鑄件成形原理鑄件成形原理1第6章鑄件凝固組織的控制6.1鑄件宏觀組織特征

6.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理

6.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理

6.4內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)理

6.5鑄件宏觀凝固組織控制

6.6凝固組織與熔體熱歷史的相關(guān)性第6章鑄件凝固組織的控制6.1鑄件宏觀組織特征

6.22液態(tài)金屬凝固時(shí)，由于金屬熔體的化學(xué)成分、澆注條件、鑄型條件及鑄件結(jié)構(gòu)等不同，鑄件宏觀組織及其分布的情形也可能完全不同，如圖6-1所示。典型的宏觀組織由表面激冷晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)組成，如圖6-1a所示，隨著條件不同也可能出現(xiàn)圖6-1b~d等其他宏觀組織分布情況。6.1鑄件宏觀組織特征液態(tài)金屬凝固時(shí)，由于金屬熔體的化學(xué)成分、澆注條件、鑄型條件及36.1鑄件宏觀組織特征圖6-1鑄件截面的宏觀組織示意圖

a)含有三個(gè)晶區(qū)的典型凝固組織b)全部柱狀晶的凝固組織

c)柱狀晶加表面激冷晶組織d)全部等軸晶的凝固組織6.1鑄件宏觀組織特征圖6-1鑄件截面的宏觀組織示意圖

46.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理除了過(guò)冷熔體中的大量非均質(zhì)形核外，其他各種形式的晶粒游離，包括型壁晶粒脫落、枝晶熔斷與增殖等(詳見(jiàn)6.4節(jié))，也可能是形成表面激冷晶區(qū)晶核的來(lái)源之一。這些運(yùn)動(dòng)晶粒一部分沉積在型壁附近區(qū)域形成表面激冷晶區(qū)，具體哪種晶粒的形成方式更顯著，要根據(jù)具體凝固條件而定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，表面激冷晶區(qū)的形成與熔體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，若澆注過(guò)程中的液流沖刷作用及凝固過(guò)程對(duì)流較強(qiáng)，則有利于晶粒游離，可能產(chǎn)生等軸晶，相反易形成柱狀晶［2］。需要明確指出的是，獲得表面激冷晶區(qū)的關(guān)鍵因素是促使大量晶核形成，增加游離晶粒的數(shù)量。鑄型的激冷能力對(duì)表面激冷晶區(qū)的影響具有雙重性［3，4］。6.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理除了過(guò)冷熔體中的大量非均質(zhì)形核56.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理增加鑄型的激冷能力一方面可以提高型壁附近熔體的非均質(zhì)形核能力，由傳統(tǒng)理論可知這種狀況促使形成表面細(xì)小的等軸晶；另一方面，型壁附近非均質(zhì)形核數(shù)量快速增加，在較大的激冷能力下這些晶核沒(méi)有能力進(jìn)行游離而是迅速長(zhǎng)大連接形成穩(wěn)定的凝固殼層，抑制表面激冷晶區(qū)的擴(kuò)展，促進(jìn)了表面激冷晶區(qū)向柱狀晶區(qū)的轉(zhuǎn)變。大野篤美將750℃的Al-0.1%Ti合金分別澆注到室溫狀態(tài)和冰水激冷狀態(tài)的兩個(gè)不銹鋼杯中，室溫空冷狀態(tài)鑄件的宏觀組織是細(xì)小的等軸晶，而水冷狀態(tài)的宏觀組織由外部柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)組成，從而證實(shí)了鑄型激冷能力的雙重性作用［2］。6.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理增加鑄型的激冷能力一方面可以提6柱狀晶區(qū)通常是由表面激冷晶區(qū)發(fā)展而來(lái)的，但也有可能直接從型壁處長(zhǎng)出。表面激冷晶區(qū)一旦形成穩(wěn)定的凝固殼層，激冷晶形成階段的各向同性生長(zhǎng)條件即被破壞，在垂直于型壁的單向熱流作用下，處于凝固界面前沿的晶粒開(kāi)始轉(zhuǎn)而以總體沿?zé)崃鞣捶较蛴赏庀蛉垠w內(nèi)生長(zhǎng)。在柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程中，各枝晶生長(zhǎng)的主干方向互不相同，那些主干方向與熱流逆方向平行的枝晶較相鄰的非平行的枝晶生長(zhǎng)速度更為迅速，它們優(yōu)先向熔體內(nèi)部伸展并阻礙相鄰其他方向枝晶的生長(zhǎng)。在淘汰掉取向不利枝晶的過(guò)程中逐漸發(fā)展形成柱狀晶區(qū)，如圖6-2所示(實(shí)例可見(jiàn)圖4-37)。在柱狀晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)過(guò)程中，距離型壁越遠(yuǎn)，取向不利的枝晶被淘汰得越多，柱狀晶的伸展方向越趨于同熱流的逆方向一致，柱狀晶主干的平均間距也越大。6.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理柱狀晶區(qū)通常是由表面激冷晶區(qū)發(fā)展而來(lái)的，但也有可能直接從型壁76.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理圖6-2柱狀晶區(qū)形成示意圖6.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理圖6-2柱狀晶區(qū)形成示意圖86.4內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)理6.4.1成分過(guò)冷理論

6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論

6.4.3枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論6.4內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)理6.4.1成分過(guò)冷理論

6.96.4.1成分過(guò)冷理論成分過(guò)冷理論認(rèn)為，隨著凝固層向熔體內(nèi)部推移，固相散熱能力逐漸削弱，熔體內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，液相中溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，界面前方成分過(guò)冷逐漸增大。當(dāng)成分過(guò)冷產(chǎn)生的過(guò)冷度超過(guò)非均質(zhì)形核所需的臨界過(guò)冷度時(shí)，就會(huì)在成分過(guò)冷熔體中產(chǎn)生晶核并長(zhǎng)大，形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。根據(jù)成分過(guò)冷理論，成分過(guò)冷所導(dǎo)致的非均質(zhì)形核是內(nèi)部等軸晶晶核的重要來(lái)源，非均質(zhì)晶核長(zhǎng)大形成等軸晶區(qū)。6.4.1成分過(guò)冷理論成分過(guò)冷理論認(rèn)為，隨著凝固層向熔體內(nèi)106.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-3澆注過(guò)程中激冷晶游離示意圖6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-3澆注過(guò)程中116.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-4凝固初期的激冷等軸晶游離示意圖

a)晶體密度比熔體的小b)晶體密度比熔體的大6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-4凝固初期的126.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-5型壁晶粒脫落示意圖6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-5型壁晶粒脫136.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-6游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖示意圖6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-6游離晶體的146.4.3枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論圖6-7鑄鐵奧氏體枝晶及其脖頸現(xiàn)6.4.3枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論圖6-7鑄鐵奧氏體枝晶及其156.5鑄件宏觀凝固組織控制1.合理控制澆注工藝和冷卻條件

2.孕育處理

3.動(dòng)力學(xué)細(xì)化6.5鑄件宏觀凝固組織控制1.合理控制澆注工藝和冷卻條件

166.5鑄件宏觀凝固組織控制圖6-8金屬液通過(guò)水冷斜板

低溫澆注示意圖6.5鑄件宏觀凝固組織控制圖6-8金屬液通過(guò)水冷斜板

低171.合理控制澆注工藝和冷卻條件(1)較低的澆注溫度從前面討論可知，降低澆注溫度導(dǎo)致熔體的過(guò)熱溫度變小，在澆注過(guò)程中及凝固初期易使較多激冷晶發(fā)生游離；同時(shí)，較低的澆注溫度可避免激冷晶粒在向鑄型內(nèi)部游離過(guò)程中完全重熔，從而熔體內(nèi)具有較大游離晶粒的數(shù)量。

(2)合理的澆注工藝通過(guò)合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和澆注方式，增加金屬液對(duì)型壁的沖刷作用，強(qiáng)化鑄型中金屬熔體的對(duì)流，同時(shí)避免引起大量氣體和夾雜卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷，可以促進(jìn)游離晶粒的產(chǎn)生和晶粒游離，有利于等軸晶的形成和細(xì)化。1.合理控制澆注工藝和冷卻條件(1)較低的澆注溫度從前面討181.合理控制澆注工藝和冷卻條件(3)冷卻條件的控制合理控制鑄型的冷卻條件，若能夠獲得小的溫度梯度和高的冷卻速率，則可以形成寬的凝固區(qū)域，獲得大的過(guò)冷度，從而促進(jìn)熔體的內(nèi)部形核和晶粒游離。1.合理控制澆注工藝和冷卻條件(3)冷卻條件的控制合理控制19圖6-9不同澆注方式(上)所對(duì)應(yīng)的鑄件宏觀組織(下)示意圖

a)單孔中心澆注b)單孔沿型壁澆注c)六孔均勻沿型壁澆注1.合理控制澆注工藝和冷卻條件圖6-9不同澆注方式(上)所對(duì)應(yīng)的鑄件宏觀組織(下)示意圖202.孕育處理(1)孕育劑的作用孕育劑的種類(lèi)有很多，關(guān)于孕育劑的作用機(jī)理存在兩種觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，孕育劑主要起非均質(zhì)形核的作用；第二種觀點(diǎn)則認(rèn)為，孕育劑含有易偏析元素，可增加晶核數(shù)量并細(xì)化晶粒。

(2)合理的孕育工藝孕育處理具有時(shí)間效應(yīng)，孕育劑加入熔體中會(huì)經(jīng)歷其作用的孕育期和衰退期。2.孕育處理(1)孕育劑的作用孕育劑的種類(lèi)有很多，關(guān)于孕育21(1)孕育劑的作用1)孕育劑直接作為非均質(zhì)形核物質(zhì)。

2)孕育劑能與熔體中某些元素反應(yīng)，生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非均質(zhì)形核，所產(chǎn)生的化合物也和欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系而促進(jìn)非均質(zhì)形核。

3)孕育劑在熔體中造成很大的微區(qū)富集，迫使結(jié)晶相提前彌散析出而促進(jìn)形核，結(jié)晶相的提前彌散析出增加了欲細(xì)化晶核的數(shù)量。(1)孕育劑的作用1)孕育劑直接作為非均質(zhì)形核物質(zhì)。

2)22(1)孕育劑的作用圖6-10Al-Si合金中不同硼含量的

孕育效(1)孕育劑的作用圖6-10Al-Si合金中不同硼含量的23圖6-11鋁合金孕育效果對(duì)

a)Al-5Ti-1B細(xì)化b)未細(xì)化(1)孕育劑的作用圖6-11鋁合金孕育效果對(duì)

a)Al-5Ti-1B細(xì)化24表6-1合金常用孕育劑的主要元素(1)孕育劑的作用表6-1合金常用孕育劑的主要元素(1)孕育劑的作用253.動(dòng)力學(xué)細(xì)化(1)鑄型振動(dòng)鑄型振動(dòng)使金屬熔體與凝固層之間產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)晶體脫落和游離。

(2)超聲振動(dòng)在金屬凝固過(guò)程中引入超聲振動(dòng)，聲空化和聲流起著主要作用。

(3)電磁攪拌在凝固初期，在熔體周?chē)M(jìn)行機(jī)械攪拌、電磁攪拌可造成液相與固相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶的熔斷、破碎及增殖，可以得到與鑄型振動(dòng)、超聲振動(dòng)相同的細(xì)化晶粒效果。

(4)半固態(tài)鑄造半固態(tài)鑄造是由美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings教授等人發(fā)明的。3.動(dòng)力學(xué)細(xì)化(1)鑄型振動(dòng)鑄型振動(dòng)使金屬熔體與凝固層之間26(1)鑄型振動(dòng)圖6-12不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝固組

a)鑄型未振動(dòng)b)鑄型振動(dòng)(1)鑄型振動(dòng)圖6-12不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝27(2)超聲振動(dòng)圖6-13不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝固組

a)未經(jīng)超聲振動(dòng)b)超聲振動(dòng)(2)超聲振動(dòng)圖6-13不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝28(2)超聲振動(dòng)圖6-14在電磁力作用下12Cr18Ni9奧氏體鋼

晶粒尺寸的變(2)超聲振動(dòng)圖6-14在電磁力作用下12Cr18Ni929(3)電磁攪拌圖6-15幾種典型合金的半固態(tài)淬火組

a)Al-20%Si合金b)AZ91Dc)905銅合金d)12Cr18Ni9(3)電磁攪拌圖6-15幾種典型合金的半固態(tài)淬火組

a30(4)半固態(tài)鑄造圖6-16半固態(tài)鑄造工藝流程圖(4)半固態(tài)鑄造圖6-16半固態(tài)鑄造工藝流程圖31(4)半固態(tài)鑄造圖6-17攪拌條件下球狀晶粒形成過(guò)程示意(4)半固態(tài)鑄造圖6-17攪拌條件下球狀晶粒形成過(guò)程示意326.6凝固組織與熔體熱歷史的相關(guān)性6.6.1熔體熱歷史與凝固相關(guān)性

6.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)6.6凝固組織與熔體熱歷史的相關(guān)性6.6.1熔體熱歷史與336.6.1熔體熱歷史與凝固相關(guān)性圖6-18熔體過(guò)熱溫度對(duì)鎳基單晶高溫合金DD3單向

凝固界面形態(tài)的影(保溫時(shí)間均為30min)

a)1400℃b)1500℃c)1600℃d)1700℃6.6.1熔體熱歷史與凝固相關(guān)性圖6-18熔體過(guò)熱溫度對(duì)346.6.1熔體熱歷史與凝固相關(guān)性圖6-19熔體過(guò)熱溫度對(duì)Al-16%Si過(guò)共晶合金初晶硅的作

(砂型凝固組織，澆注溫度均為720℃)

a)720℃熔煉b)1050℃熔煉6.6.1熔體熱歷史與凝固相關(guān)性圖6-19熔體過(guò)熱溫度對(duì)356.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)液態(tài)物理新進(jìn)展表明，與固態(tài)系統(tǒng)存在同素異構(gòu)現(xiàn)象相似，在液態(tài)系統(tǒng)中也存在結(jié)構(gòu)多型性(Polyamorphism)現(xiàn)象［45］及臨界現(xiàn)象［46］。這些新的發(fā)現(xiàn)為人們認(rèn)知熔體熱歷史與凝固相關(guān)性的本質(zhì)和規(guī)律帶來(lái)了新的契機(jī)，也使得有目標(biāo)地操控熔體熱歷史而更為有效地改善凝固行為和組織成為可能。對(duì)于發(fā)生不可逆液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的合金熔體，由于溫度誘導(dǎo)液-液轉(zhuǎn)變之后的熔體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)狀態(tài)與此前的明顯不同，從而引起凝固行為和組織的顯著改變。其影響及作用規(guī)律包括：①凝固過(guò)冷度明顯增加，形核率提高、組織明顯細(xì)化；②晶體生長(zhǎng)行為發(fā)生改變并導(dǎo)致晶體形貌的變化；③溶質(zhì)再分配過(guò)程發(fā)生改變，且使有效分配系數(shù)KE明顯改變(合金系統(tǒng)不同減小或增大)。6.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)液態(tài)物理新進(jìn)366.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-20Bi-10%Sb合金升降溫過(guò)程的電阻率-溫度曲線6.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-20376.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-21液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前后Bi-10%Sb凝固

過(guò)程的固相增長(zhǎng)率6.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-21386.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-22Bi-10%Sb合金液-液結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變前后熔體凝固組織對(duì)比

a)轉(zhuǎn)變前b)轉(zhuǎn)變后6.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-22396.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-23Sn-40%Bi亞共晶合金熔體轉(zhuǎn)變前后的凝固組織中初生β-Sn相

(澆注溫度均為650℃)

a)熔體轉(zhuǎn)變前的凝固組織b)熔體轉(zhuǎn)變后的凝固組織6.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)圖6-2340鑄件成形原理鑄件成形原理41第6章鑄件凝固組織的控制6.1鑄件宏觀組織特征

6.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理

6.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理

6.4內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)理

6.5鑄件宏觀凝固組織控制

6.6凝固組織與熔體熱歷史的相關(guān)性第6章鑄件凝固組織的控制6.1鑄件宏觀組織特征

6.242液態(tài)金屬凝固時(shí)，由于金屬熔體的化學(xué)成分、澆注條件、鑄型條件及鑄件結(jié)構(gòu)等不同，鑄件宏觀組織及其分布的情形也可能完全不同，如圖6-1所示。典型的宏觀組織由表面激冷晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)組成，如圖6-1a所示，隨著條件不同也可能出現(xiàn)圖6-1b~d等其他宏觀組織分布情況。6.1鑄件宏觀組織特征液態(tài)金屬凝固時(shí)，由于金屬熔體的化學(xué)成分、澆注條件、鑄型條件及436.1鑄件宏觀組織特征圖6-1鑄件截面的宏觀組織示意圖

a)含有三個(gè)晶區(qū)的典型凝固組織b)全部柱狀晶的凝固組織

c)柱狀晶加表面激冷晶組織d)全部等軸晶的凝固組織6.1鑄件宏觀組織特征圖6-1鑄件截面的宏觀組織示意圖

446.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理除了過(guò)冷熔體中的大量非均質(zhì)形核外，其他各種形式的晶粒游離，包括型壁晶粒脫落、枝晶熔斷與增殖等(詳見(jiàn)6.4節(jié))，也可能是形成表面激冷晶區(qū)晶核的來(lái)源之一。這些運(yùn)動(dòng)晶粒一部分沉積在型壁附近區(qū)域形成表面激冷晶區(qū)，具體哪種晶粒的形成方式更顯著，要根據(jù)具體凝固條件而定。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，表面激冷晶區(qū)的形成與熔體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，若澆注過(guò)程中的液流沖刷作用及凝固過(guò)程對(duì)流較強(qiáng)，則有利于晶粒游離，可能產(chǎn)生等軸晶，相反易形成柱狀晶［2］。需要明確指出的是，獲得表面激冷晶區(qū)的關(guān)鍵因素是促使大量晶核形成，增加游離晶粒的數(shù)量。鑄型的激冷能力對(duì)表面激冷晶區(qū)的影響具有雙重性［3，4］。6.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理除了過(guò)冷熔體中的大量非均質(zhì)形核456.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理增加鑄型的激冷能力一方面可以提高型壁附近熔體的非均質(zhì)形核能力，由傳統(tǒng)理論可知這種狀況促使形成表面細(xì)小的等軸晶；另一方面，型壁附近非均質(zhì)形核數(shù)量快速增加，在較大的激冷能力下這些晶核沒(méi)有能力進(jìn)行游離而是迅速長(zhǎng)大連接形成穩(wěn)定的凝固殼層，抑制表面激冷晶區(qū)的擴(kuò)展，促進(jìn)了表面激冷晶區(qū)向柱狀晶區(qū)的轉(zhuǎn)變。大野篤美將750℃的Al-0.1%Ti合金分別澆注到室溫狀態(tài)和冰水激冷狀態(tài)的兩個(gè)不銹鋼杯中，室溫空冷狀態(tài)鑄件的宏觀組織是細(xì)小的等軸晶，而水冷狀態(tài)的宏觀組織由外部柱狀晶區(qū)和內(nèi)部等軸晶區(qū)組成，從而證實(shí)了鑄型激冷能力的雙重性作用［2］。6.2表面激冷晶區(qū)的形成機(jī)理增加鑄型的激冷能力一方面可以提46柱狀晶區(qū)通常是由表面激冷晶區(qū)發(fā)展而來(lái)的，但也有可能直接從型壁處長(zhǎng)出。表面激冷晶區(qū)一旦形成穩(wěn)定的凝固殼層，激冷晶形成階段的各向同性生長(zhǎng)條件即被破壞，在垂直于型壁的單向熱流作用下，處于凝固界面前沿的晶粒開(kāi)始轉(zhuǎn)而以總體沿?zé)崃鞣捶较蛴赏庀蛉垠w內(nèi)生長(zhǎng)。在柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程中，各枝晶生長(zhǎng)的主干方向互不相同，那些主干方向與熱流逆方向平行的枝晶較相鄰的非平行的枝晶生長(zhǎng)速度更為迅速，它們優(yōu)先向熔體內(nèi)部伸展并阻礙相鄰其他方向枝晶的生長(zhǎng)。在淘汰掉取向不利枝晶的過(guò)程中逐漸發(fā)展形成柱狀晶區(qū)，如圖6-2所示(實(shí)例可見(jiàn)圖4-37)。在柱狀晶體的擇優(yōu)生長(zhǎng)過(guò)程中，距離型壁越遠(yuǎn)，取向不利的枝晶被淘汰得越多，柱狀晶的伸展方向越趨于同熱流的逆方向一致，柱狀晶主干的平均間距也越大。6.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理柱狀晶區(qū)通常是由表面激冷晶區(qū)發(fā)展而來(lái)的，但也有可能直接從型壁476.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理圖6-2柱狀晶區(qū)形成示意圖6.3柱狀晶區(qū)的形成機(jī)理圖6-2柱狀晶區(qū)形成示意圖486.4內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)理6.4.1成分過(guò)冷理論

6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論

6.4.3枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論6.4內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成機(jī)理6.4.1成分過(guò)冷理論

6.496.4.1成分過(guò)冷理論成分過(guò)冷理論認(rèn)為，隨著凝固層向熔體內(nèi)部推移，固相散熱能力逐漸削弱，熔體內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，液相中溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，界面前方成分過(guò)冷逐漸增大。當(dāng)成分過(guò)冷產(chǎn)生的過(guò)冷度超過(guò)非均質(zhì)形核所需的臨界過(guò)冷度時(shí)，就會(huì)在成分過(guò)冷熔體中產(chǎn)生晶核并長(zhǎng)大，形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。根據(jù)成分過(guò)冷理論，成分過(guò)冷所導(dǎo)致的非均質(zhì)形核是內(nèi)部等軸晶晶核的重要來(lái)源，非均質(zhì)晶核長(zhǎng)大形成等軸晶區(qū)。6.4.1成分過(guò)冷理論成分過(guò)冷理論認(rèn)為，隨著凝固層向熔體內(nèi)506.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-3澆注過(guò)程中激冷晶游離示意圖6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-3澆注過(guò)程中516.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-4凝固初期的激冷等軸晶游離示意圖

a)晶體密度比熔體的小b)晶體密度比熔體的大6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-4凝固初期的526.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-5型壁晶粒脫落示意圖6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-5型壁晶粒脫536.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-6游離晶體的生長(zhǎng)、局部熔化與增殖示意圖6.4.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論圖6-6游離晶體的546.4.3枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論圖6-7鑄鐵奧氏體枝晶及其脖頸現(xiàn)6.4.3枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論圖6-7鑄鐵奧氏體枝晶及其556.5鑄件宏觀凝固組織控制1.合理控制澆注工藝和冷卻條件

2.孕育處理

3.動(dòng)力學(xué)細(xì)化6.5鑄件宏觀凝固組織控制1.合理控制澆注工藝和冷卻條件

566.5鑄件宏觀凝固組織控制圖6-8金屬液通過(guò)水冷斜板

低溫澆注示意圖6.5鑄件宏觀凝固組織控制圖6-8金屬液通過(guò)水冷斜板

低571.合理控制澆注工藝和冷卻條件(1)較低的澆注溫度從前面討論可知，降低澆注溫度導(dǎo)致熔體的過(guò)熱溫度變小，在澆注過(guò)程中及凝固初期易使較多激冷晶發(fā)生游離；同時(shí)，較低的澆注溫度可避免激冷晶粒在向鑄型內(nèi)部游離過(guò)程中完全重熔，從而熔體內(nèi)具有較大游離晶粒的數(shù)量。

(2)合理的澆注工藝通過(guò)合理設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)和澆注方式，增加金屬液對(duì)型壁的沖刷作用，強(qiáng)化鑄型中金屬熔體的對(duì)流，同時(shí)避免引起大量氣體和夾雜卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷，可以促進(jìn)游離晶粒的產(chǎn)生和晶粒游離，有利于等軸晶的形成和細(xì)化。1.合理控制澆注工藝和冷卻條件(1)較低的澆注溫度從前面討581.合理控制澆注工藝和冷卻條件(3)冷卻條件的控制合理控制鑄型的冷卻條件，若能夠獲得小的溫度梯度和高的冷卻速率，則可以形成寬的凝固區(qū)域，獲得大的過(guò)冷度，從而促進(jìn)熔體的內(nèi)部形核和晶粒游離。1.合理控制澆注工藝和冷卻條件(3)冷卻條件的控制合理控制59圖6-9不同澆注方式(上)所對(duì)應(yīng)的鑄件宏觀組織(下)示意圖

a)單孔中心澆注b)單孔沿型壁澆注c)六孔均勻沿型壁澆注1.合理控制澆注工藝和冷卻條件圖6-9不同澆注方式(上)所對(duì)應(yīng)的鑄件宏觀組織(下)示意圖602.孕育處理(1)孕育劑的作用孕育劑的種類(lèi)有很多，關(guān)于孕育劑的作用機(jī)理存在兩種觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為，孕育劑主要起非均質(zhì)形核的作用；第二種觀點(diǎn)則認(rèn)為，孕育劑含有易偏析元素，可增加晶核數(shù)量并細(xì)化晶粒。

(2)合理的孕育工藝孕育處理具有時(shí)間效應(yīng)，孕育劑加入熔體中會(huì)經(jīng)歷其作用的孕育期和衰退期。2.孕育處理(1)孕育劑的作用孕育劑的種類(lèi)有很多，關(guān)于孕育61(1)孕育劑的作用1)孕育劑直接作為非均質(zhì)形核物質(zhì)。

2)孕育劑能與熔體中某些元素反應(yīng)，生成較穩(wěn)定的化合物而產(chǎn)生非均質(zhì)形核，所產(chǎn)生的化合物也和欲細(xì)化相具有界面共格對(duì)應(yīng)關(guān)系而促進(jìn)非均質(zhì)形核。

3)孕育劑在熔體中造成很大的微區(qū)富集，迫使結(jié)晶相提前彌散析出而促進(jìn)形核，結(jié)晶相的提前彌散析出增加了欲細(xì)化晶核的數(shù)量。(1)孕育劑的作用1)孕育劑直接作為非均質(zhì)形核物質(zhì)。

2)62(1)孕育劑的作用圖6-10Al-Si合金中不同硼含量的

孕育效(1)孕育劑的作用圖6-10Al-Si合金中不同硼含量的63圖6-11鋁合金孕育效果對(duì)

a)Al-5Ti-1B細(xì)化b)未細(xì)化(1)孕育劑的作用圖6-11鋁合金孕育效果對(duì)

a)Al-5Ti-1B細(xì)化64表6-1合金常用孕育劑的主要元素(1)孕育劑的作用表6-1合金常用孕育劑的主要元素(1)孕育劑的作用653.動(dòng)力學(xué)細(xì)化(1)鑄型振動(dòng)鑄型振動(dòng)使金屬熔體與凝固層之間產(chǎn)生一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)晶體脫落和游離。

(2)超聲振動(dòng)在金屬凝固過(guò)程中引入超聲振動(dòng)，聲空化和聲流起著主要作用。

(3)電磁攪拌在凝固初期，在熔體周?chē)M(jìn)行機(jī)械攪拌、電磁攪拌可造成液相與固相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶的熔斷、破碎及增殖，可以得到與鑄型振動(dòng)、超聲振動(dòng)相同的細(xì)化晶粒效果。

(4)半固態(tài)鑄造半固態(tài)鑄造是由美國(guó)麻省理工學(xué)院Flemings教授等人發(fā)明的。3.動(dòng)力學(xué)細(xì)化(1)鑄型振動(dòng)鑄型振動(dòng)使金屬熔體與凝固層之間66(1)鑄型振動(dòng)圖6-12不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝固組

a)鑄型未振動(dòng)b)鑄型振動(dòng)(1)鑄型振動(dòng)圖6-12不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝67(2)超聲振動(dòng)圖6-13不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝固組

a)未經(jīng)超聲振動(dòng)b)超聲振動(dòng)(2)超聲振動(dòng)圖6-13不同凝固方式下Al-Si鑄件的凝68(2)超聲振動(dòng)圖6-14在電磁力作用下12Cr18Ni9奧氏體鋼

晶粒尺寸的變(2)超聲振動(dòng)圖6-14在電磁力作用下12Cr18Ni969(3)電磁攪拌圖6-15幾種典型合金的半固態(tài)淬火組

a)Al-20%Si合金b)AZ91Dc)905銅合金d)12Cr18Ni9(3)電磁攪拌圖6-15幾種典型合金的半固態(tài)淬火組

a70(4)半固態(tài)鑄造圖6-16半固態(tài)鑄造工藝流程圖(4)半固態(tài)鑄造圖6-16半固態(tài)鑄造工藝流程圖71(4)半固態(tài)鑄造圖6-17攪拌條件下球狀晶粒形成過(guò)程示意(4)半固態(tài)鑄造圖6-17攪拌條件下球狀晶粒形成過(guò)程示意726.6凝固組織與熔體熱歷史的相關(guān)性6.6.1熔體熱歷史與凝固相關(guān)性

6.6.2凝固行為及組織與熔體狀態(tài)相關(guān)性的認(rèn)識(shí)6.6凝固組織與熔體熱歷史的相關(guān)性6.6.