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第五章铸件结晶组织的形成和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。第五章铸件结晶组织的形成和控制§5-1铸件宏观结晶组织的形成及其影响因素一、铸件结晶中的晶粒游离二、表面细晶粒区的形成三、柱状晶区的形成四、内部等轴晶区的形成五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素§5-2铸件结晶组织的控制一、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响二、等轴晶组织的获得和细化§5-1铸件宏观结晶组织的形成及其影响因素可能有三个不同的晶区：1）表面细晶粒区－紧靠型壁的一个外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成2）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3）内部等轴晶区－由紊乱排列的粗大等轴晶所组成§5-1铸件宏观结晶组织的形成及其影响因素事实上，并不是所有的铸件都具有三个晶区的组织。铸件宏观组织中的晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度都随合金的性质和具体的凝固条件而变化。在一定的条件下，甚至可以获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织(如图)。全部柱状晶组织全部等轴晶组织BACK一、铸件结晶中的晶粒游离1液态金属流动的作用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。一、铸件结晶中的晶粒游离2铸件结晶过程中的晶粒游离可能存在以下几种形式的晶粒游离：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。一、铸件结晶中的晶粒游离2铸件结晶过程中的晶粒游离可能存在以下几种形式的晶粒游离：2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离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。型壁晶粒脱落示意图一、铸件结晶中的晶粒游离2铸件结晶过程中的晶粒游离可能存在以下几种形式的晶粒游离：2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起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。一、铸件结晶中的晶粒游离2铸件结晶过程中的晶粒游离可能存在以下几种形式的晶粒游离：2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离另外，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。一、铸件结晶中的晶粒游离2铸件结晶过程中的晶粒游离可能存在以下几种形式的晶粒游离：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。一、铸件结晶中的晶粒游离2铸件结晶过程中的晶粒游离BACK二、表面细晶粒区的形成传统理论认为，表面细晶粒区的形成与型壁附近熔体内是否存在有大量的非均质生核条件有关。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。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。二、表面细晶粒区的形成对铸件形成稳定凝固壳层的抑制是通过型壁晶粒游离实现的。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。BACK三、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。因此柱状晶区的宽窄程度及存在与否取决于上述两个因素综合作用的结果。在一般情况下柱状晶区是由表面细晶粒区发展而成的，但也可能直接从型壁处长出甚至在内部等轴晶处形成。三、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于型壁的单向热流的作用下，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。柱状晶择优生长示意图三、柱状晶区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。柱状晶择优生长示意图BACK四、内部等轴晶区的形成从本质上说，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）激冷晶游离理论四、内部等轴晶区的形成2关于等轴晶区的形成过程：（1）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）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）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。四、内部等轴晶区的形成2关于等轴晶区的形成过程：目前比较统一的看法是，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。BACK五、影响铸件宏观结晶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：五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素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、激烈的对流五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素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。五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素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。五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素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。五、影响铸件宏观结晶组织形成的因素3铸型性质和铸件结构方面：如果促使非均质生核与晶粒游离的其它因素，如强生核剂的存在、低的浇注温度、严重的晶粒缩颈以及强烈的熔体对流和搅拌等足以消除不利影响，则无论是金属型铸造还是砂型铸造，皆可获得细的等轴晶粒。当然，在相同的情况下，金属型铸造获得的等轴晶粒更为细小。BACK§5-2铸件结晶组织的控制一、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响铸件的质量和性能与其结晶组织密切相关。就宏观组织而言，表面细晶粒区一般比较薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。§5-2铸件结晶组织的控制一、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响柱状晶在生长过程中凝固区域较窄，其横向生长受到相邻晶体的阻碍，树枝晶得不到充分的发展，分枝较少。因此结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织比较致密。但柱状晶比较粗大，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烈，或者使铸锭在以后的塑性加工中产生裂纹。§5-2铸件结晶组织的控制一、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响等轴晶区的晶界面积大，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。§5-2铸件结晶组织的控制一、铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响除宏观状态外，结晶组织的微观结构对铸件的质量和性能也有强烈的影响。在其他条件相同时，平面生长柱状晶的质量和性能优于胞状结构的柱状晶，更胜过树枝状结构的柱状晶组织；而没有树枝状结构的球状晶组织的质量与性能则比树枝状结构的等轴晶组织更强，树枝晶的枝晶间距(特别是二次枝晶间距)越小，铸件的夹杂和缺陷越分散，致密性就越好，机械性能也就越高。BACK§5-2铸件结晶组织的控制二、等轴晶组织的获得和细化通过强化非均质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越有利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。根据上节分析，不难总结出如下的具体措施：§5-2铸件结晶组织的控制二、等轴晶组织的获得和细化获得细等轴晶的措施合理控制热学条件孕育处理动态晶粒细化低温浇注合理控制冷却条件采用合理的浇注工艺薄壁铸件采用高蓄热系数的铸型熔体内部激冷控制铸型冷却能力厚壁铸件采用低蓄热系数的铸型配合其它细化措施合理选用孕育剂合理确定孕育工艺采用生核剂采用强成分过冷元素§5-2铸件结晶组织的控制二、等轴晶组织的获得和细化孕育处理孕育处理是向液态金属中添加少量物质以达到细化