金属工艺学4

二晶核的长大1液固界面类型光滑界面粗糙界面┗为原子尺度当显微观察时，恰好相反小平面界面非小平面界面光滑界面:液固界面截然分开粗糙界面:液固界面犬牙交错——金属多为粗糙界面2晶核长大的机制光滑界面有两种机制：(1)二维晶核长大机制——速度很慢(2)晶体缺陷长大机制——结构上存在台阶时如螺型位错——速度较(1)快粗糙界面主要有一种机制：(3)垂直长大机制（连续长大）界面上所有位置均为生长点：——垂直界面连续长大；——长大速度远较(1)(2)快；——金属晶体长大的主方式3晶体的生长形态（1）液固界面前沿温度分布正温度梯度温度分布:液相温度随至界面距离增加而提高。——靠近模壁处负温度梯度温度分布:液相温度随至界面距离增加而降低。（2）晶体的生长形态(一)正温度梯度下光滑界面:易于形成具有规则形状的晶体。(100)密排面(简单立方中)，长大速度慢(101)非密排面，长大速度快最终外表面为密排面粗糙界面:“平面长大”方式——平面晶(二)负温度梯度下“枝晶生长”方式——树枝晶——常见——会解释树枝晶形成1粗糙界面2光滑界面多为小平面树枝状晶体有时为规则外形晶体三、晶粒大小及控制1晶粒大小对材料性能的影响常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度越高，塑性和韧性也越好。——但高温下晶界为弱区，晶粒细小强度反而下降，但晶粒过于粗大会降低塑性。此时须采用适当粗晶粒度。2铸造中晶粒大小的控制形核率越大，长大速度越小，则单位体积中的晶粒数目越多，晶粒越细小。单位体积中的晶粒数目为：ZV=0.9（N/G）3/4细化晶粒：提高形核率N，降低晶核长大速度G工业上常用的方法：（1）增加过冷度过冷度增大，N、G均增大，但N提高的幅度远高于G——增加过冷度——加大冷却速度（2）变质处理添加固相微粒或表面——非均匀形核变质处理定义：在浇注前往液体中加入变质剂(孕育剂)，促进形成大量的非均匀晶核，该工艺称为~。孕育剂选择原则：Ⅰ点阵匹配：即结构相似、尺寸相当。Ⅱ孕育剂熔点远高于金属本身如γ-Fe为fcc结构a≈0.3652nmCu也为fcc结构a≈0.3688nm在液体Cu中加入少量Fe，可促进形核。又如Zr能促进Mg的非均匀形核Ti能促进Al的非均匀形核。（3）振动、搅动：机械方法、电磁波搅拌、超声波搅拌等。§2金属铸锭的组织与缺陷1、铸锭三晶区1表层细晶区2中间柱状晶区3中心等轴晶区铸锭结构图（一）表层细晶区形成原因：（1）过冷度ΔT大。（2）模壁作为非均匀形核的位置。特点：——晶粒细小，组织致密，机械性能好，——薄，无实用意义（二）柱状晶区形成原因：(1)细晶区形成后，模壁温度升高，结晶前沿过冷度ΔT较低，不易形成新的晶核；(2)细晶区中某些取向有利的晶粒可以显著长大；(3)晶体沿垂直于模壁(散热最快)相反方向择优生长成柱状晶。特点：组织粗大而致密；为“铸造织构”铸造织构：铸造过程中形成的一种晶体学位向一致的铸态组织称为～。——又称“结晶织构”注意：晶粒外形(外貌)与晶粒取向的差别另有：形变织构细晶区中：晶粒的001无序取向柱状晶区中：晶粒的001一致取向最大散热方向（三）中心等轴粗晶区形成原因：（1）液体温度全部降到结晶温度以下，可同时形核。（2）未熔杂质、冲断的枝晶分枝可作为非均匀形核的核心。（3）散热失去了方向性，各方向长大速度相差不大。——长成等轴晶。由于过冷度ΔT不大，晶粒较粗大。等轴晶柱状晶优点：无方向性，无明显弱面，热加工性能好。缺点：显微缩孔多，致密性差。优点：结构致密缺点：1、由于结晶位向一致，性能有方向性，热加工性能差2、两个不同方向柱状晶的结合处杂质多、强度低，称为弱面，热轧时易破断。等轴晶和柱状晶体性能比较2铸锭组织的控制一般有三个晶区，凝固条件复杂，在某些情况下只有柱状晶区，而有的只有等轴晶区。塑性好金属铝、铜等——发展柱状晶塑性相对较低的金属、钢等——发展等轴晶（一）促进柱状晶生长的方法：总体：(1)加大液相沿垂直铸锭模壁方向的散热能力——促进散热的方向性(2)降低液相内部非均匀形核的可能性具体：(1)提高铸锭模的冷却能力。如：金属模代替砂型模；增加金属铸模的厚度等注意：此方法仅适于尺寸较大的铸件，但不适于尺寸较小的铸件原因：若铸模冷却能力很大，反而促进等轴晶的发展（增加形核率）。例：连铸小截面钢坯时，采用水冷结晶器，连铸锭全部获得细小的等轴晶粒。（2）提高铸模中心区温度，增大温度梯度。具体：提高浇注温度与浇注速度。（3）提高熔化温度，减少非均匀形核数目。熔化温度越高，液态金属过热度越大，非金属夹杂物溶解越多，从而减少了柱状晶前沿液体中形核的可能性，有利于柱状晶区的发展。例如：1、磁性铁合金001方向导磁率最大，柱状晶的一次轴正好也是这个方向。——发展柱状晶，获得最好的磁学性能。2、燃气轮机叶片，其负荷具有方向性，要求在叶片轴线方向有较高的强度。——使柱状晶的长度方向和叶片轴线方向平行。（二）控制铸锭组织在实际生产中的应用柱状晶制备燃气轮机叶片定向凝固生产技术与装置叶片感应加热炉单晶制备方法（三）、发展等轴晶，限制柱状晶的方法降低浇注温度和浇注速度，减小液体过热度，在液体中保留较多非均匀形核核心；小铸件：可用↑过冷度的方法↑形核率；大铸件：变质处理；3、金属铸锭组织缺陷——自学缩孔气孔夹杂物小结:具有临界晶核尺寸的晶胚驱动力GS-GL阻力σ·S能量起伏与结构起伏类似，是一种自然存在，瞬时出现，大小不等形核功具有临界晶核尺寸的晶胚(液相)转变为晶核(固相)时须外界提供的阻力，一.缩孔与缩松的形成机理液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。1)缩孔和缩松的形成电子显微镜下看到的非金属夹杂物颗粒举例(形状不确定)