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1、会计学1材料科学基础材料科学基础(jch)23第一页，共59页。n n液液态态合合金金凝凝固固过过程程除除遵遵循循金金属属结结晶晶的的一一般般规规律律外外，由由于于二二元元合合金金中中第第二二组组元元的的加加入入溶溶质质原原子子要要在在溶溶、固固中中发发生生重重新新(chngxn)(chngxn)分分布布，这这对对合合金金的的凝凝固固方方式式和和晶晶体体的的生生长长形形态态产产生生很很大大的的影影响响，会会引引起起微微观观偏偏析析或宏观偏析。或宏观偏析。n n微微观观偏偏析析是是指指一一个个晶晶粒粒内内部部的的成成分分不均匀现象。不均匀现象。n n宏宏观观偏偏析析是是指指沿沿一一定定方方向向结
2、结晶晶过过程程中中，在在一一个个区区域域范范围围内内，由由于于结结晶晶先后不同而出现的成分差异。先后不同而出现的成分差异。n n固溶体的凝固理论固溶体的凝固理论 n n共晶凝固理论共晶凝固理论 n n合金铸锭合金铸锭(件件)的组织与缺陷的组织与缺陷 第1页/共58页第二页，共59页。1.1.正常凝固正常凝固(nngg)(nngg)2.2.区域熔炼区域熔炼 3.3.有效分配系数有效分配系数keke 4.4.合金凝固合金凝固(nngg)(nngg)中的成分中的成分过冷过冷第2页/共58页第三页，共59页。1.正常凝固及平衡正常凝固及平衡(pnghng)分配系数分配系数k0平平衡衡凝凝固固（equi
3、librium solidification）：在在凝凝固固过过程程中中固固相相和和液液相相始始终终保保持持平平衡衡成成分分，即即冷冷却却时时固固相相和和液液相相的的整整体体成成分分分分别别沿沿着着固相线和液相线变化。固相线和液相线变化。合合金金凝凝固固时时，要要发发生生(fshng)溶溶质质的的重重新新分分布布，重重新新分分布布的的程程度度可可用用溶溶质质平平衡衡分分配配系系数数（equilibrium distribution coefficient）k0表示。表示。平平衡衡分分配配系系数数为为平平衡衡凝凝固固时时固固相相的的质质量量分分数数WS和和液液相相的的质质量量分分数数WL之之比比
4、(即即液液固固两两平平衡衡相相中中溶溶质质浓浓度度之之比比)，即：，即：k0=WS/WL第3页/共58页第四页，共59页。k0l时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度降低；时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度降低；k01时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高。时，随溶质的增加，合金凝固的开始温度和终结温度升高。k0越接近越接近1，表示该合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分越接近，即重新分布的程度越小。，表示该合金凝固时重新分布的溶质成分与原合金成分越接近，即重新分布的程度越小。当固、液相线假定为直线时，由几何方法当固、液相线假定为直线时，由几何方法(fngf)
5、不难证明不难证明k0为常数。为常数。WSWLWSWLWL1WL2WS1WS2K01第4页/共58页第五页，共59页。平平衡衡凝凝固固一一般般难难实实现现，由由于于冷冷却却时时冷冷速速过过快快固固相相和和液液相相的的整整体体成成分分不不可可能能达达到到(d do)平平衡衡成成分分，凝凝固固为为非非平平衡衡凝凝固（固（nonequilibrium solidification）。）。在在非非平平衡衡条条件件下下，已已凝凝固固的的固固相相成成分分随随凝凝固固先先后后顺顺序序而而变变化化。即即随随凝凝固固距距离离x而变化。（如图而变化。（如图7.65所示）所示）1.正常凝固正常凝固(nngg)及平及平
6、衡分配系数衡分配系数k0第5页/共58页第六页，共59页。锭模凝固锭模凝固(nngg)模型模型XX第6页/共58页第七页，共59页。1.正常凝固及平衡正常凝固及平衡(pnghng)分配系数分配系数k0正偏析：溶质浓度由锭表面正偏析：溶质浓度由锭表面(biomin)向中向中心逐渐增加的不均匀分布。它是宏观偏析的心逐渐增加的不均匀分布。它是宏观偏析的一种。一种。这种偏析通过扩散退火也难以消除。这种偏析通过扩散退火也难以消除。正常凝固正常凝固(nngg)方程：方程：第7页/共58页第八页，共59页。2.区域区域(qy)熔炼熔炼 n n如如果果合合金金通通过过由由试试样样一一端端向向另另一一端端局局部
7、部熔熔化化，经经过过区区域域(qy)(qy)熔熔炼炼的的固固溶溶体体合合金金，其其溶溶质质浓浓度度随随距距离离的的变变化化与与正正常常凝凝固固有有所所不不同同的的，其其变变化符合区域化符合区域(qy)(qy)熔炼方程：熔炼方程：该式表示该式表示(biosh)(biosh)经一次区域熔炼后随凝固距离变经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度。化的固溶体质量浓度。第8页/共58页第九页，共59页。当当k01时，凝固前端部分的溶质浓度不断时，凝固前端部分的溶质浓度不断降低，后端部分不断地富集，这使固溶体经降低，后端部分不断地富集，这使固溶体经区域熔炼后的前端部分因溶质减少而得到提区域熔炼后的前
8、端部分因溶质减少而得到提纯，因此区域熔炼又称为区域提纯（纯，因此区域熔炼又称为区域提纯（zone refining）。）。区域提纯是应用区域提纯是应用(yngyng)固溶体理论的固溶体理论的一个突出成就。区域提纯已广泛应用一个突出成就。区域提纯已广泛应用(yngyng)于提纯许多半导体材料、金属、于提纯许多半导体材料、金属、有机和无机化合物等。如锗有机和无机化合物等。如锗 第9页/共58页第十页，共59页。第10页/共58页第十一页，共59页。3.有效有效(yuxio)分配系分配系数数ke（自学）（自学）第11页/共58页第十二页，共59页。(1)(1)(1)(1)成分成分成分成分(chng
9、fn)(chng fn)(chng fn)(chng fn)过冷的概念过冷的概念过冷的概念过冷的概念 纯纯金金属属凝凝固固时时，TmTm不不变变，当当T TTmTm时时引引起起过过冷冷，液液体体(yt)(yt)的的过过冷冷度度完完全全取取决决于于实实际际温温度度分分布布，这这种种过过冷冷称为热过冷。称为热过冷。在在合合金金凝凝固固时时，由由于于液液相相中中溶溶质质分分布布发发生生变变化化而而改改变变了了凝凝固固温温度度，这这可可由由相相图图中中的的液液相相线线来来确确定定，因因此此，将将界界面面前前沿沿液液体体(yt)(yt)中中的的实实际际温温度度低低于于溶溶质质分分布布所所决决定定的的凝凝
10、固固温温度度时时产产生生的的过过冷冷，称称为为成成分分过过冷冷（constitutional supercoolingconstitutional supercooling）。）。成成分分过过冷冷能能否否产产生生及及程程度度取取决决于于液液固固界界面面前前沿沿液液体体(yt)(yt)中中的的溶溶质质浓浓度分布和实际温度分布这两个因素。度分布和实际温度分布这两个因素。4.合金凝固合金凝固(nngg)中的成分过冷中的成分过冷第12页/共58页第十三页，共59页。液固界面前沿液体中的溶质浓度液固界面前沿液体中的溶质浓度(nngd)(nngd)分布导致的成分过冷分布导致的成分过冷第13页/共58页第十
11、四页，共59页。(2)(2)(2)(2)成分过冷产生成分过冷产生成分过冷产生成分过冷产生(chnshng)(chnshng)(chnshng)(chnshng)的临界条件的临界条件的临界条件的临界条件 一一一一类类类类是是是是外外外外界界界界条条条条件件件件控控控控制制制制的的的的参参参参数数数数温温温温度度度度梯梯梯梯度度度度GG和和和和凝固速度凝固速度凝固速度凝固速度R R。当当当当GG值值值值越越越越小小小小和和和和R R值值值值越越越越大大大大，越越越越容容容容易易易易产产产产生生生生成成成成分分分分过过过过冷。冷。冷。冷。另另另另一一一一类类类类反反反反映映映映合合合合金金金金性性性
12、性质质质质的的的的参参参参数数数数液液液液相相相相线线线线斜斜斜斜率率率率mm、平平平平衡衡衡衡(pnghng)(pnghng)分分分分配配配配系系系系数数数数k0k0和和和和溶溶溶溶质质质质浓浓浓浓度度度度W0 W0。液液液液相相相相线线线线斜斜斜斜率率率率mm大大大大、平平平平衡衡衡衡(pnghng)(pnghng)分分分分配配配配系系系系数数数数k0k0小小小小和和和和合合合合金金金金溶溶溶溶质质质质浓浓浓浓度度度度W0W0大大大大，都都都都容容容容易易易易产产产产生生生生成分过冷。成分过冷。成分过冷。成分过冷。影响成分影响成分(chng fn)过冷倾向大小的因素可分为两大类：过冷倾向大
13、小的因素可分为两大类：第14页/共58页第十五页，共59页。(3)(3)(3)(3)成分成分成分成分(chng fn)(chng fn)(chng fn)(chng fn)过冷对晶体生长形态的影响过冷对晶体生长形态的影响过冷对晶体生长形态的影响过冷对晶体生长形态的影响 n n固溶体凝固时在正的温度梯度下，由固溶体凝固时在正的温度梯度下，由于凝固界面液相中存在于凝固界面液相中存在(cnzi)(cnzi)成成分过冷，并随着成分过冷冷度从小分过冷，并随着成分过冷冷度从小到大，其界面生长形态将从平直界到大，其界面生长形态将从平直界面向胞状和树枝状发展。而纯金属面向胞状和树枝状发展。而纯金属凝固时须在负
14、的温度梯度下才得到凝固时须在负的温度梯度下才得到树枝状组织。这是二者的区别。树枝状组织。这是二者的区别。胞状生长胞状生长(shngzhng)模模型型平面生长模型平面生长模型树枝状生长模型树枝状生长模型第15页/共58页第十六页，共59页。不同成分不同成分(chng fn)(chng fn)过冷程度的三个区域过冷程度的三个区域平平界界面面(jimin)生生长长胞胞状状生生长长(shngzhng)树枝状生长树枝状生长第16页/共58页第十七页，共59页。过冷度影响过冷度影响(yngxing)因素因素第17页/共58页第十八页，共59页。成分成分成分成分(chng fn)(chng fn)(chng
15、 fn)(chng fn)过冷对晶体生长形态的影响过冷对晶体生长形态的影响过冷对晶体生长形态的影响过冷对晶体生长形态的影响 第18页/共58页第十九页，共59页。1.1.1.1.共晶组织分类及形成机制共晶组织分类及形成机制共晶组织分类及形成机制共晶组织分类及形成机制(1)(1)(1)(1)金属金属金属金属金属型：层片状或棒状共晶。金属型：层片状或棒状共晶。金属型：层片状或棒状共晶。金属型：层片状或棒状共晶。影响形状的因素：影响形状的因素：影响形状的因素：影响形状的因素：共晶中两组成相的相对量（体积分数）。共晶中两组成相的相对量（体积分数）。共晶中两组成相的相对量（体积分数）。共晶中两组成相的相
16、对量（体积分数）。若若若若共共共共晶晶晶晶中中中中两两两两相相相相中中中中一一一一相相相相的的的的体体体体积积积积分分分分数数数数小小小小于于于于27.6%27.6%27.6%27.6%时时时时，有有有有利利利利于于于于形形形形成成成成棒棒棒棒状状状状；反反反反之有利于形成层片状。之有利于形成层片状。之有利于形成层片状。之有利于形成层片状。相界面的比界面能。相界面的比界面能。相界面的比界面能。相界面的比界面能。在在在在共共共共晶晶晶晶中中中中一一一一相相相相的的的的体体体体积积积积分分分分数数数数在在在在27.6%27.6%27.6%27.6%以以以以下下下下时时时时，当当当当比比比比界界界界
17、面面面面能能能能降降降降低低低低有有有有利利利利于于于于降降降降低低低低体体体体系系系系的的的的能能能能量量量量时时时时，有有有有利利利利于于于于形形形形成成成成层层层层片片片片状状状状。当当当当界界界界面面面面面面面面积积积积(min(min(min(min j)j)j)j)降降降降低低低低有有有有利利利利于于于于降低体系的能量时，倾向于形成棒状。降低体系的能量时，倾向于形成棒状。降低体系的能量时，倾向于形成棒状。降低体系的能量时，倾向于形成棒状。共晶体层片间距：共晶体层片间距：共晶体层片间距：共晶体层片间距：典型典型(dinxng)共共晶组织晶组织第19页/共58页第二十页，共59页。共晶
18、组织的形成过程共晶组织的形成过程横向横向(hn xin)扩散扩散搭桥机制搭桥机制第20页/共58页第二十一页，共59页。对纯二元共晶，共晶固相的平均成分与液相成分一致，没对纯二元共晶，共晶固相的平均成分与液相成分一致，没有溶质聚集，不产生成分过冷，故以平直界面方式凝固。有溶质聚集，不产生成分过冷，故以平直界面方式凝固。如二元共晶合金中包含杂质，或有第三合金元素存在，共晶如二元共晶合金中包含杂质，或有第三合金元素存在，共晶凝固长大中，杂质元素在其晶体界面前沿液相中聚集，造成凝固长大中，杂质元素在其晶体界面前沿液相中聚集，造成成分过冷，使共晶界面发展成分过冷，使共晶界面发展(fzhn)成为胞状形态
19、。成为胞状形态。共晶共晶(n jn)凝固中的成分过冷凝固中的成分过冷 第21页/共58页第二十二页，共59页。n n 零件的获得途径(tjng)：n n 铸件 n n 铸锭开坯热轧(锻)机加工热处理机加工等工序 n n 铸锭(件)的宏观组织及性能n n 铸锭(件)的缺陷 缩孔与偏析第22页/共58页第二十三页，共59页。1.1.1.1.铸锭铸锭铸锭铸锭(件件件件)的宏观的宏观的宏观的宏观(hnggun)(hnggun)(hnggun)(hnggun)组织组织组织组织 典型宏观典型宏观典型宏观典型宏观(hnggun)(hnggun)组织由表层至中心分为：组织由表层至中心分为：组织由表层至中心分为
20、：组织由表层至中心分为：（1 1）表层细晶区（激冷区）表层细晶区（激冷区）表层细晶区（激冷区）表层细晶区（激冷区chill zonechill zone）：）：）：）：（2 2）柱状晶区形（）柱状晶区形（）柱状晶区形（）柱状晶区形（columnar zonecolumnar zone）：）：）：）：（3 3）中心等轴晶粒区（）中心等轴晶粒区（）中心等轴晶粒区（）中心等轴晶粒区（equiaxed crystal zoneequiaxed crystal zone）：）：）：）：镇镇镇镇静静静静钢钢钢钢：钢钢钢钢液液液液在在在在浇浇浇浇注注注注前前前前用用用用锰锰锰锰铁铁铁铁、硅硅硅硅铁铁铁铁和和
21、和和铝铝铝铝粉粉粉粉进进进进行充分脱氧行充分脱氧行充分脱氧行充分脱氧 。沸沸沸沸腾腾腾腾钢钢钢钢：钢钢钢钢液液液液在在在在浇浇浇浇注注注注前前前前仅仅仅仅用用用用锰锰锰锰进进进进行行行行充充充充分分分分脱脱脱脱氧氧氧氧 ，脱氧不充分。脱氧不充分。脱氧不充分。脱氧不充分。第23页/共58页第二十四页，共59页。铸锭三区的形成铸锭三区的形成(xngchng)1.表面细晶区表面细晶区表面细晶区是与模壁接触表面细晶区是与模壁接触(jich)的液体的液体薄层在强烈过冷的条件下结晶而形成的。强烈薄层在强烈过冷的条件下结晶而形成的。强烈过冷的液体以及模壁及其上的杂质可作为非均过冷的液体以及模壁及其上的杂质可
22、作为非均匀形核的基底，促使形成大量的核心，同时由匀形核的基底，促使形成大量的核心，同时由于细晶区处于过冷的液体中，晶核可以树枝状于细晶区处于过冷的液体中，晶核可以树枝状向各个不同方向长大，因而形成细小、等轴晶向各个不同方向长大，因而形成细小、等轴晶粒。由于细晶区结晶很快，放出的结晶潜热来粒。由于细晶区结晶很快，放出的结晶潜热来不及散失，而使液、固界面的温度急剧升高，不及散失，而使液、固界面的温度急剧升高，使细晶区很快便停止了发展，得到一层很薄的使细晶区很快便停止了发展，得到一层很薄的细晶区壳层。细晶区壳层。第24页/共58页第二十五页，共59页。铸锭三区的形成铸锭三区的形成(xngchng)2
23、.柱晶区柱晶区细晶区形成后，模壁温度细晶区形成后，模壁温度(wnd)升高，散热升高，散热减慢，液体冷速降低，过冷度减小，不再生核。减慢，液体冷速降低，过冷度减小，不再生核。细晶区中生长速度快的晶体可沿垂直模壁的散热细晶区中生长速度快的晶体可沿垂直模壁的散热反方向发展。其侧向生长因相互干扰而受阻，因反方向发展。其侧向生长因相互干扰而受阻，因而形成一次主轴发达的柱状晶。而形成一次主轴发达的柱状晶。具有较大生长速度的柱状晶的晶体学方向在具有较大生长速度的柱状晶的晶体学方向在面心和体心立方晶体中是面心和体心立方晶体中是，在密排六方晶，在密排六方晶体中为体中为第25页/共58页第二十六页，共59页。铸锭
24、三区的形成铸锭三区的形成(xngchng)3.中心等轴晶区中心等轴晶区柱状晶长大过程中，铸锭温度升高，中心液柱状晶长大过程中，铸锭温度升高，中心液体温度逐渐降低至熔点以下，达到一定的过冷度。体温度逐渐降低至熔点以下，达到一定的过冷度。或者，对合金铸锭，由于结晶中固相排出溶质原或者，对合金铸锭，由于结晶中固相排出溶质原子，使液相富集溶质原子，尽管在正温度梯度下子，使液相富集溶质原子，尽管在正温度梯度下也可产生大的成分过冷。在中心过冷液体中，依也可产生大的成分过冷。在中心过冷液体中，依靠外来夹杂可以非均匀形核。此外，由于浇注时靠外来夹杂可以非均匀形核。此外，由于浇注时液体金属的流动、冲刷，可将细晶
25、区的小晶体推液体金属的流动、冲刷，可将细晶区的小晶体推至铸锭中心，或将柱状晶区枝晶的分枝至铸锭中心，或将柱状晶区枝晶的分枝(fn zh)冲断，或树枝晶局部脱落，飘移到中心液体中，冲断，或树枝晶局部脱落，飘移到中心液体中，成为晶核。这些晶核在过冷液体中的生长没有方成为晶核。这些晶核在过冷液体中的生长没有方向性，而形成等轴晶体。等轴晶生长到与柱状晶向性，而形成等轴晶体。等轴晶生长到与柱状晶相遇，便停止生长。相遇，便停止生长。第26页/共58页第二十七页，共59页。铸锭组织铸锭组织(zzh)的的控制控制 铸锭组织对材料性能有重要影响，细小晶粒有好铸锭组织对材料性能有重要影响，细小晶粒有好的强韧性能，
26、粗大晶粒使性能变坏。的强韧性能，粗大晶粒使性能变坏。晶区分布也影响性能，柱状晶纯净、致密，但在晶区分布也影响性能，柱状晶纯净、致密，但在其交界处结合差，聚集杂质，形成弱界面，热加工时其交界处结合差，聚集杂质，形成弱界面，热加工时容易容易(rngy)开裂，故应防止柱晶形成穿晶组织。等开裂，故应防止柱晶形成穿晶组织。等轴晶晶粒间结合紧密，不形成弱界面，有好的热加工轴晶晶粒间结合紧密，不形成弱界面，有好的热加工性。性。铸锭组织（晶粒大小和晶区分布）可通过凝固时铸锭组织（晶粒大小和晶区分布）可通过凝固时的冷却条件来控制。的冷却条件来控制。第27页/共58页第二十八页，共59页。铸锭组织铸锭组织(zzh
27、)的的控制控制 1.影响影响(yngxing)晶晶粒大小的因素粒大小的因素 铸锭组织的晶粒大小指等轴晶的大小和柱状铸锭组织的晶粒大小指等轴晶的大小和柱状晶的粗细，它取决于凝固晶的粗细，它取决于凝固(nngg)时的形核率时的形核率I和和核心长大速度核心长大速度u。可以导出，单位体积中的晶粒。可以导出，单位体积中的晶粒数目为：数目为：Z=0.9(I/u)3/4 即形核率愈大，长大速度愈小，单位体积中即形核率愈大，长大速度愈小，单位体积中晶粒数愈多，晶粒愈细小。晶粒数愈多，晶粒愈细小。在形核率和长大速度的影响中，前者起主导在形核率和长大速度的影响中，前者起主导作用，因此，实际生产中主要通过改变形核率
28、控作用，因此，实际生产中主要通过改变形核率控制晶粒大小。制晶粒大小。第28页/共58页第二十九页，共59页。(1)冷冷却却速速度度液液体体在在铸铸锭锭中中的的冷冷却却速速度度决决定定了了其其凝凝固固时时的的过过冷冷度度。冷冷速速增增大大，结结晶晶过过程程来来不不及及进进行行，结结晶晶在在更更低低的的温温度度下下发发生生，因因而而过过冷冷度度增增大大，形形核核率率增增加加(zngji)。因因此此，随随凝凝固固时时的的冷冷却却速速度度增增加加(zngji)，晶晶粒粒变变细细。冷冷却却速速度度取取决决于于实实际际的的浇浇注注条条件件，包包括括：锭锭模模材材料料、锭锭模模预预热热情情况况、浇浇注注温温
29、度度和和浇浇注注速速度度。如如金金属属模模比比砂砂模模冷冷却却快快、金金属属厚厚模模比比薄薄模模冷冷却却快快、不不预预热热的的冷冷模模比比预预热热的的热热模模冷冷却却快快；同同样样锭锭模模条条件件下下，低低的的浇浇注注温温度度、慢慢的的浇浇注注速速度度比比高高的的浇浇温温、快快的的浇浇速速冷冷却却快快；相相应应在在较较快快冷冷却却的的浇浇注注条条件件下下可可以以得得到到较较大大的的过过冷冷度度，形形成成细细小小的的晶晶粒。粒。1.影响影响(yngxing)晶晶粒大小的因素粒大小的因素第29页/共58页第三十页，共59页。1.影响影响(yngxing)晶粒大晶粒大小的因素小的因素(2)变质处理实
30、际铸锭凝固，主要依靠非均匀形核。变质处理实际铸锭凝固，主要依靠非均匀形核。人为加入形核剂可增加非自发晶核的形核数目，这人为加入形核剂可增加非自发晶核的形核数目，这种处理称为种处理称为(chn wi)变质处理，加入的形核剂称变质处理，加入的形核剂称为为(chn wi)变质剂。通过变质处理可细化铸锭的变质剂。通过变质处理可细化铸锭的晶粒。如以金属模浇注纯铝（纯度晶粒。如以金属模浇注纯铝（纯度99.99%），每立），每立方厘米体积中有方厘米体积中有2个晶粒，加入个晶粒，加入0.2%0.3%Ti，得，得到到170180个晶粒，加入个晶粒，加入0.5%Zr，得到，得到186个晶粒，个晶粒，加入加入0.2
31、%B，得到，得到130个晶粒，显示出细化效果。个晶粒，显示出细化效果。常用的变质剂有高熔点的金属和化合物，如铝合金常用的变质剂有高熔点的金属和化合物，如铝合金中加入中加入Ti，Nb和和TiC，铜合金中加入，铜合金中加入Fe，低合金钢，低合金钢中加入中加入Ti，Al，碳化物等。，碳化物等。第30页/共58页第三十一页，共59页。(3)加加热热温温度度金金属属熔熔化化后后高高于于熔熔点点的的加加热热温温度度叫叫作作过过热热。过过热热对对铸铸锭锭晶晶粒粒大大小小有有重重要要影影响响。一一方方面面(fngmin)过过热热可可使使作作为为非非自自发发形形核核基基底底的的夹夹杂杂熔熔化化，降降低低形形核核
32、率率。另另一一方方面面(fngmin)能能促促使使液液态态金金属属过过冷冷，增增大大过过冷冷度度，使使形形核核率率增增加加。因因此此过过热热的的作作用用要要具具体体分分析析。矛矛盾盾的的主主导导方方面面(fngmin)决决定定于于浇浇注注条条件件，当当锭锭模模冷冷却却能能力力不不大大时时，如如砂砂模模，热热金金属属模模，过过热热减减小小非非自自发发核核心心的的作作用用是是主主要要的的，因因而而使使晶晶粒粒变变得得粗粗大大。而而当当锭锭模模冷冷却却能能力力很很大大，液液体体量量不不多多时时，则则过过热热促促进进过过冷冷的的作作用用是是主主要要的的，可可导导致致晶晶粒粒细细化化，在在一一般般情情况
33、况下，过热使晶粒粗化的作用是主要的。下，过热使晶粒粗化的作用是主要的。1.影响影响(yngxing)晶晶粒大小的因素粒大小的因素第31页/共58页第三十二页，共59页。(4)液液体体金金属属的的振振动动采采用用机机械械振振动动、超超声声波波振振动动和和电电磁磁搅搅拌拌等等措措施施使使液液体体金金属属在在锭锭模模中中运运动动，可可促促使使依依附附在在模模壁壁上上的的细细晶晶脱脱落落，使使柱柱晶晶局局部部折折断断(sh dun)，增加晶核的数目而使晶粒细化。，增加晶核的数目而使晶粒细化。1.影响影响(yngxing)晶粒晶粒大小的因素大小的因素第32页/共58页第三十三页，共59页。2.影响影响(
34、yngxing)晶区分布晶区分布的因素的因素 晶区分布主要指柱状晶区和等轴晶区的分布。细晶区晶区分布主要指柱状晶区和等轴晶区的分布。细晶区壳层很薄，对铸锭性能无重要影响，故不予考虑。柱状晶壳层很薄，对铸锭性能无重要影响，故不予考虑。柱状晶区和等轴晶区的分布取决于散热方向，单向散热使柱晶发区和等轴晶区的分布取决于散热方向，单向散热使柱晶发达达(fd)，而各向散热则形成等轴晶区。散热方向决定于，而各向散热则形成等轴晶区。散热方向决定于铸型中液体的温度梯度，温度梯度大者，单向散热厉害而铸型中液体的温度梯度，温度梯度大者，单向散热厉害而形成柱状晶。形成柱状晶。第33页/共58页第三十四页，共59页。(
35、1)冷冷却却强强度度（或或冷冷却却速速度度）冷冷却却强强度度大大的的模模子子散散热热能能力力强强，造造成成铸铸型型中中的的液液体体有有大大的的温温度度梯梯度度，引引起起发发达达的的柱柱状状晶晶。冷冷却却强强度度由由实实际际的的浇浇注注条条件件决决定定(judng)，故故金金属属模模比比砂砂模模柱柱晶晶发发达达，冷冷模模比比热热模模柱柱晶晶发发达达。(2)液液体体金金属属的的过过热热液液体体金金属属过过热热，增增大大内内外外温温差差和和温温度度梯梯度度，加加强强了了单单向向散散热热。而而且且，过过热热使使液液体体中中部部不不易易形形核核以以形形成成等等轴轴晶晶，延延长长了了柱柱状状晶晶的的生生长
36、长，从从而而得得到到发达的柱状晶区。发达的柱状晶区。(3)外外来来夹夹杂杂或或变变质质剂剂外外来来夹夹杂杂或或变变质质剂剂可可促促使使液液体体中中部形核，形成等轴晶区，使柱状晶区缩小。部形核，形成等轴晶区，使柱状晶区缩小。2.影响晶区分布影响晶区分布(fnb)的的因素因素 第34页/共58页第三十五页，共59页。综合综合(zngh)以上因素对铸锭组织的影响，以上因素对铸锭组织的影响，有以下趋势：有以下趋势：液体金属过热得到粗而长的柱晶，加大液体金属过热得到粗而长的柱晶，加大锭模冷速发展细而长的柱晶，锭模预热得到锭模冷速发展细而长的柱晶，锭模预热得到粗大等轴晶，添加变质剂发展细小等轴晶。粗大等轴
37、晶，添加变质剂发展细小等轴晶。2.影响影响(yngxing)晶区分晶区分布的因素布的因素 第35页/共58页第三十六页，共59页。第36页/共58页第三十七页，共59页。镇静钢锭宏观镇静钢锭宏观(hnggun)(hnggun)组织示意图组织示意图第37页/共58页第三十八页，共59页。沸腾钢锭宏观沸腾钢锭宏观(hnggun)(hnggun)组织示意图组织示意图第38页/共58页第三十九页，共59页。焊缝焊缝(hn fn)(hn fn)区的组区的组织晶粒形态织晶粒形态第39页/共58页第四十页，共59页。铸态和轧制铸态和轧制(zh zh)(zh zh)态晶粒比较态晶粒比较第40页/共58页第四十
38、一页，共59页。铸锭铸锭铸锭铸锭(件件件件)的缺陷的缺陷的缺陷的缺陷(quxin)(quxin)(quxin)(quxin)(1)(1)(1)(1)缩孔缩孔缩孔缩孔 集中缩孔集中缩孔集中缩孔集中缩孔 分散缩孔分散缩孔分散缩孔分散缩孔(疏松疏松疏松疏松(sh sn)(sh sn)(sh sn)(sh sn)(2)(2)(2)(2)偏析偏析偏析偏析 宏观偏析宏观偏析宏观偏析宏观偏析(区域偏析区域偏析区域偏析区域偏析)显微偏析显微偏析显微偏析显微偏析第41页/共58页第四十二页，共59页。(1)(1)(1)(1)缩孔缩孔缩孔缩孔缩孔分类：集中缩孔：缩孔分类：集中缩孔：缩孔分类：集中缩孔：缩孔分类：集
39、中缩孔：分分分分散散散散缩缩缩缩孔孔孔孔(疏疏疏疏松松松松（porosityporosityporosityporosity）)：缩孔类型与金属凝固方式有关：缩孔类型与金属凝固方式有关：缩孔类型与金属凝固方式有关：缩孔类型与金属凝固方式有关：壳壳壳壳状状状状凝凝凝凝固固固固使使使使缩缩缩缩孔孔孔孔集集集集中中中中在在在在冒冒冒冒口口口口，铸铸铸铸件件件件致密。致密。致密。致密。糊糊糊糊状状状状凝凝凝凝固固固固，使使使使缩缩缩缩孔孔孔孔容容容容易易易易在在在在枝枝枝枝晶晶晶晶间间间间分分分分散散散散，形形形形 成成成成 分分分分 散散散散 缩缩缩缩 孔孔孔孔，不不不不 致致致致 密密密密。减减减
40、减 少少少少(jinsho)(jinsho)(jinsho)(jinsho)枝枝枝枝晶晶晶晶，可可可可细细细细化化化化铸铸铸铸件件件件，使使使使铸铸铸铸件件件件致致致致密。密。密。密。实实实实际际际际凝凝凝凝固固固固方方方方式式式式处处处处于于于于上上上上述述述述两两两两种种种种方方方方式式式式之之之之间。间。间。间。第42页/共58页第四十三页，共59页。（a）壳状凝固）壳状凝固(nngg)（b）壳状凝固）壳状凝固(nngg)和糊状凝固和糊状凝固(nngg)（C）糊状凝固）糊状凝固(nngg)第43页/共58页第四十四页，共59页。在不平衡凝固过程中，固相中溶质浓度分布在不平衡凝固过程中，固
41、相中溶质浓度分布不均匀，因而凝固结束，晶体中有成分偏析。因不均匀，因而凝固结束，晶体中有成分偏析。因晶体生长方式不同，发生偏析的区域不同。晶体晶体生长方式不同，发生偏析的区域不同。晶体中存在三类偏析。中存在三类偏析。1.1.宏观宏观(hnggun)(hnggun)偏析偏析(正偏析、反偏析、比重偏正偏析、反偏析、比重偏析析)2.2.显微偏析显微偏析(胞状偏析、枝晶偏析、晶界偏析胞状偏析、枝晶偏析、晶界偏析)第44页/共58页第四十五页，共59页。(2)(2)(2)(2)偏偏偏偏 析析析析 宏观偏析宏观偏析 在在不不存存在在成成分分过过冷冷、晶晶体体以以平平面面(pngmin)方方式式生生长长时时
42、，先先结结晶晶部部分分富富含含高高熔熔点点组组元元，后后结结晶晶部部分分富富含含低低熔熔点点组组元元，晶晶体体宏宏观观各各区区成成分不均匀，此类偏析叫作宏观偏析。分不均匀，此类偏析叫作宏观偏析。a.正正偏偏析析：k01时时铸铸件件成成分分外外层层高高，内层低内层低 c.比比重重偏偏析析：铸铸件件密密度度轻轻者者上上浮浮，重者下沉。重者下沉。第45页/共58页第四十六页，共59页。显微偏析显微偏析显微偏析显微偏析 a.a.a.a.胞胞胞胞状状状状偏偏偏偏析析析析：胞胞胞胞状状状状方方方方式式式式生生生生长长长长的的的的固固固固溶溶溶溶体体体体。k01k01k01k01k01k01k01胞壁处溶质
43、贫化。胞壁处溶质贫化。胞壁处溶质贫化。胞壁处溶质贫化。b.b.b.b.枝枝枝枝晶晶晶晶偏偏偏偏析析析析：非非非非平平平平衡衡衡衡凝凝凝凝固固固固枝枝枝枝晶晶晶晶生生生生长长长长，枝枝枝枝干干干干间间间间成成成成分分分分不不不不均均均均匀匀匀匀。枝枝枝枝晶晶晶晶偏偏偏偏析析析析可可可可用用用用扩扩扩扩散散散散退退退退火火火火来来来来消消消消除除除除(xioch)(xioch)(xioch)(xioch)，扩扩扩扩散散散散退退退退火火火火时时时时间间间间：t=0.467/Dt=0.467/Dt=0.467/Dt=0.467/D；T T T T一一一一定定定定，D D D D定定定定值值值值，减减减
44、减小小小小，t t t t 下下下下降降降降，快快快快速速速速凝凝凝凝固固固固来来来来抑抑抑抑制制制制枝枝枝枝晶晶晶晶生生生生长长长长；热热热热锻锻锻锻，热热热热轧轧轧轧来来来来破破破破碎碎碎碎枝枝枝枝晶晶晶晶。一一一一定定定定，可可可可以以以以使使使使T T T T升升升升高高高高，D D D D升升升升高高高高，t t t t 下下下下降降降降，采采采采用用用用固固固固相相相相线线线线下下下下尽尽尽尽可可可可能高的温度。能高的温度。能高的温度。能高的温度。c.c.c.c.晶界偏析：晶界上富集溶质原子晶界偏析：晶界上富集溶质原子晶界偏析：晶界上富集溶质原子晶界偏析：晶界上富集溶质原子第46页
45、/共58页第四十七页，共59页。偏析对金属的性能有不利影响，应加以控制。偏析对金属的性能有不利影响，应加以控制。根据偏析的形成机理，可以从如下几个方面对偏析加以根据偏析的形成机理，可以从如下几个方面对偏析加以控制：控制：（1）提高冷却速度。研究表明，加快冷却速度，缩短提高冷却速度。研究表明，加快冷却速度，缩短凝固时间，不使溶质有足够的时间析出，可以减轻偏析。凝固时间，不使溶质有足够的时间析出，可以减轻偏析。（2）调整合金成份。不同的溶质元素具有不同的偏析调整合金成份。不同的溶质元素具有不同的偏析倾向，一个元素的偏析倾向可用该元素在凝固金属中的倾向，一个元素的偏析倾向可用该元素在凝固金属中的浓度
46、与液相中的浓度比浓度与液相中的浓度比K来表示。来表示。K值越小，则先后凝固值越小，则先后凝固的固相成份差别越大。另外，元素在固体的固相成份差别越大。另外，元素在固体(gt)金属中金属中的扩散越大，越有利于先后凝固层之间的元素均匀化，的扩散越大，越有利于先后凝固层之间的元素均匀化，降低偏析程度。降低偏析程度。偏析的控制偏析的控制(kngzh)第47页/共58页第四十八页，共59页。（3）采用合理的金属锭（坯）结构。研究表明采用合理的金属锭（坯）结构。研究表明(biomng)，钢锭的高度越大，固，钢锭的高度越大，固-液两相区的液液两相区的液体金属的静压力越大，造成流动循环加剧，偏析加体金属的静压力
47、越大，造成流动循环加剧，偏析加重。重。（4）合理选用工艺参数。适当降低铸温和铸速，合理选用工艺参数。适当降低铸温和铸速，有利于减轻偏析。有利于减轻偏析。（5）引入机械和电磁力的作用减轻偏析。在液固引入机械和电磁力的作用减轻偏析。在液固交界面树枝晶的生长过程中，施加外力，打碎枝晶，交界面树枝晶的生长过程中，施加外力，打碎枝晶，细化晶粒，可减轻偏析。细化晶粒，可减轻偏析。偏析的控制偏析的控制(kngzh)第48页/共58页第四十九页，共59页。一一.单向凝固技术单向凝固技术 单向凝固技术是根据凝固理论，通过控制散热方向单向凝固技术是根据凝固理论，通过控制散热方向和温度梯度，使凝固从铸件的一端开始，
48、沿陡峭的温和温度梯度，使凝固从铸件的一端开始，沿陡峭的温度梯度方向逐步进行，从而获得具有方向性的柱状晶度梯度方向逐步进行，从而获得具有方向性的柱状晶或自生复合材料（如共晶合金等）的一种凝固技术。或自生复合材料（如共晶合金等）的一种凝固技术。单向凝固的技术关键单向凝固的技术关键(gunjin)(gunjin)是保持固液界是保持固液界面以平面状向前推进，因此，界面前方的液相必须具面以平面状向前推进，因此，界面前方的液相必须具有很大的温度梯度。这可以从两个方面采取工艺措施有很大的温度梯度。这可以从两个方面采取工艺措施来实现：一是加快对已凝固固相的冷却；二是对未凝来实现：一是加快对已凝固固相的冷却；二
49、是对未凝固的液相加热，使其保持较高的温度。固的液相加热，使其保持较高的温度。常用的单向凝固方法有：功率降低法，高速凝常用的单向凝固方法有：功率降低法，高速凝固法和液态金属冷却法等。下图固法和液态金属冷却法等。下图1 1为功率降低法原理为功率降低法原理示意图，图中：示意图，图中：1.1.保温盖，保温盖，2.2.感应加热圈，感应加热圈，3.3.玻璃布，玻璃布，4.4.保温层，保温层，5.5.石墨套，石墨套，6.6.模壳，模壳，7.7.冷却结晶器。下图冷却结晶器。下图2 2为单向凝固法生产的叶片组织为单向凝固法生产的叶片组织(a)(a)与普通精密铸造法与普通精密铸造法生产的叶片组织生产的叶片组织(b
50、)(b)。第49页/共58页第五十页，共59页。功率降低法单向功率降低法单向功率降低法单向功率降低法单向(dn xin)(dn xin)(dn xin)(dn xin)凝固示意图凝固示意图凝固示意图凝固示意图第50页/共58页第五十一页，共59页。(a)(a)(a)(a)功率降低法生产的叶片组织功率降低法生产的叶片组织功率降低法生产的叶片组织功率降低法生产的叶片组织(zzh)(zzh)(zzh)(zzh)(b)(b)(b)(b)普通精铸法生产的叶片组织普通精铸法生产的叶片组织普通精铸法生产的叶片组织普通精铸法生产的叶片组织(zzh)(zzh)(zzh)(zzh)第51页/共58页第五十二页，共