(材料成形原理液态成形原理)影响晶粒结构的因素

(成形原理液态成形原理)6.3影响晶粒结构的因素6凝固组织及其控制Solidificationstructureandcontrol6凝固组织及其控制6.1晶粒组织6.2铸态宏观组织6.3影响晶粒结构因素←6.4非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶6.5凝固组织控制6.6熔焊金属的凝固6.4影响晶粒结构的因素晶粒的形状、尺寸和取向受四个因素控制成分热流熔体状况流动已讨论过，除非极纯的熔体，均质形核是不大可能发生的。异质形核是最寻常的方式。工业金属的凝固总是异质形核。针对异质形核讨论成分成分决定结晶的根本模式，决定相的组成和分配系数k，决定成分过冷趋势的根本参数〔TL-TS〕/D值。结晶温度范围窄的合金一般为逐层凝固方式，有利于形成柱状晶。凝固时固液共存区域宽的合金，倾向形成等轴晶。导热性能比较差的材料，容易保持较高的温度梯度，如不锈钢、硅钢和高碳钢，柱状晶都比较兴旺。如：不锈钢锭常常是以枝状晶方式长大的单一γ相柱状晶组织，无或很少激冷区热流晶粒的形态决定于界面的稳定性。晶粒的尺寸决定于结晶中心〔异质形核和枝晶断臂〕数目和晶体长大速度的比值。它们都取决于冷却速度〔K/s〕凝固速度〔m/s〕和温度梯度〔K/m〕值，都受热流控制。热流也是决定成分过冷趋势的一个根本参数。一个铸件凝固时可能出现多种热流条件，因此可能形成多种晶粒结构。主要考虑冷却速度和G/R值冷却速度在常规条件下，一个根本趋向是冷却速度越高，凝固速度越大，凝固组织越细化，固态相变阶段也如此。合金的枝晶臂间距主要取决于其冷却速度。在所有结晶过程，缓慢地冷却时，形核速度总是低于长大速度，晶体有比较充分的生长条件，亦有利于柱状晶生长。冷却速度的影响因素冷却速度受浇注温度，铸型材料，铸型温度和铸件尺寸和结构等影响。浇注温度是容易控制的因素。低温浇注有利于增加结晶中心〔异质形核〕，形成等轴晶和细化晶粒。加大导热速度已经是实用技术。如：在工艺允许时砂型内使用厚冷铁。G/R比值G和R随冷却速度提高而增大，对晶粒结构的影响取决于其比值G/R。足够高的G/R值和激冷都有利于形成柱状晶。难以简单地根据凝固条件对G/R比值作出预测，要准确计算，或通过实验确定。碳钢、铸铁、铜和铝合金等常用材料的砂型铸件通常壁厚比较薄，一般得到全部等轴晶。而在一个薄壁金属型中制造锌铸件，浇注后铸型立即浸入冷水中，凝固速度很大，但温度梯度也很大，得到的几乎全部是柱状晶组织。G/R值与晶粒结构关系，需要具体问题具体。连续铸钢方坯晶粒组织与凝固速率的关系p191案例6.3外沿薄层区域1凝固速度高达1.5mm/s，形成外激冷层。凝壳的收缩形成气隙，严重地降低冷却速度，区域2的凝固速度迅速下降到0.8mm/s以下。这时温度梯度大，S/L界面稳定性提高，择优生长机制，形成柱状晶区2。中心区域3是粗的等轴晶区。两个因素的影响：铸坯中部液相温度梯度减小，凝固区域加宽；中心区域合金元素富集，枝晶碎片增多。利于等轴晶生长，凝固速度明显加大。136×136mm方坯晶粒形态对凝固速度和冷却速度存在依赖关系熔体状况熔体状况影响凝固组织主要包括异质核的数量和熔体结构两个方面。熔化后过热〔superheat〕对异质核数量-结晶中心有重要影响。过热将熔化或钝化可以成为晶核的微粒。一般地，晶粒尺寸将随熔体过热度增高而增加，并有利于柱状晶生长。熔体的结构，包括短程序的状况的影响，研究中。流动所有促使晶体脱落和保全的因素，都有利于获得等轴晶。流动是重要的影响因素。流动影响晶粒结构的机制：冲断分枝，并移动断臂至内部；对流加速温度均匀，a.熔断分枝b.消除过热，使断臂能在新的部位继续生长而不被熔化。分枝粗化与缩颈现象了解二次枝晶臂间距大小的关键溶质富集，熔点降低；阻碍生长，伸出后生长快，留下“缩颈〞-枝晶根部较细；缩颈熔点低，易熔断，间距增大；ZG4Cr25Ni40(HK-40)钢离心铸管铸态宏观组织p194案例6.4柱状晶的迎流生长-凝固组织的一种常见现象。流动的冲刷，利于去除凝固前沿的溶质富集，利于晶体生长，使晶体迎着流动方向生长。ZG4Cr25Ni40(HK-40)钢离心铸管铸态宏观组织大型钢锭中下部的球形等轴晶区的形成，与流动冲刷的碎晶，沉积有密切关系。导致形成负偏析，这是钢锭凝固中公认的现象。案例：大型钢锭负偏析区Endof6.4