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1、第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制,第一节 铸件的宏观组织第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成第三节 内部等轴晶的形成机理第四节 铸件宏观结晶组织的控制第五节 焊接熔池凝固及控制,第一节 铸件的宏观组织,激冷晶区的晶粒细小;柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.内部等轴晶区的晶粒较为粗大;,图5-1 几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶,大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特
2、别是存在着溶质及杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。,柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形成机理。,第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成,一、表面激冷区的形成二、柱状晶区的形成,一、表面激冷区的形成,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,各种形式的晶粒游离也是形成表面细等轴晶的“晶核”来源
3、。这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。,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，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此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。,二、柱状晶区的形成,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。,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
4、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。,柱状晶生长过程的动态演示,柱状晶生长过程的动态演示,第三节 内部等轴晶的形成机理,一、“成分过冷”理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论三、枝晶熔断及结晶雨理论四、单个等轴晶形成过程的动态演示,一、“成分过冷”理论,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。,a)7500C水淬,摇动 b)在坩埚中置一不锈钢筛网大野笃美的实验,二、激冷等轴
5、晶型壁脱落与游离理论,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。,图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离a)晶体密度比熔体小的情况;b)晶体密度比熔体大的情况,为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢?,溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有“脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳,另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断“脖颈”，使晶体脱落并游离出去。,图5-6 晶体与型壁交会处产生“脖颈”促使晶体发生脱落而游离,图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖
6、,三、枝晶熔断及结晶雨理论,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。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。,目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用。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。,四、单个等轴晶形成过程的动态演示,各向同性，多方向生长 各向异性，四向生长 各向异性，六向生长 各向异性，双核生长,第
7、四节 铸件宏观结晶组织的控制,思路:晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的程度这两个基本条件综合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离，以及有助于游离晶的残存与增殖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。,一、合理地控制浇注工艺和冷却条件二、孕育处理三、动力学细化,合理的浇注工艺冷却条件的控制,合理的浇注工艺,浇注温度浇注方式,合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生
8、。,通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。,铸型中间浇注 单孔上注 沿型壁六孔浇注,图5-8 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织,低温铸造,水流冷却的斜板浇注方法,冷却条件的控制,控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度GL和高的冷却速度R可以满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二者不可兼得。,对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。,对厚壁铸件，一般采用冷却能力小的铸型以确保等轴晶的形成，再辅以其他晶粒细化措施
9、以得到满意的效果。悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的R的要求。,悬浮浇注法是在浇注过程中将一定量的固态金属颗粒加入到金属液中，从而改变金属液凝固过程，达到细化组织、减小偏析、减小铸造应力的目的的一种工艺方法。,悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统,料斗,离心集液包,直浇道,悬浮浇注法的特点,1)显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性；2)减小凝固收缩，使冒口减小1535%；3)减少缩松，提高铸件致密性；4)减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；5)改善宏观偏析；6)提高凝固速度，改善铸型受热状况；7)可以实现浇注过程合金化。,技术原理：通过加入金属颗粒与金属液的物理化学、晶体学和热
10、作用，强制金属液生核，并改变铸型中金属液的温度分布，从而改变金属凝固方式。适用范围：各种铸钢件、铸铁件、及有色合金件。不需要特殊设备，仅要求简单辅助工装。,二、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)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（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，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。,孕育剂作用机理的两类观点,孕育主要起非自发形核作用,通过在生长界面前沿的
11、成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。,孕育剂含有直接作为非自发生核的物质 孕育剂能与液相中某些元素反应生成较稳定的化合物而产生非自发生核在液相中造成很大的微区富集而迫使结晶相提前弥散析出而生核,表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况,孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）,孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳的细化效果。当细化效果达到最佳值时浇注是最理想的，随合金熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果所需要
12、的时间也不同。,几乎所有的孕育剂都有在孕育处理后一段时间出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般处理温度越高，孕育衰退越快，在保证孕育剂均匀散开的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。,三、动力学细化,1铸型振动2超声波振动3液相搅拌4流变铸造,1铸型振动,在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核心。离心铸造时若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作用。振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。振动铸型可促使“晶雨”的形
13、成。,立式离心铸造机,2超声波振动,超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。,3液相搅拌,采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。,连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。,4流变铸造,流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液
14、体金属凝固达5060时，在氩气保护下进行高速搅拌，使金属成为半固态浆液，将半固态浆液凝固成坯料或挤压至铸型凝固成形。其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，机械性能显著提高。,这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有较好的流动性而容易成形。因为它的温度远低于液相线温度，所以对于黑色金属的压铸件来说，能大大减轻金属对模具的热冲击，提高压铸模具的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。,传统铸造a）和流变铸造b）所获得的显微组织,第五节 焊接熔池凝固及控制,一、熔池凝固条件二、熔池结晶特征三、熔池结晶组织的细化,一、熔池凝固条件,体积小、冷速快 温差大、过热度高 动态凝固过程 液态金属对流激烈,1.熔池金
15、属的体积小，冷却速度快,在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3，重量不超过100g;周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达4100/s，远高于一般铸件的冷却速度;由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。,2.温差大、过热温度高,熔池金属中不同区域因加热与冷却速度很快，熔池中心和边缘存在较大的温度梯度，例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，熔池中心温度高达21002300，而熔池后部表面温度只有1600左右，熔池平均温度为1700100。由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少，这也促使焊缝
16、柱状晶的发展。,3.动态凝固过程,处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池前进。,图5-11 熔池的运动状态下结晶,4.液态金属对流激烈,熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属成分分布的均匀化与纯净化。,二、熔池结晶特征,联生结晶 柱状晶生长方向与速度的变化 熔池凝固组织形态的
17、多样性,1.联生结晶,在熔池中存在两种现成固相表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在正常情况下所起作用不大）；另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生长)。,2.柱状晶生长方向与速度的变化,典型的焊接熔池形状像不标准的半椭球。熔池的形状和大小，受母材的热物理性质、尺寸和焊接方法以及工艺参数等因素的影响。焊接速度增大,L增加,Bmax减小.,熔池的最大散热方向是液相等温线的法线方向,晶体生长方向与最大散热方向正好相反,因此在生长过程中不断改变方向,形成弯曲状柱状晶。生长速度R与焊接速度满足关系式:,在
18、熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中 H 和F点）,晶粒生长线速度R为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（D点），晶粒生长速度R与焊接速度相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。,焊接速度大时，焊接熔池长度增加,柱状晶趋向垂直于焊缝中心线生长;焊接速度越慢,柱状晶越弯曲。,最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。,焊接速度快 焊接速度慢,3.熔池凝固组织形态的多样性,在熔池两侧翼边界，由于结晶速
19、度R非常小，温度梯度G较大，G/R 则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。,随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时,结晶速度R逐渐增大，而温度梯度G减小,G/R 逐步减小，成分过冷逐渐增大，平面生长将转为胞状生长；,随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。,三、熔池结晶组织的细化,通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面 1变质处理 通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如B、Mo、V、Ti、Nb等),作为熔池中非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。2振动结晶 采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁搅拌。3焊接工艺 采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方法是小线能量、多层焊和锤击焊道表面等。,本章结束,
