材料成型原理-6.1晶粒组织6.2铸态组织
有色金属铸锭凝固基本原理
对流对结晶过程的影响
金属的对流能引起金属液冲刷模壁和固液界面， 造成温度起伏，导致枝晶脱落和游离，促进成分 均匀化和传热。所有这些都会影响铸锭的结晶过 程及其组织的形成。
14
对流对结晶过程的影响
图 铸锭固液界面不同取向时，自然对流对温度起伏的影响
当铸锭自下而上凝固时，由于温度较低的液体难于上浮，故对流不能 发生，金属液内不产生温度起伏。反之，铸锭由上而下凝固时，较冷 液体易于下沉，对流强烈，故温度起伏较大。水平定向凝固时，由水 平温差引起的自然对流也会造成温度起伏。
GrT GrC gT b3 T
2
g C b3 C
2
式中，g为重力加速度；b为水平方向热端和冷端间距的一半； ΔT、 ΔC为热端与冷端间的温差和浓度差； αT、αC为由温度和浓度引起的 金属液体膨胀系数；ν =η /ρ L为液体金属的运动黏度系数，η 为动 力黏度系数，ρ L为液体金属的密度。
10
图 自然对流强度与温度差关系示意图（Tm为金属熔点）
枝晶间液体金属的流动
铸锭凝固时，在凝固区 ( 固液两相共存区 ) 内，枝 晶间的液体金属仍能流动，其驱动力是液体体收 缩、凝固体收缩，枝晶间相通的液体静压力及析 出的气体压力等。 金属液流经枝晶间隙如同流体流经细小的多孔介 质一样，近似地遵守 Darcy （达西）定律，即枝 晶间金属液的流速与压力梯度(grad P)呈直线关系。
将C1和C2代入基本微分方程可得： 绝热模
T Tm (Tm T0 )erf ( x 2 mt )
α= λ / C· ρ
27
绝热模中铸锭的凝固
凝壳厚度：
M K t
dM 1 K R dt 2 t
材料成型原理
材料成型原理
材料成型原理是指通过加工工艺将原始材料经过一定的变形、组合或者结合等方式，使其达到预期的形状、结构和性能的过程。
该原理涉及多种加工方式，如挤压、铸造、锻造、注塑等，每种方式都有自己独特的原理和应用领域。
挤压是一种常用的材料成型方式，通过将加热至熔融状态的材料通过模具的压力，使其在一定形状的模具孔中流动，并成型为所需的形状。
这种方式适用于制造管材、线材等长条状零件。
挤压的成型原理是利用材料在受到压力作用时的流动性，使其顺应模具的形状，并形成所需的截面形状。
铸造是一种将液态材料倒入铸型中形成所需形状的成型方式。
该方式适用于制造各种形状的零件。
铸造的成型原理是利用熔融态的材料具有流动性，通过将熔融金属或合金倒入模具中并冷却凝固，得到所需的形状。
锻造是一种通过加热金属材料至一定温度后施加压力使其塑性变形、改变原始形状、提高性能的成型方式。
该方式适用于制造各种形状的零件。
锻造的成型原理是通过应用压力改变材料的组织结构，使其粒子得到重新排列并获得更好的力学性能。
注塑是一种将熔融材料注入模具中形成所需形状的成型方式。
该方式适用于制造复杂形状的零件。
注塑的成型原理是将熔融态的材料注射进模具中，并通过冷却凝固，得到所需的形状。
以上是几种常见的材料成型方式及其成型原理，每种方式都有
其独特的应用领域和适用对象。
工程师们可以根据具体需求选择不同的成型方式，以实现材料的预期形状、结构和性能。
材料成型原理
1 表面张力—表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。
表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均匀所致。
2 粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。
或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。
3 表面自由能(表面能)－为产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。
4 液态金属的充型能力－液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。
5 液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。
6 铸型的蓄热系数－表示铸型从液态金属吸取并储存在本身中热量的能力。
7 不稳定温度场－温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场稳定温度场－不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：8 温度梯度—是指温度随距离的变化率。
或沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。
9 溶质平衡分配系数K0—特定温度T*下固相合金成分浓度CS*与液相合金成分CL*达到平衡时的比值。
10 均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核” 。
非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”。
11、粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。
粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。
光滑界面—从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。
也称为“小晶面”或“小平面”。
12 “成分过冷”与“热过冷”－液态合金在凝固过程中溶质再分配引起固－液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。
材料成型原理
绪论塑性变形要点：1，外力作用；2，永久变形；3，材料没有被破坏。
塑性成型：利用塑性，外力作用，获得尺寸形状，提高一定的力学性能。
特点：生产效率高，易于大批量生产；改善组织结构和性能，金属纤维不会被切断，可获得细小的晶粒；材料利用效率高；尺寸精度高；热成型：在再结晶温度以上的成型。
铅再结晶温度低于室温（20摄氏度）。
板料成型一般为冷成型（精度高），不是绝对的。
高强钢板成型，先热加工，再蘸火，改善组织。
还有温成型，等温成型（磨具温度与胚料温度一样。
）理论基础：屈服：弹性变形到塑性变形的初始阶段。
屈服准则：任务：阐明塑性成型的规律，学习工艺，金属学的基础，应力应变关系和屈服准则等；塑性成型时金属的流动规律和变形的特点，影响流动的因素；掌握几种简单的解法。
合金：两种或两种以上的金属构成，具备原来金属不具备的性质。
固溶体：单相合金，多相合金：单晶体：多晶体：许多的大小、位相不同的单晶组成，各向同性的，除非经过扎制等；各个晶粒变形不同，变形的不均匀性和协调性。
晶界和晶内：（晶界）室温强度较高，有杂质汇聚；扩散速度快，能量较高；熔点低于晶内；变形相互协调。
晶内变形：滑移、孪生。
滑移：变形由切应力产生，晶体的一部分与另一部分沿着一定的晶面和晶向产生相对的滑移。
滑移面：原子最密排面（密度大），面与面距离大，易沿着这个面滑移。
滑移系：滑移面和面上的一个滑移方向。
阻碍作用：晶界阻碍、相邻晶粒的阻碍。
取向因子：软取向：45°硬取向：临界值相同：同一材料孪生：滑移优先于孪生变形，孪生变形量小，为一个补充的变形方式。
晶间变形：晶粒转动晶界变形：外力大，利用来提高综合性能。
合金的变形：固溶体：化合物：滑移是一种基本的变形方式,孪生为其补充方式。
细化晶粒，晶粒增加，晶界增加，变形抗力增加；裂纹扩展较难；变形在更多的晶粒内出现，更均匀。
加工硬化：金属的热变形：温度的确定：与再结晶温度经行比较，铅在室温下成型为热成型。
《材料成型原理》教学大纲(金属凝固原理及塑性成形原理部分,基础知识点概括,考研必备)
§ 9–1 液态金属的脱氧 先期脱氧（焊接） 、预脱氧（熔炼） 、沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧；各种脱氧原理 的概念及优、缺点；锰、硅沉淀的脱氧的比较，温度、熔渣的性质对其脱氧效果的影响； § 9–2 液态金属的脱碳反应 液态金属的脱碳精炼反应原理、目的及工艺原则； § 9–3 液态金属的脱硫 液态金属的脱硫原理及脱硫效果的影响因素、目的及工艺原则； § 9–4 液态金属的脱磷 液态金属的脱磷原理及脱磷效果的影响因素、目的及工艺原则；
小于 180o，所以，非均质形核功Δ G he 远小于均质形核功Δ G ho ， 越小，Δ G he 小，夹杂界面
的非均质形核能力越强，形核过冷度越小； §3-4 晶体长大 液-固界面自由能及界面结构类型、本质及其判据；晶体长大方式
第四章 单相及多相合金的结晶
本章从凝固过程溶质再分配的规律谈起，着重讨论所涉及到的“成分过冷”条件及其对 合金凝固组织的影响规律、 单相固溶体合金及多相合金的凝固。 并为后续章节的内容的讨论 奠定基础。 §4-1 凝固过程中溶质再分配
《材料成型原理》教学大纲
总学时： 96→ 总学分： 6 一、 课程的目的和任务 《材料成型原理》 是材料成形及控制专业主要的院定必修课之一。 本课程的任务是对材 料的凝固成形、塑性成形、焊接成形等近代材料成形技术中共同的物理现象、基本规律及各 成形技术的基本原理、理论基础、分析问题的方法加以阐述，使学生对材料成形过程及原理 有深入广泛的实质性理解，为后续的成形技术具体工艺方法、设备控制等课程的学习，为开 发新材料及其成形技术、分析和解决成形过程中的质量缺陷问题奠定理论基础。 二、 本课程的基本要求 1. 了解液态金属和合金的结构、性质，掌握液态金属与合金凝固结晶的基本规律及结 晶过程中的伴随现象，了解冶金处理对凝固组织与材料性能的影响。 2. 掌握材料成形过程中的物理、化学冶金现象及内部规律 。 3. 掌握塑性成形力学基础理论、塑性成形过程中的分析方法与原理。 三、 与其它课程的联系与分工 本课程的理论基础是数学、物理、物理化学、冶金传输原理、工程力学、金属学与热处 理。本课程重点在于阐述成形技术的理论基础、基本原理、分析问题的方法，而不涉及具体 成形工艺方法及参数。 各种具体的成形工艺方法、 原理过程及控制等将在后续专业课程中学 习。 四、 课程内容与学时分配 章次 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 十一 十二 十三 十四 十五 十六 十七 十八 十九 内容 绪论 液态金属的结构和性质 凝固温度场 金属凝固热力学与动力学 单相及多相合金的结晶 铸件宏观组织及其控制 特殊条件下的凝固与成形 液态金属与气相的相互作用 液态金属与渣相的相互作用 液态金属的净化与精炼 焊接热影响区的组织与性能 凝固缺陷及控制 粉末冶金原理 金属塑性成形的物理基础 应力分析 应变分析 屈服准则 材料本构关系 金属塑性变形与流动问题 塑性成形力学的工程应用 总学时数 2 4 6 4 4 2 4 4 4 4 4 12 4 4 6 4 3 8 4 9 课堂讲授学时数 2 4 4 4 4 2 4 4 4 4 4 8 4 4 6 4 3 6 2 9 2 2 4 2 实验时数
金属材料液态成型原理(6-宏观凝固组织的形成与控制)
6.2.3 动态晶粒细化
（2）电磁振荡
金属熔体内通入一定频率的交变电流，与外加的直流磁场交互作用， 在熔体中产生交变的电磁力，其频率与电流的频率是一致的，这个交 变电磁力使得金属熔体发生振荡，即电磁振荡。
6.2.3 动态晶粒细化
6.2.3 动态晶粒细化
（3）电磁离心铸造
电磁离心铸造是将离心铸造和电磁搅拌技术 结合起来的一项新兴的铸造工艺。电磁离心 铸造利用金属熔体随铸型的转动与外加直流 磁场的交互作用而产生电磁力，在电磁力的 作用下，金属熔体产生与转动方向相反的相 对运动，从而产生了电磁搅拌。
6.2.3 动态晶粒细化
声流作用:当超声波探头与金属熔体作用时，由于声波和熔体之间粘 性力的相互作用，会形成声压梯度，从而形成由环流和漩涡流所组 成的声流。该声流作用能对金属熔体产生搅拌作用，并可破碎先析 出相，进而实现晶粒细化
6.2.3 动态晶粒细化
6.2.3 动态晶粒细化
电磁场
分类：电场有直流电场、交流电场及脉冲电场；磁场有 直流磁场、交流磁场、稳恒磁场、旋转磁场、移动磁场、 脉冲磁场及耦合磁场等。
6.2.1 合理控制热学条件
6.2.1 合理控制热学条件
6.2.1 合理控制热学条件
金属在铸型中凝固，其宏观组织也与铸型的其他性质 （如铸型的表面粗糙度等）有密切关系
6.2.1 合理控制热学条件
6.2.2 孕育处理
孕育处理是向液态金属中添加少量物质以实现细化晶 粒、改善组织的一种工艺方法。
6.2.3 动态晶粒细化
6.3 凝固缺陷的形成机理及控制
铸件缺陷按照国际铸造技术协会（ICFTA，International Committee of Foundry Technical Association）的分类体系可 分为：A-多肉类缺陷、B-孔洞类、C-裂纹类、D-表面缺陷、 E-铸件残缺、F-尺寸或形状差错、G-夹杂物和金相组织不 合格等7大类，每大类下面还分为三级，如G100表示夹杂 物缺陷、G120表示熔渣类非金属夹杂物、G122表示含气渣 孔。
材料成型原理铸造
能量起伏：金属晶体结构中每个原子的震动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”。
结构起伏：液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态，时而长大事儿变小，时而产生时而消失，此起彼落，犹如不停顿的游动。
这种结构上瞬息变化称为结构起伏。
浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。
这种成分的不均匀性称为浓度起伏。
粘滞性：在液体力学中有两个概念，一个是动力粘度，两一个是运动粘度，其本质是原子间结合力的大小。
表面张力：液态金属表面层的质点收到一个指向液体内部的力，无图倾向于减少其表面积，这相当于在液体金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力，这个张力就是表面张力。
温度场：指物体或系统内各点温度分布的总和，温度场的表达式为：t=f（x，y，z，t）若温度场内各点温度不随时间而变，即为问稳定温度场。
反之，则为不稳定的温度场。
形核：亚稳定的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内形成稳定存在的晶态小质点的过程成为形核。
均质形核：在没有任何外来界面的均匀熔体中的生核过程。
在不均匀熔体中临界晶核半径：在过冷的均匀熔体中，尽量晶胚不断形成，但只有晶胚的大小达到一定的临界尺寸r时，当体积功的能量降低占优势，从而使整个晶胚的自由能随晶胚的大小而降低时，才能发展为稳定的晶核，该晶胚就是均质生核的临界晶核，r均就是临界形核半径。
溶质再分配:单相合金的结晶过程一般是在一个固液两项共存的温度区间内完成的。
在区间内的任何一点，共存两相都具有不同的成分。
因此结晶过程过程必然导致界面处固、液两相成分的分离。
同时，由于界面处于两相成分随之温度的降低而变化，故晶体生长与传质过程中必然相伴而生。
这样，从生核开始直到凝固结束，在珍格格结晶过程中，固、液两相内部将不断进行着溶质元素重新分布的过程。
我们称此为合金结晶中过程溶质再分配。
平均分配系数：平衡固相中溶质浓度与平衡液相溶质浓度的比值称为平衡分配系数。
材料成型原理问答及名词解释
1、凝固原则分为同时凝固和顺序凝固两种。
2、定向凝固技术中的最重要的两个工艺参数分别为温度梯度和抽拉速度。
3、从原子尺度看，合金固-液界面的微观结构可分为两大类，即粗糙界面和光滑界面。
4、铸件中的气孔分为析出性和反应性气孔。
5、通过激冷法和深过冷两种途径可实现合金的快速凝固。
6、铸件内部柱状晶区的范围取决于稳定凝固壳层和内部等轴晶区的出现。
1．液态金属本身的流动能力主要由液态金属的成分、温度和杂质含量等决定。
2．液态金属或合金凝固的驱动力由过冷度提供。
3．晶体的宏观生长方式取决于固液界面前沿液相中的温度梯度，当温度梯度为正时，晶体的宏观生长方式为平面长大方式，当温度梯度为负时，晶体的宏观生长方式为树枝晶长大方式。
5．液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流。
6．液态金属凝固时由热扩散引起的过冷称为热过冷。
7．铸件宏观凝固组织一般包括表层细晶粒区、中间柱状晶区和内部等轴晶区三个不同形态的晶区。
8．内应力按其产生的原因可分为热应力、相变应力和机械应力三种。
9．铸造金属或合金从浇铸温度冷却到室温一般要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个收缩阶段。
10．铸件中的成分偏析按范围大小可分为微观偏析和宏观偏析二大类。
2．晶体结晶时，有时会以枝晶生长方式进行，此时固液界面前液体中的温度梯度为负。
3．灰铸铁凝固时，其收缩量远小于白口铁或钢，其原因在于碳的石墨化膨胀作用。
4.孕育和变质处理是控制金属（或合金）铸态组织的主要方法，两者的主要区别在于孕育主要影响生核过程，而变质则主要改变晶体生长方式。
5．液态金属成形过程中在固相线附近产生的裂纹称为热裂纹，而在室温附近产生的裂纹称为冷裂纹。
9．铸件凝固方式有逐层凝固、体积凝固、中间凝固，其中逐层凝固方式容易产生集中性缩孔，一般采用同时凝固原则可以消除；体积凝固方式易产生分散性缩松，采用顺序凝固原则可以消除此缺陷。
10．金属塑性加工就是在外力作用下使金属产生塑性变形加工方法。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
柱状晶与等轴晶宏观形貌 （20Mn2SiMo钢87吨锭）
沿钢锭轴线纵向剖面的硫印照片 （A，V - A、V型偏析）
亚结构
• 合金元素的分布与状态是一种重要的亚 结构。包括：
– 偏析 – 枝状晶形貌 – 晶粒间的第二相网状物、颗粒相 – 共晶晶粒内两相的分布和状态等
• 偏析问题与晶粒形态密切相关。晶粒粗大和存 在偏析是铸件性能低于锻件的主要原因。
(0.08C,17Cr,12Ni,0.045P)
晶界偏析场离子显微镜(FieldIon Microscopy)图象
原子探针显示晶界 B, C ,P 偏析 。
black –P, grey –B, clear C
正偏析
• 符合溶质再分配规律 的宏观偏析；
• 无法消除；
逆偏析
• 不符合溶质再分配规 律。 例1： Al-Cu合金 , 连铸, 表面富Cu层。
• 锭身的最大正偏析出现在上部 中心区；
• 最大负偏析则相反，出现在下 部中心区，是由于晶体的沉积 形成的。
34CrMo1A合金钢锭（ 55吨重）解剖分析
硫印检查结果： • 硫印检查出现与化学分析类似的偏析带。硫偏析呈断续细带状分布，
具有A型偏析特征。 • 在中心轴区，自缩孔下方延伸至锭身中部，硫的偏聚很明显，具有V
• 在加工后，经蚀显或不经蚀 显，一般可以用肉眼或低倍 下观察，故晶粒组织称为宏 观组织或低倍组织。
• 宏观组织的两个重要ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ数是 晶粒形状和尺寸。
本节讨论用常规铸造方法，铸件和铸锭 的宏观组织。
• 铸态宏观组织： – 表层激冷细晶粒区 – 柱状晶 – 中心等轴晶
表层激冷层
• 铸件表层常常由很细的等轴晶组成，称为激冷 层。
• 在纵断面这条碳偏析带上，溶 质元素量都较高，S、P、Al、 Cr量都是同一断面内的最高值
• 形成这种偏析带可能的两种机 制：一是柱状晶凝固前沿的溶 质再分配，造成溶质元素从表 向里富集，在柱状晶区的终结 处区域形成溶质富集区。二是 A型偏析带。
34CrMo1A合金钢锭（ 55吨重）解剖分析
化学成分分布和偏析
• 激冷层壳的收缩导致形成与模壁间 的气隙，结晶释放的潜热阻止了液 体进一步冷却，激冷层的形成即被 终止等轴的激冷层
铸态组织的形成-柱状晶
• 柱状晶-带方向性的柱状晶粒。
• 生长方向：与散热方向相反。 常近似与型壁垂直，与激冷层 相连。
• 以枝状晶方式长大。一次、二 次、三次臂…
二次枝晶臂
• 间距测量4~5个臂平均值，无标准；
6 凝固组织及其控制
6.1晶粒组织 6.2铸态宏观组织 6.3影响晶粒组织因素 6.4非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶 6.5凝固组织控制 6.6熔焊金属的凝固
6.1晶粒组织
• 金属凝固组织通常是多晶体，它由尺寸不同的 小晶体组成。
• 小晶体从不同的晶核长大，其形状、尺寸和取 向都不相同。这些小晶体称为晶粒。
• 结晶范围宽，糊状凝 固，枝晶发达，液体 内富含气体，易形成 逆偏析。
重力偏析
• 先凝固相密度小，或互不混合的液相 之间存在密度差时，产生重力偏析
案例： Cu-40%Pb， Cu=8240kg/m3 Pb =10040kg/m3 Cu，Pb分层， Pb沉底；
重力偏析案例：Al-Ti合金
合金中细化 元素Ti
• 材料成分确定以后，性能取决于它的组织。 • 凝固组织取决于凝固条件。
• 通过控制凝固过程控制凝固组织，取得优异的
材料性能，是一个十分活跃的研究领域。
• 铸件的凝固组织很难改变，特别对不进行后继 热处理的铸件更是如此。金属铸锭可以通过后 继压力加工改变组织和位错密度。
• 本章将应用前面学习的凝固理论，理解、分析 和控制凝固组织。
• 在铸锭内表现最明显。其厚度随铸锭大小而异， 最厚可达十几毫米。
• 激冷层可能很薄，薄壁件不明显以至观察不到。
激冷层壳的收缩导致形成与模壁 间的气隙，结晶释放的潜热阻止 了液体进一步冷却，激冷层终止。
表层激冷层形成
• 形成机制：表层激冷形成细小晶体， 流动冲刷，游离的晶体在密度差驱 动下沿型壁运动，部分小晶体受到 冷却而被型壁“捕捉”，形成等轴的 激冷层。
• II区-锭身下部（水口端）： 细等轴晶带：较薄，约为20mm。 柱状晶带：较薄，约为90~110mm 心部：等轴晶带，中心微量缩松。
34CrMo1A合金钢锭（ 55吨重）解剖分析 化学成分分布和偏析
• 横截面上碳含量：不均匀性最 为明显，沿铸锭高度出现带状 富集区域，含量高达 0.37~0.39%C。A偏析
择优生长（preferred growth direction）
• 择优生长-柱状晶生长的机制
柱状晶区晶体性能呈现方向性，它的枝晶的分支 少，凝固后的显微缩松与杂质较少，组织致密。
铸态组织的形成-等轴晶
• 等轴晶:各个晶体同时以无方向性的枝状晶方式长大形 成的组织。等轴晶粒近似球形。
• 等轴晶晶体性能不呈现方向性，在晶粒周界形成微观 偏析和微观缩松，相对柱状晶来说，其组织不够致密。
– 一个相的晶粒形成基体（通常是固溶体），其它相 在凝固或随后冷却过程时形成的，以分散的小晶体 形态散布在基体上。
– 两相混合共同生长的共晶晶粒（共晶团）或共析晶 粒。对亚共晶和过共晶合金，在先凝固相剩余的空 间进行共晶。
铁碳系平衡凝固时晶粒的形成
p179案例6.1
6.2 铸态宏观组织
• 铸态晶粒有柱状晶和等轴晶 两种形态，通常比较粗大。
大连理工大学材料学院本科生课程
材料成形原理
——液态成形原理
主讲教师：姚曼 教授 大连理工大学
材料科学与工程学院
材料液态成形原理
1 液体的结构与性质 2 凝固的热力学基础 3 凝固的结晶学基础 4 凝固的传热学问题 5 凝固过程液相的流动现象 6 凝固组织及其控制 7 伴随凝固与冷却过程产生的现象
6 凝固组织及其控制
混合的铸态组织
• 柱状晶和等轴晶混 合组织;
• 柱状晶组织 • 等轴晶组织
大型钢锭的铸态组织与宏观偏析 p185案例6.2
55吨重34CrMo1A合金 钢锭解剖分析
• 掌握其溶质元素的分 布、组织不均匀性和 凝固缺陷
• 大型钢锭的宏观偏析 与铸态结构密切相关 ，它是大型锻件宏观 偏析的根源。
34CrMo1A合金钢锭（ 55吨重）解剖分析
通道偏析、V偏析
• 钢锭凝固后 的Channel • 防止通道偏
析，工程方 法还是研究 课题；
• End of 6.2
偏析及其分类
• 偏析是铸件内部成分不均匀现象。包括:
– 微观偏析 – 宏观偏析
• 微观偏析
– 晶内偏析 – 晶界偏析
• 宏观偏析
– 重力偏析、通道偏析 – 正偏析、负偏析 等
晶内、晶界偏析案例
AlCu5Mn铝合金铸态组织，合金含 0.35%Ti
晶界偏析案例 ：Ni在晶界偏析
晶界偏析案例 ：316 不锈钢
凝固组织
• 凝固组织指凝固后冷却到室温，不经后续热加 工或热处理的组织，通常又称为铸态组织。
• 凝固条件不同，其组织可能差异很大
– 如：从晶态，到纳米晶、微晶、准晶或非晶。
结晶材料的组织
• 主要特征通常包括两方面： – 晶粒（grain）组织，包括其尺寸、形状和 取向。 – 亚结构（substructure）,包括合金元素的分 布与状态、枝晶结构。
• 凝固金属晶粒的直径尺度从大约0.25mm到几个 毫米。
晶粒的概念是了解凝固组织及其控制的基 础，是金属组织结构最重要的概念之一。
grain, grain boundary engineering
单相合金晶粒组织
• 对于单相合金，凝固时形成的晶粒在冷却过程 不再发生相变。
多相合金晶粒组织
• 常见的多相合金晶粒组织有两种类型：
铸态组织和缺陷
• 炉前分析钢液化学成分为： 0.33%C，0.52Mn，0.27Si， 0.015P，0.008S，0.96Cr，0.45Mo
• 硫印检查：沿钢锭轴线纵向剖开。 取样化学分析：从外表面至中轴。 冷酸蚀法：显示低倍组织。
• I区-位于锭身上部（冒口端）： 细等轴晶带：距边缘40~50mm。 柱状晶带：向内230~285mm，有 向上倾斜的趋势。 心部：等轴晶带，中心严重缩松。