材料成形原理 论文

如何改进凝固过程中的问题

王迪阳 1006032036 材控（2）班

摘要：在当今金属工业不断发展的情况下，研究金属凝固过过程中的问题对于材料的利用和产品的质量都有一定的意义，因此研究如何让改进凝固过程中的问题尤为重要。

关键字：凝固晶粒金属

正文：晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制实现的。促进形核的方法包括浇注过程控制方法、化学方法、物理方法、机械方法、传热条件控制方法等。（1）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合理的浇注工艺。强化液流冲刷型壁能扩大并细化等轴晶区。③合理控制冷却条件。④选用合适的铸型。

（2）加入生核剂——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）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 c) 加入强成分过冷元素生核剂。

－溶质富集、成分过冷会抑制晶体生长，促进非均匀形核导致晶粒细化。

（3）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。

非规则共晶一般由金属－非金属(非小平面-平面)相或非金属－非金属(小平面－小平面)相组成，如Fe-C , Al-Si合金。小平面相的各向异性使晶体长大具有强烈的方向性。固－液界面为特定的晶面，长大过程中虽然共晶两相也依靠液相中原子扩散而协同长大，但固－液界面不平整，不规则。小平面的长大属二维生长，它对凝固条件的反应极其敏感，因此非规则共晶组织的形态多种多样。缩颈”现象：溶质浓度再分配→界面前沿液态金属凝固点降低→实际过冷度减小。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。晶体根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，生长受到强烈抑制。

远离根部，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀化，面临较大的过冷，其生长速度要快得多。故在晶体生长过程中将产生根部“缩颈”现象，生成头大根小的晶粒。

熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离。铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约。

稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力和各种形式晶粒游离、漂移与沉浮的程度这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。

铸件宏观凝固组织的控制。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。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。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。

在当今这个高速发展的社会中，人们对金属材料的认识越来越多，对其的使用也在不断增加，进而对金属的某些性能也提出了更高的要求。了解金属在凝固过程中存在的问题并提出可靠、可行的改进方案，则显得尤为重要。