材料成形原理-第四章铸件结晶组织的形成与控制

第4章铸件结晶组织的形成与控制东北大学秦皇岛分校林晓娉教授铸件结晶组织形成与控制•§4-1铸件宏观组织的形成及影响因素•§4-2铸件结晶组织的控制•铸件的结晶组织，仅宏观状态而言，指的是铸态晶粒的形成、大小、取向和分布等情况；铸件微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态，以及这些结构形态的细化程度等。•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。在第三章讲解的基础上，本章我们将主要针对铸件的宏观组织进行讲解及分析。铸件宏观组织的形成及影响因素•自1954年Winegand和Chalmers提出假设以来，人们对于三个晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：4.1.1铸件结晶中的晶粒游离4.1.2铸件结晶过程表面细晶区的形成4.1.3铸件结晶过程柱状晶区的形成4.1.4铸件结晶过程内部等轴晶区的形成4、1.5影响铸件宏观组织形成的因素4.1.1铸件结晶中的晶粒游离液态金属的流动对晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传质过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的影响。浇注过程中的流动凝固期间的流动自然对流强迫对流温度差引起的密度不同溶质再分配引起的成分和密度变化游离晶体和液体间的密度差浇注时注入的动量(mv)外加电磁搅拌或机械搅拌晶粒游离有关的对流传热方面，金属液的流动宏观上加速了过热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的温度起伏，对晶粒游离现象有着极大的影响。传质方面，金属液的流动最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，加速熔体的均匀化。4.1.1铸件结晶中的晶粒游离•铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：1）游离晶直接来自过冷熔体内的非均质生核在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这种晶粒游离现象总是存在的。2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷度减小。晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制。而远离根部处易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部产生“缩颈”现象。在流体的冲刷和温度反复波动所形成的热冲击作用下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离。4.1.1铸件结晶中的晶粒游离•缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。•另外，还有一种非常重要的晶粒游离现象－晶粒增殖。如图游离晶在漂移过程中不断通过不同的温度区域和浓度区域，不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开而破碎成几个晶粒。•铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离5.1.1铸件结晶中的晶粒游离•铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：3）液面晶粒沉积所引起的晶粒游离凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而下沉也能导致晶粒游离的产生。4.1.2表面细晶区的形成表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶。根据传统理论，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，产生很大的过冷度而大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以往常把表面细等轴晶称为“激冷晶”。现代研究表明，除非均质生核过程以外，各种形式的晶粒游离也是形成表面细晶粒区的“晶核”来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的必要条件，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其充分条件。大量试验证实，表面细晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体的非均质形核，而且还来自包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。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。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。这时，表面激冷细晶粒区将不再发展。4.1.2表面细晶区的形成4.1.2表面细晶区的形成等轴晶750℃水淬,摇动，不锈钢杯子大野笃美的实验型壁激冷虽然能增大其附近熔体的非均质生核能力，但也使型壁上的晶核数目大大增加，从而促使型壁晶粒很快连接而形成稳定的凝固壳并最终阻止表面细晶粒区的发展。因此，如果在凝固开始阶段不存在强的型壁晶粒游离条件(如高的溶质含量和强烈的液态金属流动等)，那么，过强的型壁激冷能力反而不利于表面细晶粒区的形成。如图b）所示，大野笃美的试验，证实了以上结论。4.1.3柱状晶区的形成•紧贴铸型表面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。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。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织(如图)。这个互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。铸型液态金属4.1.3柱状晶区的形成•柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，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合作用的结果。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。•控制柱状晶区继续发展的关键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。4.1.4内部等轴晶的形成•从本质上说，内部等铀晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。但是，关于等轴晶晶核的来源以及这些晶核如何发展并最终形成等轴晶区的具体过程，存在不同的争议。1、关于等轴晶晶核的来源：（1）过冷熔体直接生核理论（2）界面前方晶粒游离理论（3）激冷晶游离理论4.1.4内部等轴晶的形成•这个理论是Winegand和Chalmers于1954年提出来的该理论认为，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。（1）过冷熔体直接生核理论（“成分过冷”理论）等轴晶形貌4.1.4内部等轴晶的形成•Jackson等人提出，生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为“枝晶熔断”理论。•Southin(索辛)、osenhain（罗逊汉）等人则认为，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。（2）界面前方晶粒游离理论（枝晶熔断及结晶雨理论）4.1.4内部等轴晶的形成•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。•等轴晶体即便在浇注过程中没有来得及形成，那么浇洼完毕凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液也会产生对流，依靠对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部，图5-5是产生这种对流的示意图。（3）激冷晶游离理论（激冷等轴晶型壁脱落与游离理论）4.1.4内部等轴晶的形成2关于等轴晶区的形成过程：（1）索新（Southin）等人认为不仅要求界面前方存在有等轴晶晶核，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。（2）富兰杰克逊（Fredikesson）认为内部等轴晶区的产生并不要求游离晶形成网络阻止柱状晶区的生长，而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状状前沿捕获后而形成的。（3）我国学者，认为内部等轴晶区的形成是由于凝固界面的生长速率R与游离晶垂直于界面的运动速率v之间互相作用的结果。当两者之差远大于界面捕获游离晶所必需的临界速率时，即可形成内部等轴晶区。4.1.4内部等轴晶的形成•无论是关于等轴晶晶核的来源问题，还是等轴晶区形成的具体过程问题，上述各理论与看法均有自己的实验根据，然而也受到各自实验条件的限制。关于等轴晶区的形成过程比较统一的看法是，中心等轴晶区的形成很可能是多种途径的。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。4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素•综上所述，铸件中三个晶区的形成是相互联系、彼此制约的。稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。•凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离及有助于游离晶的残存与堆积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。这些因素包括以下几个方面：1.金属性质方面；2.浇注条件方面；3.铸型性质和铸件结构方面。4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素1金属性质方面：（1）强生核剂在过冷熔体中的存在；（2）宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度；（3）合金中溶质元素含量较高、平衡分配系数k0偏离1较远；（4）熔体在凝固过程中存在长时间的、激烈的对流。4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素2浇注条件方面：（1）低的浇注温度过热度小，能产生大量的游离晶，并有助于游离晶的残存。（2）合适的浇注工艺凡能强化液流对型壁的冲刷作用的浇注工艺均能扩大并细化等轴晶区。大野笃美研究比较了几种浇注方法（石墨型，Al-0.2%Cu合金）对铸件宏观凝固组织的影响。图a所示铸型中间的方法浇注，对型壁无冲刷作用，获得的凝固组织大多为粗大柱状晶。图b所示单孔上注方法，使液流沿型壁冲刷，结果柱状晶区缩小，内部等轴晶区扩大且晶粒细化。进一步使液流分散，采用图c所示的沿型壁六孔浇注，得到全部细小等轴晶。浇注缓慢，并且浇注结束时过冷度较低，越利于晶核的生存。后来大野笃美采用水流冷却的斜板浇注方法，获得比图c更好的晶粒细化效果。4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素3铸型性质和铸件结构方面：对于薄壁铸件而言，激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的生核能力越强。因此这时采用金属型铸造比采用砂型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。对于型壁较厚或导热性较差的铸件而言，铸型的激冷作用只产生于铸件的表面层。在这种情况下，等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。这时铸型冷却能力的影响是矛盾的。4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素3铸型性质和铸件结构方面：一方面，低蓄热系数的铸型延缓稳定凝固壳层的形成，有助于凝固初期激冷晶的游离，同时也使内部温度梯度GL变小，凝固区城变宽，从而对增加等轴晶有利另一方面，它减慢了熔体过热热量的散失，不利于游离晶粒的残存，从而减少了等轴晶的数量。通常，前者是矛盾的主导团素，因而在一般生产中，除薄壁铸件外，采用金属型铸造比砂型铸造更易获得柱状晶，特别是高温下浇注更是如此。4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素•补充：改善铸件组织的孕育处理•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)主要影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；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