2023/2/3金屬凝固原理第五章鑄件凝固組織控制鑄件凝固組織的形成等軸晶的晶粒細化凝固組織中的偏析及其控制凝固收縮及其控制半固態金屬的特性及半固態鑄造2023/2/3金屬凝固原理第一節鑄件凝固組織的形成

鑄件凝固過程中的溫度分布與凝固方式(a)(b)(c)(d)平界面等軸晶柱狀晶等軸晶1．凝固條件與晶體生長方式2023/2/3金屬凝固原理金屬或合金在鑄型中凝固時,可以分為液相區、固相區和液固兩相區三個區域。金屬或合金凝固分區示意圖△X鑄型固相區液固兩相區液相區2．金屬或合金的凝固方式2023/2/3金屬凝固原理固液兩相區較窄時－呈現強烈的逐層凝固特點；固液兩相區較寬時－逐層凝固特征不明顯，呈現糊狀凝固特點，造成液相補縮困難。固液兩相區寬度將對凝固時液相補縮的影響固液兩相區寬度較窄固液兩相區寬度較寬Cu600Al548T(℃）C1C22023/2/3金屬凝固原理凝固動態曲線

在凝固件橫斷面處設置溫度傳感器測定冷卻曲線，即溫度-時間曲線。據不同斷面的冷卻曲線，結合該合金的相圖，便可以繪出凝固件斷面液相線-固相線與凝固時間的關系----凝固動態曲線。由凝固動態曲線可以看出合金在凝固件中的凝固方式。熱流方向x熱流方向⑥①⑤④③②2023/2/3金屬凝固原理TLTsCu600Al548T(℃）鑄件凝固動態曲線的繪制a)鑄件斷面的溫度-時間曲線b)凝固動態曲線c)某時刻的凝固狀態2023/2/3金屬凝固原理工業純鋁鑄件斷面的凝固動態曲線a)砂型鑄造b)金屬型鑄造金屬及合金的凝固方式并不唯一取決于相圖，它還與凝固時的溫度梯度相關。金屬及合金的凝固方式逐層凝固糊狀凝固2023/2/3金屬凝固原理影響凝固方式的因素

凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個因素決定。凝固溫度間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐層凝固SSS+LS+LLTLTST逐層凝固SSS+LTLTST糊狀凝固2023/2/3金屬凝固原理2.鑄件的典型凝固組織與形成過程

鑄件典型凝固組織內部等軸晶區表面細晶區柱狀晶區表面細晶粒區。它是緊靠型壁的一個外殼層，由紊亂排列的細小等軸晶所組成；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。2023/2/3金屬凝固原理

當液態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而大量生核加上型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和晶粒增殖等各種形式的晶粒游離過程，在鑄型表面形成了無方向性的表面細等軸晶組織。

一旦型壁晶粒互相連接而構成穩定的凝固殼層，處在凝固界面前沿的晶粒便開始向內生長，在垂直于型壁的單向熱流的作用下，那些擇優生長方向與熱流方向平行的枝晶，生長速度快，逐步淘汰取向不利的晶粒而發展成柱狀晶組織。

隨著熔體的不斷冷卻，由于生核及晶粒游離、枝晶熔斷等在柱狀晶前沿產生大量等軸晶，并形成內部等軸晶區。Southin認為內部等軸晶區的形成不僅要求界面前方存在有等軸晶的晶核，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的生長。Fredriksson等人則認為內部等軸晶區的產生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柱狀前沿捕獲后而形成的。Wizke等及Lipton等的研究表明，液相流動對凝固界面前的液相成分過冷度的形成具有重要影響，而該過冷度則是決定等軸晶形成的關鍵因素，可作為柱狀晶向等軸晶轉變的判據。2023/2/3金屬凝固原理3.等軸晶的形核（1）型壁處的晶粒游離

液態金屬在鑄型型壁的激冷作用下依附型壁形核，這些晶粒在長大過程中由于根部溶質的富集產生根部“縮頸”現象，并在流體的機械沖刷和溫度反復波動的熱沖擊下，自型壁脫落形成游離晶。（2）枝晶熔斷

枝晶生長過程中，在樹枝晶各次分枝的根部同樣會由于溶質富集產生“縮頸”現象，并在液流沖刷和熱波動的作用下發生熔斷、脫落，形成自由晶體。（3）表面凝固和“晶雨”的形成

表面形成的晶核由于密度比液體大而下沉，另外液相的流動和表面的擾動會帶動表面形成的晶核下落形成“晶雨”。合金的澆注過熱度對游離晶的形成具有決定性的影響液相流動對枝晶熔斷具有重要影響人為地進行表面振動有利于“晶雨”的形成2023/2/3金屬凝固原理4.鑄件凝固組織形態的控制

凝固組織形態的控制主要是晶粒形態和相結構的控制。相結構在很大程度上取決于合金的成分，而晶粒形態及其尺寸則是由凝固過程決定的。晶粒形態的控制是凝固組織控制的關鍵，其次是晶粒尺寸。

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，或者使鑄件在以后的塑形加工中產生裂紋。

等軸晶區的界面積大，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。其缺點是枝晶比較發達，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。

基于上述原因，大多數情況下希望獲得較多的甚至是全部細小的等軸晶組織。晶粒形態的控制主要是通過形核過程的控制實現的。促進形核的方法包括澆注過程控制方法、化學方法、物理方法、機械方法、傳熱條件控制方法等。2023/2/3金屬凝固原理第二節等軸晶的晶粒細化細化晶粒的主要途徑：

①控制傳熱條件促進熔體生核；②添加晶粒細化劑，即向液態金屬中引入大量形核能力很強的異質晶核，達到細化晶粒的目的；③采用機械攪拌、電磁攪拌、鑄型振動等力學方法，促使枝晶折斷、破碎，使晶粒數量增多，尺寸減小；

④提高冷卻速率使液態金屬獲得大過冷度，增大形核速率；⑤去除液相中的異質晶核，抑制低過冷度下的形核，使合金液獲得很大過冷度，并在大過冷度下突然大量形核，獲得細小等軸晶組織。2023/2/3金屬凝固原理1.傳熱條件控制

大量實驗證實，降低澆注溫度是減少柱狀晶獲得細等軸晶的有效措施之一，甚至在減少液體流動的情況下也能得到細等軸晶組織。

合理控制冷卻條件從而形成寬的凝固區域和獲得大的過冷可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。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這兩者不可兼得。

由于高的冷卻速度不僅使溫度梯度變大，而且在凝固初期還促使穩定凝固殼層的過早形成。因此對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其它晶粒細化措施以得到滿意的效果。

懸浮鑄造示意圖1.合金粉2.坩堝3.金屬液流4.懸浮鑄造液

2023/2/3金屬凝固原理2．添加晶粒細化劑法（孕育處理）

異質晶核通過以下途徑產生：①晶粒細化劑中的高熔點化合物在熔化過程中不被完全熔化，在隨后的凝固過程中成為異質形核的核心。如在高錳鋼中加入錳鐵，在高鉻鋼中加入鉻鐵都可以直接作為欲細化相的非均質晶核。②晶粒細化劑中的微量元素加入合金液后，在冷卻過程中首先形成化合物固相質點，起到異質形核核心的作用。如向鋁合金中加入微量鈦，在冷卻過程中通過包晶反應形成TiAl3。2023/2/3金屬凝固原理合金晶粒細化元素加入量(質量分數)/%加入方法鋁合金Ti、Zr、Ti+B、Ti+CTi+B：0.0l(Ti)、0.005(B)Ti+C：0.0l(Ti)、0.005(C)Ti：0.15Zr：0.2中間合金：Al-Ti、Al-Ti-B、A1-Ti-C鉛合金Se、Bi2Se3、Ag2Se、BeSe0.0l～0.02純金屬或合金銅合金Zr、Zr+B、Zr+Mg、Zr+Mg+Fe+P0.02～0.04純金屬或合金鎳基高溫合金碳化物(WC、NbC)等—碳化物粉末常用合金的晶粒細化劑2023/2/3金屬凝固原理3.動力學細化法（1）澆注過程控制技術利用澆注過程液流控制進行晶粒細化的幾種方法(a)中心澆注法(b)沿型壁澆注(c)沿型壁四周澆注(d)斜板澆注1—中間包2—冷卻水3—游離晶4—鑄型(a)(b)(c)(d)42023/2/3金屬凝固原理

（2）鑄型振動在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發生相對運動，導致枝晶破碎形成結晶核心。同時振動鑄型可促使“晶雨”的形成。由于“晶雨”的來源是液態金屬表面的凝固層，當液態金屬靜止時表面凝固的金屬結殼而不能下落，鑄型振動可使殼層中的枝晶破碎，形成“晶雨”。

（3）超聲波振動超聲振動可在液相中產生空化作用，形成空隙，當這些空隙崩潰時，液體迅速補充，液體流動的動量很大，產生很高的壓力，起到促進形核的作用。

（4）液相攪拌采用機械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達到細化晶粒的目的。其中機械和電磁攪拌方法不僅使晶粒細化，而且可使晶粒球化，獲得流動性很好的半固態金屬，可進行半固態鑄造或半固態擠壓。2023/2/3金屬凝固原理第三節凝固組織中的偏析及其控制1．凝固組織中的微觀偏析及其控制

微觀偏析按其形式分為胞狀偏析、枝晶偏析和晶界偏析。它們的表現形式雖不同，但形成機理是相似的，都是合金在結晶過程中溶質再分配的必然結果，其中枝晶偏析是微觀偏析的主要表現形式。

胞狀偏析晶界偏析低合金鋼柱狀晶的等濃度面2023/2/3金屬凝固原理影響微觀偏析的主要因素是：①局部凝固時間或凝固速率隨著局部凝固時間的增大，擴散時間延長，促進了成分的均勻化，偏析減輕。合理的方法是快速凝固使枝晶細化，然后進行均勻化退火處理。

②合金元素的固相擴散系數合金元素的固相擴散系數越大，凝固過程的擴散就越充分，該元素的偏析也就越輕。③溶質平衡分配系數小于1時，其值越小，偏析越嚴重。

2023/2/3金屬凝固原理枝晶偏析在凝固后的均勻化處理

把鑄件加熱到低于固相線100~200oC，長期保溫，使溶質原子充分擴散，

假設枝晶偏析值近似地為正弦波，根據擴散第二定律可解出在一定溫度下經τ時間后的偏析幅值A：—鑄態合金枝晶偏析的初始幅值，可見，均勻化時間取決于枝晶間距和擴散系數。枝晶間距越小，均勻化退火時原子擴散路程越短，故均勻化時間越短。因此，凡能細化枝晶的各種工藝措施均有利于以后的均勻化退火。偏析元素的擴散系數愈大，在其它條件相同時，均勻化退火時間愈短。2023/2/3金屬凝固原理2．凝固組織中的宏觀偏析及其控制鑄件各部位之間化學成分的差異

鑄件產生宏觀偏析的規律與鑄件的凝固特點密切相關。當鑄件以逐層凝固方式凝固時，宏觀偏析的產生主要與結晶過程中的溶質再分配有關，可用Scheil方程近似地描述；當鑄件以糊狀凝固方式凝固時，鑄件產生宏觀偏析的原因主要是凝固早期固相或液相的沉浮以及枝晶間的液體流動。

液態金屬沿枝晶間流動的原因主要有：①凝固收縮（或膨脹）的抽吸作用促使液體流動；②冷卻時液相和固相的收縮；③由于密度差而發生的對流；④大容積內液體對流向枝晶間的穿透；⑤固一液兩相區內氣體的形成。2023/2/3金屬凝固原理2023/2/3金屬凝固原理

2023/2/3金屬凝固原理以Al-Cu()合金為例，該合金凝固時收縮率為0.057Al-Cu合金相圖液體流動速度等于零的地方，對于凝固時收縮的合金來說將產生正偏析。因為對于凝固時收縮的合金來說，它和凝固時沒有體積變化的合金（凝固時體積不收縮也不膨脹）相比，固相分率減少，與之相對應，也就是說液相分率增加，而液相內溶質濃度是高的，因此，該地區的最終溶質平均濃度會增加，形成正偏析。會增加，形成正偏析，

2023/2/3金屬凝固原理細小斷面積為粗大處的1/9，在斷面突然變化的地方，在鑄件的心部，液體金屬為了補償下部鑄件的收縮，其流動速度必須很大，即接近于大斷面處的9倍。如果在大斷面處，其宏觀偏析為“0”，其：這樣，在斷面突變處：顯然，這里會產生大的負偏析，2023/2/3金屬凝固原理減少宏觀偏析的措施消除宏觀偏析的條件是：（因為此時）也就是：1）v與R兩者方向相反；2)

的絕對值要小，即v要小，而R要大。

①保證合金成分，使凝固過程中液體的密度差減到最小。因為液體的密度差是促使液體流動的因素之一。②適當的鑄件或鑄錠高度。因為液體的靜壓頭愈大，流動愈會加劇。③加入孕育劑細化枝晶組織，使流動阻力增加，從而減小流動速度。④在凝固開始階段，用加速液體對流的辦法，可以細化晶粒，但在凝固過程中，應該使液體的對流運動停止。如果自然對流速度較大，應該外加磁場使對流運動停止。可以想象，離心鑄件的宏觀偏析是大的。⑤加大冷卻速度，縮短固/液兩相區的凝固時間，盡量使R值增大。澆注溫度太高、澆注速度太快，均會延緩鑄件冷卻，從而使宏觀偏析加劇。2023/2/3金屬凝固原理第三節凝固收縮及其控制1.凝固過程中的收縮

1）純金屬對于純金屬，凝固通常是在恒定的溫度下完成的，凝固期間的體收縮只是相變收縮。凝固收縮率定義為：2023/2/3金屬凝固原理2）共晶合金2023/2/3金屬凝固原理3）固溶體合金2023/2/3金屬凝固原理4）共晶系合金2023/2/3金屬凝固原理2.縮松的形成與控制I區：固相尚未形成骨架，凝固收縮通過液相的流動和固相的運動得到補縮；II區：固相雖已經形成骨架而不能運動，但枝晶間液相的流動通道仍是暢通的，凝固收縮可以得到液相補充；III區：液相被枝晶分割、封閉，其中的殘余液相凝固產生的收縮得不到補充而形