1、凝固組織第1頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 非規(guī)則共晶凝固 非金屬的固-液界面是小平面生長方式，其長大是有方向性的，即在某一方向上生長速度很快，在另一方向上生長緩慢，共晶的界面是參差不齊的，而呈多角的形貌。 1.Fe-C（石墨）合金的共晶凝固 灰鑄鐵中石墨呈片狀與石墨的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。石墨呈六方晶格，碳原子源源不斷地向臺階堆積，石墨在1010方向上以旋轉(zhuǎn)臺階方式快速生長；而在0001面是原子密排面，是光滑的小平面，生長緩慢。 S、O等活性元素吸附在旋轉(zhuǎn)孿晶臺階處，使得1010方向的生長速度大于0001方向，石墨最終長成片狀。第2頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0

2、分，星期一 第三組元對非金屬的長大機(jī)制影響極大。 S、O等活性元素吸附在旋轉(zhuǎn)孿晶臺階處，使得1010方向的生長速度大于0001方向，石墨最終長成片狀。 當(dāng)向鐵液中加入Mg、RE等球化劑后，脫去S、O2等活性元素，抑制石墨沿1010方向生長，0001方向占優(yōu)。石墨長成球狀。第3頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一第4頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一第一節(jié) 鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機(jī)理 一、鑄件宏觀凝固組織的特征第五章 鑄件凝固組織的形成與控制 如圖三種組織。5-1 鑄錠截面宏觀組織示意圖第5頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 二、鑄

3、件宏觀凝固組織的形成機(jī)理 （一）表面細(xì)晶粒區(qū)的形成 早斯理論認(rèn)為，在型壁附近的熔體中會產(chǎn)生較大的過冷度而大量生核，這些晶核發(fā)迅速長大并互相接觸，從而形成無方向性的表面細(xì)等軸晶。 后來研究表明，各種原因引起的游離晶粒也是形成表面細(xì)晶粒的晶核來源。由于鑄型界面熔液中的溶質(zhì)再分配使枝晶生長的根部產(chǎn)生“縮頸”，在流動的液態(tài)金屬作用下枝晶熔斷或型壁晶粒脫落而游離。大量游離晶粒的存在抑制了穩(wěn)定的凝固層的產(chǎn)生，從而有利于表面細(xì)晶粒區(qū)的形成。第6頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 （二）柱狀晶區(qū)的形成 穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，處在凝固界面前沿的晶粒在垂直型壁的單向熱流作用下，便轉(zhuǎn)而以枝晶狀

4、延伸生長。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迅速，它們優(yōu)先向內(nèi)伸展度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。圖5-2。 （三）內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成 主要有以下四種理論： 1.過冷熔體非自發(fā)形核理論： 在固-液界面前沿產(chǎn)生成分過冷，當(dāng)成分過冷度大于非自發(fā)形核所需過冷度時，則在熔體內(nèi)部產(chǎn)生晶核并長大，導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。第7頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 2.激冷形成的晶核卷入理論： 由于澆道、型壁等處的激冷作用而使其附近的熔體過冷，并通過非均質(zhì)形核作用在熔體內(nèi)形成大量游離態(tài)的激冷晶體，這

5、些小晶體隨液流的流動漂移到鑄型的中心區(qū)域?？勺鳛閮?nèi)部等軸晶的晶核。圖5-3。第8頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 3.型壁晶粒脫落和枝晶熔斷理論： 由于固-液界面前方熔體中溶質(zhì)濃度的重新分布，導(dǎo)致界面前沿液態(tài)金屬凝固點降低，從而使其實際過冷度減小。其生長速度緩慢。由于緊靠型壁晶體根部和枝晶根部的溶質(zhì)在液體中擴(kuò)散均化和條件最差，故其偏析最為嚴(yán)重，該處側(cè)向生長受到強(qiáng)烈抑制。與此同時，遠(yuǎn)離根部的其他部位，則由于界面前方的溶質(zhì)易于通過擴(kuò)散和對流面均化，因此獲得較大的過冷度，其生長速度要快得多。將產(chǎn)生型壁晶體或枝晶根部“縮頸”現(xiàn)象，生成頭大根小的晶粒。在流體的機(jī)械沖刷和溫度反復(fù)波動

6、所形成的熱沖擊對流的作用下，最脆弱的縮頸處極易斷開，晶?；蛑撀涠鴮?dǎo)致晶粒游離，從而形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。圖5-4。第9頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 4.“結(jié)晶雨”游離理論： 凝固初期在液面處的過冷熔體中產(chǎn)生過冷，形成晶核并生長小晶體。這些小晶體或由鑄型頂部凝固層脫落的分枝，由于密度比液態(tài)金屬大而像雨滴似地降落，形成游離晶體，這些小晶體在生長的柱狀晶前面的液態(tài)金屬中長大形成內(nèi)部等軸晶。 除上述理論外，還有在游離的晶體中存在增殖現(xiàn)象。圖5-6。在凝固過程中是四種理論的綜合作用。第10頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 柱狀晶細(xì)長粗大，晶體排列位向一致，

7、其性能具有明顯方向性，縱向性能比橫向好。表面細(xì)晶粒區(qū)由于比較薄，對鑄件性能影響較小。雜質(zhì)元素、非金屬夾雜物和氣體易于被排斥在界面前沿，最后分布在柱狀晶與柱狀晶或等軸晶的交界處，形成性能的弱界面，凝固后期易于在該處形成熱裂紋。對于鑄錠來說在以后塑性加工或軋制過程中也易于產(chǎn)生裂紋。通常鑄件不希望獲得粗大的柱狀晶組織。第二節(jié) 鑄件宏觀凝固組織的控制 一、鑄件宏觀凝固組織對鑄件性能的影響 表面細(xì)晶粒區(qū)由于比較薄，對鑄件性能影響較小。第11頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 內(nèi)部等軸晶區(qū)的等軸晶粒之間位向各不相同，各向異性，晶界面積大，偏析元素，非金屬夾雜物和氣體的分布比較分散，等軸

8、枝晶彼此嵌合，結(jié)合比較牢固，使材料性能均勻化。雜質(zhì)元素、非金屬夾雜物顯微縮松等缺陷更加分散，可顯著提高材料的力學(xué)性能。 二、鑄件宏觀組織控制途徑和措施 抑制柱狀晶的產(chǎn)生和生長，創(chuàng)造有利于等軸晶的形成條件。凡是有利于小晶粒的產(chǎn)生、游離、漂移沉積、增殖的各種因素和措施，均有利于擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，抑制柱狀晶區(qū)的形成與發(fā)展，并細(xì)化等軸晶組織。第12頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 （一）向熔體中加入強(qiáng)生核劑（孕育處理） 加生核劑主要是影響生核過程，通過增加晶核數(shù)實現(xiàn)細(xì)化晶粒；變質(zhì)劑主要是改變晶體的生長過程，改變晶體的生長形貌。第13頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分

9、，星期一 （1）直接作為外加晶核的生核劑 通常是被細(xì)化相具有界面共格對應(yīng)的高熔點物質(zhì)或同類金屬、非金屬碎粒，它們與被細(xì)化相間具有較小的界面能，潤濕角小，直接作為基底促進(jìn)非自發(fā)生核。如鋼中加錳鐵、鑄鐵中加石墨粉等。 （2）能形成較高熔點穩(wěn)定化合物的生核劑 生核劑中的元素能與液態(tài)金屬中的元素形成高熔點穩(wěn)定化合物，這些化合物與被細(xì)化相具有界面共格對應(yīng)關(guān)系和較小的界面能。如鋼中加V、Ti，生成含V、Ti的碳化物和氮化物。 綜合（1）（2）能形成固相顆?；蚧住５€需過冷度，而過冷度與潤濕角有關(guān)，如圖5-7所示，生核劑選小。第14頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 （3）通過在液相中

10、微區(qū)富集使結(jié)晶相提前彌散析出形成的生核劑 如把硅加入鐵液中瞬間形成很多富硅區(qū)，造成局部過共晶成分，迫使石墨提前析出，而硅的氧化物又可作為石墨析出的基底。表5-1常用合金的生核劑。 （4）含強(qiáng)成分過冷元素的生核劑 生核劑主要作用有： 1）這類元素在固-液界面前沿富集，使晶粒、枝晶根部產(chǎn)生“縮頸”，形成晶粒的游離。 2）這類元素強(qiáng)化界面前沿熔體內(nèi)部的非均質(zhì)形核。 3）這類元素的界面富集對晶體生長具有抑制作用，降低晶體生長速度，也使晶粒細(xì)化。 強(qiáng)成分過冷生核劑通過增加生核率和晶粒數(shù)量，降低生長速度而使組織細(xì)化。第15頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 （二）控制澆注工藝和增大鑄件

11、冷卻速度 1.采用較低的澆注溫度 一是減少已形成的晶粒被熔化的數(shù)量；二是易于產(chǎn)生較多的游離晶粒。對等軸晶的形成及細(xì)化有利。 孕育處理與孕育的時間和溫度有關(guān)。在保證生核劑均勻溶解的前提下，采用較低的孕育處理溫度。 2.采用合適的澆注工藝 增大液流對型壁的沖刷和促進(jìn)液態(tài)金屬內(nèi)部產(chǎn)生對流的澆注工藝，擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū)。如圖5-8。第16頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 3.改進(jìn)鑄型激冷傾向和鑄型結(jié)構(gòu) （1）鑄型激冷能力的影響 鑄型蓄熱系數(shù)大，整個熔體的生核能力強(qiáng)。金屬型比砂型易獲得細(xì)等軸晶組織。 對鑄件較厚或?qū)嵝暂^差的鑄件而言，由于鑄型的激冷作用只產(chǎn)生于鑄件的表面層，鑄型冷卻

12、能力的影響是矛盾的兩方面：一方面是低蓄熱系數(shù)的鑄型能延緩穩(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(nèi)部溫度梯度變小，凝固區(qū)域加寬，從而對增加等軸晶有利。另一方面又減慢了熔體過熱熱量的散失，不利于游離晶的殘存，從而減少了等軸晶的數(shù)量。通常前者是矛盾的主導(dǎo)因素。第17頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 （2）液態(tài)金屬與鑄型表面的潤濕角 小鑄型表面易于形成穩(wěn)定的凝固殼層，有利于柱狀晶的形成與生長，反之有利于等軸晶的形成與生長。 （3）鑄型表面的粗糙度 鑄型表面粗糙度值提高，柱狀晶尺寸減小，等軸晶面積率提高。 4.動態(tài)下結(jié)晶細(xì)化等軸晶 （1）振動 可以細(xì)化晶粒。促進(jìn)等

13、軸晶區(qū)的形成及等軸晶的細(xì)化。 （2）攪拌 同上。第18頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一第三節(jié) 氣孔與夾雜的形成機(jī)理及控制 一、氣孔 金屬在熔煉、澆注、凝固過程中，以及爐料、鑄型、澆包、空氣及化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體會溶入到液態(tài)金屬中，并隨溫度下降，氣體會因在金屬中溶解度的顯著降低而形成分子狀態(tài)的氣泡，存在于液態(tài)金屬中并逐漸排入大氣。由于鑄件凝固速度快，部分尚未從金屬液中排出的氣泡殘留在固體金屬內(nèi)部而形成氣孔。 （一）氣孔的分類及特征 （1）析出性氣孔 因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及析出。主要是氫氣孔和氮?dú)饪住５?9頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 （二

14、）氣孔的析出及氣泡的形成 1.氣泡的生核 在實際生產(chǎn)的條件下，液態(tài)金屬內(nèi)部通常存在大量的現(xiàn)成表面，氣泡依附于現(xiàn)成表面生核。在相鄰枝晶間的凹陷部位及角大易生核。 2.氣泡的長大 php0。氣泡內(nèi)部壓力大于外部壓力。 3.氣泡的上浮 如圖圖5-9所示，C0）和負(fù)偏析（CSC0）。第44頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 一、微觀偏析 1.晶內(nèi)偏析 常產(chǎn)生在能夠形成固溶體的合金中。 固溶體合金凝固后每個晶粒內(nèi)的成分是不均勻的。對于溶質(zhì)分配系數(shù)k1的固溶體合金，晶粒內(nèi)先結(jié)晶部分含常產(chǎn)生在能夠形成固溶體的合金中。 固溶體合金按樹枝晶方式生長時，先結(jié)晶的枝干與后結(jié)晶的分枝也存在著成分差

15、異。這種在樹枝晶內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，又成為枝晶偏析。第45頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 晶內(nèi)偏析程度取決于合金相圖的形狀、偏析元素的擴(kuò)散能力和冷卻條件。 1）合金相圖上液相線與固相線間隔大，偏析嚴(yán)重。 2）偏析元素在固溶體中擴(kuò)散能力小偏析傾向大。 3）冷卻速度快，偏析嚴(yán)重。 均勻化退火可消除晶內(nèi)偏析。 2.晶界偏析 在合金凝固過程中，溶質(zhì)元素和非金屬夾雜物富集于晶界，使晶界與晶內(nèi)的化學(xué)成分出現(xiàn)差異，這種成分不均現(xiàn)象稱為晶界偏析。第46頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 1）兩個晶粒并排生長，晶界平行于晶體生長方向。如圖5-25a。 2）兩個晶粒

16、相對生長，彼此相遇而形成晶界。如圖5-25b。 晶界偏析比晶內(nèi)偏析危害大。預(yù)防和消除的措施是細(xì)化晶粒、均勻化退火、減少有害雜質(zhì)含量。 二、宏觀偏析 1.正常偏析 在合金凝固過程中，溶質(zhì)的濃度隨著溫度的降低在變化，結(jié)晶的固相溶質(zhì)濃度不同，形成的偏析稱為正常偏析。如圖5-27。 正常偏析隨著溶質(zhì)析出系數(shù)1-k的增大而增大。第47頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 2.逆偏析 與正常偏析相反，如圖5-28。 逆偏析的形成原因在于結(jié)晶溫度范圍寬的固溶體型合金，在緩慢凝固時易形成粗大的樹枝晶，枝晶相互交錯，枝晶間富集著低熔點相，當(dāng)鑄件產(chǎn)生收縮時，低熔點相將沿著樹枝晶間向外移動。 減少

17、或防止措施：添加細(xì)化晶粒的元素，減少含氣量。 常出現(xiàn)在大型鑄錠中，般呈錐形。如圖5-29。降低冷卻速度，增大偏析， 3.V形偏析和逆V形偏析 帶狀偏析的形成特點是它總是和凝固的固液界面相平行。由于溶質(zhì)富集層晶體生長速度發(fā)生變化形成。 4.帶狀偏析第48頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 是由于重力作用而出現(xiàn)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。當(dāng)共存的液體和固體，或互不相溶的的液相之間存在密度差時，將會產(chǎn)生重力偏析。 5.重力偏析 防止或減輕重力偏析的方法有： 1）加快鑄件的冷卻速度，縮短液相時間，使初生相來不及上浮或下沉。 2）加入能阻礙初晶沉浮的元素。 3）澆注前對合金充分?jǐn)嚢?。?9

18、頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一第六節(jié) 鑄件的變形和冷裂 鑄件從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝固過程中會發(fā)生體積收縮。在固態(tài)冷卻時還會發(fā)生相變而伴生收縮或膨脹。如果鑄件由于凝固所帶來尺寸變化受到阻礙不能自由進(jìn)行時，就會產(chǎn)生應(yīng)力、變形或裂紋。 合金在結(jié)晶溫度間隔內(nèi)，合金的強(qiáng)度和塑必性都很低，在應(yīng)力作用下很容易產(chǎn)生變形或熱裂。但在固相線以下某一溫度范圍時，合金的強(qiáng)度和塑性隨溫度的下降而升高，因此鑄件在應(yīng)力作用下容易發(fā)生塑性變形。該溫度范圍稱變形區(qū)。其溫度下限稱為塑性與彈性轉(zhuǎn)變的臨界溫度。 一、鑄件應(yīng)力的基本概念第50頁，共55頁，2022年，5月20日，9點0分，星期一 1.鑄件的變形 二、鑄件的變形和冷裂 如果鑄件冷卻過程中形成的鑄造應(yīng)力較大，或者冷卻至室溫時鑄件內(nèi)有殘余應(yīng)力存在，在應(yīng)力作用下，鑄件就有發(fā)生塑性變形的趨勢，從而減小或消除應(yīng)力。使之趨于穩(wěn)定狀態(tài)。 圖5-30是幾種變形的例子。 2.鑄件的冷裂 冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)，鑄造應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度是產(chǎn)生