k1体育柱状晶区的形成1122第一节第一节铸件的宏观组织铸件的宏观组织第二节第二节表面激冷区及柱状晶区的形成表面激冷区及柱状晶区的形成第三节第三节内部等轴晶的形成机理内部等轴晶的形成机理第四节第四节铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制粒细小;•柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.•内部等轴晶区的晶粒较为粗大;表层急冷晶区中间柱状晶区内部等轴晶区44图5-2几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶55大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。和等轴晶细化。就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展((特别是存在着特别是存在着溶质及杂质偏析时溶质及杂质偏析时))。柱状晶相碰的地带溶质及杂。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。易成为集中的腐蚀通道。•柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。•如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形成机理。66第二节表面激冷区及柱状晶区的形成77一、表面激冷区的形成型壁附近熔体由于受到强烈的型壁附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而作用k1体育·(中国)官方网站，产生很大的过冷度而大量非均质生核,,各种形式的各种形式的晶晶粒游离粒游离也是形成表面细等轴晶的也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源。这些晶核在过冷“晶核”来源。这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成可向过冷熔体中散失，从而形成了了无方向性无方向性的表面细等轴晶组织。的表面细等轴晶组织。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。88二、柱状晶区的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱状稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速晶生长迅速柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部结果。如果在凝固初期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。制柱状晶的形成。柱状晶生长过程的动态演示99柱状晶生长过程的动态演示1010第三节内部等轴晶的形成机理1111一、“成分过冷”理论该理论认为，随着凝固层向内推移，固相该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。面前方成分过冷逐渐增大。当成分过冷大到当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成的形成。。1212在坩埚中置一不锈钢筛网大野笃美的实验1313二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论在浇注的过程中及在浇注的过程中及凝固的初期激冷凝固的初期激冷,,等等游离促使等轴晶形游离促使等轴晶形浇注温度低可以浇注温度低可以使柱状晶区变窄而使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区扩大等轴晶区1414图5-5型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离晶体密度比熔体大的情况为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?1515溶质的偏析溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”产生“脖颈”，，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成接形成凝固壳凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易的对流容易冲断“脖颈”冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。，使晶体脱落并游离出去。图5-6晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离1616图5-7游离晶体的生长、局部熔化与增殖1717““枝晶熔断”枝晶熔断”理论理论：：生长着的生长着的柱状枝晶柱状枝晶在凝固界面前方的在凝固界面前方的熔断熔断、、游离游离和和增殖增殖导致了导致了内部等轴晶内部等轴晶晶核的形成。晶核的形成。“结晶雨”“结晶雨”理论理论：：液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生方的液体中，下落过程中也发生熔断熔断和和增殖增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源k1体育·(中国)官方网站。锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源。1818思路思路::晶区的形成和转变乃是晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力过冷熔体独立生核的能力和各种形式和各种形式晶粒游离晶粒游离、、增殖增殖或或重熔重熔的程度这两个基本条的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核强化熔体独立生核，，促进晶粒游离促进晶粒游离，以及，以及有助于游离晶的残存与增殖有助于游离晶的残存与增殖的各种的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展k1体育·(中国)官方网站，从而扩大等轴晶因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。区的范围，并细化等轴晶组织。1919一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化2020合理的浇注工艺冷却条件的控制2121合理的浇注工艺浇注温度浇注温度浇注方式浇注方式合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇 注温度将降低液态金属的流动性，导致 浇不足和冷隔等缺陷的产生。 通过改变浇注方式强化对流对型壁激 冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等 轴晶的形成。但必须注意不要因此而 引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸 件产生相应的缺陷。 2222 铸型中间浇注 单孔上注