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第4章 铸件结晶组织的形成与控制 东北大学秦皇岛分校 林晓娉教授 铸件结晶组织形成与控制 §4-1 铸件宏观组织的形成及影响因素 铸件宏观组织的形成及影响因素 自1954 年Winegand 和Chalmers 提出假设以来，人们对于三个晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为： 4.1.1铸件结晶中的晶粒游离 4.1.1铸件结晶中的晶粒游离 铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式： 4.1.1铸件结晶中的晶粒游离 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。 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。 5.1.1铸件结晶中的晶粒游离 4.1.2表面细晶区的形成 4.1.2表面细晶区的形成 4.1.3柱状晶区的形成 紧贴铸型表面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 。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。 4.1.3柱状晶区的形成 4.1.4内部等轴晶的形成 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 4.1.4内部等轴晶的形成 这个理论是Winegand 和Chalmers 于1954 年提出来的该理论认为，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。 4.1.4内部等轴晶的形成 Jackson 等人提出，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。 Southin(索辛)、osenhain（罗逊汉）等人则认为，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。 4.1.4内部等轴晶的形成 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。 等轴晶体即便在浇注过程中没有来得及形成，那么浇洼完毕凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液也会产生对流，依靠对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部，图5-5 是产生这种对流的示意图。 4.1.4内部等轴晶的形成 2 关于等轴晶区的形成过程： （1）索新（Southin）等人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）富兰杰克逊（Fredikesson）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）我国学者，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。 4.1.4内部等轴晶的形成 无论是关于等轴晶晶核的来源问题，还是等轴晶区形成的具体过程问题，上述各理论与看法均有自己的实验根据，然而也受到各自实验条件的限制。关于等轴晶区的形成过程比较统一的看法是，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