9 铸件的宏观组织
铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的它们的形成机理如何
1.铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何?
答：铸件的宏观组织通常由激冷晶区、柱状晶区和内部等轴晶区所组成。
表面激冷区的形成：当液态金属浇入温度较低的铸型中时，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。
这些晶核在过冷熔体中也以枝晶方式生长，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。
柱状晶区的形成：在结晶过程中由于模壁温度的升高，在结晶前沿形成适当的过冷度，使表面细晶粒区继续长大（也可能直接从型壁处长出），又由于固-液界面处单向的散热条件（垂直于界面方向），处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流的作用下，以表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底，呈枝晶状单向延伸生长，那些主干取向与热流方向相平行的枝晶优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长，在淘汰取向不利的晶体过程中，发展成柱状晶组织。
内部等轴晶的形成：内部等轴晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。
随着柱状晶的发展，熔体温度降到足够低，再加之金属中杂质等因素的作用，满足了形核时的过冷度要求，于是在整个液体中开始形核。
同时由于散热失去了方向性，晶体在各个方向上的长大速度是相等的，因此长成了等轴晶。
铸造-宏观凝固组织
第一章：铸造凝固组织的形成和控制1.1铸件宏观凝固组织的特征1.1.1特征根据液态金属的成份、铸型的性质、浇注及冷却条件，宏观凝固组织一般包括如下三个部分：表面细晶区，中间柱状晶去，内部等轴晶区。
图：p97 图8-1，b），（1）表面细晶区：紧靠铸型型壁的激冷组织，因此也称激冷区；由无规则的细小等轴晶组成。
特点：非常薄，只有几个晶粒厚。
(2) 中间柱状晶区：紧连细晶区；垂青于型壁（散热方向）；彼此平行排列；断面形状为柱状。
特殊情况：全部是柱状晶区，p97 图8-1，a）（3）内部等轴晶区：各相同性；没有方向性；晶粒尺寸远大于表面细晶区。
特殊情况：全部是等轴晶区：表面细晶区的数量非常小，对工件的整体性能影响不大，而柱状晶区和内部等轴晶区的数量非常大，因此，材料的性能主要取决于这两个相的相对比例。
具体的影响下面再谈。
1.1.2 铸件结晶组织对铸件性能的影响：（1）表面细晶区：特点：晶粒细且没有方向性；性能非常好；非常薄——几个晶粒的厚度:小于1mm。
对铸件性能的影响：对于薄壁铸件：如厚度在4~6mm的铸件，具有一定的意义对于大部分铸件：意义不大，这个厚度所占比例非常小：结论：一般不给与特别重视。
对于特别薄的铸件有一定的意义。
（2）中间柱状晶区：特点：a）晶粒长、粗大、晶界面积小、排列位向一致，b）杂质、非金属夹杂、气体等，一般存在在结晶界面上，特别是最后结晶的界面上。
而在柱状晶区，这些杂质主要存在于柱状晶与柱状晶或柱状晶与等轴晶的界面上，形成性能弱面。
C）进一步的加工，如塑性加工或轧制：在杂质较多的结合界面上产生裂纹。
性能：有方向性；纵向好，横向差；有性能弱面。
结论：一般情况下尽量避免。
特殊情况下充分利用。
举例：高锰钢锤头锤柄。
工况条件，旋转，打击、破碎。
高锰钢成分：Mn=13，C=1.2高锰钢锤头结构及组织示意图性能：韧性非常好，同时加工硬化。
实际生产中遇到的问题：但是浇注出来的铸件，拿锤子一砸就断。
铸件及焊缝的宏观组织及控制
未来发展趋势与挑战
01
02
03
04
技术创新
随着新材料、新工艺的发展， 铸件和焊缝的质量和性能将得
到进一步提升。
环保要求
随着环保意识的提高，绿色铸 造和焊接技术将受到更多关注
，以降低对环境的影响。
智能化发展
智能化铸造和焊接设备的研发 和应用将提高生产效率和产品
质量。
质量控制
对铸件和焊缝的质量要求将更 加严格，需要加强质量控制和源自力学性能测试1 2
拉伸试验
测试铸件或焊缝在拉伸载荷下的强度、延伸率等 性能指标。
弯曲试验
测试铸件或焊缝在弯曲载荷下的强度、韧性等性 能指标。
3
冲击试验
通过冲击载荷测试铸件或焊缝的韧性、抵抗断裂 的能力。
04
铸件及焊缝的应用与发展趋势
铸件的应用领域
机械制造
铸件广泛应用于各种机械设备的关键部件，如发 动机、减速器等。
热处理工艺控制
热处理温度选择
01
合适的热处理温度可以改变材料的组织结构和性能，以满足使
用要求。
加热和冷却速度控制
02
加热和冷却速度对热处理效果有重要影响，需要严格控制。
保温时间确定
03
保温时间的长短会影响材料的组织和性能，需要根据实际情况
确定。
03
铸件及焊缝的质量检测与评估
外观检测
表面粗糙度
检测铸件或焊缝表面的平滑度， 判断其加工质量。
检测技术的研究和应用。
THANKS
感谢观看
尺寸精度
测量铸件或焊缝的尺寸，确保其符 合设计要求。
形状误差
检查铸件或焊缝的形状是否符合设 计图纸，有无扭曲、弯曲等缺陷。
9.2.2 铸件宏观凝固组织的控制
二、柱状晶区的形成
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产 • 稳定的凝固壳层一旦形成，柱状
生，而结束于内部等轴晶区的形成。 晶就直接由表面细等轴晶凝固层 因此柱状晶区的存在与否及宽窄程 某些晶粒为基底向内生长，发展 度取决于上述两个因素综合作用的 成由外向内生长的柱状晶区。枝 结果。如果在凝固初期就使得内部 晶主干取向与热流方向平行的枝 产生等轴晶的晶核，将会有效地抑 制柱状晶的形成。 晶生长迅速 。
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制 24
料斗
悬浮浇注法是在浇注
过程中将一定量的
固态金属颗粒加
离心集液包
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
直浇道
应力的目的的一种工
悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
艺方法。
25
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
第一节 铸件的宏观组织
内部等轴晶区 表层急冷晶区
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.
中间柱状晶区
内部等轴晶区 的晶粒较为粗大;
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
1
图5-2 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
一、 表面激冷区的形成 二、 柱状晶区的形成
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
4
一、表面激冷区的形成
• 型壁附近熔体由于受到强烈的 一旦型壁附近的晶粒互相连结而 激冷作用，产生很大的过冷度而 构成稳定的凝固壳层，凝固将转为 大量非均质生核,各种形式的晶粒 柱状晶区由外向内的生长，表面激 游离也是形成表面细等轴晶的 “晶核”来源。这些晶核在过冷 冷细晶粒区将不再发展。因此稳定 熔体中采取枝晶方式生长，由于 的凝固壳层形成得越早，表面细晶 其结晶潜热既可从型壁导出，也 粒区向柱状晶区转变得也就越快， 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。 表面激冷区也就越窄。
9 铸件的宏观组织
11
一、孕育处理2生核4、涂覆铸型3、变质处理 二、动态下的结晶 三、电场作用下结晶 四、铸造条件对凝固组织的影响2 浇注温度、铸型
性质
五、快速凝固2大过冷、急冷 六、定向凝固
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 12
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
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
6
一、表面激冷区的形成
早期的理论 型壁附近熔体由于受 获得表面细晶区的条件：抑制凝固 到强烈的激冷作用，产生很大的过 壳层的形成。 冷度而大量非均质生核。这些晶核 一旦型壁附近的晶粒互相连结而构 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， 成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状 也可向过冷熔体中散失，从而形成 晶区由外向内的生长，表面激冷细晶 了无方向性的表面细等轴晶组织。 粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳 大野笃美：除了非均质形核，各种 层形成得越早，表面细晶粒区向柱状 形式的晶粒游离也是形成表面细等 轴晶的“晶核”来源。溶质再分配 晶区转变得也就越快，表面激冷区也 产生“缩颈”，枝晶熔断脱落。因 就越窄。 此，偏析和流动有利于表面细晶区 铸型激冷能力的双重性 形成。
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 7
二、柱状晶区的形成
柱状晶区是表面细晶区晶体向内单 向延伸生长的结果。 稳定的凝固壳层一旦形成，柱状 根据热流方向择优生长。 晶就直接由表面细等轴晶凝固层 柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产 某些晶粒为基底向内生长，发展 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 成由外向内生长的柱状晶区。枝 度取决于上述两个因素综合作用的 晶主干取向与热流方向平行的枝 结果。如果在凝固初期就使得内部 产生等轴晶 择优生长、内生生长，外生生长、 共生生长、搭桥生长
铸件宏观凝固组织的控制
北京科技大学材料科学与工程学院文献综述电磁场对铸件宏观凝固组织的控制学生姓名：_________________学号：_________________专业班级：_________________批阅教师：_________________成绩：_________________2013年5月电磁场对铸件宏观凝固组织的控制摘要：随着电磁技术的发展，电磁场在控制金属凝固、改善合金组织及性能等方面将越来越重要，电磁场在材料加工方面的应用也越来越广，到目前为止，已经出现了很多种电磁加工方法。
施加复合电磁场有如下几个优点：1)在内结晶器中施加行波搅拌磁场不但能够显著的改善铸坯的凝固组织，而且电磁搅拌力引起的金属熔体强制流动能够提高管坯的内表面以及皮下质量，解决管坯内表面不易进行铣面处理的困难。
2)在外结晶器侧放置中频约束线圈能够消除管坯内外表面的偏析瘤以及波痕等缺陷。
3)空心管坯电磁连铸凝固过程的数值模拟结果表明：单独在管坯外结晶器侧放置中频约束线圈或者单独在管坯内结晶器中放置行波搅拌磁场都容易造成凝固坯壳厚度不均匀，产生裂纹缺陷。
通过在管坯内外结晶器中施加合适的复合电磁场能够改善凝固坯壳厚度不均匀的状况，消除裂纹缺陷，而且电磁搅拌加速散热能够减小液穴深度，可以提高生产效率。
关键词：电磁制动；电磁搅拌；电磁超声波；电磁热处理；流体流动；凝固组织Abstract：With the development of electromagnetic technique，electromagnetic field plays an important role in the control of metal solidification， the betterment of structure and performance．Since now，many kinds of electromagnetic methods have been used to material processing．The following merits can be acquired by the multi-electromagnetic fields：1)The stirring magnetic field can not only improve the solidification structure of the large·diameter hollow billet but also eliminate the inclusion and blow hole flaws and improve the inner-surface quality of the hollow billet to avoid the milling of the inner·surface．2)The middle frequency magnetic field can restrain the segregation bud and ripple mark of inner and outer surface of hollow billet．3)The temperature field numerical simulation of electromagnetic continuous casting of the hollow billet shows that：Both the only medium frequency coil and the only stirring magnetic field arc easy to create the crack flaw because of the non．homogeneous of the solidification shell．The imposedmulti-electromagnetic fields can not only improve the homogeneous of solidification shell to restrain the crack flaw but also speed-up the heat dissipation to decrease the melt pool and improve the production efficiency．Key words： electromagnetic brake；electromagnetic stirring；electromagnetic ultrasonic waves； heat treatment under electromagnetic field；fluid flow；so1idification structure引言：柱状晶是晶体择优生长形成的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小，柱状晶体排列位向一致，因而其性能也具有明显的方向性，纵向好，横向差。
第三章 铸件宏观组织及其控制
纯金属几乎得不到等轴晶。 因为纯金属晶体的游离是很困难。 由于型壁处过冷度最大，所以沿型壁方向晶 体的长大速度最快，晶体之间很快能连接起来 形成凝固壳。当一个整体的凝固壳形成后，晶 体再型壁处游离出去就很困难。
固溶体时：
在晶体与型壁交会处形成溶质的偏析，容易使 晶体与型壁的交会处产生“脖颈”。 具有脖颈的晶体不易 沿型壁连接形成 凝固壳； 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。
晶粒生成和游离的场所，也就是等轴晶生成 的起源处，随着浇注温度的降低逐渐向浇口处 转移。
上述同样的铸型，同样的99.7%铝，在680℃ 情况下浇注。
即使改变了冷铁的位置，铸件中的等轴晶区 并不象700℃那样，而是没有多大变化。
这是由于等轴晶生成的起源移动到浇道口 内壁处的原因
从这个试验结果可知，冷铁虽然对从别处生 成有利的晶粒运动到它附近时，有避免这些晶 粒再融化而消失的作用，但是，如果把它放在 希望产生晶粒生成和游离的地方，使这里的冷 却能力增大的化，则反而抑制了等轴晶的生成 和游离
如，对铝合金来说，Ti、Ni、 Fe等的偏析系数较大，易细 化晶粒； Zn、Mn等偏析系数较小， 组织难细化
前面指出，当过冷度增加到一定程度，等轴晶 的生成和游离就不发生，而在型壁上一开始就 形成了稳定的凝固壳，从而得到柱状晶。 这表示，铸型的激冷能力越大，稳定的凝固壳 形成得越快，等轴晶的生成和游离就越困难。
另外，型壁面上 的凹处使晶粒沿 着型壁面上的成 长受到阻碍，从 而使晶粒易于游 离
冷却能力较小的铸型的 型壁面上，晶粒和邻近 的晶粒接触形成凝固壳 缩需时间比起冷却能力 大水冷金属等冷却能力大的铸型，在型壁上迅速形成 稳定的凝固壳（b），在这种情况下晶粒游离的机会比a小。 一旦形成稳定的凝固壳之后，即使在那里有液体的运动， 晶粒也难以游离。
材料成形原理试题
填空题：1、铸件的宏观凝固组织主要是指，其通常包括、和三个典型晶区。
2、金属塑性变形的基本规律有和。
3、铸件凝固组织中的微观偏析可分为、和等，其均可通过方法消除。
4、在塑性加工中润滑的目的是，模具寿命和产品质量，变形抗力，提高金属的充满模腔的能力等。
5、材料在一定的条件下，其拉伸变形的延伸率超过100％的现象叫。
6、钢冷挤压前，需要对坯料表面进行润滑处理。
7、铸造应力有、和三种。
8、铸件的宏观凝固组织主要是指，其通常包括、和三个典型晶区。
9、铸件凝固组织中的微观偏析可分为、和等，其均可通过方法消除。
10、在塑性加工中润滑的目的是，模具寿命和产品质量，变形抗力，提高金属的充满模腔的能力等。
11、材料的加工过程可以用相关的材料流程、流程和流程来描述。
材料流程中，用来产生材料的形状、尺寸和（或）变化的过程称为基本过程。
材料流程中的基本过程又分为机械过程、过程和化学过程过程。
12、通常所说弹塑性力学三大基础方程指的是方程、方程和方程。
其中表达变形与应变之间关系的是方程。
13、液态金属成形过程中在附近产生的裂纹称为热裂纹，而在附近产生的裂纹称为冷裂纹。
14、润湿角是衡量界面张力的标志。
界面张力达到平衡时，杨氏方程时，液体绝对不能润湿固体。
15、在塑性加工中润滑的目的是，提高模具寿命和产品质量，变形抗力，提高金属的充满模腔的能力等。
16、材料中一点的两种应力状态相等的充要条件是两应力状态的 分别相等。
17、采用主应力法分析宽度为B 的细长薄板在平锤下压缩变形。
已知平衡方程为：02=+hdx d k x τσ，接触表面摩擦条件y k f στ＝，利用近似屈服条件为k y x 2=-σσ，方程的通解为：，其中的积分常数，可根据边界条件：确定，C ＝。
18.液态金属或合金中一般存在起伏、起伏和起伏。
19、铸件的宏观凝固组织主要是指，其通常包括、和三个典型晶区。
20、液态金属成形过程中在附近产生的裂纹称为热裂纹，而在附近产生的裂纹称为冷裂纹。
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第9章 铸件凝固组织的形成及控制 10
对三个区的控制
思路: 晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 7
二、柱状晶区的形成
柱状晶区是表面细晶区晶体向内单 向延伸生长的结果。 稳定的凝固壳层一旦形成，柱状 根据热流方向择优生长。 晶就直接由表面细等轴晶凝固层 柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产 某些晶粒为基底向内生长，发展 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 成由外向内生长的柱状晶区。枝 度取决于上述两个因素综合作用的 晶主干取向与热流方向平行的枝 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 晶生长迅速 。 制柱状晶的形成。 择优生长、内生生长，外生生长、 共生生长、搭桥生长
11
一、孕育处理2生核4、涂覆铸型3、变质处理 二、动态下的结晶 三、电场作用下结晶 四、铸造条件对凝固组织的影响2 浇注温度、铸型
性质
五、快速凝固2大过冷、急冷 六、定向凝固
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 12
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
1
合金成分 凝固组织 铸造条件 各项性能
宏观：晶粒形状、尺寸、取向、分布
微观：晶粒内部形态，树枝晶、胞状晶， 共晶团两相结构形态、数量、分布
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
2
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
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
6
一、表面激冷区的形成
早期的理论 型壁附近熔体由于受 获得表面细晶区的条件：抑制凝固 到强烈的激冷作用，产生很大的过 壳层的形成。 冷度而大量非均质生核。这些晶核 一旦型壁附近的晶粒互相连结而构 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， 成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状 也可向过冷熔体中散失，从而形成 晶区由外向内的生长，表面激冷细晶 了无方向性的表面细等轴晶组织。 粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳 大野笃美：除了非均质形核，各种 层形成得越早，表面细晶粒区向柱状 形式的晶粒游离也是形成表面细等 轴晶的“晶核”来源。溶质再分配 晶区转变得也就越快，表面激冷区也 产生“缩颈”，枝晶熔断脱落。因 就越窄。 此，偏析和流动有利于表面细晶区 铸型激冷能力的双重性 形成。
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。
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
第9章 铸件凝固组织的形成及控制 8
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Байду номын сангаас熔断及结晶雨理论
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
9
第四节 铸件宏观结晶组织的控制
宏观凝固组织对铸件性能的影响 三个区的影响
表面细晶：区域较薄，影响小 柱状晶： 择优生长晶体，细长，粗大，排列位向一
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
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第一节 铸件的宏观组织
内部等轴晶区 表层急冷晶区
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.
中间柱状晶区
内部等轴晶区 的晶粒较为粗大;
第9章 铸件凝固组织的形成及控制
4
图9-1 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 第9章 铸件凝固组织的形成及控制 5