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第五章铸件凝固组织形成与控制

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铸件结晶组织的形成与控制PPT76页5.51MB

铸件结晶组织的形成与控制PPT76页5.51MB
一般条件下，铸件表层的细小等轴晶区很小， 其厚度局限于几个晶粒尺寸大小，而其余两个区 域尺寸相对较大。表面细晶粒区中的晶粒通常是 无方向性的细等轴晶。
•
对于表面细晶粒区的形成曾经有过不同的理论 解释。早期曾经有人认为，液态金属浇入铸型中 后，型壁附近的熔体受到强烈的激冷作用，产生 很大的过冷度而大量非均质形核。这些晶核又在 型壁较强的散热条件下迅速长大并相互接触，从 而形成大量无规则排列的细小等轴晶粒。
它们之间的差别仅在于表面细晶粒区的晶粒细 小，中心等轴晶区的晶粒较为粗大。内部柱状晶 区的特点是晶粒都垂直于型壁排列，且平行于热 流方向。
•
几种不同类型的铸件宏观组织示意图
•只有柱状晶
•表面细等轴晶 • 加柱状晶
•三个晶区都 有
•只有等轴晶
•
5.2表面细晶区及内部柱状晶区的形成 5.2.1表面细晶粒区的形成
•
最初，由于众多枝晶的主干互不相同，较之其 他主干取向不利的枝晶，那些主干与热流方向平 行的枝晶获得了更为有利的生长条件，优先向液 体内部延伸生长并抑制了其他方向的枝晶生长， 如此淘汰掉取向不利的枝晶后逐渐发展成为柱状 晶（如图所示）。
•
晶体择优生长形成柱状晶示意图
•
由于晶体的择优生长，在柱状晶向前发展的过 程中，离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被 淘汰得就越多，柱状晶的生长方向就越集中，垂 直生长方向的晶粒平均尺寸就越大。
两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关， 并对铸件的各项性能，特别是力学性能产生强烈的 影响。
•
5.1 铸件（锭）典型结晶组织 最典型的铸件晶粒组织 由三个区组成：
1、表面细晶粒区 2、内部柱状晶区 3、中心等轴晶区
•
其中表面细晶粒区和中心等轴晶区是由等轴晶 粒（在极大冷却速度条件下表面细晶粒区也可能 是柱状晶）组成的，其排列方向比较紊乱。

第五章 结晶组织的形成及控制

第五章 结晶组织的形成及控制

材 料 科 学 与 工 程 学 院 College of Materials Science & Engineering
Page 16
§2 铸件宏观结晶组织的控制
（三）铸型性质和铸件结构
• 液态金属与铸型表面的润湿角 试验表明，液态金属 与铸型表面的润湿性好，即润湿角 小，在铸型表面 易于形成稳定的凝固壳层，有利于柱状晶的形成与生 长。反之，则有利于等轴晶的形成与细化。 • 铸型表面的粗糙度 大野笃美还做了表面粗糙度对柱 状晶尺寸和铸锭纵剖面等轴晶面积率的影响。结果表 明，随着表面粗糙度的提高，柱状晶尺寸减少，等轴 晶面积率提高。
Page 2
1）铸件宏观凝固组织的特征
现下图所示的四种情况：只有柱状晶（图a）；表面细等轴 晶加柱状晶（图 b）；三个晶区都有（图 c）；只有等轴晶（图 d）。甚至由激冷区和柱状区所组成。即使是具有三个晶区的宏 观组织，其各个晶区所占的比例因凝固条件不同往往也是不一 样的，这造成铸件宏观组织多样化。
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§3 熔池凝固及焊缝金属组织
熔焊条件下的液态金属凝固过程与第三章和第四章所 阐述的一般液态金属凝固过程在本质上没有区别，都是 晶核生成和晶核长大的过程。然而，由于焊接熔池凝固 条件的特殊性，其凝固过程还存在着自己的一些特征。
Page 5
2）铸件宏观凝固组织的形成机理
由于固-液界面处单向的散热条件（垂 直于界面方向），处于凝固界面前沿的 晶粒在垂直于型壁的单向热流作用下， 便转而以枝晶状单向延伸生长，由于各 枝晶主干方向各不相同，那些主干取向 与热流方向平行的枝晶，较之取向不利 的相邻枝晶生长更为迅速，它们优先向 内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在逐渐 淘汰取向不利的晶体过程中发展成柱状

铸件结晶组织的形成及控制

铸件结晶组织的形成及控制

第八章 铸件结晶组织的形成及控制1．铸件典型晶粒组织包括哪几部分？它们是怎样形成的？各种因素怎样影响它们的形成变化？答： (1) 表面细晶粒区柱状晶区内部等轴晶区(2) a 、表面细晶区的形成：传统理论：型壁附近熔炼体由于受强烈的激冷而大量生核，晶核迅速生长并相互抑制。

必要条件：型壁附近熔体内部的大量生核。

现代理论： 充分条件：抑制铸件形成稳定的凝固壳层（通过型壁晶粒游离）b 、柱状晶区的形成：开始于稳定凝固壳层的产生；结束于内部等轴晶区的形成；柱状枝晶的生长时择优生长，结果长成柱状晶。

c 、内部等轴晶区的形成：过冷熔体直接生核； 晶核形成网络；晶核来源： 界面弱晶粒游离理论； 形成过程 游离晶沉淀即被捕获；激冷晶游离理论 ；临v v R ≥- ；(3)影响因素：金属性质方面：强生核剂；↑∆c t ；↓L G ；对流利于等轴晶形成。

浇注条件：低浇注温度，强化液体对型壁冲刷的浇注工艺铸型性质和铸件结构：薄壁：2b ↑； 厚壁：2b ↓。

2、设想利用上章思考与练习13题相图中B20%合金制作单晶粒，将成分相同的小晶粒（籽晶）置于长瓷舟的一端，并与液体相接触，然后使液体自籽晶上开始缓慢地实现定向凝固，从而获得与籽晶位向相同的单晶体。

试问（1）为确保凝固过程中平面生长所必需的液相温度梯度L G 有多大？（2）如果固-液界面为枝晶生长，能否仍可获得单晶？试解释之。

答：（1）确定平面生长所必须的液相温度梯度 2G000*)1(R G k D k mc L L --≥ R k D k mc G L L 000*)1(--≥ 0c =20%cm c D R D R G o L L L 4531033.310105.23.1333.1335.0)5.01(2.06.00500900⨯=⨯⨯==⨯-⨯----≥--（2）固—液界面为枝晶生长，也可获的单晶，只要是一个晶粒发展，不再生成另外的晶粒便长成单晶。

保证成分过冷非T T c ∆<∆max 。

第5章 铸件结晶组织的形成与控制

第5章 铸件结晶组织的形成与控制

一旦柱状晶生长前沿出现等轴晶形成, 一旦柱状晶生长前沿出现等轴晶形成,生长以 及液体中游离晶粒向柱状晶生长前沿沉积的有利 条件,柱状晶的生长即被抑制, 条件,柱状晶的生长即被抑制,而在铸件中心形 成又一个等轴晶区.不过, 成又一个等轴晶区.不过,这一区域的等轴晶尺 寸要比型壁附近的晶粒尺寸大得多. 寸要比型壁附近的晶粒尺寸大得多.
受型壁激冷作用而形成的游离晶粒
a)晶体密度比熔体小的情况
b)晶体密度比熔体小的情况
此外, 此外,型壁处和铸件心部的液体温度差造成的 也使得晶体由型壁处向内部熔体游离. 热温 ,也使得晶体由型壁处向内部熔体游离. 而且, 而且,金属表面的空气冷却使表面的液体因温度 降低密度增大而下沉和沿型壁处液体的上升使对 流作用加剧, 流作用加剧,从而也将型壁处的晶体带至型腔内 部.
液态金属进入铸型时形成的游离晶粒
等轴晶即便在浇注过程中没有来得及形成, 等轴晶即便在浇注过程中没有来得及形成,那 么浇注完毕凝固的开始阶段,在型壁处形成的晶 么浇注完毕凝固的开始阶段, 体,由于其密度或大于母液或小于母液也会产生 对流, 对流,依靠对流可将型壁处产生的晶体且游离到 铸件的内部,如图5 所示. 铸件的内部,如图5-5所示.
根据这种理论, 根据这种理论,表面细小晶粒的形成与型壁附 近熔体内的形核数量有关,形核量越大, 近熔体内的形核数量有关,形核量越大,表面细 晶区就越大,晶粒尺寸也越小.因此, 晶区就越大,晶粒尺寸也越小.因此,所有影响 非均质形核的因素 如外来质点的数量, 的因素, 非均质形核的因素,如外来质点的数量,熔体的 过热度, 过热度,铸型的冷却能力等传热条件都将直接影 响表面细晶区的宽度和晶粒大小.粒的熔断与增殖过程示意图
5.3.4"结晶雨" 5.3.4"结晶雨"游离晶粒理论 结晶雨 凝固初期在型壁上表面附近的过冷液体中形成 晶核并生长, 晶核并生长,或者枝晶根部缩颈脱落成为细小晶 体,由于这些游离晶粒的密度大于液体而在液体 中像雨滴一样降落, 雨滴一样降落 中像雨滴一样降落,沉积在生长着的柱状晶前端 抑制其生长,形成内部等轴晶区. 抑制其生长,形成内部等轴晶区.

铸造凝固组织及其控制

铸造凝固组织及其控制

4.1铸锭/坯的凝固组织
• 表面激冷层区的形成
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。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 柱状晶区的形成
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的
4.1铸锭/坯的凝固组织
目前比较统一的看法是内部等轴晶区的
形成很可能是多种途径起作用。在一种情况
下，可能是这种机理起主导作用，在另一种
情况下，可能是另一种机理在起作用，或者
是几种机理的综合作用，而各自作用的大小
当由具体的凝固条件所决定。
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 关于偏析问题 • 显微偏析：发生在一个或几个晶粒范围内。可以分为： • 枝晶偏析 • 晶间偏析 • 晶界偏析 • 胞状偏析 • 宏观偏析：铸坯宏观范围的这一部分和那一部分。可 以分为： • 正常偏析 • 反常偏析 • 比重偏析
4.1铸锭/坯的凝固组织
• 比重偏析 • 在一个铸件（铸锭/坯）中，经常发现上下部分之间 成分显著差异。 • 原因： • 垂直方向顺序结晶的正常偏析 • 整体凝固均匀时的中间等轴晶带产生 • 后者原因： • 固液相间的成分、比重发生差异，结晶过程出现 了比重差异 • 由于结晶过程浮沉现象造成的成分差异，即比重偏析
• 同时，发生较强的自然 对流。使内部液体比较 迅速的冷却 • 温度梯度变成曲线（2）
铸锭/坯的凝固组织
• 铸锭的冷凝过程（作为了 解铸坯组织的参考） • 此时，四周温度梯度变 缓，中心温度下降至结 晶温度 • 过去的时间内，大量形 核，形成细小等轴晶外 壳 • 随着外壳形成收缩，形 成气隙，传热变慢，枝 晶生长

第五章+铸件凝固组织的形成及控制

第五章+铸件凝固组织的形成及控制
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， 各向同性;
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
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。
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。
铸型冷却能力过强，细晶区减小甚至消失。 溶质元素多，晶体与型壁之间和分枝的根部颈缩更
细，晶体和分枝更容易脱落，细晶区就大。
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”。
1．铸型振动 2．超声波振动 3．液相搅拌 4．流变铸造
1．铸型振动
在凝固过程中振动铸型可使液相 和固相发生相对运动，导致枝晶 破碎形成结晶核心。离心铸造时 若周期改变旋转方向可获得细小 等轴晶，说明液相和固相发生相 对运动所起的细化晶粒作用。
振动还可引起局部的温度起伏， 有利于枝晶熔断。
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。

第五章 铸件凝固组织的形成与控制 第三四五节

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(三) 影响气孔的因素及防止措施
1、析出性气孔的影响因素及防止措施
(1) 影响因素
金属液原始含气量C0，C0过高时，凝固前沿的液相能较早 析出气泡，形状接近团球形。 C0不太高时，就依附缩孔较 迟析出。
冷却速度 铸件冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易 封闭液相。气体来不及扩散，所以气孔不易形成。
1) 碳氧反应气孔
钢水脱氧不全或铁水严重氧化，溶解的氧若与铁液中的碳相 遇，将发生CO气泡而沸腾，由于铸件凝固较快，许多CO气 泡来不及浮出铸件表面，而形成气孔。
2) 氢－氧反应性气孔
金属液中溶解的[O]和[H]，若相遇就产生H2O气泡，凝固前如 来不及排除，则产生气孔。
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3) 碳氢反应气孔 铸件最后凝固部位的偏析液相中，含有较高浓度的［H］和[C] ，凝固过程中，将产生CH4。这主要在铸钢件断面中心部位，产 生局部性气孔。
第五章 铸件凝固组织的 形成与控制
第三节 气孔与夹杂的形成机理及控制
1
一、气孔
金属在熔炼、浇注、凝固过程中，以及炉料、铸型、浇包、 空气及化学反应产生的各种气体会溶入到液态金属中，并随温 度下降，气体会因在金属中溶解度的显著降低而形成分子状态 的气泡存在于液态金属中而逐渐排入大气。
由于铸造生产中铸件凝固速度较快，部分尚未从金属液中排 出的气泡残留在固体金属内部而形成气孔。气孔是铸件或焊件 最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅能减少金属的有效承载面 积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些 形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下 降和抗疲劳能力降低。
合金成分 影响原始含气量C0 ，决定分配系数k和扩散系数 DL以及合金收缩大小及凝固区域。k愈小，合金液收缩愈大 ，结晶温度范围愈大的合金，容易产生气孔和气缩孔。

第六讲铸件凝固组织的形成与控制

离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰的就越多，柱 状晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。
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控制柱状晶区继续发展的关健因素是内部等轴晶区的出现；如 果界面前方始终不利于等轴晶的形成与生长，则柱状晶区可以一 直延伸到铸件中心。直到与对面型壁长出的柱状晶相遇为止，从 而形成所谓的穿晶组织、如果界面前方有利于等轴晶的产生与发 展，则会阻止柱状晶区的进一步扩展而在内部形成等轴晶，例如， 随着浇注温度的提高，柱状晶区的宽度增大。当浇注条件一定时， 随着合金元素含量的增加，游离的晶核数量增加，则柱状晶区的 宽度减小。对于纯金属，则铸态组织常常全部为柱状晶。
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晶粒增殖: 处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在 液流中漂移时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度 波动和浓度波动的冲击→表面反复局部熔化和反复生长→分枝 根部缩颈可能断开而破碎成几部分→在低温下各自生长为新的 游离晶。
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液态金属流动的作用
液态金属的流动形式
浇注过程中的流动
凝固期间的对流
对于壁较厚或导热性较差的金属，铸型的激冷作用只产生于铸 件的表面层，相反在内部易造成较大温度梯度而促使形成柱状晶。
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3. 内部等轴晶区的形成
内部等轴晶区的形成是由于 剩余熔体内部晶核自由生长的 结果。关于等轴晶晶核来源及 形成有四种理论
(1) 过冷熔体直接形核理论：
随着柱状晶层向内推移和溶 质再分配，在固－液界面前沿 产生成分过冷，当成分过冷的 过冷度大于异质生核所需过冷 度时，则产生晶核并长大，导 致内部等轴晶的形成。
对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱 状晶，增加其致密度； 对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的 甚至是全部细小的等轴晶组织； 对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶 界降低蠕变抗力。

第五章铸件组织的形成与控制


可以促进二次间距的细化。
二、柱状晶及单晶的获得
（一）单向凝固的条件 （1）严格的单向散热 （2）不产生成分过冷，及温度梯度与生长速度的比值要大 （3）合金液有足够高的纯度，避免对流、搅拌和振动
（二）单向凝固方法 提高温度梯度途径实现 （1）对已凝固部分强制冷 （2）提高固液界面液相一侧的熔体温度 （3）将界面液相一侧的高温环境与固相一侧的低温环境隔开， 保证温度梯度维持高的水平 （4）侧向绝热，保证固液界面保持在宏观的同一水平高度上 炉外单向凝固 单向凝固方法
晶粒的游离与增殖；溶质在生长前沿富集可降低而抑制晶体生长或改变 晶体的生长形态
（四）用动态结晶获得细小的等轴晶
1.振动结晶
破坏熔液与铸型之间的气膜和氧化膜，使溶液润湿 振动对结晶作用
铸型并密切接触型壁，利于型壁大量形核 触发晶粒从型壁上脱落，促进晶体游离
机械振动
振动动力源 电磁振动 超声振动 振动方式
（2）等轴晶组织对性能的影响
（A）有利方面 晶粒组织各向同性 枝晶杂乱 晶粒间夹杂分散 （B）不利方面 加强方法 枝晶发达 显微缩松多 性能减弱 细化晶粒 除杂 性能比较均匀和稳定
2.微观结构对铸件性能的影响
1.平面生长的柱状晶优于胞状生长的柱状晶，更优于枝状结构的 柱状晶
2.枝晶间距，尤其二次枝晶间距细化，对改善偏析和夹杂物有显 著效果
第五章铸件组织的形成与控制晶区组成表面细晶区柱状晶区中心等轴晶区51铸件典型结晶组织52铸件结晶时的晶粒游离一熔体内部的对流运动熔体的对流作用对溶质分布产生影响对晶粒的游离晶枝的熔断和增殖起促进作用对流分类强制对流自然对流原因原因浇注过程流体动量或凝固时的搅拌熔体各部分之间的温差或者浓度差二晶粒游离的方式1通过过冷熔体中的非均质形核而直接产生的游离晶2由型壁晶粒脱落枝晶熔断和增殖而产生的晶粒游离3液面晶体的沉降而产生的游离晶产生晶体游离的内因

铸件结晶组织的形成与控制


04
03
铸件结晶组织缺陷的防止措施
A
控制浇注温度和浇注速度
浇注温度过高或浇注速度过快都可能导致金属 液过热，从而影响结晶组织的形成。
合理设计铸件结构
铸件结构不合理可能导致金属液流动受阻 ，从而影响结晶组织的形成。
B
C
使用优质原材料
使用优质原材料可以减少杂质和气体的含量 ，从而减少结晶组织缺陷的产生。
铸件结晶组织的形成 与控制
目录
• 铸件结晶组织的形成 • 铸件结晶组织的控制方法 • 铸件结晶组织的性能评价 • 铸件结晶组织的缺陷与防止措施 • 铸件结晶组织控制的应用实例
铸件结晶组织的形成
01
结晶过程的基本原理
01
结晶
物质从液态变为固态的过程，涉及原子或分子的重新排 列。
02
形核
固态晶核的形成，是结晶过程的第一步。
谢谢聆听
屈服强度
韧性
铸件结晶组织的韧性取决于其晶粒大 小、形态以及相组成，晶粒细小且分 布均匀的铸件结晶组织具有较好的韧 性。
同样地，晶粒大小和形态也影响屈服 强度，晶粒越细小、形态越均匀，屈 服强度越高。
铸件结晶组织的物理性能
导热性
晶粒大小和形态对铸件结晶组织的导热性有较大影响，细小 且均匀的晶粒可以提高导热性。
合金成分的选择与优化
合金元素
合金元素对铸件结晶组织的形成具有重要影响，通过选择 和优化合金元素，可以改变合金的结晶温度范围和凝固特 性，从而改善铸件的组织结构。
微量元素
微量元素对铸件结晶组织也有一定影响，适当添加微量元 素可以细化晶粒，提高铸件的性能。
碳当量
碳当量是影响铸件结晶组织的重要因素，通过调整碳当量 可以改变合金的凝固特性，从而影响铸件的晶粒大小和组 织结构。
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• 形成的出发点：合金 凝固时的溶质再分配。
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流体的机械冲刷和温度反复波动
在激冷初期,依 附于型壁生核 的晶粒或枝晶
溶质图的5偏-6析晶容体易与使型晶壁体交在会与处型产壁生的离“交脖会颈处”产促生使“晶脖体颈发”生，脱具落有而“游脖颈” 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。
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图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
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一、表面激冷区的形成
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。
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。
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• 他们相对作用的大小取决于凝固的 实际条件。
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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
第二节 铸件宏观结晶组织的控制
一、 铸件宏观组织的特 性
表面激冷区的形成机理 柱状晶区的形成机理 内部等轴晶的形成机理
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
产生，而结束于内部等轴晶区的
形成。因此柱状晶区的存在与否
及宽窄程度取决于上述两个因素
综作用的结果。如果在凝固初
期就使得内部产生等轴晶的晶核，
将会有效地抑制柱状晶的形成。
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三、 内部等轴晶的形成机理
剩余熔体内部晶核自由生长的结
果。 1、“成分过冷”理论
晶核来源
2、激冷晶核卷入理论 3、型壁晶粒脱落和枝晶熔断
理论
1、“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。
2、激冷晶核卷入理论
• 稳定凝固壳层形成之前，
大量游离的激冷晶核随 着液流的流动漂移到铸 型的中心区域。
孕育剂作用机理的两类观点
• 孕育主要起
非自发形核 作用
孕育剂含有直接作为非自发生核的物质
孕育剂能与液相中某些元素反应生成较稳定的 化合物而产生非自发生核
在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提 前弥散析出而生核
通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶 分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。
• 如果液态金属的浇注温
度不高，游离晶粒不会 被完全融化掉，残存晶
a) 晶体密度比熔体小的情况; b) 晶体密度比熔体大的情况
图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离
3、 枝晶熔断理论
• 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。
游离晶核的形成
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 材料科学与工程学院
铸件宏观结晶组织的控制措施： 增加形核
1.向熔体中加入强生核剂（孕育处理） 2.控制浇注温度和增大铸件冷却速度
第五章 铸件凝固组织的形成与控制
第一节 铸件的宏观凝固组织 表面激冷区的形成机理 柱状晶区的形成机理 内部等轴晶的形成机理
第二节 铸件宏观结晶组织的控制
第一节 铸件的宏观组织
内部等轴晶区 表层急冷晶区
中间柱状晶区
激冷晶区的晶 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;
柱状晶的特点是各向异性 应用：磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等强调
单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状 晶的零件更具优点。
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第二节 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
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?
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4、 结晶雨理论
• 液面冷却产生的晶粒或者铸型顶部凝固层脱
落的分枝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。
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• 中心等轴晶的形成大多是以上四种 机理综合作用的结果。
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
合金种类
碳钢及合金钢 铸铁
孕育剂主要组元
Ti V B Si-Fe， Ca, Ba, Sr
铝合金
Ti, Zr , Ti+B, Ti+C
过共晶Al-Si合金
P
铜合金 镍基高温合金
Zr, Zr+B, Zr+Mg, Zr+Mg+Fe+P
WC, NbC
加入量wt%
0.1~0.2 0.06~0.30 0.005~0.01 0.1~1.0， 与Si-Fe复合 Ti:0.15; Zr:0.2； 复合:Ti0.01 B或C0.05;
二、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 。
柱状晶生长过程的动态演示
铸
液 态
型
金
属
• 柱状晶生长过程录像
二、柱状晶区的形成
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的
铝锭截面组织
一、表面激冷区的形成
• 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。
游离晶粒的形成