第五章铸件组织的形成与控制

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。
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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。
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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
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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
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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）。
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晶体择优生长形成柱状晶示意图
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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。
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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
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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 。

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.

第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。

Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。

层流比紊流消耗能量大。

2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。

润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。

3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。

4充型能力：充型过程中，液态金属充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充型能力。

5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围内的近程有序。

拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。

化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。

6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。

能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。

结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。

浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。