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第五章 凝固组织的控制..

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材料合成与制备 第5章 定向凝固技术

材料合成与制备 第5章 定向凝固技术
采用定向凝固技 术生产的高温合金 基本上消除了垂直 于应力轴的横向晶 界，并以其独特的 平行于零件主应力 轴择优生长的柱晶 组织以及其优异的 力学性能而获得长 足发展。
4、磁性材料
稀土超磁致伸缩材料RFe(R-Tb、Dy)作为一种电-磁-机械能量或信 息转换的新型功能材料，从20世纪70年代以来得到了迅速发展，它具有 很高的磁致伸缩值(1500~2000×10 )和能量密度(14000~25000J／m )，而 且还具有低频响应速度快、机电耦舍系数大等特点，故在大功率声纳换 能器、磁弹性波器件、液压阀门控制、精密加工徽定位、精度高速线性 马达、伺服系统和特殊兵器等高新技术领域展示出广阔的应用前景。对 于Tb-Dy-Fe材料，人们一直希望得到具有<111>方向择优取向的样品。 通过改变材料的定向凝固条件、控制材料的取向度、以及对材料进行热 处理消除晶界提高材料磁致伸缩性能。
(4)激光超高温梯度快速凝固
利用激光器作为热源来实现定向凝固。 激光具有能量高度集中的特性，在作为定向凝固热源时可能获得 比现有定向凝固方法高得多的温度梯度。利用激光表面熔凝技术实现 超高温度梯度快速定向凝固的关键在于：在激光熔池内获得与激光扫 描方向一致的温度梯度；根据合金凝固特性选择适当的工艺参数以获 得胞晶组织。
定向凝固过程工艺参数分别为： 合金熔融温度1450℃，温度梯度140℃/cm，牵引速度0.5-0.8 mm/min。
2、柱状晶生长
控制热流方向和温度梯度。
3、高温合金制备
定向凝固制备Fe-Cr-C过共晶原位生长复合材料
高铬铸铁是一种优良的耐磨材料，普通条件下凝固的高铬铸铁碳 化物呈网状，在实际磨损中往往会因为碳化物脆裂或折断而失效。 为此，通过定向凝固的方法，使碳化物纤维定向排列，即将Fe-C-Cr 合金制备成碳化物呈定向分布的原位生长复合材料，使高硬度的碳 化物垂直于磨面的方向定向生长，可以显著提高其性能。

凝固组织

凝固组织

4.“结晶雨”游离理论： 凝固初期在液面处的过冷熔体中产生过冷，形成晶核并 生长小晶体。这些小晶体或由铸型顶部凝固层脱落的分枝， 由于密度比液态金属大而像雨滴似地降落，形成游离晶体， 这些小晶体在生长的柱状晶前面的液态金属中长大形成内 部等轴晶。
除上述理论外，还有在游离的晶体中存在增殖现象。图 5-6。在凝固过程中是四种理论的综合作用。
非规则共晶凝固 非金属的固-液界面是小平面生长方式，其长大是有方 向性的，即在某一方向上生长速度很快，在另一方向上生 长缓慢，共晶的界面是参差不齐的，而呈多角的形貌。
1.Fe-C（石墨）合金的共晶凝固
灰铸铁中石墨呈片状与石墨的晶体结构有关。石墨呈六 方晶格，碳原子源源不断地向台阶堆积，石墨在[1010]方 向上以旋转台阶方式快速生长；而在[0001]面是原子密排 面，是光滑的小平面，生长缓慢。
后来研究表明，各种原因引起的游离晶粒也是形成表面 细晶粒的晶核来源。由于铸型界面熔液中的溶质再分配使 枝晶生长的根部产生“缩颈”，在流动的液态金属作用下 枝晶熔断或型壁晶粒脱落而游离。大量游离晶粒的存在抑 制了稳定的凝固层的产生，从而有利于表面细晶粒区的形 成。
（二）柱状晶区的形成 稳定的凝固壳层一旦形成，处在凝固界面前沿的晶粒在 垂直型壁的单向热流作用下，便转而以枝晶状延伸生长。 由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热流方向相平 行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更迅速，它们 优先向内伸展度抑制相邻枝晶的生长，在逐渐淘汰掉取向 不利的晶体过程中发展成柱状晶组织。图5-2。 （三）内部等轴晶区的形成 主要有以下四种理论：
（一）向熔体中加入强生核剂（孕育处理）
加生核剂主要是影响生核过程，通过增加晶核数实现细 化晶粒；变质剂主要是改变晶体的生长过程，改变晶体的 生长形貌。

凝固组织控制ppt

凝固组织控制ppt
凝固组织的密度和孔隙率
凝固组织通常由固体和液体组成，因此具有不同的密度和孔隙率。这些特性 对凝固组织的物理性质产生重要影响。
凝固组织的热学性质
凝固组织的热学性质包括热导率、比热容和热扩散率等。这些性质与凝固组 织的结构和组成密切相关。
凝固组织的化学性质
凝固组织的化学组成
凝固组织中的化学成分可以影响其耐腐蚀性和耐候性等化学性质。
技术创新与产业升级：凝固组 织控制技术的不断发展和创新 ，可以推动相关产业的技术进 步和产业升级，提高产业的竞 争力和可持续发展能力。
THANKS
化学工业中的凝固组织控制
在化学工业中，凝固组织控制技术被广泛应用于化学反应过 程的控制和优化。
通过控制化学反应过程中物质的凝固和结晶过程，可以实现 对化学反应速率和产品质量的精确调控。
生物医学中的凝固组织控制
生物医学领域中，凝固组织控制技术被用于制备高质量的 生物材料和药物载体。
通过控制生物材料的凝固过程，可以实现生物材料的定向 生长和组织的再造。同时，通过控制药物的凝固状态，可 以制备出具有特定溶解度和释放行为的药品。
凝固组织控制技术的瓶颈
凝固组织控制技术的瓶颈主要表现在以下几个方 面
凝固时间难以精确控制：凝固时间对凝固组织的 质量有很大影响，但目前的技术还难以实现精确 控制，容易导致凝固不充分或过度凝固。
温度场控制精度不高：凝固组织控制需要对温度 场进行精确控制，但目前的控制技术还难以实现 高精度的温度场控制，影响了凝固组织的均匀性 和质量。
生物学凝固组织控制
01
生物学凝固组织控制是一种通过生物技术改变金属材料的显微组织和形态分布 的技术。
02
生物学凝固组织控制常用的生物技术包括基因工程、细胞工程和蛋白质工程等 。

控制铸锭组织的原理

控制铸锭组织的原理

控制铸锭组织的原理
控制铸锭组织的原理主要包括两个方面：凝固过程控制和热处理控制。

1. 凝固过程控制：通过控制铸锭的冷却速率和凝固过程中的温度梯度，可以影响铸锭的组织形貌和尺寸，从而实现对铸锭组织的控制。

具体而言，包括以下几个方面：
- 控制冷却速率：冷却速率的快慢会影响到铸锭凝固过程中的晶粒尺寸和凝固结构。

通过调整冷却介质的温度、流速等参数，可以控制铸锭的冷却速率，从而达到对组织的控制。

- 控制温度梯度：铸锭凝固过程中的温度梯度会影响到凝固界面的形貌和晶粒生长方向。

通过调整冷却介质的温度分布和气流流速等参数，可以控制温度梯度的大小和方向，从而实现对组织的控制。

2. 热处理控制：通过在铸锭凝固后进行热处理，可以改变铸锭的晶界和晶内组织，从而进一步控制铸锭的组织。

具体而言，包括以下几个方面：- 固溶处理：在高温下将合金中的溶质溶解到基体中，然后通过快速冷却固定晶体格子位置，使得溶质原子固溶在基体晶格点上，从而调整晶格结构和晶粒尺寸。

- 淬火处理：在高温下加热铸锭，然后迅速冷却，通过快速淬火固定晶体格子位置，从而产生细小的晶粒和高强度的组织。

- 回火处理：在高温下加热铸锭，然后在适当温度下保持一段时间，使得残余应力得以释放和晶粒尺寸得到调整，从而改善铸锭的力学性能。

综上所述，控制铸锭组织的原理主要包括凝固过程控制和热处理控制，通过调整凝固过程中的冷却速率和温度梯度，以及进行热处理，可以实现对铸锭组织的精确控制。

第五章--成分过冷与单相合金凝固教程文件

第五章--成分过冷与单相合金凝固教程文件

成分过冷”冷出现的区域宽度：x, 2D RLmLC 20k(0 1G kL 02D )R2
7
3.界面稳定性的动力学理论
（1）界面稳定性动力学的判别式
Rutter和Chalmer等人提出的成分过冷准则把固-液界面的平衡过于 简单化了，只考虑了温度梯度和浓度梯度这2个具有相反效应的因素对 界面稳定性的影响，即固一液界面前沿液相一侧正的温度梯度和小的 浓度梯度有利于界面的稳定；反之，负的温度梯度和大的浓度梯度则 不利于界面的稳定。但是， “成分过冷”准则没有考虑晶体生长过程
其中：R为界面推进速度；D为溶质在液相中的扩散系数；W*为液相中固-液
界面溶质的波动频率 g, KS G, g KL G，，G，，G为固、液相中的温度梯
K
K
度，m为液相线的斜率，p=1-K0；
H
为表面张力常数，H为单位体积溶剂
的结晶潜热；GC为δ=0时的溶质浓度梯度。Ks,Kl为固液相导热率 •
3） 固液界面的稳定性取决于 的符号的正、负。若为正，则波动增长，
界面不稳定；若为负，则波 动衰减，界面稳定。分母始终为正，因
6
（2）成分过冷的过冷度及过冷区宽度
求最大过冷度：任一处过冷度为：
TTim LC0k1 0k0
1eR DL,xTi GLx,
取：
dT dx,
0
得： x, DLlnRL m C01k0
R GLDLk0
因此：
T m a m L x C 0 K ( 1 0 K 0 ) G L R D L [ 1 lR n m G L L C D 0 L ( 1 K 0 K 0 ) ]
固-液界面是由无穷小的正弦波所组成，界面稳定性取决于正 弦波的振幅对时间的变化率，如果振幅随时间而增大，固-液 界面是不稳定的，相反，如果振幅随时间而减小，则界面是稳 定的。（干扰影响温度和浓度的扩散均匀） 在X，Y， Z坐标中，Z指向液面而垂直于固-液界面，X与固-液 界面平行，则固-液界面在Z方向上的位置与时间t和距离所选坐 标原点的位置x有关，即：

铸件宏观凝固组织的控制

铸件宏观凝固组织的控制

北京科技大学材料科学与工程学院文献综述电磁场对铸件宏观凝固组织的控制学生姓名：_________________学号：_________________专业班级：_________________批阅教师：_________________成绩：_________________2013年5月电磁场对铸件宏观凝固组织的控制摘要：随着电磁技术的发展，电磁场在控制金属凝固、改善合金组织及性能等方面将越来越重要，电磁场在材料加工方面的应用也越来越广，到目前为止，已经出现了很多种电磁加工方法。

施加复合电磁场有如下几个优点：1)在内结晶器中施加行波搅拌磁场不但能够显著的改善铸坯的凝固组织，而且电磁搅拌力引起的金属熔体强制流动能够提高管坯的内表面以及皮下质量，解决管坯内表面不易进行铣面处理的困难。

2)在外结晶器侧放置中频约束线圈能够消除管坯内外表面的偏析瘤以及波痕等缺陷。

3)空心管坯电磁连铸凝固过程的数值模拟结果表明：单独在管坯外结晶器侧放置中频约束线圈或者单独在管坯内结晶器中放置行波搅拌磁场都容易造成凝固坯壳厚度不均匀，产生裂纹缺陷。

通过在管坯内外结晶器中施加合适的复合电磁场能够改善凝固坯壳厚度不均匀的状况，消除裂纹缺陷，而且电磁搅拌加速散热能够减小液穴深度，可以提高生产效率。

关键词：电磁制动；电磁搅拌；电磁超声波；电磁热处理；流体流动；凝固组织Abstract：With the development of electromagnetic technique，electromagnetic field plays an important role in the control of metal solidification， the betterment of structure and performance．Since now，many kinds of electromagnetic methods have been used to material processing．The following merits can be acquired by the multi-electromagnetic fields：1)The stirring magnetic field can not only improve the solidification structure of the large·diameter hollow billet but also eliminate the inclusion and blow hole flaws and improve the inner-surface quality of the hollow billet to avoid the milling of the inner·surface．2)The middle frequency magnetic field can restrain the segregation bud and ripple mark of inner and outer surface of hollow billet．3)The temperature field numerical simulation of electromagnetic continuous casting of the hollow billet shows that：Both the only medium frequency coil and the only stirring magnetic field arc easy to create the crack flaw because of the non．homogeneous of the solidification shell．The imposedmulti-electromagnetic fields can not only improve the homogeneous of solidification shell to restrain the crack flaw but also speed-up the heat dissipation to decrease the melt pool and improve the production efficiency．Key words： electromagnetic brake；electromagnetic stirring；electromagnetic ultrasonic waves； heat treatment under electromagnetic field；fluid flow；so1idification structure引言：柱状晶是晶体择优生长形成的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，柱状晶体排列位向一致，因而其性能也具有明显的方向性，纵向好，横向差。

《凝固和组织控制原理》课程教学大纲

《凝固和组织控制原理》课程教学大纲

凝固和组织控制原理一、课程介绍《凝固和组织控制原理》是材料科学与工程专业（金属材料工程模块）的主要学科基础课，是研究金属凝固过程相关现象及其物理本质的专业性课程。

本课程按照理论分析-研究手段-工程控制这一主线，以金属凝固过程的物理本质及影响凝固组织的主要因素作为核心内容，开展相关教学。

本课程旨在加深学生对金属材料凝固相关现象和知识的理解和掌握，为学习后续的课程做必要的知识储备；使学生进一步认识到金属材料的重要性，激发学生开展金属材料凝固相关前沿科学研究、推进凝固相关新技术应用的兴趣和热情。

本课程所涵盖的内容包括液态金属的结构与性质、凝固热力学与动力学、凝固过程中的传热与传质、单相合金，多相合金及金属基复合材料的凝固、凝固组织的控制、凝固缺陷、凝固新技术等内容，共10章，共32学时，全部为理论教学，以期末闭卷考试形式结课。

Introduction‘The principles of solidification and microstructure control’ is a specialized course concerning phenomenon and physical essence of solidification and is as well a required course for university students whose major is materials science and engineering. The course is focusing on the physical essence of solidification and main factors that affect the solidification microstructure, and the teaching activities is organized as theoretical analysis, research techniques and engineering control. The purpose of this course is threefold: Firstly, to deepen the understandings of the students about fundamentals of solidification of metallic materials, making them ready for the subsequent other courses. Secondly, to make students recognize the importance of metallic materials and thirdly, to stimulate their interests in frontier researches and development of novel techniques in solidification of metallic materials.The content of this course includes: structures and properties ofliquid metals, thermodynamics and kinetics of solidification, heat and mass transformation during solidification, solidifications of single-phase alloys, multi-phase alloys and metallic composites, control of solidification microstructures, solidification defects and new technologies of solidification. It will take 32 theoretical lessons. The examination adopts close-book mode.课程基本信息二、教学大纲1、教学目的《凝固和组织控制原理》是面向材料科学与工程专业（金属材料工程模块）本科生的一门学科基础课程。

北科大 材料科学与基础 第五章 凝固

北科大 材料科学与基础 第五章 凝固

从另一角度看，具有半径为r*的球状晶体吉布斯自由能每摩尔要比 大块（r=∞）晶体的吉布斯自由能高2VSγ/r* ，或每单位体积高2γ/r*。
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 炣
在液相中晶胚（或晶核）的来源－三种涨落／能量、结构、成分 但在一定的温度下，由于原子（分子）的热运动，某一瞬间 看，则有许多的小而紧密排列的原子团（晶胚）存在。在这些小 原子团内，原子排列类似于晶体。这就是晶坯（或晶核）的来 源。这些原子团在空间上是此起彼伏，在时间上是时散时聚的， 在固定的温度下，它们的统计分布不会改变。
形核（Nucleation）
液体有过冷度就存在转变为固相的驱动力（Driving Force）， 自发形形核（均匀形核） ：核心（Nucleus）不依附于任何靠背自 发形成，形核势垒很大，要过冷到很低的温度才结晶。 非自发形形核（非均匀形核 ） ：核心依附于液体内存在的杂质或 容器表面形成，形核势垒大大降低，最大过冷度仅为约1K 。
铝合金半固态凝固后的组织变化
机械搅拌
连铸时电磁搅拌
PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建
几乎所有的金属及合金在成为被人们使用的工件或器件以前 都要经过凝固阶段。凝固的主要应用−铸造工艺是一种非常经济 的成形方法。铸造的特点： ①因为与固态相比，金属和合金在液态下的粘度比固态的约低20 个数量级，液态金属可承受的剪切应力基本上等于零，因此无需 象锻轧热加工时那样消耗大量能量以克服非常高的流变应力。
Turnbull将液体处理为大小不同的小原子团组成的理想溶液。若含 有i个原子的小原子团有ni个，单个原子的数目为n，形成ni个含i个 原子组成的原子团的吉布斯自由能变化∆G为 ∆G = ni ∆Gi − T∆S

第五章 凝固组织的控制

第五章 凝固组织的控制

随着熔体的不断冷却，由于生核及晶粒游离、枝晶熔断 等在柱状晶前沿产生大量等轴晶，并形成内部等轴晶区。
Southin认为内部等 轴晶区的形成不仅要 求界面前方存在有等 轴晶的晶核，而且还 要求这些晶核长到一 定的大小，并形成网 络以阻止柱状晶区的 生长。
2020/7/25
Fredriksson等人则 认为内部等轴晶区的 产生是由一部分游离 晶的沉淀和一部分游 离晶被侧面生长着的 柱状前沿捕获后而形 成的。
2020/7/25
金属凝固原理
第二节 等轴晶的晶粒细化
细化晶粒的主要途径：
①控制传热条件促进熔体生核； ②添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强 的异质晶核，达到细化晶粒的目的； ③采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法，促使枝 晶折断、破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小；
④提高冷却速率使液态金属获得大过冷度，增大形核速率； ⑤去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金 液获得很大过冷度，并在大过冷度下突然大量形核，获得细小 等轴晶组织。
（2）枝晶熔断
液相流动对枝晶熔断具有重要影响
枝晶生长过程中，在树枝晶各次分枝的根部同样会由于溶质富集产生
“缩颈”现象，并在液流冲刷和热波动的作用下发生熔断、脱落，形成自
由晶体。
人为地进行表面振动有
（3）表面凝固和“晶雨”的形成
利于“晶雨”的形成
表面形成的晶核由于密度比液体大而下沉，另外液相的流动和表面的 扰动会带动表面形成的晶核下落形成“晶雨”。
金属凝固原理
Wizke等及Lipton等的研究 表明，液相流动对凝固界 面前的液相成分过冷度的 形成具有重要影响，而该 过冷度则是决定等轴晶形 成的关键因素，可作为柱 状晶向等轴晶转变的判据。

第五章 成分过冷与单相合金凝固

第五章 成分过冷与单相合金凝固
10


第二项：浓度梯度DC与液相线斜率m的符号相同。故 的符 号只取决于分子项，
R 故将 W D p 为正去掉，得出界面稳定性动力学理论的判
*

别式为：
R W* 1 D S W Tm W 2 g , g m GC 2 R W * 1 K 0 D
6
（2）成分过冷的过冷度及过冷区宽度
求最大过冷度：任一处过冷度为：
Rx mLC0 1 k0 T Ti 1 e DL k0
,
T G x, L i
取： dT 0 ,
dx
得： x ,
DL RmLC0 1 k0 ln R GL DL k0
2）


R R R RW 2Tm W 2 W * p g , g W * p 2m GC W * D D D R R g , g W * p 2Wm GC g , g W * p 2Wm GC D D
12
R 当不考虑界面张力及溶质沿固液界面扩散对界面稳定性的影响时，即： 1 ， 分式近似为1.则产生界面稳定性的条件是：1/2(g +g)＞mGC。 D 左边： K LG K S G , 1 ,
g 2
g

KL KS
右边在稳态时：
m GC m
dC R m R C0 1 K 0 m C * 1 K 0 D K0 dx D
第五章 成分过冷和单相合金的凝固
1.单相合金凝固组织的表征 2. 金属凝固过程的成分过冷 3.界面稳定性的动力学理论 4.界面稳定性与晶体形态 5. 胞状晶组织 6. 树枝晶组织

定向凝固理论

定向凝固理论
因此，要尽量抑制液态合金的形核能力。提高液态金 属的纯洁度，减少氧化、吸气形成的杂质的污染是用来 抑制形核能力的有效措施。但是，对于某些合金系，常 规化学组成中含有很多杂质，以致即使采用很高的 GL/R比值，都不足以使液体合金的形核得到抑制。
除了净化合金液外，还可采用添加适当的合金元素或添加 物，使形核剂失效。晶体长大的速度与晶向有关。在具有一定 拉出速度的铸型中形成的温度梯度场内，取向晶体竞相生长， 在生长过程中抑制了大部分晶体的生长，保留了与流方向大体 平行的单一取向的柱晶继续生长，有的直至铸件顶部。
dt
a0 Ak
a1Ak3
Ak5
式中，
Ak 为k阶扰动振幅，
a0 是线性稳定性参数，其表达式由MS理
论给出。
按照MS理论，a0=0为平胞转变分叉点，即当a0<0时， 界面是稳定的；而当a0>0时，平界面失稳成为胞状结构。但由 上式可知，界面形态的稳定性还取决于a1的性质，当a1<0时， 平胞转变具有亚临界分叉性质，这时，即使a0<0，当存在足够 大振幅的扰动，平界面将失去稳定。
金
40%—60% ， 因 此 这 种 材 料 被 喻
为燃气轮的心脏。
采用定向凝固技术生产的高温合金基本上消除了垂直于应力轴 的横向晶界，并以其独特的平行于零件主应力轴择优生长的柱晶 组织以及有意的力学性能而获得长足的发展。
MAR—M200中温性能尤其是中温塑性很低，作为涡轮叶片在 工作中常发生无预兆的断裂。
MS理论是一个线性理论，而凝固过程是 一个复杂的非线性问题，因此严格的稳定性判 据应由非线性动力学分析给出。但由于非线性 问题非常复杂，目前，还只能进行弱非线性动 力学分析。
1970年，Wollkind和Segel首先对凝固界面稳定性进行 了弱非线性动力学分析，提出了一个弱非线性动力 学模型：

铸造合金的冷却速率与凝固组织控制

铸造合金的冷却速率与凝固组织控制

铸造合金的冷却速率与凝固组织控制在铸造工艺中，冷却速率是一个至关重要的参数，它直接影响着合金凝固组织的形成。

凝固组织的控制对于铸造件的性能和质量具有重要意义。

本文将探讨铸造合金的冷却速率与凝固组织控制的相关性，以及目前常用的凝固组织控制方法。

一、冷却速率与凝固组织的关系冷却速率是指铸造合金从液相态到凝固态的过程中，单位时间内温度降低的速率。

冷却速率的大小直接决定了凝固组织的形成方式和细化程度。

通常情况下，高冷却速率会促使合金形成细小的凝固组织，而低冷却速率则有利于形成粗大的凝固组织。

在铸造过程中，合金的冷却速率受到多种因素的影响，例如浇注温度、铸型材料、冷却介质等。

合理的控制这些因素可以有效地调节铸造合金的冷却速率，从而控制凝固组织的形成。

二、凝固组织控制方法1. 调节浇注温度：浇注温度是指熔融金属从炉中倒入铸型时的温度。

通过调整浇注温度，可以对铸造合金的冷却速率进行控制。

一般来说，较高的浇注温度会使冷却速率减慢，从而有利于形成粗大的凝固组织；而较低的浇注温度则会加快冷却速率，促使形成细小的凝固组织。

2. 选用合适的铸型材料：铸型材料的导热性和热容量也会对合金的冷却速率产生影响。

导热性较高的铸型材料有利于加快合金的冷却速率，而热容量较高的铸型材料则能够减缓冷却速率。

根据具体需求，选择合适的铸型材料可以实现对凝固组织形成的精确控制。

3. 冷却介质的选择：冷却介质是指用于冷却铸造合金的介质，常见的有水、油等。

不同的冷却介质具有不同的冷却性能，其传热系数和传热速度也会对合金的冷却速率产生影响。

通过选择适宜的冷却介质，可以有效地控制冷却速率，从而实现对凝固组织的控制。

4. 辅助手段：在实际生产中，还可以采用一些辅助手段来控制冷却速率和凝固组织的形成，例如采用陶瓷芯棒、添加凝固剂等。

这些辅助手段可以在一定程度上改变凝固路径，从而影响凝固组织的形成。

综上所述，冷却速率是影响铸造合金凝固组织的一个重要参数。

合理的控制冷却速率可以实现对凝固组织形成过程的精确控制，从而满足铸造件的性能和质量要求。

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
（三）、 枝晶熔断及结晶理论 Jackson等人提出，生长着的柱状枝晶在 凝固界面前方的熔断、游离和增值导致了内 部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理 论。 （四）、“结晶雨”游离理论 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。
engineeringpage6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取向不利的相邻枝晶生长更为迅速它们优先向内伸展并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晶组织这个相互竞争淘汰的晶体生长过程称为的生长在逐渐淘汰取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织这个相互竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长
材 料 科 学 与 工 程 学 院 College of Materials Science & Engineering
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§2 铸件宏观结晶组织的控制
动力学细化方法主要是采用机械力或电磁力引起
固相和液相的相对运动，导致枝晶的破碎或与铸型 分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒 的效果。常用的动力学细化方法如下： 1．铸型振动 2．超声波振动 3．液相搅拌 4．流变铸造
晶组织，这个相互竞争淘汰的晶体生长
过程称为晶体的择优生长。
材 料 科 学 与 工 程 学 院 College of Materials Science & Engineering
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2018/10/14 金属凝固原理
第二节 等轴晶的晶粒细化
细化晶粒的主要途径：
①控制传热条件促进熔体生核； ②添加晶粒细化剂，即向液态金属中引入大量形核能力很强 的异质晶核，达到细化晶粒的目的； ③采用机械搅拌、电磁搅拌、铸型振动等力学方法，促使枝 晶折断、破碎，使晶粒数量增多，尺寸减小； ④提高冷却速率使液态金属获得大过冷度，增大形核速率； ⑤去除液相中的异质晶核，抑制低过冷度下的形核，使合金 液获得很大过冷度，并在大过冷度下突然大量形核，获得细小 等轴晶组织。
金属凝固原理
Wizke等及Lipton等的研究 表明，液相流动对凝固界 面前的液相成分过冷度的 形成具有重要影响，而该 过冷度则是决定等轴晶形 成的关键因素，可作为柱 状晶向等轴晶转变的判据。
3. 等轴晶的形核
（1）型壁处的晶粒游离
合金的浇注过热度对游 离晶的形成具有决定性 的影响
液态金属在铸型型壁的激冷作用下依附型壁形核，这些晶粒在长大过 程中由于根部溶质的富集产生根部“缩颈”现象，并在流体的机械冲刷和 温度反复波动的热冲击下，自型壁脱落形成游离晶。 （2）枝晶熔断
C2
T(℃） 548
固液两相区 宽度较窄
600
X 2
X1
Cu
固液两相区宽 度较宽
Al
固液两相区宽度将对凝固时液相补缩的影响
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凝固动态曲线
在凝固件横断面处设置 温度传感器测定冷却曲线， 即温度-时间曲线。据不同 断面的冷却曲线，结合该合 金的相图，便可以绘出凝固 件断面液相线-固相线与凝 固时间的关系----凝固动态 曲线。
热流 方向 热流 方向
x
由凝固动态曲线可以看 出合金在凝固件中的凝固方 式。
⑥ ⑤ ④ ③ ② ①
金属凝固原理
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Hale Waihona Puke TsT(℃） 54 8
TL
60 0
C u A l
铸件凝固动态曲线的绘制
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a)铸件断面的温度-时间曲线b)凝固动态曲线c)某时刻的凝固状态
内部等轴晶区。由紊乱排列 的粗大等轴晶所组成。
柱状晶区
铸件典型凝固组织
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金属凝固原理
当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁附近熔体由 于受到强烈的激冷作用而大量生核加上型壁晶粒脱落、枝晶 熔断和晶粒增殖等各种形式的晶粒游离过程，在铸型表面形 成了无方向性的表面细等轴晶组织。
一旦型壁晶粒互相连接而构成稳定的凝固壳层，处在凝 固界面前沿的晶粒便开始向内生长，在垂直于型壁的单向热 流的作用下，那些择优生长方向与热流方向平行的枝晶，生 长速度快，逐步淘汰取向不利的晶粒而发展成柱状晶组织。 随着熔体的不断冷却，由于生核及晶粒游离、枝晶熔断 等在柱状晶前沿产生大量等轴晶，并形成内部等轴晶区。
第五章
铸件凝固组织控制
• • • • •
铸件凝固组织的形成 等轴晶的晶粒细化 凝固组织中的偏析及其控制 凝固收缩及其控制 半固态金属的特性及半固态铸造
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金属凝固原理
第一节
铸件凝固组织的形成
1．凝固条件与晶体生长方式
平界面
等轴晶
柱状晶
等轴晶
(a)
(b)
(c)
(d)
铸件凝固过程中的温度分布与凝固方式
TL TS
S S+L L
T
S+L S
TL TS
S S+L
T
S
逐层凝固
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糊状凝固
2. 铸件的典型凝固组织与形成过程
表面细晶区 内部等轴晶区
表面细晶粒区。它是紧靠型 壁的一个外壳层，由紊乱排 列的细小等轴晶所组成；
柱状晶区。由自外向内沿着 热流方向彼此平行排列的柱 状晶所组成；
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2．金属或合金的凝固方式 金属或合金在铸型中凝固时,可以分为液相区、固相区和 液固两相区三个区域。
液相区
液固两相区 固相区 铸型 金属或合金凝固分区示意图
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△X
固液两相区较窄时－呈现强烈的逐层凝固特点； 固液两相区较宽时－逐层凝固特征不明显，呈现糊状凝固特点， 造成液相补缩困难。 C1
液相流动对枝晶熔断具有重要影响
枝晶生长过程中，在树枝晶各次分枝的根部同样会由于溶质富集产生 “缩颈”现象，并在液流冲刷和热波动的作用下发生熔断、脱落，形成自 由晶体。 （3）表面凝固和“晶雨”的形成
人为地进行表面振动有 利于“晶雨”的形成
表面形成的晶核由于密度比液体大而下沉，另外液相的流动和表面的 扰动会带动表面形成的晶核下落形成“晶雨”。
金属及合金的凝固方式
金属及合金的凝固方式并不唯一取决于相图，它还与凝固时的温度 梯度相关。
糊状凝固 逐层凝固
工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线 a)砂型铸造b)金属型铸造
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影响凝固方式的因素
凝固方式一般由合金固液相线温度间隔和凝固件断面温度梯度两 个因素决定。凝固温度间隔大的合金倾向于糊状凝固；反之倾向于逐 层凝固
Southin认为内部等 轴晶区的形成不仅要 求界面前方存在有等 轴晶的晶核，而且还 要求这些晶核长到一 定的大小，并形成网 络以阻止柱状晶区的 生长。
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Fredriksson等人则 认为内部等轴晶区的 产生是由一部分游离 晶的沉淀和一部分游 离晶被侧面生长着的 柱状前沿捕获后而形 成的。
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金属凝固原理
4. 铸件凝固组织形态的控制
凝固组织形态的控制主要是晶粒形态和相结构的控制。相结构在很大程 度上取决于合金的成分，而晶粒形态及其尺寸则是由凝固过程决定的。 晶粒形态的控制是凝固组织控制的关键，其次是晶粒尺寸。 柱状晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其性能具有明显的方 向性：纵向好，横向差。此外，其凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质， 特别是当不同方位的柱状晶区相遇而构成晶界时大量夹杂与气体等在该处聚集 将导致铸件热裂，或者使铸件在以后的塑形加工中产生裂纹。 等轴晶区的界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向 也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。其缺点是枝晶比较发达，显 微缩松较多，凝固后组织不够致密。等轴晶细化能使杂质和缺陷分布更加分 散，从而在一定程度上提高各项性能。一般说来，晶粒越细，其综合性能就 越好，抗疲劳性能也越高。 基于上述原因，大多数情况下希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组 织。晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制实现的。促进形核的方法包括 浇注过程控制方法、化学方法、物理方法、机械方法、传热条件控制方法等。