注系統和鑄型型壁處的激冷作用，形成了大量細小的等軸晶。一方面，初生枝晶直接依靠金屬液流的機械沖刷作用，并隨對流作用游離到熔體內部，在區域溫度較低時能保留于熔體內起到晶核的作用。另一方面，初生枝晶通過“縮頸”現象導致脫落，產生游離。9 圖3-3 型壁晶粒脫落示意圖104枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離圖3-4 枝晶分枝“縮頸”的形成114枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離圖3-5 從鑄型游離的晶粒的增殖作用 125液面晶粒沉積所引起的晶粒游離液面處形成的晶粒+頂部凝固層脫落的分枝密度比液體大下沉產生晶粒游離

5、。 多發生在大型鑄錠的凝固過程中13三、表面細晶粒區的形成鑄型壁附近熔體由于受到強烈的激冷作用而大量生核。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”。現代研究表明，除了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的“晶核”來源。 14細化程度取決于：型壁散熱條件所決定的過冷度和凝固區域的寬度。型壁附近熔體內大量的非均勻形核。各種形式的晶粒游離。前提：抑制鑄件形成穩定的凝固殼層凝固殼層界面處晶粒單向散熱晶粒逆熱流方向擇優生長而形成柱狀晶。15四、柱狀晶區的形成16圖3-6 柱狀晶擇優生長示意圖17五、內部等

6、軸晶區的形成熔體內部晶核自由生長的結果1819第二節 等軸晶組織的獲得和細化一、影響鑄件宏觀結晶組織形成的因素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的形成和發展，就能獲得等軸晶組織。非均質晶核數量越多，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。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的形成和發展，從而擴大等軸晶區的范圍，并細化等軸晶組織。20一、影響鑄件宏觀結晶組織形成的因素 (1) 金屬性質方面21一、影響鑄件宏觀結晶組織形成的因素 (2) 澆注條件方面22一、影響鑄件宏觀結晶組織形成的因素(3)

7、 鑄型性質和鑄件結構方面23二、鑄件結晶組織對鑄件質量和性能的影響表面細晶粒區薄，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與等軸晶區的比例以及晶粒的大小。（1）柱狀晶：生長過程中凝固區域窄，橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，枝晶不能充分發展，分枝少，結晶后顯微縮松等晶間雜質少，組織致密。但柱狀晶比較粗大，晶界面積小，位向一致，其性能具有明顯的方向性：縱向好、橫向差。凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質氣體，將導致鑄件熱裂。24二、鑄件結晶組織對鑄件質量和性能的影響（2）等軸晶：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，故性能均勻而穩定，沒有方向性。枝晶比較

8、發達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。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。晶粒越細綜合性能越好。對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠，希望得到較多的柱狀晶，增加其致密度；對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠，希望獲得較多的甚至是全部細小的等軸晶組織；對于高溫下工作的零件，通過單向結晶消除橫向晶界，防止晶界降低蠕變抗力。25三、等軸晶組織的獲得和細化強化非均勻形核促進晶粒游離抑制柱狀晶區26三、等軸晶組織的獲得和細化(一)合理控制熱學條件 1低溫澆注和采用合理的澆注工藝低溫澆注可有效減少柱狀晶，獲得細等軸晶，但低溫液態金屬流動性差的不足。 圖3-7 等軸晶大小d與柱

9、狀晶長度L的關系(r為試樣半徑)27合理的澆注工藝強化液流對型壁沖刷作用的澆注工藝也能有效地促進細等軸晶的形成。圖3-8 不同澆注工藝Al-Cu0.2合金的宏觀結構組織(石墨型)282合理控制冷卻條件 目的：形成寬的凝固區域和獲得大的過冷從而促進熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度和高的冷卻速度。可以滿足上述要求。29（二）孕育（變質）處理孕育處理是向液態金屬中添加少量物質以達到細化晶粒、改善組織之目的的一種方法。1孕育劑的作用機理合理選用孕育劑作用機理可分兩類：一是強化非均質形核；二是通過在結晶生長界面前沿形成成分富集而使枝晶產生縮頸，促進晶粒游離。30(1) 強化形核作用 直接作為外加晶核 通

10、過與液態金屬的相互作用而產生非均勻晶核（a）孕育劑能與液相中某些元素(最好是欲細化相的原子)組成較穩定的化合物，與欲細化相具有界面共格對應關系而能促進非均質生核。（b）通過在液相中造成很大的微區富集而迫使結晶相提前彌散析出。31(2) 強成分過冷元素孕育劑 強成分過冷元素的主要作用是 ：（a）通過在生長界面前沿的富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產生細弱縮頸，從而促進晶粒的游離；（b）強化熔體內部的非均質生核；（c）孕育劑富集抑制了晶體生長也能促使組織細化，從而最終有利于等軸晶的獲得和細化過程。322合理確定孕育工藝孕育劑加入合金液后要經歷一個孕育期和衰退期。在孕育期內，孕育劑的組元熔化于合金液

11、中或與合金液發生反應生成化合物，起細化作用的異質固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達到最佳的細化效果。當細化效果達到最佳值時進行澆注是最理想的，通常就存在一個可接受的保溫時間范圍。隨合金種類及孕育劑的不同，達到最佳孕育效果所需要的時間也不同。實踐中還發現，幾乎所有的孕育劑在處理后存在孕育衰退現象。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。33（三）動態晶粒細化振動機械振動、電磁振動、音頻或超聲波振動。攪拌機械、電磁攪拌或利用氣泡攪拌。旋轉振蕩周期性地改變鑄型的旋轉方向和旋轉速度。34流變鑄造 又稱為半固態鑄造 圖3-9 半固態鑄造(擠壓)成型工藝過程35（四）等軸

12、晶枝晶間距的控制等軸枝晶每個枝晶的一次分枝彼此相交而沿徑向輻射，不同枝晶間沒有任何確定的位向關系，一次枝晶間距意義不大。研究發現等軸晶二次枝晶間距對機械性能的影響比晶粒大小更為明顯。二次枝晶間距的大小與晶體的結構形態及晶粒大小無必然的聯系。可采取某些措施既減小二次枝晶間距又能細化等軸晶晶粒組織。36具體措施： 薄壁鑄件的快速冷卻； 具有顯微激冷作用的懸浮鑄造； 強成分過冷孕育劑和稀土孕育劑的應用； 低溫澆注有利于加快冷卻速度，因而也能在一定程度上細化二次枝晶間距。高溫度梯度和小的非平衡結晶溫度范圍細化二次枝晶間距對等軸晶的形成是不利的。37第三節 定向凝固定向凝固又稱定向結晶，是使金屬或合金在

13、熔體中定向生長晶體的一種工藝方法。在高溫合金、磁性材料、共晶復合材料及其他新材料領域有很大的應用。3839一、定向凝固原理必要條件：必須在固液界面前沿建立必要的溫度梯度；溫度梯度大小直接影響晶體生長速率和晶體質量。40需要如下基本的工藝措施來保證：(1) 嚴格的單向散熱；(2) 要減小熔體的非均質生核能力以避免界面前方的生核現象，即要提高熔體的純凈度；(3) 要避免液態金屬的對流、攪動和振動，以阻止界面前方的晶粒游離。41二、定向凝固工藝根據成分過冷理論，要使合金定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的選擇。前者包括溶質質量、液相線斜率和溶質在液相中的擴散系數；后者包括溫度梯

14、度、凝固速度。42幾種定向凝固的工藝方法：1爐外結晶法（發熱劑法）圖3-10 爐外單項凝固方法示意圖432爐內結晶法爐內單向凝固方法，就是使鑄件在加熱器內澆注和冷卻，可以調節爐內溫度梯度及對結晶過程實現程度不同的控制，因此可以獲得較高質量的復雜鑄件。44其具體的工藝方法可分為：(1) 功率降低法(PD法) 圖3-11 功率降低法裝置示意圖45(2) 高速凝固法(HRS法) 圖3-12 高速凝固法裝置示意圖 46(3) 液態金屬冷卻法(LMC法) 為了獲得更高的溫度梯度和生長速度，在HRS法的基礎上，將抽拉出的鑄件部分浸入具有高熱導率的高沸點、低熔點、熱容量大的液態金屬中，形成了一種新的定向凝固

15、技術，即液態金屬冷卻法(LMC法)。圖3-13 液態金屬冷卻法裝置圖 473新型定向凝固技術(1) 區域熔化液態金屬冷卻法(ZMLMC法) 圖3-14 區域熔化液態金屬冷卻法1試樣；2感應圈；3隔熱板；4冷卻水；5液態金屬；6拉錠機構； 7熔化區； 8坩堝48(2) 深過冷定向凝固(DUDS) 其基本原理是將盛有金屬液的坩堝置于一激冷基座上，在金屬液被動力學過冷的同時，金屬液內建立起一個自下而上的溫度梯度，冷卻過程中溫度最低的底部先形核，晶體自下而上生長，形成定向排列的樹枝晶骨架，其間是殘余的金屬液。在隨后的冷卻過程中，這些金屬液依靠向外界散熱而向已有的枝晶骨架上凝固，最終獲得了定向凝固組織。

16、 49與傳統定向凝固工藝相比，深過冷定向凝固法具有下述特點：(a) 鑄件和爐子間無相對運動，省去了復雜的傳動和控制裝置，大大降低了設備要求。(b) 凝固過程中熱量散失快，鑄件生產率高。(c) 定向凝固組織形成過程中的晶體生產速度高，組織結構細小，微觀成分偏析程度低，促使鑄件的各種力學性能大幅度提高。50(3) 電磁約束成型定向凝固技術(DSEMS) 電磁約束成型定向凝固技術是將電磁約束成型技術與定向凝固技術相結合而產生的一種新型定向凝固技術。該技術利用電磁感應加熱熔化感應器內的金屬材料，并利用在金屬熔體表層部分產生的電磁壓力來約束已熔化的金屬熔體成型。同時，冷卻介質與鑄件表面直接接觸，增強了鑄

17、件固相的冷卻能力，在固液界面附近熔體內可以產生很高的溫度梯度，使凝固組織超細化，顯著提高鑄件的表面質量和內在綜合性能。51(4) 激光超高溫度梯度快速定向凝固 激光表面處理技術是利用激光束的高能流密度實現材料表面的快速加熱，同時由于材料表面吸收的熱量在短時間內聚集，使表面溫度迅速升高，而材料內部在激光束掃過瞬間基本不受影響。隨后，由于表面附近極大的溫度梯度，使基體材料對表面起到激冷作用。利用激光束的快速加熱與激冷作用可以實現對材料的表面硬化、表面熔凝(快速凝固)、表面合金化及表面黏附處理。激光超高溫度梯度快速定向凝固是目前仍處于研究階段的新興技術。在激光表面快速熔凝時，凝固界面的溫度梯度可高達

18、5104K/cm，凝固速度高達數米每秒，能夠獲得比常規定向凝固包括ZMLMC技術高得多的溫度梯度和凝固速率。52三、單晶制備53利用單向凝固技術還可以生產單晶體鑄件，使用的有選晶法和籽晶法兩種工藝。選晶法為圖3-15(a)所示：圖3-15 單晶體鑄件制備工藝晶體鑄件 54籽晶法如圖3-15(b)所示，利用一個小單晶體作為引晶(籽晶)，使鑄件在引晶上生長而獲得單晶體組織。圖3-15 單晶體鑄件制備工藝晶體鑄件 55四、連續單向凝固技術最具有代表性的就是大野篤美的O.C.C連續鑄造法。該技術與一般的連續鑄造的根本區別是利用加熱鑄型型壁的高溫以阻止晶核在型壁處形成。這樣，通過端部散熱使溶液在鑄錠心部先凝固，而表層在脫離鑄型的一瞬間才凝固，從而獲得具有單向凝固組織的連續鑄錠(圖3-16)。圖3-16 普通連續鑄造法與O.C.C法的比較56第四節 快速凝固57在快速凝固條件下凝固過程的各種傳輸現象可能被抑制，凝固偏離平衡。經典凝固理論中的許多平衡條件的假設不再適應，成為凝固過程研究的一個特殊領域。58快速凝固條件下凝固過程表現出的主要特征在于：59快速凝固條件下凝固過程表現出的主要特征在于：(1) 偏析形成傾向減小，隨著凝固速率的增大，溶質分配系數還是，實際溶質分配系數總是隨著凝固速率的增大向1趨近，偏析