第五章 铸件凝固组织的形成与控制 一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理 二、铸件宏观凝固组织的控制 一、铸件宏观凝固组织的特征及形成机理 （一） 铸件的宏观组织 （二） 表面激冷区及柱状晶区的形成 （三） 内部等轴晶的形成机理 （一） 铸件的宏观组织 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。 就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着溶质及杂质偏析时)。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。 （二） 表面激冷区及柱状晶区的形成 表面激冷区的形成 柱状晶区的形成 表面激冷区的形成 传统理论：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大量非均质生核,各种形式的游离晶粒也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源。这些晶核在过冷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，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。 柱状晶区的形成 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。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速 ，并且抑制取向不利的晶体生长，这个互相竞争淘汰的晶体长大过程称为“晶体的择优生长”。 柱状晶生长过程的动态演示 （三） 内部等轴晶的形成机理 “成分过冷”理论 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 枝晶熔断及结晶雨理论 “成分过冷”理论 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，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。当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。如：采用很强的生核剂时，可使整个铸件断面获得细等轴晶。 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 在浇注的过程中及凝固的初期激冷,等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成, 浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区 。 溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳, 另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。 枝晶熔断及结晶雨理论 生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。 液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为“结晶雨”理论。 a) 7500C水淬,摇动 b) 在坩埚中置一不锈钢筛网 大野笃美的实验 二、 铸件宏观结晶组织的控制 思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔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粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖的各种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。 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 合理的浇注工艺 冷却条件的控制 合理的浇注工艺 浇注温度 浇注方式 冷却条件的控制 控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。 悬浮浇注法的特点 ?1) 显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性； 2) 减小凝固收缩，使冒口减小15～35%； 3) 减少缩松，提高铸件致密性； 4) 减小铸造应力，减小铸件热裂倾向； 5) 改善宏观偏析； 6) 提高凝固速度，改善铸型受热状况； 7) 可以实现浇注过程合金化。 技术原理： 通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热作用，强制金属液生核，并改变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。 适用范围： 各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。 不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。 二、孕育处理 孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。 孕育( Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。 孕育
