材料成型原理

21.铸件宏观组织的控制途径与措施

1.铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响

表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。

铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。

（1）柱状晶：

生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。

但柱状晶比较粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体，将导致铸件热裂。

（2）等轴晶：

晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。

枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。

细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。晶粒越细综合性能越好。

对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶，增加其致密度；

对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部细小的等轴晶组织；对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止晶界降低蠕变抗力。

2.铸件宏观组织的控制途径和措施

等轴晶组织的获得和细化

强化非均匀形核促进晶粒游离抑制柱状晶区

1）加入强生核剂——孕育处理

孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。

变质——加入少量物质通过元素的选择性分布而改变晶体的生长形貌，如球化或细化。

A.形核剂：

a）直接作为外加晶核

b）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核

能与液相中某些元素组成较稳定的化合物

通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出

B.强成分过冷元素：

通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离。

强化熔体内部的非均匀形核孕育剂富集抑制晶体生长

时间效应:孕育期孕育衰退

（2）控制浇注条件

① 低的浇注温度。熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有利。

② 合适的浇注工艺。强化液流冲刷型壁能扩大并细化等轴晶区。

（3）铸型性质和铸件结构

薄壁铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，容易获得细等轴晶。

型壁较厚或导热性较差的铸件，等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。

a.铸型激冷能力的影响：如金属型、石墨型

b.铸型表面的粗糙度

（4）动态晶粒细化

熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流。（晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖）

振动－－机械振动、电磁振动、音频或超声波振动搅拌－－机械、电磁搅拌

旋转振荡－周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度

22.气孔与夹杂

（1）形成过程：

金属在熔炼、浇注及凝固过程中，炉料、铸型、浇包、空气及化学反应产生的各种气体会溶入到液态金属中，随温度下降气体会因在金属中的溶解度的显著降低而析出。尚未从金属中逸出的气体会以分子的形式残留在固体金属内部而形成气孔。

（2）危害：

气孔的存在不仅能减少铸件的有效面积，且能使局部造成应力集中成为零件断裂的裂纹源。一些不规则的气孔，增加缺口敏感性，使金属强度下降，零件的抗疲劳能力降低。

（3）气孔的分类

析出性气孔

在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出气体，来不及从液面排出而形成气孔

反应性气孔

金属液－铸型之间、金属液内部发生化学反应所产生的气

危害：有效工作断面下降→σb↓ δ↓

应力集中→裂纹

疏松→ δ↓气密性↓耐蚀性

23收缩

（1）收缩的基本概念：铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少。

①缩孔：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充→逐层凝固时→通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位形成集中缩孔。

②缩松：糊状凝固→糊状区、液固共存—液体流动困难→晶间树枝间得不到补充→分散的小缩孔

危害：机械性能下降、气密性差、耐蚀性差、易出现锻造裂纹

产生缩孔、缩松因素与控制：

收缩必然性→缩孔或缩松→取决于凝固方式（层、糊）

影响凝固方式因素：成分、温度梯度

影响缩孔和缩松大小的因素：金属的性质、铸型条件(激冷能力)、浇注条件、铸件尺寸

缩孔防止：合理设计浇冒口系统→缩孔于浇冒口中。

缩松防止：无法通过浇冒口消除。△T↑ 枝晶发达→缩松↑

24偏析

1.微观偏析

微观偏析--短程偏析，是不平衡凝固造的；

微观偏析--晶粒内部或晶界等微区内成分不均匀现象。

枝晶偏析晶界偏析

1）枝晶偏析

a. 机理

结晶时冷速较大，扩散来不及，先结晶富高熔点组元，导致树枝晶内部成分不均匀.

b. 影响因素

合金相图的形状：垂直、水平距离大偏析严重，垂直比水平影响更大（结晶温度低扩散慢）原子的扩散能力：扩散能力差，更易偏析

b. 影响因素

凝固时的冷却条件：冷速越大，过冷越大，开始结晶温度越低，扩散能力越小；冷速很大，液相中的扩散也受到抑制，发生无扩散结晶，偏析程度反而减小。

合金元素：C促S、P偏析；焊接比铸造偏析程度小，可能与焊接冷速很大，液相中的扩散受到抑制有关.

（2）晶界偏析

在树枝晶体之间（晶粒与晶粒之间）最后凝固部分（即晶界区）积累了更多的低熔点组元和杂质元素

晶界偏析的程度比晶内偏析更为严重，有时在晶界上还会出现一些不平衡的第二相，如低熔点共晶体

产生的原因与枝晶偏析相同塑性和韧性降低、增加热裂倾向、降低耐腐蚀性能等

（3）微观偏析的消除措施

固相线下100~200℃长时间扩散退火（均匀化）

热轧或热锻也可改善