【正文】 組織的重要參數(shù)：片間距 λ 2022/4/11 84 ?非規(guī)則共晶凝固 以 FeC合金中共晶滲碳體的非規(guī)則生長為例： 先是共生生長，由于兩相生長速率不一，以離異共晶生長方式進行。 FeC合金按照冷卻速度的不同，而分別遵循FeFe3C和 FeC(石墨 )的 介穩(wěn)定系 和 穩(wěn)定系結晶 。 快冷 ： (1)滲碳體－奧氏體板狀共晶 。 (2)滲碳體樹枝晶的側向生長導致桿狀共晶。 2022/4/11 85 緩冷 ： 灰鑄鐵中石墨長成片狀，與石墨的晶體結構有關。 同樣成分的 FeC合金，當冷卻速度比較緩慢時，共晶轉變時形成石墨和奧氏體共晶團組織，片狀石墨是互相連接的，奧氏體相充填其間。 2022/4/11 86 金屬基復合材料的凝固 鑄件凝固組織的形成與控制 鑄件的 宏觀結晶組織 指的是鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布等情況；鑄件 微觀結構 的概念包括晶粒內部的結構形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結構形態(tài)，共晶團內部的兩相結構形態(tài)，以及這些結構形態(tài)的細化程度等。 鑄件的組織由合金成分和凝固條件決定 。 1) 鑄件宏觀凝固組織的特征及形成機理 決定鑄件性能的重要因素是柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的相對量。 2022/4/11 87 鑄型壁附近熔體受到強烈的激冷作用而大量形核，形成無方向性的表面細等軸晶組織，也叫“激冷晶”。 細化程度取決于： ?型壁散熱條件所決定的 過冷度和凝固區(qū)域的寬度 ； ?型壁附近熔體內大量的 非均勻形核 ； ?各種形式的 晶粒游離 。 前提 ： 抑制 鑄件形成 穩(wěn)定的凝固殼層 凝固殼層 → 界面處晶粒單向散熱 → 晶粒逆熱流方向擇優(yōu)生長而形成柱狀晶。 2022/4/11 88 該區(qū)從表面細晶粒區(qū)形成并發(fā)展起來，穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，處在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的單向熱流作用下，以枝晶狀延伸長大 。 由于各枝晶主干方向各不相同，那些主干與熱流方向相平行的枝晶，較之取向不利的相鄰枝晶生長得更為迅速，它們優(yōu)先向內伸展并抑制相鄰枝晶的生長。在逐漸淘汰掉取向不利的晶體過程中發(fā)展成柱狀晶組織－ 擇優(yōu)生長 。 2022/4/11 89 控制柱狀晶區(qū)繼續(xù)發(fā)展的關鍵因素是內部等軸晶區(qū)的出現(xiàn)。如果界面前方始終不利于等軸晶的形成及生長，則柱狀晶區(qū)可以一直延伸到鑄件中心，直到與對面型壁長出的柱狀晶粒相遇為止，從而形成所謂的“ 穿晶組織 ”。 對于純金屬，鑄態(tài)組織常常全部為柱狀晶。 穩(wěn)定凝固殼層 產生 → 柱狀晶區(qū) 開始 內部等軸晶區(qū) 形成 → 柱狀晶區(qū) 結束 2022/4/11 90 c. 內部等軸晶區(qū)的形成 等軸晶區(qū)的形成是熔體內部晶核自由生長的結果。 形核 是發(fā)生柱狀晶向等軸晶轉變的必要條件。 最早， Winegard和 Chalmers以成分過冷理論為基礎，提出了柱狀晶前沿液相成分過冷區(qū)內非自發(fā)形核的理論。 隨后， Calmers接受了 Genders早期的思想，提出激冷區(qū)內形成的晶核卷人并增殖的理論。 此外， Jackson等提出枝晶熔斷理論， Southin提出“晶雨”理論。 Ohno等則認為凝固殼形成之前型壁上晶體的游離并增殖是中心等軸晶核的主要來源。 澆注期間和凝固初期的激冷晶游離隨著液流漂移到鑄件心部，通過增殖，長大形成內部等軸晶。 2022/4/11 91 “ 縮頸 ”現(xiàn)象： 溶質濃度再分配 →界面前沿液態(tài)金屬凝固點降低 →實際過冷度減小。 溶質偏析程度越大，實際過冷度就越小，其生長速度就越緩慢。 晶體 根部 緊靠型壁，溶質在液體中擴散均化的條件最差，偏析程度最為嚴重，生長受到強烈抑制。 遠離根部 ，界面前方的溶質易于通過擴散和對流而均勻化，面臨較大的過冷，其生長速度要快得多。故在晶體生長過程中將產生根部“ 縮頸 ”現(xiàn)象，生成頭大根小的晶粒。 熔點最低而又最脆弱的縮頸極易斷開，晶粒自型壁脫落而導致晶粒游離 。 2022/4/11 92 鑄件中三晶區(qū)的形成 相互聯(lián)系、彼此制約 。 穩(wěn)定凝固殼層 的產生決定著表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)的過渡，而阻止柱狀晶區(qū)進一步發(fā)展的關鍵則是 中心等軸晶區(qū) 的形成。 晶區(qū)的形成和轉變是 過冷熔體獨立形核能力和 各種形式晶粒游離、漂移與沉浮的程度 這兩個基本條件綜合作用的結果。決定了鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細 。 2022/4/11 93 2) 鑄件宏觀凝固組織的控制 表面細晶粒區(qū)薄，對鑄件的質量和性能影響不大。 鑄件的質量與性能主要取決于柱狀晶區(qū)與等軸晶區(qū)的 比例 以及晶粒的 大小 。 （ 1）柱狀晶： 生長過程中凝固區(qū)域窄，橫向生長受到相鄰晶體的阻礙，枝晶不能充分發(fā)展，分枝少，結晶后顯微縮松等 晶間雜質少 ，組織致密 。 但柱狀晶比較 粗大，晶界面積小， 排列位向一致，其性能具有明顯的 方向性 ：縱向好、橫向差。凝固界面前方常匯集有較多的第二相雜質、氣體 ，將導致鑄件 熱裂 。 2022/4/11 94 （ 2）等軸晶： 晶界面積大，雜質和缺陷分布比較分散，且各晶粒之間位向也各不相同，故 性能均勻而穩(wěn)定，沒有方向性 ；枝晶比較發(fā)達，顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。 細化能使雜質和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。 晶粒越細綜合性能越好 。 對塑性較好的有色金屬或奧氏體不銹鋼錠 ， 希望得到較多的 柱狀晶 ， 增加其致密度 ； 對一般鋼鐵材料和塑性較差的有色金屬鑄錠 ， 希望獲得較多的甚至是全部 細小的等軸晶 組織 ； 對于高溫下工作的零件 ， 通過 單向結晶 消除橫向晶界 ， 防止晶界降低蠕變抗力 。 2022/4/11 95 b. 鑄件宏觀組織的控制途徑和措施 單相合金凝固過程中形成的柱狀晶和等軸晶兩種典型凝固組織各有不同的力學性能，因此晶粒形態(tài)的控制是凝固組織控制的關鍵，其次是晶粒尺寸。 一般鑄件希望獲得全部等軸晶組織（ 各向異性 ， 高溫結構件除外 ）。 晶粒形態(tài)的控制主要是通過形核過程的控制實現(xiàn)的。促進形核的方法包括 澆注過程控制方法、化學方法、物理方法、機械方法、傳熱條件控制方法 等。 （ 1） 控制澆注條件 ① 低的澆注溫度。熔體的過熱度較小，與澆道內壁接觸就能產生大量的游離晶粒。有助于已形成的游離晶粒的殘存，這對等軸晶的形成和細化有利。 ② 合理的澆注工藝。 強化液流沖刷 型壁能擴大并細化等軸晶區(qū)。 ③合理控制冷卻條件。 ④選用合適的鑄型。 2022/4/11 96 （ 2）加入生核劑 —— 孕育處理 孕育 — 向液態(tài)金屬中添加少量物質以達到增加晶核數(shù)、細化晶粒、改善組織之目的的一種方法。 Inoculation 變質 — 加入少量物質通過元素的選擇性分布而改變晶體的生長形貌，如球化或細化。 Modification a）直接作為外加晶核； b）通過與液態(tài)金屬的相互作用而產生非均勻晶核； －能與液相中某些元素組成較穩(wěn)定的化合物； －通過在液相中造成大的微區(qū)富集而使結晶相提前彌散析出。 c) 加入強成分過冷元素生核劑。 －溶質富集、成分過冷會抑制晶體生長，促進非均勻形核導致晶粒細化。 （ 3） 動態(tài)晶粒細化 熔體在凝固過程中存在長時間、激烈的對流 →晶?；蛑撀洹⑵扑?、游離、增殖。 振動 －－機械振動、電磁振動、音頻或超聲波振動； 攪拌 －－機械、電磁攪拌； 旋轉振蕩 －周期性地改變鑄型的旋轉方向和旋轉速度。 2022/4/11 97 The end 作業(yè)： p14917, 20, 23 2022/4/11 98 LOGO Add your pany slogan 2022/4/11 99