17.晶粒大小的控制

六，晶粒大小的控制

晶粒度：

晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示

不同材料的金属所需要的晶粒大小：

●在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。

●但是，对于在髙温下工作的金属材料，晶粒过于细小性能反而不好，一般希望得到

适中的品粒度。

●对于制造电机和变压器的硅钢片来说，晶粒反而越粗大越好。因为晶粒越大，则其

磁滞损耗越小，效应越高。

表2-3列出了晶粒大小对纯铁机械性能的影响

由表可见，细化晶粒对于提高金属材料的常温机械性能作用很大。

细晶强化：

这种用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。

改变晶粒大小的手段：

此外，除了钢铁等少数金属材料外，其它大多数金属不能通过热处理改变其晶粒度大小，因此通过控制铸造及焊接时的结晶条件，来控制晶粒度的大小，便成为改善机械性能的重要手段。

影响金属结晶时的晶粒大小的因素及原因

●金属结晶时，每个晶粒都是由一个晶核长大而成的。

●晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。

●形核率越大，则单位体积中的晶核数目越多，每个晶粒的长大余地越小，因而长成

的晶粒越细小。同时长大速度越小，则在长大过程中将会形成更多的晶核，因而晶

粒也将越细小。反之，形核率越小而长大速度越大，则会得到越粗大的晶粒。

● 因此，晶粒度取决于形核率N 和长大速度G 之比，比值G

N 越大，晶粒越细小。 ● 根据分析计算，单位体积中的晶粒数目v Z 为43

9.0???

? ??=G N Z v ；为单位面积中的晶粒

数目s Z 为211.1???? ??=G N Z s ● 由此可见，凡能促进形核，抑制长大的因素，都能细化晶粒，相反，凡是抑制形核

促进长大的因素，都便晶粒粗化。

根据结晶时的形核和长大规律，为了细化铸锭和焊缝区的晶粒，在工业生产中可以采用以下几种方法：控制过冷度、变质处理、振动、搅动

过冷度对晶粒大小影响原理：

形核率和长大速度都与过冷度有关，增大结晶时的过冷度，形核率和长大速度均隨之增加，但两者的增大速率不同，形核率的增长率大于长大速度的增长率，如图2-32所示。

在一般金属结晶时的过冷范围内，过冷度越大,则比值G

N 越大，因而晶粒越细小。 如何提高过冷度：

● 增加过冷度的方法主要是提高液态金属的冷却速度。在铸造生产中，为了提高铸件

的冷却速度，通常采用金属型或石墨型代替砂型，增加金属型的厚度，降低金属型的温度，采用蓄热多散热快的金属型，局部加冷铁，以及采用水冷铸型等。

● 增加过冷度的另一种方法是采用低的浇注温度、减慢铸型温度的升高，或者进行慢

浇注，这样做一方面可使铸型温度不致升高太快，另一方而由于延长了凝固时间，晶核形成的数目增多，结果即可获得较细小的晶粒。

增大过冷度的方法只对小铸件有效：

用增加过冷度的方法细化晶粒只对小型或薄壁的铸件有效，而对较大的厚壁铸件就不适用。因为当铸件断面较大吋，只是表面冷得快，而心部冷得很慢，因此无法使整个铸件体积内都获得细小而均匀的晶粒。

两类变质剂并举例：

1.变质处理是在浇注前往液态金属中加入形核剂（又称变质剂），促进形成大量的非

均匀晶核来细化晶粒。

2.例如在铝合金中加入钛和锆，在钢中加入钛、锆、钒，在铸铁中加入硅铁或硅钙合

金就是如此。表2.4说明某些铸造铝合金中加入B、Zr、Ti等变质剂后晶粒细化的情况。

3.还有一类变质剂，它虽不能提供结晶核心，但能起阻止晶粒长大的作用，因此又称

其为长大抑制剂。

4.例如将钠盐加入Al—Si合金中，钠能富集于硅的表面，降低硅的长大速度，使合金

的组织细化。

振动搅拌细化晶粒原理：

对即将凝固的金属迸行振动或搅动，一方而是依靠从外面输入能量促使晶核提前形成，另一方面是使成长中的枝晶破碎，使晶核数目增加，这已成为一种有效的细化晶粒组织的重要手段。

振动搅拌的4种方法：

进行振动或搅动的方法很多，例如用机械的方法便铸型振动或变速转动；便液态金属流经振动的浇铸槽；进行超声波处理；在焊枪上安装电磁线圈，造成晶体和液体的相对运动等等，均可细化晶粒组织。