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1、第4章 铸件结晶组织的形成与控制东北大学秦皇岛分校 林晓娉教授7/22/20241铸件结晶组织形成与控制4-1 铸件宏观组织的形成及影响因素4-2 铸件结晶组织的控制 铸件的结晶组织，仅宏观状态而言，指的是铸态晶粒的形成、大小、取向和分布等情况；铸件微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态，以及这些结构形态的细化程度等。 两者表现形式不同，但其形成过程却密切相关，并对铸件的各项性能，特别是力学性能产生强烈的影响。在第三章讲解的基础上，本章我们将主要针对铸件的宏观组织进行讲解及分析。7/22/20247/22/20242 2结晶组织结晶组织结晶
2、组织结晶组织铸件宏观组织的形成及影响因素 自自自自1954 1954 1954 1954 年年年年WinegandWinegandWinegandWinegand 和和和和Chalmers Chalmers Chalmers Chalmers 提出假设以来，人们对于三个提出假设以来，人们对于三个提出假设以来，人们对于三个提出假设以来，人们对于三个晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到晶区形成机理的认识，经历了一个由浅入深的历史发展过程。直到最近的二三十年间人们
3、才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的最近的二三十年间人们才逐步认识到晶粒游离在铸件结晶过程中的重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此重大作用，对三个晶区的形成机理才有一个基本明确的认识。因此在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入
4、研究结晶过程中的晶在讨论铸件三个晶区的形成机理之前必须深入研究结晶过程中的晶粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：粒游离问题。因此，本节的主要内容可拓展为：4 4 4 4.1.1 .1.1 .1.1 .1.1 铸件结晶中的晶粒游离铸件结晶中的晶粒游离铸件结晶中的晶粒游离铸件结晶中的晶粒游离4 4 4 4.1.2 .1.2 .1.2 .1.2 铸件结晶过程表面细晶区的形成铸件结晶过程表面细晶区的形成铸件结晶过程表面细晶区的形成铸件结晶过程表面细晶区的形成4 4 4 4.1.3 .1.3 .1.3 .1.3 铸
5、件结晶过程柱状晶区的形成铸件结晶过程柱状晶区的形成铸件结晶过程柱状晶区的形成铸件结晶过程柱状晶区的形成4 4 4 4.1.4 .1.4 .1.4 .1.4 铸件结晶过程内部等轴晶区的形成铸件结晶过程内部等轴晶区的形成铸件结晶过程内部等轴晶区的形成铸件结晶过程内部等轴晶区的形成4 4 4 4、1.5 1.5 1.5 1.5 影响铸件宏观组织形成的因素影响铸件宏观组织形成的因素影响铸件宏观组织形成的因素影响铸件宏观组织形成的因素7/22/20247/22/20243 3结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.1铸件结晶中的晶粒游离 液态金属的流动液态金属的流动液态金属的流动液态金属的流动对晶粒游离
6、过程的作用主要是通过影响其对晶粒游离过程的作用主要是通过影响其对晶粒游离过程的作用主要是通过影响其对晶粒游离过程的作用主要是通过影响其传热和传热和传热和传热和传质传质传质传质过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的过程而实现。此外对流本身对凝固层的机械冲刷作用也有一定的影响。影响。影响。影响。浇注过程中的流动凝固期间的流动自然对流强迫对流温度差引起的密度不同溶质再分配引起的成分和密度变化游离晶体和液体间的密度差浇注时注入的动量(mv)外加电磁搅拌或机械搅拌晶晶晶晶粒粒
7、粒粒游游游游离离离离有有有有关关关关的的的的对对对对流流流流 传热方面传热方面传热方面传热方面，金属液的流动宏观上加速了过，金属液的流动宏观上加速了过，金属液的流动宏观上加速了过，金属液的流动宏观上加速了过热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的热热量的散失；微观上紊流带来了强烈的温度温度温度温度起伏起伏起伏起伏，对晶粒游离现象有着极大的影响。，对晶粒游离现象有着极大的影响。，对晶粒游离现象有着极大的影响。，对晶粒游离现象有着极大的影响。 传质方面传质方面传质方面传质方面，金属液的流动最大作用在于导致，金属液的流动最大作用在于
8、导致，金属液的流动最大作用在于导致，金属液的流动最大作用在于导致游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，游离晶粒的漂移和堆积，并促进晶粒游离的进行，加速熔体的均匀化。加速熔体的均匀化。加速熔体的均匀化。加速熔体的均匀化。7/22/20247/22/20244 4结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.1铸件结晶中的晶粒游离铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式： 1 1）游离晶直接来自过冷熔体内的非均质生核游离晶直接来自过冷熔体内的非均质生核游离晶直接来自过冷熔体内的非均质生核游离晶直接来自过冷
9、熔体内的非均质生核 在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质在铸件结晶过程中，只要存在有满足非均质生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这生核条件的过冷熔体和相应有效的生核质点，这种晶粒游离现象总是存在的。种晶粒游离现象总是存在的。种晶粒游离现象总是存在的。种晶粒游离现象总是存在的。2 2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引
10、起的晶粒游离晶粒游离晶粒游离晶粒游离 依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷依附于型壁的晶粒生长时引起溶质再分配，界面前沿液态凝固点降低，其实际过冷度减小。度减小。度减小。度减小。晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制晶体根部紧靠型壁，溶质不易扩散，偏析严重，生长受到抑制。而远离根部处。而远离根部
11、处。而远离根部处。而远离根部处易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部易于通过扩散和对流而均匀，生长快。这样将在根部产生产生产生产生“ “缩颈缩颈缩颈缩颈” ”现象现象现象现象。 在在在在流体的冲刷流体的冲刷流体的冲刷流体的冲刷和温度反复波动所形成的和温度反复波动所形成的和温度反复波动所形成的和温度反复波动所形成的热热热热冲击作用冲击作用冲击作用冲击作用下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极下，熔点最低而又最脆弱缩颈部位极易断开，晶粒自型壁
12、脱落而导致易断开，晶粒自型壁脱落而导致易断开，晶粒自型壁脱落而导致易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离晶粒游离晶粒游离晶粒游离。7/22/20247/22/20245 5结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.1铸件结晶中的晶粒游离 缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也缩颈现象在树枝晶各次分枝的根部也存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面存在。这是因为枝干生长过程中在其侧面形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当形成的溶质偏析层阻碍了
13、侧面的生长，当形成的溶质偏析层阻碍了侧面的生长，当偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入偶然产生的凸出部分突破此层后，便进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。从而在分枝根部留下缩颈。从而在分枝根部留下缩颈。从而在分枝根部留下缩颈。 另外，还有一种非常重要的晶粒游离另外，还有一种非常重要的晶粒游离另外，还有一种非常重要的晶粒游离另外，还有一种非常重要的晶粒游离现象晶粒增殖。如图游离晶在漂
14、移过程现象晶粒增殖。如图游离晶在漂移过程现象晶粒增殖。如图游离晶在漂移过程现象晶粒增殖。如图游离晶在漂移过程中不断通过不同的温度区域和浓度区域，中不断通过不同的温度区域和浓度区域，中不断通过不同的温度区域和浓度区域，中不断通过不同的温度区域和浓度区域，不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复不断受到冲击，处于反复局部熔化和反复生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开生长之中，这样分枝根部缩颈就可能断开而破碎成几个晶粒。而破碎成几个晶粒。而破碎成几个晶粒。而破碎
15、成几个晶粒。铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：2 2）由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离由型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖所引起的晶粒游离 7/22/20247/22/20246 6结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.1.1铸件结晶中的晶粒游离铸件结晶过程中的晶粒游离，可能存在以下几种形式：3 3）液面晶粒沉积所引起的晶粒游离液面晶粒沉积所引起的晶粒游离液面晶粒沉积所引起的晶粒游离液面晶粒沉积所引起的晶粒游离 凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固初期
16、在液面处形成的晶粒或顶部凝固初期在液面处形成的晶粒或顶部凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而凝固层脱落的分枝由于密度比液体大而下沉也能导致晶粒游离的产生。下沉也能导致晶粒游离的产生。下沉也能导致晶粒游离的产生。下沉也能导致晶粒游离的产生。7/22/20247/22/20247 7结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.2表面细晶区的形成 表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶。根。根。根。根据传统理论
17、，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁据传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁据传统理论，当液态金属浇入温度较低的铸型中时，型壁据传统理论，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附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而附近熔体由于受到强烈的激冷作用，产生很大的过冷度而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迅速生长并互相大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相大量非均质生核。这些晶核在过冷熔体中迅速生长并互相抑制，从而
18、形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以往抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以往抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以往抑制，从而形成了无方向性的表面细等轴晶组织。故以往常把常把常把常把表面细等轴晶称为表面细等轴晶称为表面细等轴晶称为表面细等轴晶称为“ “激冷晶激冷晶激冷晶激冷晶” ”。 现代研究表明，除现代研究表明，除现代研究表明，除现代研究表明，除非均质生核非均质生核非均质生核非均质生核过程以外，各种形式的过程以外，各种形式的过程以外，各种形式的过程以外，各种形式的晶粒游离晶粒游离晶粒游离晶粒游离也是形成表面细也是形成表面细也是形成表面细也是形成表面细晶粒区的晶粒区的晶
19、粒区的晶粒区的“ “晶核晶核晶核晶核” ”来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的来源。型壁附近熔体内部的大量生核只是表面细晶粒区形成的必必必必要条件要条件要条件要条件，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其，而抑制铸件形成稳定的凝固壳层则为其充分条件充分条件充分条件充分条件。大量试验证实，表面细。大量试验证实，表面细。大量试验证实，表面细。大量试验证实，表面细晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体的非均质形
20、核，而且还来自包括型壁晶粒晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体的非均质形核，而且还来自包括型壁晶粒晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体的非均质形核，而且还来自包括型壁晶粒晶区的等轴晶粒不仅直接来源于过冷熔体的非均质形核，而且还来自包括型壁晶粒脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。脱落、枝晶熔断和晶粒增值等各种形式的晶粒游离过程。 稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面稳定的凝固壳层形成得
21、越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄激冷区也就越窄激冷区也就越窄激冷区也就越窄。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转。一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长。这时，表面激冷为柱状晶区由外向内的生长。这时，表面激冷为柱状晶区由外向内的生长。这时，表面激冷为柱状晶区由外向内的生长。这时，表面激冷细晶粒区将不再发展。细晶粒区将不再发
22、展。细晶粒区将不再发展。细晶粒区将不再发展。4.1.2 4.1.2 4.1.2 4.1.2 表面细晶区的形成表面细晶区的形成表面细晶区的形成表面细晶区的形成7/22/20247/22/20248 8结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.2表面细晶区的形成等轴晶等轴晶750750水淬水淬水淬水淬, ,摇动摇动 ，不锈钢杯子，不锈钢杯子，不锈钢杯子，不锈钢杯子大野大野大野大野笃笃美的美的美的美的实验实验 型壁激冷虽然能增大其附近熔体型壁激冷虽然能增大其附近熔体型壁激冷虽然能增大其附近熔体型壁激冷虽然能增大其附近熔体的非均质生核能力，但也使型壁上的的非均质生核能力，但也使型壁上的的非均质生核能力，
23、但也使型壁上的的非均质生核能力，但也使型壁上的晶核数目大大增加，从而促使型壁晶晶核数目大大增加，从而促使型壁晶晶核数目大大增加，从而促使型壁晶晶核数目大大增加，从而促使型壁晶粒很快连接而形成稳定的凝固壳并最粒很快连接而形成稳定的凝固壳并最粒很快连接而形成稳定的凝固壳并最粒很快连接而形成稳定的凝固壳并最终阻止表面细晶粒区的发展。因此，终阻止表面细晶粒区的发展。因此，终阻止表面细晶粒区的发展。因此，终阻止表面细晶粒区的发展。因此，如果在凝固开始阶段不存在强的型壁如果在凝固开始阶段不存在强的型壁如果在凝固开始阶段不存在强的型壁如果在凝固开始阶段不存在强的型壁晶粒游离条件晶粒游离条件晶粒游离条件晶粒游
24、离条件( (如高的溶质含量和强烈如高的溶质含量和强烈如高的溶质含量和强烈如高的溶质含量和强烈的液态金属流动等的液态金属流动等的液态金属流动等的液态金属流动等) )，那么，过强的型，那么，过强的型，那么，过强的型，那么，过强的型壁激冷能力反而不利于表面细晶粒区壁激冷能力反而不利于表面细晶粒区壁激冷能力反而不利于表面细晶粒区壁激冷能力反而不利于表面细晶粒区的形成。如图的形成。如图的形成。如图的形成。如图b b）所示，大野笃美的）所示，大野笃美的）所示，大野笃美的）所示，大野笃美的试验，证实了以上结论。试验，证实了以上结论。试验，证实了以上结论。试验，证实了以上结论。7/22/20247/22/20
25、249 9结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.3柱状晶区的形成 紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱紧贴铸型表面稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速枝晶
26、主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速 。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热。由于各枝晶主干方向互不相同，那些主干与热流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制相邻生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制相邻生长得更为迅速。它们优先向内伸展并抑制相邻生长得更为迅速。它们
27、优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织中发展成柱状晶组织中发展成柱状晶组织中发展成柱状晶组织( ( ( (如图如图如图如图) ) ) )。这个互相竞争淘汰。这个互相竞争淘汰。这个互相竞争淘汰。这个互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。的晶体生长过程称为晶体的择优生长。的晶体生长过程称为晶体的择优生长。的晶体生长过程称为晶体的择优生长。铸铸型型液液态态金金属属7/22/20247/22/20241010结晶组织结晶组织结
28、晶组织结晶组织4.1.3柱状晶区的形成 柱状晶区开始于柱状晶区开始于稳定凝固壳定凝固壳层的的产生，而生，而结束于内部等束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素窄程度取决于上述两个因素综合合作用的作用的结果。如果在凝固初期就使得内部果。如果在凝固初期就使得内部产生生等等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。 控制柱状晶区控制柱状晶区继续发展的关展的关键因素是内部因素是内部等等轴晶区的出晶区的出现。如果界面前方始。如果界面前方始终不利于等不利于等轴晶的形成与生晶的形成与生长， ，则柱状晶区
29、可以一直延伸柱状晶区可以一直延伸到到铸件中心，直到与件中心，直到与对面型壁面型壁长出的柱状晶相出的柱状晶相遇遇为止，从而形成所止，从而形成所谓的穿晶的穿晶组织。 。7/22/20247/22/20241111结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.4内部等轴晶的形成 从本质上说，内部等铀晶区的形成是由于熔体从本质上说，内部等铀晶区的形成是由于熔体内部晶核自由生长的结果。但是，关于等轴晶晶核内部晶核自由生长的结果。但是，关于等轴晶晶核的来源以及这些晶核如何发展并最终形成等轴晶区的来源以及这些晶核如何发展并最终形成等轴晶区的具体过程，存在不同的争议。的具体过程，存在不同的争议。 1、关于等轴晶晶核
30、的来源： （1）过冷熔体直接生核理论 （2）界面前方晶粒游离理论 （3）激冷晶游离理论7/22/20247/22/20241212结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.4内部等轴晶的形成这个理论是这个理论是这个理论是这个理论是WinegandWinegand 和和和和Chalmers Chalmers 于于于于1954 1954 年提出来年提出来年提出来年提出来的该理论认为，随着凝固层向的该理论认为，随着凝固层向的该理论认为，随着凝固层向的该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削内推移，固相散热能力逐渐削内推移，固相散热能力逐渐削内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，
31、弱，内部温度梯度趋于平缓，弱，内部温度梯度趋于平缓，弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富且液相中的溶质原子越来越富且液相中的溶质原子越来越富且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷集，从而使界面前方成分过冷集，从而使界面前方成分过冷集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。逐渐增大。逐渐增大。逐渐增大。当成分过冷大到足当成分过冷大到足当成分过冷大到足当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致以发生非均质生核时，便导致以发生非均质生核时，便导致以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。内部等轴晶的形成。内部等轴晶的形成。内部等轴晶的形成。（1 1 1 1）过冷熔体直接生核
32、理论（）过冷熔体直接生核理论（）过冷熔体直接生核理论（）过冷熔体直接生核理论（“成分过冷成分过冷成分过冷成分过冷”理论）理论）理论）理论）等轴晶形貌等轴晶形貌等轴晶形貌等轴晶形貌7/22/20247/22/20241313结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.4内部等轴晶的形成 Jackson Jackson Jackson Jackson 等人提出，生长着等人提出，生长着等人提出，生长着等人提出，生长着的柱状枝晶在凝固界面前方的熔的柱状枝晶在凝固界面前方的熔的柱状枝晶在凝固界面前方的熔的柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴断、游离和增殖导致了内部等轴断、游离和增殖导致了内
33、部等轴断、游离和增殖导致了内部等轴晶晶核的形成，称为晶晶核的形成，称为晶晶核的形成，称为晶晶核的形成，称为“枝晶熔断枝晶熔断枝晶熔断枝晶熔断”理论。理论。理论。理论。 SouthinSouthinSouthinSouthin( ( ( (索辛索辛索辛索辛) ) ) )、osenhainosenhainosenhainosenhain（罗逊汉）等人则认为，（罗逊汉）等人则认为，（罗逊汉）等人则认为，（罗逊汉）等人则认为，液面冷却产生的晶粒下雨似地沉液面冷却产生的晶粒下雨似地沉液面冷却产生的晶粒下雨似地沉液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下积到柱状晶区前方的液体中，下积到柱状晶
34、区前方的液体中，下积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生熔断和增殖，是落过程中也发生熔断和增殖，是落过程中也发生熔断和增殖，是落过程中也发生熔断和增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为要来源，称为要来源，称为要来源，称为“结晶雨结晶雨结晶雨结晶雨”理论。理论。理论。理论。（2 2 2 2）界面前方晶粒游离理论（枝晶熔断及结晶雨理论）界面前方晶粒游离理论（枝晶熔断及结晶雨理论）界面前方晶粒游离理论（枝晶熔断及结晶雨理论）界面前方晶粒游离理论（枝晶熔断及结晶雨理论）7/22/20247/22/2024
35、1414结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.4内部等轴晶的形成 在浇注的过程中及凝固的初在浇注的过程中及凝固的初在浇注的过程中及凝固的初在浇注的过程中及凝固的初期激冷期激冷期激冷期激冷, , , ,等轴晶自型壁脱落与游离等轴晶自型壁脱落与游离等轴晶自型壁脱落与游离等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成促使等轴晶形成促使等轴晶形成促使等轴晶形成, , , ,浇注温度低可以浇注温度低可以浇注温度低可以浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。 等轴晶体即便在浇注过程中等轴晶体即便在浇注过程中等轴晶体即便在浇注过
36、程中等轴晶体即便在浇注过程中没有来得及形成，那么浇洼完毕没有来得及形成，那么浇洼完毕没有来得及形成，那么浇洼完毕没有来得及形成，那么浇洼完毕凝固的开始阶段，在型壁处形成凝固的开始阶段，在型壁处形成凝固的开始阶段，在型壁处形成凝固的开始阶段，在型壁处形成的晶体，由于其密度或大于母液的晶体，由于其密度或大于母液的晶体，由于其密度或大于母液的晶体，由于其密度或大于母液或小于母液也会产生对流，依靠或小于母液也会产生对流，依靠或小于母液也会产生对流，依靠或小于母液也会产生对流，依靠对流可将型壁处产生的晶体脱落对流可将型壁处产生的晶体脱落对流可将型壁处产生的晶体脱落对流可将型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件
37、的内部，图且游离到铸件的内部，图且游离到铸件的内部，图且游离到铸件的内部，图5-5 5-5 5-5 5-5 是是是是产生这种对流的示意图。产生这种对流的示意图。产生这种对流的示意图。产生这种对流的示意图。（3 3 3 3）激冷晶游离理论（激冷等轴晶型壁脱落与游离理论）激冷晶游离理论（激冷等轴晶型壁脱落与游离理论）激冷晶游离理论（激冷等轴晶型壁脱落与游离理论）激冷晶游离理论（激冷等轴晶型壁脱落与游离理论）7/22/20247/22/20241515结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.4内部等轴晶的形成2 关于等关于等轴晶区的形成晶区的形成过程：程：（1 1 1 1）索新（）索新（）索新（）索
38、新（SouthinSouthinSouthinSouthin）等人认为不仅要求界面前方存在有等）等人认为不仅要求界面前方存在有等）等人认为不仅要求界面前方存在有等）等人认为不仅要求界面前方存在有等轴晶晶核，而且还要求这些晶核长到一定的大小，并形成轴晶晶核，而且还要求这些晶核长到一定的大小，并形成轴晶晶核，而且还要求这些晶核长到一定的大小，并形成轴晶晶核，而且还要求这些晶核长到一定的大小，并形成网络以阻止柱状晶区的生长。网络以阻止柱状晶区的生长。网络以阻止柱状晶区的生长。网络以阻止柱状晶区的生长。（2 2 2 2）富兰杰克逊（）富兰杰克逊（）富兰杰克逊（）富兰杰克逊（FredikessonFre
39、dikessonFredikessonFredikesson）认为内部等轴晶区的产生）认为内部等轴晶区的产生）认为内部等轴晶区的产生）认为内部等轴晶区的产生并不要求游离晶形成网络阻止柱状晶区的生长，而是由一并不要求游离晶形成网络阻止柱状晶区的生长，而是由一并不要求游离晶形成网络阻止柱状晶区的生长，而是由一并不要求游离晶形成网络阻止柱状晶区的生长，而是由一部分游离晶的沉淀和一部分游离晶被侧面生长着的状状前部分游离晶的沉淀和一部分游离晶被侧面生长着的状状前部分游离晶的沉淀和一部分游离晶被侧面生长着的状状前部分游离晶的沉淀和一部分游离晶被侧面生长着的状状前沿捕获后而形成的。沿捕获后而形成的。沿捕获后
40、而形成的。沿捕获后而形成的。（3 3 3 3）我国学者，认为内部等轴晶区的形成是由于凝固界面的）我国学者，认为内部等轴晶区的形成是由于凝固界面的）我国学者，认为内部等轴晶区的形成是由于凝固界面的）我国学者，认为内部等轴晶区的形成是由于凝固界面的生长速率生长速率生长速率生长速率R R R R与游离晶垂直于界面的运动速率与游离晶垂直于界面的运动速率与游离晶垂直于界面的运动速率与游离晶垂直于界面的运动速率v v v v之间互相作用之间互相作用之间互相作用之间互相作用的结果。当两者之差远大于界面捕获游离晶所必需的临界的结果。当两者之差远大于界面捕获游离晶所必需的临界的结果。当两者之差远大于界面捕获游离
41、晶所必需的临界的结果。当两者之差远大于界面捕获游离晶所必需的临界速率时，即可形成内部等轴晶区。速率时，即可形成内部等轴晶区。速率时，即可形成内部等轴晶区。速率时，即可形成内部等轴晶区。7/22/20247/22/20241616结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.4内部等轴晶的形成 无论是关于等轴晶晶核的来无论是关于等轴晶晶核的来无论是关于等轴晶晶核的来无论是关于等轴晶晶核的来源问题，还是等轴晶区形成的具源问题，还是等轴晶区形成的具源问题，还是等轴晶区形成的具源问题，还是等轴晶区形成的具体过程问题，上述各理论与看法体过程问题，上述各理论与看法体过程问题，上述各理论与看法体过程问题，上述各理
42、论与看法均有自己的实验根据，然而也受均有自己的实验根据，然而也受均有自己的实验根据，然而也受均有自己的实验根据，然而也受到各自实验条件的限制。关于等到各自实验条件的限制。关于等到各自实验条件的限制。关于等到各自实验条件的限制。关于等轴晶区的形成过程比较统一的看轴晶区的形成过程比较统一的看轴晶区的形成过程比较统一的看轴晶区的形成过程比较统一的看法是，中心等轴晶区的形成很可法是，中心等轴晶区的形成很可法是，中心等轴晶区的形成很可法是，中心等轴晶区的形成很可能是多种途径的。在一种情况下，能是多种途径的。在一种情况下，能是多种途径的。在一种情况下，能是多种途径的。在一种情况下，可能是这种机理起主导作用
43、；在可能是这种机理起主导作用；在可能是这种机理起主导作用；在可能是这种机理起主导作用；在另一种情况下，可能是另一种机另一种情况下，可能是另一种机另一种情况下，可能是另一种机另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或者是几种机理的理在起作用，或者是几种机理的理在起作用，或者是几种机理的理在起作用，或者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当综合作用，而各自作用的大小当综合作用，而各自作用的大小当综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。由具体的凝固条件所决定。由具体的凝固条件所决定。由具体的凝固条件所决定。7/22/20247/22/20241717结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.
44、1.5影响铸件宏观组织形成的因素 综上所述，铸件中三个晶区的形成是相互联系、彼此制综上所述，铸件中三个晶区的形成是相互联系、彼此制综上所述，铸件中三个晶区的形成是相互联系、彼此制综上所述，铸件中三个晶区的形成是相互联系、彼此制约的。稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶约的。稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶约的。稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶约的。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区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是中心等区的过渡，而阻止柱状晶区
45、进一步发展的关键则是中心等轴晶区的形成。轴晶区的形成。轴晶区的形成。轴晶区的形成。 凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离及有助于游离凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离及有助于游离凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离及有助于游离凡能强化熔体独立生核，促进晶粒游离及有助于游离晶的残存与堆积的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发晶的残存与堆积的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发晶的残存与堆积的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发晶的残存与堆积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。这些展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。这些展，从而扩大等轴晶区的范围，并细
46、化等轴晶组织。这些展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。这些因素包括以下几个方面：因素包括以下几个方面：因素包括以下几个方面：因素包括以下几个方面：1.1.金属性金属性金属性金属性质质方面方面方面方面；2.2.浇浇注条件方面；注条件方面；注条件方面；注条件方面；3.3.铸铸型性型性型性型性质质和和和和铸铸件件件件结结构方面。构方面。构方面。构方面。7/22/20247/22/20241818结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素1 金属性金属性质方面：方面：（1 1 1 1）强生核剂在过冷熔体中的）强生核剂在过冷熔体中的）强生核剂在过冷熔体中的）强生核剂在
47、过冷熔体中的存在；存在；存在；存在；（2 2 2 2）宽结晶温度范围的合金和）宽结晶温度范围的合金和）宽结晶温度范围的合金和）宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度；小的温度梯度；小的温度梯度；小的温度梯度；（3 3 3 3）合金中溶质元素含量较高、）合金中溶质元素含量较高、）合金中溶质元素含量较高、）合金中溶质元素含量较高、平衡分配系数平衡分配系数平衡分配系数平衡分配系数k k k k0 0 0 0偏离偏离偏离偏离1 1 1 1较远；较远；较远；较远；（4 4 4 4）熔体在凝固过程中存在长）熔体在凝固过程中存在长）熔体在凝固过程中存在长）熔体在凝固过程中存在长时间的、激烈的对流。时间的、激烈的
48、对流。时间的、激烈的对流。时间的、激烈的对流。7/22/20247/22/20241919结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素2 2 2 2 浇注条件方面：浇注条件方面：浇注条件方面：浇注条件方面：（1 1 1 1）低的浇注温度）低的浇注温度）低的浇注温度）低的浇注温度 过热度小，能产生大量的游离晶，并有过热度小，能产生大量的游离晶，并有过热度小，能产生大量的游离晶，并有过热度小，能产生大量的游离晶，并有助于游离晶的残存。助于游离晶的残存。助于游离晶的残存。助于游离晶的残存。（2 2 2 2）合适的浇注工艺）合适的浇注工艺）合适的浇注工艺）合适的浇注工艺 凡能强
49、化液流对型壁的凡能强化液流对型壁的凡能强化液流对型壁的凡能强化液流对型壁的冲刷作用冲刷作用冲刷作用冲刷作用的浇注的浇注的浇注的浇注工艺均能扩大并细化等轴晶区。工艺均能扩大并细化等轴晶区。工艺均能扩大并细化等轴晶区。工艺均能扩大并细化等轴晶区。 大野笃美研究比较了几种浇注方法（石墨型，大野笃美研究比较了几种浇注方法（石墨型，大野笃美研究比较了几种浇注方法（石墨型，大野笃美研究比较了几种浇注方法（石墨型，Al-0.2%Cu Al-0.2%Cu Al-0.2%Cu Al-0.2%Cu 合金）对铸件宏观凝固组织的影响。合金）对铸件宏观凝固组织的影响。合金）对铸件宏观凝固组织的影响。合金）对铸件宏观凝固
50、组织的影响。图图图图a a a a所示铸型中间的方法浇所示铸型中间的方法浇所示铸型中间的方法浇所示铸型中间的方法浇注，对型壁无冲刷作用，获得的凝固组织大多为粗大柱状晶。注，对型壁无冲刷作用，获得的凝固组织大多为粗大柱状晶。注，对型壁无冲刷作用，获得的凝固组织大多为粗大柱状晶。注，对型壁无冲刷作用，获得的凝固组织大多为粗大柱状晶。图图图图b b b b所示单孔上注方法，使液流沿型壁冲刷，结果柱状晶区缩小，所示单孔上注方法，使液流沿型壁冲刷，结果柱状晶区缩小，所示单孔上注方法，使液流沿型壁冲刷，结果柱状晶区缩小，所示单孔上注方法，使液流沿型壁冲刷，结果柱状晶区缩小，内部等轴晶区扩大且晶粒细化。进一
51、步使液流分散，采用内部等轴晶区扩大且晶粒细化。进一步使液流分散，采用内部等轴晶区扩大且晶粒细化。进一步使液流分散，采用内部等轴晶区扩大且晶粒细化。进一步使液流分散，采用图图图图c c c c所所所所示的沿型壁六孔浇注，得到全部细小等轴晶。浇注缓慢，并且示的沿型壁六孔浇注，得到全部细小等轴晶。浇注缓慢，并且示的沿型壁六孔浇注，得到全部细小等轴晶。浇注缓慢，并且示的沿型壁六孔浇注，得到全部细小等轴晶。浇注缓慢，并且浇注结束时过冷度较低，越利于晶核的生存。后来大野笃美采浇注结束时过冷度较低，越利于晶核的生存。后来大野笃美采浇注结束时过冷度较低，越利于晶核的生存。后来大野笃美采浇注结束时过冷度较低，越
52、利于晶核的生存。后来大野笃美采用水流冷却的斜板浇注方法，获得用水流冷却的斜板浇注方法，获得用水流冷却的斜板浇注方法，获得用水流冷却的斜板浇注方法，获得比图比图比图比图c c c c更好的晶粒细化效果。更好的晶粒细化效果。更好的晶粒细化效果。更好的晶粒细化效果。7/22/20247/22/20242020结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素3 3 铸型性质和铸件结构方面：铸型性质和铸件结构方面： 对于薄壁铸件而言，激冷可以使整个断面同时产生较大的过冷。铸型蓄热系数越大，整个熔体的生核能力越强。因此这时采用金属型铸造比采用砂型铸造更易获得细等轴晶的断面组织。 对于型
53、壁较厚或导热性较差的铸件而言，铸型的激冷作用只产生于铸件的表面层。在这种情况下，等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。这时铸型冷却能力的影响是矛盾的。7/22/20247/22/20242121结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素3 3 3 3 铸型性质和铸件结构方面：铸型性质和铸件结构方面：铸型性质和铸件结构方面：铸型性质和铸件结构方面：一方面，低蓄热系数的铸型延缓稳定凝固壳层的形成，有助于凝固初期激冷晶的游离，同时也使内部温度梯度GL L变小，凝固区城变宽，从而对增加等轴晶有利另一方面，它减慢了熔体过热热量的散失，不利于游离晶粒的残存，从而减少了等轴晶的
54、数量。通常，前者是矛盾的主导团素，因而在一般生产中，除薄壁铸件外，采用金属型铸造比砂型铸造更易获得柱状晶，特别是高温下浇注更是如此。7/22/20247/22/20242222结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素补充：改善铸件组织的孕育处理补充：改善铸件组织的孕育处理 孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、
55、改善宏观组织目的的一种工艺方法。观组织目的的一种工艺方法。观组织目的的一种工艺方法。观组织目的的一种工艺方法。 孕育孕育孕育孕育( Inoculation)( Inoculation)主要影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；变质主要影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；变质主要影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；变质主要影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；变质（ModificationModification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在
56、改变共晶合金的非）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。孕育主要起非自孕育主要起非自孕育主要起非自孕育主要起非自发发形核作用形核作用形核作用形核作用孕育剂含有直接作为非自发生核的物质孕育剂含有直接作为非自发生核的物质 孕育剂能与液相中某些元素孕育
57、剂能与液相中某些元素反应反应生成较生成较稳定的稳定的化合物化合物而产生非自发生核而产生非自发生核在液相中造成很大的在液相中造成很大的微区富集微区富集而迫使结而迫使结晶相提前弥散析出而生核晶相提前弥散析出而生核 7/22/20247/22/20242323结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.1.5影响铸件宏观组织形成的因素合金种合金种类孕育孕育剂主要主要组元元加入量加入量wt%加入方法加入方法碳碳钢及合金及合金钢Ti0.10.2铁合金合金V0.060.30B0.0050.01铸铁Si-Fe，Ca, Ba, Sr0.11.0，与与Si-Fe复合复合铁合金合金铝合金合金Ti, Zr , Ti+B,
58、Ti+C Ti:0.15;Zr:0.2；复合复合:Ti0.01B或或C0.05;Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中中间合金合金过共晶共晶Al-SiP0.02Al-P，Cu-P，Fe-P铜合金合金Zr, Zr+B, Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04纯金属或中金属或中间合金合金镍基高温合金基高温合金WC, NbC碳化物粉末碳化物粉末合金常用孕育剂的主要元素情况合金常用孕育剂的主要元素情况 uu通过在生长界通过在生长界通过在生长界通过在生长界面前沿的成分富面前沿的成分富面前沿的成分富面前沿的成分富集而使晶粒根部集而使晶粒根部集而使晶粒根部集而使晶粒根部和树枝晶
59、分枝根和树枝晶分枝根和树枝晶分枝根和树枝晶分枝根部产生缩颈，促部产生缩颈，促部产生缩颈，促部产生缩颈，促进枝晶熔断和游进枝晶熔断和游进枝晶熔断和游进枝晶熔断和游离而细化晶粒。离而细化晶粒。离而细化晶粒。离而细化晶粒。7/22/20247/22/20242424结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4-2 铸件结晶组织的控制 铸件的质量和性能与其结晶组织密切相关。就宏观组铸件的质量和性能与其结晶组织密切相关。就宏观组铸件的质量和性能与其结晶组织密切相关。就宏观组铸件的质量和性能与其结晶组织密切相关。就宏观组织而言，表面细晶粒区一般比较薄，对铸件的质量和性能织而言，表面细晶粒区一般比较薄，对铸件的质量和
60、性能织而言，表面细晶粒区一般比较薄，对铸件的质量和性能织而言，表面细晶粒区一般比较薄，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影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴影响不大。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。晶区的比例以及晶粒的大小。晶区的比例以及晶粒的大小。晶区的比例以及晶粒的大小。 柱状晶在生长过程中凝固区域较窄，其横向生长受到相柱状晶在生长过程中凝固区域较窄，其横向生长受到相柱状晶在生长过程中凝固区域较窄，其横向生长受到相柱状晶在生长过程中凝固区域较窄，其横向生长受到
61、相邻晶体的阻碍，树枝晶得不到充分的发展，分枝较少。因邻晶体的阻碍，树枝晶得不到充分的发展，分枝较少。因邻晶体的阻碍，树枝晶得不到充分的发展，分枝较少。因邻晶体的阻碍，树枝晶得不到充分的发展，分枝较少。因此结晶后此结晶后此结晶后此结晶后显微缩松等晶间杂质少显微缩松等晶间杂质少显微缩松等晶间杂质少显微缩松等晶间杂质少，组织比较致密组织比较致密组织比较致密组织比较致密。但柱状。但柱状。但柱状。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其晶比较粗大，晶界面积小，并且位向一致。因而其性能具性能具性能具性能具有明
62、显的方向性有明显的方向性有明显的方向性有明显的方向性：纵向好、横向差。此外，其凝固界面前：纵向好、横向差。此外，其凝固界面前：纵向好、横向差。此外，其凝固界面前：纵向好、横向差。此外，其凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质，特别是当不同方位的柱状方常汇集有较多的第二相杂质，特别是当不同方位的柱状方常汇集有较多的第二相杂质，特别是当不同方位的柱状方常汇集有较多的第二相杂质，特别是当不同方位的柱状晶区相遇而构成晶界时，大量夹杂与气体等在该处聚集将晶区相遇而构成晶界时，大量夹杂与气体等在该处聚集将晶区相遇而构成晶界时，大量夹杂与气体等在该处聚集将晶区相遇而构成晶界时，大量夹杂与气体等在该处聚集将导致
63、铸件导致铸件导致铸件导致铸件热裂热裂热裂热裂，或者使铸锭在以后的塑性加工中产生裂纹。，或者使铸锭在以后的塑性加工中产生裂纹。，或者使铸锭在以后的塑性加工中产生裂纹。，或者使铸锭在以后的塑性加工中产生裂纹。7/22/20247/22/20242525结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4-2 铸件结晶组织的控制 等轴晶区的等轴晶区的等轴晶区的等轴晶区的晶界面积大，杂质和缺陷分晶界面积大，杂质和缺陷分晶界面积大，杂质和缺陷分晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相
64、同，故性能均匀而稳定，没有方向性故性能均匀而稳定，没有方向性故性能均匀而稳定，没有方向性故性能均匀而稳定，没有方向性。其缺点是。其缺点是。其缺点是。其缺点是枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密不够致密不够致密不够致密。等轴晶细化能使杂质和缺陷分布。等轴晶细化能使杂质和缺陷分布。等轴晶细化能使杂质和缺陷分布。等轴晶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。更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。更加分散，从而在一定
65、程度上提高各项性能。一般说来，晶粒越细，其综合性能就越好，一般说来，晶粒越细，其综合性能就越好，一般说来，晶粒越细，其综合性能就越好，一般说来，晶粒越细，其综合性能就越好，抗疲劳性能也越高。抗疲劳性能也越高。抗疲劳性能也越高。抗疲劳性能也越高。 除宏观状态外，结晶组织的除宏观状态外，结晶组织的除宏观状态外，结晶组织的除宏观状态外，结晶组织的微观结构微观结构微观结构微观结构对对对对铸件的质量和性能也有强烈的影响。在其他铸件的质量和性能也有强烈的影响。在其他铸件的质量和性能也有强烈的影响。在其他铸件的质量和性能也有强烈的影响。在其他条件相同时，条件相同时，条件相同时，条件相同时，平面生长柱状晶平面
66、生长柱状晶平面生长柱状晶平面生长柱状晶的质量和性能的质量和性能的质量和性能的质量和性能优于胞状结构的柱状晶，更胜过树枝状结构优于胞状结构的柱状晶，更胜过树枝状结构优于胞状结构的柱状晶，更胜过树枝状结构优于胞状结构的柱状晶，更胜过树枝状结构的柱状晶组织；而没有树枝状结构的的柱状晶组织；而没有树枝状结构的的柱状晶组织；而没有树枝状结构的的柱状晶组织；而没有树枝状结构的球状晶球状晶球状晶球状晶组织组织组织组织的质量与性能则比树枝状结构的等轴晶的质量与性能则比树枝状结构的等轴晶的质量与性能则比树枝状结构的等轴晶的质量与性能则比树枝状结构的等轴晶组织更强，树枝晶的组织更强，树枝晶的组织更强，树枝晶的组织
67、更强，树枝晶的枝晶间距枝晶间距枝晶间距枝晶间距( ( ( (特别是二次特别是二次特别是二次特别是二次枝晶间距枝晶间距枝晶间距枝晶间距) ) ) )越小越小越小越小，铸件的夹杂和缺陷越分散，铸件的夹杂和缺陷越分散，铸件的夹杂和缺陷越分散，铸件的夹杂和缺陷越分散，致密性就越好，机械性能也就越高。致密性就越好，机械性能也就越高。致密性就越好，机械性能也就越高。致密性就越好，机械性能也就越高。7/22/20247/22/20242626结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.2.2等轴晶组织的获得和细化 通过强化非均质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，通过强化非均质生核和促进晶粒游离
68、以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，通过强化非均质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，通过强化非均质生核和促进晶粒游离以抑制凝固过程中柱状晶区的形成和发展，就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越就能获得等轴晶组织。非均质晶核数量越多，晶粒游离的作用越强，熔体内部越有利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。根据上节分析，不难总结出如有利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。根据上节分析，不难总结出如有
69、利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。根据上节分析，不难总结出如有利于游离晶的残存，则形成的等轴晶粒就越细。根据上节分析，不难总结出如下的具体措施：下的具体措施：下的具体措施：下的具体措施：7/22/20247/22/20242727结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.2.2等轴晶组织的获得和细化1、利用金属流、利用金属流对对型壁的冲刷型壁的冲刷 大野笃美针对型壁晶体脱落对生大野笃美针对型壁晶体脱落对生大野笃美针对型壁晶体脱落对生大野笃美针对型壁晶体脱落对生核过程的影响进行了一系列试验，证核过程的影响进行了一系列试验，证核过程的影响进行了一系列试验，证核过程的影响进行了一系列试验，证明利用
70、金属流对型壁的冲刷作用可以明利用金属流对型壁的冲刷作用可以明利用金属流对型壁的冲刷作用可以明利用金属流对型壁的冲刷作用可以获得细小等轴晶。获得细小等轴晶。获得细小等轴晶。获得细小等轴晶。 2、用、用电电磁磁搅搅拌拌(electromagnetic stirring)使金属液体旋使金属液体旋转转 把铸型放入类似于电动机定子的旋把铸型放入类似于电动机定子的旋把铸型放入类似于电动机定子的旋把铸型放入类似于电动机定子的旋转磁场中，则铸型中的液体金属不断切转磁场中，则铸型中的液体金属不断切转磁场中，则铸型中的液体金属不断切转磁场中，则铸型中的液体金属不断切割磁力线，将像转子一样旋转。由于铸割磁力线，将像
71、转子一样旋转。由于铸割磁力线，将像转子一样旋转。由于铸割磁力线，将像转子一样旋转。由于铸型是不动的，凝固层与铸型一起也不参型是不动的，凝固层与铸型一起也不参型是不动的，凝固层与铸型一起也不参型是不动的，凝固层与铸型一起也不参加旋转，依次旋转的液体金属不断地冲加旋转，依次旋转的液体金属不断地冲加旋转，依次旋转的液体金属不断地冲加旋转，依次旋转的液体金属不断地冲刷着型壁和以后的凝固层。这种冲刷作刷着型壁和以后的凝固层。这种冲刷作刷着型壁和以后的凝固层。这种冲刷作刷着型壁和以后的凝固层。这种冲刷作用是由通电来控制的，从理论上说，它用是由通电来控制的，从理论上说，它用是由通电来控制的，从理论上说，它用
72、是由通电来控制的，从理论上说，它可以在凝固过程的任何阶段，产生不同可以在凝固过程的任何阶段，产生不同可以在凝固过程的任何阶段，产生不同可以在凝固过程的任何阶段，产生不同强度的磁场，使铸件的不同部分获得不强度的磁场，使铸件的不同部分获得不强度的磁场，使铸件的不同部分获得不强度的磁场，使铸件的不同部分获得不同的晶粒组织。这种技术在冶金企业已同的晶粒组织。这种技术在冶金企业已同的晶粒组织。这种技术在冶金企业已同的晶粒组织。这种技术在冶金企业已经广泛应用于连铸坯生产中。经广泛应用于连铸坯生产中。经广泛应用于连铸坯生产中。经广泛应用于连铸坯生产中。 7/22/20247/22/20242828结晶组织结
73、晶组织结晶组织结晶组织4.2.2等轴晶组织的获得和细化3、孕育、孕育处理（理（inoculation）与）与变质处理（理（modification） ） 孕育处理和变质处理都是在金属液中加入少量物质。孕育处理主要是通过促孕育处理和变质处理都是在金属液中加入少量物质。孕育处理主要是通过促孕育处理和变质处理都是在金属液中加入少量物质。孕育处理主要是通过促孕育处理和变质处理都是在金属液中加入少量物质。孕育处理主要是通过促进液体内部的形核，达到细化晶粒的目的。变质处理主要通过改变晶体的生长方进液体内部的形核，达到细化晶粒的目的。变质处理主要通过改变晶体的生长方进液体内部的形核，达到细化晶粒的目的。变质
74、处理主要通过改变晶体的生长方进液体内部的形核，达到细化晶粒的目的。变质处理主要通过改变晶体的生长方式，从而改变晶体的形貌和生长速度，达到细化晶粒的作用。式，从而改变晶体的形貌和生长速度，达到细化晶粒的作用。式，从而改变晶体的形貌和生长速度，达到细化晶粒的作用。式，从而改变晶体的形貌和生长速度，达到细化晶粒的作用。 孕育和孕育和孕育和孕育和变质变质变质变质作用的原理可作用的原理可作用的原理可作用的原理可归纳为归纳为归纳为归纳为以下三以下三以下三以下三类类类类： ： ： ： a) a) a) a) 外加晶核外加晶核外加晶核外加晶核 在在在在浇浇浇浇注注注注时时时时向向向向金属液流中加入金属液流中加
75、入金属液流中加入金属液流中加入与欲与欲与欲与欲细细细细化相具有化相具有化相具有化相具有界面共格界面共格界面共格界面共格对应对应对应对应的的的的高熔点物高熔点物高熔点物高熔点物质质质质或同或同或同或同类类类类金属的碎粒，金属的碎粒，金属的碎粒，金属的碎粒，使之在液体中作使之在液体中作使之在液体中作使之在液体中作为为为为有效有效有效有效质质质质点促点促点促点促进进进进非自非自非自非自发发发发生核。生核。生核。生核。 b) b) b) b) 加入生核剂加入生核剂加入生核剂加入生核剂 物物物物质质质质本身不一定能作本身不一定能作本身不一定能作本身不一定能作为为为为晶核，但晶核，但晶核，但晶核，但通通通
76、通过过过过它它它它们们们们与液体金属中某些元素的与液体金属中某些元素的与液体金属中某些元素的与液体金属中某些元素的相互作用，能相互作用，能相互作用，能相互作用，能产产产产生晶核或有效生晶核或有效生晶核或有效生晶核或有效质质质质点，点，点，点，促促促促进进进进非自非自非自非自发发发发生核。分生核。分生核。分生核。分为为为为两两两两类类类类：一是少：一是少：一是少：一是少量元素能与液体中某元素（最好是量元素能与液体中某元素（最好是量元素能与液体中某元素（最好是量元素能与液体中某元素（最好是细细细细化相原子）化相原子）化相原子）化相原子）组组组组成成成成较稳较稳较稳较稳定的化合物，此定的化合物，此定
77、的化合物，此定的化合物，此化合物与欲化合物与欲化合物与欲化合物与欲细细细细化相具有界面共格化相具有界面共格化相具有界面共格化相具有界面共格对对对对应应应应关系，就能促关系，就能促关系，就能促关系，就能促进进进进非自非自非自非自发发发发生核。二是生核。二是生核。二是生核。二是少量元素能在液体中造成很大的微少量元素能在液体中造成很大的微少量元素能在液体中造成很大的微少量元素能在液体中造成很大的微区富集，迫使区富集，迫使区富集，迫使区富集，迫使结结结结晶相提前弥散析出。晶相提前弥散析出。晶相提前弥散析出。晶相提前弥散析出。 c) c) c) c) 采用成分过冷元素采用成分过冷元素采用成分过冷元素采用
78、成分过冷元素 这类这类这类这类元素在晶体元素在晶体元素在晶体元素在晶体产产产产生生生生时时时时，富集在相界面上，既能，富集在相界面上，既能，富集在相界面上，既能，富集在相界面上，既能阻碍已有晶体生阻碍已有晶体生阻碍已有晶体生阻碍已有晶体生长长长长，又能形，又能形，又能形，又能形成成成成较较较较大的成分大的成分大的成分大的成分过过过过冷促冷促冷促冷促进进进进生生生生核，同核，同核，同核，同时时时时又使晶体的分枝形又使晶体的分枝形又使晶体的分枝形又使晶体的分枝形成新的成新的成新的成新的缩颈缩颈缩颈缩颈，易于熔断脱落，易于熔断脱落，易于熔断脱落，易于熔断脱落，形成新的晶核。形成新的晶核。形成新的晶核
79、。形成新的晶核。 7/22/20247/22/20242929结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.2.2等轴晶组织的获得和细化3、孕育、孕育处理（理（inoculation）与）与变质处理（理（modification） ） 试验指出，几乎所有的孕育剂都有一个试验指出，几乎所有的孕育剂都有一个试验指出，几乎所有的孕育剂都有一个试验指出，几乎所有的孕育剂都有一个时间效应的问题，即在处理后存在孕育衰退时间效应的问题，即在处理后存在孕育衰退时间效应的问题，即在处理后存在孕育衰退时间效应的问题，即在处理后存在孕育衰退现象。因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本现象。因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本现象。因此
80、孕育效果不仅取决于孕育剂的本现象。因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般身，而且也与孕育处理工艺密切相关。一般说来，处理温度越高，孕育衰退越快。因此说来，处理温度越高，孕育衰退越快。因此说来，处理温度越高，孕育衰退越快。因此说来，处理温度越高，孕育衰退越快。因此在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降在保证孕育剂均匀溶解的前提下，应尽量降低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温低
81、处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温低处理温度。孕育剂的粒度也要根据处理温度和具体的处理方法来选择。度和具体的处理方法来选择。度和具体的处理方法来选择。度和具体的处理方法来选择。 瞬时孕育法液流孕育法和型内孕育法。瞬时孕育法液流孕育法和型内孕育法。瞬时孕育法液流孕育法和型内孕育法。瞬时孕育法液流孕育法和型内孕育法。 2 2 2 2）合理确定孕育工艺）合理确定孕育工艺）合理确定孕育工艺）合理确定孕育工艺7/22/20247/22/20243030结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 柱状晶组织虽然有晶粒粗大、杂质偏聚、性能有明显柱状晶组织虽然有晶粒粗大、杂质
82、偏聚、性能有明显柱状晶组织虽然有晶粒粗大、杂质偏聚、性能有明显柱状晶组织虽然有晶粒粗大、杂质偏聚、性能有明显方向性的不足，但在有些情况下人们也利用其方向性的不足，但在有些情况下人们也利用其方向性的不足，但在有些情况下人们也利用其方向性的不足，但在有些情况下人们也利用其平行于晶体平行于晶体平行于晶体平行于晶体生长方向强度高生长方向强度高生长方向强度高生长方向强度高，抗蠕变能力好抗蠕变能力好抗蠕变能力好抗蠕变能力好的特点，制造特种铸件。的特点，制造特种铸件。的特点，制造特种铸件。的特点，制造特种铸件。 例如，具有柱状晶组织的发动机叶片的性能和寿命有例如，具有柱状晶组织的发动机叶片的性能和寿命有例如
83、，具有柱状晶组织的发动机叶片的性能和寿命有例如，具有柱状晶组织的发动机叶片的性能和寿命有大幅度提高，柱状晶组织还在磁性材料中得到应用。大幅度提高，柱状晶组织还在磁性材料中得到应用。大幅度提高，柱状晶组织还在磁性材料中得到应用。大幅度提高，柱状晶组织还在磁性材料中得到应用。 本节我将就有关柱状晶获得的条件及单项凝固技术予本节我将就有关柱状晶获得的条件及单项凝固技术予本节我将就有关柱状晶获得的条件及单项凝固技术予本节我将就有关柱状晶获得的条件及单项凝固技术予以简要的介绍。主要包括以下三方面的内容：以简要的介绍。主要包括以下三方面的内容：以简要的介绍。主要包括以下三方面的内容：以简要的介绍。主要包括
84、以下三方面的内容：一、一、单单向凝固原理向凝固原理 二、二、单单向凝固技向凝固技术术 三、三、获得得单晶的条件和晶的条件和单晶制造方法晶制造方法 7/22/20247/22/20243131结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 单向凝固的目的是为了使铸件或铸锭获得按一定方向生长的柱状单向凝固的目的是为了使铸件或铸锭获得按一定方向生长的柱状单向凝固的目的是为了使铸件或铸锭获得按一定方向生长的柱状单向凝固的目的是为了使铸件或铸锭获得按一定方向生长的柱状晶或单晶组织。要得到单向凝固组织需要满足以下条件：晶或单晶组织。要得到单向凝固组织需要满足以下条件：晶或单晶组
85、织。要得到单向凝固组织需要满足以下条件：晶或单晶组织。要得到单向凝固组织需要满足以下条件：一、一、单单向凝固原理向凝固原理 首先首先首先首先，要在开始凝固的部位形成稳，要在开始凝固的部位形成稳，要在开始凝固的部位形成稳，要在开始凝固的部位形成稳定的凝固壳。凝固壳的形成阻止了该部定的凝固壳。凝固壳的形成阻止了该部定的凝固壳。凝固壳的形成阻止了该部定的凝固壳。凝固壳的形成阻止了该部位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了位的型壁晶粒游离，并为柱状晶提供了生长基础。该条件可通过各种激冷措施生长基础。该条件可通过各种激冷措施生长基础。该条件
86、可通过各种激冷措施生长基础。该条件可通过各种激冷措施达到。达到。达到。达到。 其次其次其次其次，要确保凝固壳中的晶粒按既，要确保凝固壳中的晶粒按既，要确保凝固壳中的晶粒按既，要确保凝固壳中的晶粒按既定方向通过择优生长而发展成平行排列定方向通过择优生长而发展成平行排列定方向通过择优生长而发展成平行排列定方向通过择优生长而发展成平行排列的柱状晶组织。同时，为使柱状晶纵向的柱状晶组织。同时，为使柱状晶纵向的柱状晶组织。同时，为使柱状晶纵向的柱状晶组织。同时，为使柱状晶纵向生长不受限制，并且在其组织中不夹杂生长不受限制，并且在其组织中不夹杂生长不受限制，并且在其组织中不夹杂生长不受限制，并且在其组织中
87、不夹杂有异向晶粒，固有异向晶粒，固有异向晶粒，固有异向晶粒，固- - - -液界面前方不应存在液界面前方不应存在液界面前方不应存在液界面前方不应存在生核和晶粒游离现象。这个条件可通过生核和晶粒游离现象。这个条件可通过生核和晶粒游离现象。这个条件可通过生核和晶粒游离现象。这个条件可通过下述措施来满足：下述措施来满足：下述措施来满足：下述措施来满足： 1 1、 、 、 、严严严严格的格的格的格的单单单单向散向散向散向散热热热热。要使凝固系。要使凝固系。要使凝固系。要使凝固系统统统统始始始始终处终处终处终处于柱状于柱状于柱状于柱状晶生晶生晶生晶生长长长长方向的正温度梯度作用下，并且要方向的正温度梯度
88、作用下，并且要方向的正温度梯度作用下，并且要方向的正温度梯度作用下，并且要绝对绝对绝对绝对阻止阻止阻止阻止侧侧侧侧向散向散向散向散热热热热以避免界面前方型壁及其附近的生核和以避免界面前方型壁及其附近的生核和以避免界面前方型壁及其附近的生核和以避免界面前方型壁及其附近的生核和长长长长大。大。大。大。 2 2、有足、有足、有足、有足够够大的大的大的大的GGL L/R/R，使成分，使成分，使成分，使成分过过冷限制在允冷限制在允冷限制在允冷限制在允许许的的的的范范范范围围内。同内。同内。同内。同时时要减少熔体的非均要减少熔体的非均要减少熔体的非均要减少熔体的非均质质生核能力，生核能力，生核能力，生核能
89、力，这样这样就就就就能避免界面前方的生核能避免界面前方的生核能避免界面前方的生核能避免界面前方的生核现现象。提高熔体的象。提高熔体的象。提高熔体的象。提高熔体的纯净纯净度，减度，减度，减度，减少因氧化和吸氧而形成的少因氧化和吸氧而形成的少因氧化和吸氧而形成的少因氧化和吸氧而形成的杂质污杂质污染，染，染，染，对对已有的有效已有的有效已有的有效已有的有效衬衬底底底底则则通通通通过过高温加高温加高温加高温加热热或加入其它元素来改或加入其它元素来改或加入其它元素来改或加入其它元素来改变变其其其其组组成和成和成和成和结结构等方法均有助于减少熔体的非均构等方法均有助于减少熔体的非均构等方法均有助于减少熔体
90、的非均构等方法均有助于减少熔体的非均质质生核能力。生核能力。生核能力。生核能力。 3 3、要避免液、要避免液、要避免液、要避免液态态金属的金属的金属的金属的对对流、流、流、流、搅搅拌和振拌和振拌和振拌和振动动，从而阻，从而阻，从而阻，从而阻止界面前方的晶粒游离。止界面前方的晶粒游离。止界面前方的晶粒游离。止界面前方的晶粒游离。对对晶粒密度大于液晶粒密度大于液晶粒密度大于液晶粒密度大于液态态金属的金属的金属的金属的合金，避免自然合金，避免自然合金，避免自然合金，避免自然对对流的最好方法就是自下而上地流的最好方法就是自下而上地流的最好方法就是自下而上地流的最好方法就是自下而上地进进行行行行单单向向
91、向向结结晶。当然也可以通晶。当然也可以通晶。当然也可以通晶。当然也可以通过过安置固定磁安置固定磁安置固定磁安置固定磁场场的方法阻止的方法阻止的方法阻止的方法阻止其其其其单单向向向向结结晶晶晶晶过过程中的程中的程中的程中的对对流。流。流。流。 7/22/20247/22/20243232结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织4.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 根据成分过冷理论，要使合金单向凝固得到平根据成分过冷理论，要使合金单向凝固得到平根据成分过冷理论，要使合金单向凝固得到平根据成分过冷理论，要使合金单向凝固得到平面凝固组织，主要取决于合金的性质和工艺参数面凝固组织，主要取决于合金的性质和工
92、艺参数面凝固组织，主要取决于合金的性质和工艺参数面凝固组织，主要取决于合金的性质和工艺参数的选择。前者包括溶质含量、液相线斜率和溶质的选择。前者包括溶质含量、液相线斜率和溶质的选择。前者包括溶质含量、液相线斜率和溶质的选择。前者包括溶质含量、液相线斜率和溶质在液相中的扩散系数，后者包括温度梯度和凝固在液相中的扩散系数，后者包括温度梯度和凝固在液相中的扩散系数，后者包括温度梯度和凝固在液相中的扩散系数，后者包括温度梯度和凝固速率。如果被研究的合金成分已定，则靠工艺参速率。如果被研究的合金成分已定，则靠工艺参速率。如果被研究的合金成分已定，则靠工艺参速率。如果被研究的合金成分已定，则靠工艺参数的选
93、择来控制凝固组织，其中固数的选择来控制凝固组织，其中固数的选择来控制凝固组织，其中固数的选择来控制凝固组织，其中固- - - -液界面液相一液界面液相一液界面液相一液界面液相一侧的温度梯度又是最关键的，所以人们都致力于侧的温度梯度又是最关键的，所以人们都致力于侧的温度梯度又是最关键的，所以人们都致力于侧的温度梯度又是最关键的，所以人们都致力于提高温度梯度。可以说，单向凝固技术的发展历提高温度梯度。可以说，单向凝固技术的发展历提高温度梯度。可以说，单向凝固技术的发展历提高温度梯度。可以说，单向凝固技术的发展历史是不断提高设备温度梯度的历史。大的温度梯史是不断提高设备温度梯度的历史。大的温度梯史是
94、不断提高设备温度梯度的历史。大的温度梯史是不断提高设备温度梯度的历史。大的温度梯度一方面可以得到理想的合金组织和性能，另一度一方面可以得到理想的合金组织和性能，另一度一方面可以得到理想的合金组织和性能，另一度一方面可以得到理想的合金组织和性能，另一方面又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。方面又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。方面又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。方面又可以允许加快凝固速率，提高设备利用率。下面简单介绍几种单向凝固工艺。下面简单介绍几种单向凝固工艺。下面简单介绍几种单向凝固工艺。下面简单介绍几种单向凝固工艺。 二、二、单单向凝固技向凝固技术术 7/22/20247
95、/22/20243333结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术1 1 1 1、炉外单向凝固法（发热剂法）、炉外单向凝固法（发热剂法）、炉外单向凝固法（发热剂法）、炉外单向凝固法（发热剂法） 将铸型加热到高温后，迅速取出放在激冷板上，立将铸型加热到高温后，迅速取出放在激冷板上，立将铸型加热到高温后，迅速取出放在激冷板上，立将铸型加热到高温后，迅速取出放在激冷板上，立即浇注。冒口上方盖以发热剂，激冷板下喷水冷却。由即浇注。冒口上方盖以发热剂，激冷板下喷水冷却。由即浇注。冒口上方盖以发热剂，激冷板下喷水冷却。由即浇注。冒口上方盖以发热剂，激冷板下喷水冷却。由于铸型
96、表面温度升高到熔点以上，能使金属较长时间保于铸型表面温度升高到熔点以上，能使金属较长时间保于铸型表面温度升高到熔点以上，能使金属较长时间保于铸型表面温度升高到熔点以上，能使金属较长时间保持液态，从而创造了自下而上的单向凝固条件。此外也持液态，从而创造了自下而上的单向凝固条件。此外也持液态，从而创造了自下而上的单向凝固条件。此外也持液态，从而创造了自下而上的单向凝固条件。此外也可采用发热铸型的方法。早期的单向凝固技术采用的就可采用发热铸型的方法。早期的单向凝固技术采用的就可采用发热铸型的方法。早期的单向凝固技术采用的就可采用发热铸型的方法。早期的单向凝固技术采用的就是炉外法。其缺点是铸件一经浇注
97、，是炉外法。其缺点是铸件一经浇注，是炉外法。其缺点是铸件一经浇注，是炉外法。其缺点是铸件一经浇注，GLGLGLGL和和和和R R R R就无法控制。就无法控制。就无法控制。就无法控制。由于单向散热能力随界面推进而逐渐减弱，柱状晶组织由于单向散热能力随界面推进而逐渐减弱，柱状晶组织由于单向散热能力随界面推进而逐渐减弱，柱状晶组织由于单向散热能力随界面推进而逐渐减弱，柱状晶组织也逐渐变粗。当其长度超过也逐渐变粗。当其长度超过也逐渐变粗。当其长度超过也逐渐变粗。当其长度超过50100mm50100mm50100mm50100mm后，便出现等轴晶后，便出现等轴晶后，便出现等轴晶后，便出现等轴晶粒。因此
98、不适合制造大型和优质铸件。但由于其简单的粒。因此不适合制造大型和优质铸件。但由于其简单的粒。因此不适合制造大型和优质铸件。但由于其简单的粒。因此不适合制造大型和优质铸件。但由于其简单的工艺和低廉的成本，近年来在简单零件小批单向凝固生工艺和低廉的成本，近年来在简单零件小批单向凝固生工艺和低廉的成本，近年来在简单零件小批单向凝固生工艺和低廉的成本，近年来在简单零件小批单向凝固生产中又重新引起人们的兴趣。产中又重新引起人们的兴趣。产中又重新引起人们的兴趣。产中又重新引起人们的兴趣。 7/22/20247/22/20243434结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术
99、2、炉内单向凝固法 使铸件在加热器内浇注和冷却。由于可以调节炉内温度梯度使铸件在加热器内浇注和冷却。由于可以调节炉内温度梯度使铸件在加热器内浇注和冷却。由于可以调节炉内温度梯度使铸件在加热器内浇注和冷却。由于可以调节炉内温度梯度及对结晶过程实现程度不同的控制，因此可以获得高质量的复杂铸件。及对结晶过程实现程度不同的控制，因此可以获得高质量的复杂铸件。及对结晶过程实现程度不同的控制，因此可以获得高质量的复杂铸件。及对结晶过程实现程度不同的控制，因此可以获得高质量的复杂铸件。 (a)(a)功率下降法（功率下降法（功率下降法（功率下降法（P P D D法）法）法）法） 将加热器中的开底铸型放在将加热
100、器中的开底铸型放在将加热器中的开底铸型放在将加热器中的开底铸型放在水冷结晶器上，加热器的感应圈水冷结晶器上，加热器的感应圈水冷结晶器上，加热器的感应圈水冷结晶器上，加热器的感应圈由上下两部分组成。先把铸型加由上下两部分组成。先把铸型加由上下两部分组成。先把铸型加由上下两部分组成。先把铸型加热到浇注温度以上热到浇注温度以上热到浇注温度以上热到浇注温度以上3060306030603060，浇注，浇注，浇注，浇注后切断下部感应圈电源。通过合后切断下部感应圈电源。通过合后切断下部感应圈电源。通过合后切断下部感应圈电源。通过合理地调节上部线圈的输入功率，理地调节上部线圈的输入功率，理地调节上部线圈的输入
101、功率，理地调节上部线圈的输入功率，可以实现冷却速度相当大的单向可以实现冷却速度相当大的单向可以实现冷却速度相当大的单向可以实现冷却速度相当大的单向凝固。其缺点是散热条件没有得凝固。其缺点是散热条件没有得凝固。其缺点是散热条件没有得凝固。其缺点是散热条件没有得到较好的改善，因此得到的柱状到较好的改善，因此得到的柱状到较好的改善，因此得到的柱状到较好的改善，因此得到的柱状晶区仍不超过晶区仍不超过晶区仍不超过晶区仍不超过180mm180mm180mm180mm。 (b)(b)高速凝高速凝高速凝高速凝图图图图法法法法(H(H R R S S法法法法) ) 该法是在该法是在该法是在该法是在P P P P
102、D D D D法的基础上发展起来的。关法的基础上发展起来的。关法的基础上发展起来的。关法的基础上发展起来的。关键是通过逐步移出铸型加强已凝固部分的散热键是通过逐步移出铸型加强已凝固部分的散热键是通过逐步移出铸型加强已凝固部分的散热键是通过逐步移出铸型加强已凝固部分的散热条件。移出速度应能确保凝固界面处于隔板附条件。移出速度应能确保凝固界面处于隔板附条件。移出速度应能确保凝固界面处于隔板附条件。移出速度应能确保凝固界面处于隔板附近的上方。隔板的作用是将高温区和低温区分近的上方。隔板的作用是将高温区和低温区分近的上方。隔板的作用是将高温区和低温区分近的上方。隔板的作用是将高温区和低温区分隔开，从而
103、有利于隔开，从而有利于隔开，从而有利于隔开，从而有利于G G G GL L L L的进一步提高。与的进一步提高。与的进一步提高。与的进一步提高。与P P P PD D D D法法法法相比，该法优点是：由于具有较高的相比，该法优点是：由于具有较高的相比，该法优点是：由于具有较高的相比，该法优点是：由于具有较高的G G G GL L L L和和和和R R R R，故，故，故，故枝晶间距较小，柱状晶细密挺直，生产率比枝晶间距较小，柱状晶细密挺直，生产率比枝晶间距较小，柱状晶细密挺直，生产率比枝晶间距较小，柱状晶细密挺直，生产率比P P P PD D D D法高法高法高法高2 2 2 23 3 3 3
104、倍；凝固区域较窄，有利于补缩，铸倍；凝固区域较窄，有利于补缩，铸倍；凝固区域较窄，有利于补缩，铸倍；凝固区域较窄，有利于补缩，铸件缺陷大大减少，能在较长期间内保持恒定生件缺陷大大减少，能在较长期间内保持恒定生件缺陷大大减少，能在较长期间内保持恒定生件缺陷大大减少，能在较长期间内保持恒定生长，故组织均匀，柱状晶长度可达长，故组织均匀，柱状晶长度可达长，故组织均匀，柱状晶长度可达长，故组织均匀，柱状晶长度可达300mm300mm300mm300mm以上。以上。以上。以上。 7/22/20247/22/20243535结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术(c)(
105、c) 液液液液态态态态金属冷却法金属冷却法金属冷却法金属冷却法(L.M.C(L.M.C法法法法) ) 2、炉内单向凝固法 为了进一步加强为了进一步加强为了进一步加强为了进一步加强H H H HR R R RS S S S法的散热能力，可使结晶器连法的散热能力，可使结晶器连法的散热能力，可使结晶器连法的散热能力，可使结晶器连同铸型在移出隔板后尽快浸入低同铸型在移出隔板后尽快浸入低同铸型在移出隔板后尽快浸入低同铸型在移出隔板后尽快浸入低熔点熔点熔点熔点 、高沸点的液态金属中，、高沸点的液态金属中，、高沸点的液态金属中，、高沸点的液态金属中，利用液态金属的高散热能力使凝利用液态金属的高散热能力使凝利
106、用液态金属的高散热能力使凝利用液态金属的高散热能力使凝固区激冷。这便是固区激冷。这便是固区激冷。这便是固区激冷。这便是L.M.CL.M.CL.M.CL.M.C法（图）法（图）法（图）法（图）。该法。该法。该法。该法G G G GL L L L可达可达可达可达200200200200/ / / /cmcmcmcm以上，且以上，且以上，且以上，且原则上不受凝固层拉长的影响，原则上不受凝固层拉长的影响，原则上不受凝固层拉长的影响，原则上不受凝固层拉长的影响，可得到极长的单向柱状晶。可得到极长的单向柱状晶。可得到极长的单向柱状晶。可得到极长的单向柱状晶。 7/22/20247/22/20243636结
107、晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 分析一下分析一下分析一下分析一下LMCLMCLMCLMC法单向凝固过程不难法单向凝固过程不难法单向凝固过程不难法单向凝固过程不难发现，以下两个问题限制了温度梯度发现，以下两个问题限制了温度梯度发现，以下两个问题限制了温度梯度发现，以下两个问题限制了温度梯度的提高，一是凝固界面并不处于最佳的提高，一是凝固界面并不处于最佳的提高，一是凝固界面并不处于最佳的提高，一是凝固界面并不处于最佳位置，当抽拉速率较低时，界面相对位置，当抽拉速率较低时，界面相对位置，当抽拉速率较低时，界面相对位置，当抽拉速率较低时，界面相对于挡板上移，使
108、凝固界面远离档板；于挡板上移，使凝固界面远离档板；于挡板上移，使凝固界面远离档板；于挡板上移，使凝固界面远离档板；二是未凝固液相中的最高温度面远离二是未凝固液相中的最高温度面远离二是未凝固液相中的最高温度面远离二是未凝固液相中的最高温度面远离凝固界面，界面前沿温度分布平缓。凝固界面，界面前沿温度分布平缓。凝固界面，界面前沿温度分布平缓。凝固界面，界面前沿温度分布平缓。如果改变加热方式，采用在距冷却金如果改变加热方式，采用在距冷却金如果改变加热方式，采用在距冷却金如果改变加热方式，采用在距冷却金属液面较近的特定位置加热，使液相属液面较近的特定位置加热，使液相属液面较近的特定位置加热，使液相属液面
109、较近的特定位置加热，使液相中最高温度区尽量靠近凝固界面，使中最高温度区尽量靠近凝固界面，使中最高温度区尽量靠近凝固界面，使中最高温度区尽量靠近凝固界面，使界面前沿液相中的温度分布变陡，可界面前沿液相中的温度分布变陡，可界面前沿液相中的温度分布变陡，可界面前沿液相中的温度分布变陡，可进一步提高温度梯度。如果采用区域进一步提高温度梯度。如果采用区域进一步提高温度梯度。如果采用区域进一步提高温度梯度。如果采用区域熔化法加热结合液态金属冷却，就形熔化法加热结合液态金属冷却，就形熔化法加热结合液态金属冷却，就形熔化法加热结合液态金属冷却，就形成了区域熔化液态金属冷却单向凝固成了区域熔化液态金属冷却单向凝
110、固成了区域熔化液态金属冷却单向凝固成了区域熔化液态金属冷却单向凝固法。这种方法法。这种方法法。这种方法法。这种方法GTCGTCGTCGTC可达可达可达可达1270k/cm1270k/cm1270k/cm1270k/cm。 (d)(d)区域熔化液区域熔化液区域熔化液区域熔化液态态态态金属冷却法（金属冷却法（金属冷却法（金属冷却法（ZMLMCZMLMC法）法）法）法） 7/22/20247/22/20243737结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 凝固是由坩埚的一端开始，凝固是由坩埚的一端开始，凝固是由坩埚的一端开始，凝固是由坩埚的一端开始，坩埚可以垂直放置
111、在炉内，熔体自坩埚可以垂直放置在炉内，熔体自坩埚可以垂直放置在炉内，熔体自坩埚可以垂直放置在炉内，熔体自下而上凝固或自上而下凝固，如图下而上凝固或自上而下凝固，如图下而上凝固或自上而下凝固，如图下而上凝固或自上而下凝固，如图所示，也可以水平放置。最常用的所示，也可以水平放置。最常用的所示，也可以水平放置。最常用的所示，也可以水平放置。最常用的是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，是将尖底坩埚垂直沿炉体逐渐下降，单晶体从尖底部位缓慢向上生长。单晶体从尖底部位缓慢向上生长。单晶体从尖底部位缓慢向上生长。单晶体从尖底部位缓慢向上生长。也可以将
112、也可以将也可以将也可以将“籽晶籽晶籽晶籽晶”放在坩埚底部，放在坩埚底部，放在坩埚底部，放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，当坩埚向下移动时，当坩埚向下移动时，当坩埚向下移动时， 从从从从“籽晶籽晶籽晶籽晶”处开始结晶，随着固处开始结晶，随着固处开始结晶，随着固处开始结晶，随着固- - - -液界面的移液界面的移液界面的移液界面的移动，单晶不断长大。这类方法的主动，单晶不断长大。这类方法的主动，单晶不断长大。这类方法的主动，单晶不断长大。这类方法的主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核，因此，在生产
113、生应力或寄生成核，因此，在生产生应力或寄生成核，因此，在生产生应力或寄生成核，因此，在生产高完整性的单晶时，很少采用。产高完整性的单晶时，很少采用。产高完整性的单晶时，很少采用。产高完整性的单晶时，很少采用。三、三、获得得单晶的条件和晶的条件和单晶制造方法晶制造方法 (1)(1)(1)(1)坩埚移动或炉体移动单向凝固法坩埚移动或炉体移动单向凝固法坩埚移动或炉体移动单向凝固法坩埚移动或炉体移动单向凝固法 异型高温异型高温异型高温异型高温合金单晶铸件大都合金单晶铸件大都合金单晶铸件大都合金单晶铸件大都是采用垂直坩埚移是采用垂直坩埚移是采用垂直坩埚移是采用垂直坩埚移动单向凝固法获得动单向凝固法获得动
114、单向凝固法获得动单向凝固法获得的，图的，图的，图的，图5 5 5 5- - - -7 7 7 7是铸造是铸造是铸造是铸造单向凝固单晶叶片单向凝固单晶叶片单向凝固单晶叶片单向凝固单晶叶片装置。装置。装置。装置。 7/22/20247/22/20243838结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 这里以高温合金涡轮叶片这里以高温合金涡轮叶片这里以高温合金涡轮叶片这里以高温合金涡轮叶片为对象来介绍其力学性能。由一个为对象来介绍其力学性能。由一个为对象来介绍其力学性能。由一个为对象来介绍其力学性能。由一个柱状晶构成的铸件称为单晶或准单柱状晶构成的铸件称为单晶或准单柱
115、状晶构成的铸件称为单晶或准单柱状晶构成的铸件称为单晶或准单晶铸件。由于它不存在晶界，没有晶铸件。由于它不存在晶界，没有晶铸件。由于它不存在晶界，没有晶铸件。由于它不存在晶界，没有晶界强化元素，因而具有良好的持晶界强化元素，因而具有良好的持晶界强化元素，因而具有良好的持晶界强化元素，因而具有良好的持久寿命，低的蠕变速度和好的热疲久寿命，低的蠕变速度和好的热疲久寿命，低的蠕变速度和好的热疲久寿命，低的蠕变速度和好的热疲劳性能，并且由于产生偏析的晶界劳性能，并且由于产生偏析的晶界劳性能，并且由于产生偏析的晶界劳性能，并且由于产生偏析的晶界被排除，从而使抗氧化、抗热腐蚀被排除，从而使抗氧化、抗热腐蚀被
116、排除，从而使抗氧化、抗热腐蚀被排除，从而使抗氧化、抗热腐蚀性能大大提高。单晶铸件用于航空性能大大提高。单晶铸件用于航空性能大大提高。单晶铸件用于航空性能大大提高。单晶铸件用于航空涡轮发动机热端零件制造，在性能涡轮发动机热端零件制造，在性能涡轮发动机热端零件制造，在性能涡轮发动机热端零件制造，在性能上无疑优于柱状晶和用普通铸造方上无疑优于柱状晶和用普通铸造方上无疑优于柱状晶和用普通铸造方上无疑优于柱状晶和用普通铸造方法得到的铸件。由图中的低倍组织法得到的铸件。由图中的低倍组织法得到的铸件。由图中的低倍组织法得到的铸件。由图中的低倍组织可以看出可以看出可以看出可以看出, , , ,普通铸造高温合金
117、叶片普通铸造高温合金叶片普通铸造高温合金叶片普通铸造高温合金叶片由等轴晶组成，柱晶叶片纵向柱晶由等轴晶组成，柱晶叶片纵向柱晶由等轴晶组成，柱晶叶片纵向柱晶由等轴晶组成，柱晶叶片纵向柱晶贯穿，而单晶叶片是由一颗大晶粒贯穿，而单晶叶片是由一颗大晶粒贯穿，而单晶叶片是由一颗大晶粒贯穿，而单晶叶片是由一颗大晶粒构成。构成。构成。构成。 7/22/20247/22/20243939结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 三种铸造镍基高温合金三种铸造镍基高温合金三种铸造镍基高温合金三种铸造镍基高温合金MarMarMarMarM200M200M200M200的拉伸性能如图
118、所示。的拉伸性能如图所示。的拉伸性能如图所示。的拉伸性能如图所示。由图可以看出由图可以看出由图可以看出由图可以看出, , , ,单晶的拉伸塑性单晶的拉伸塑性单晶的拉伸塑性单晶的拉伸塑性在所有温度下都比较优越，柱在所有温度下都比较优越，柱在所有温度下都比较优越，柱在所有温度下都比较优越，柱状晶的瞬时拉伸强度随着温度状晶的瞬时拉伸强度随着温度状晶的瞬时拉伸强度随着温度状晶的瞬时拉伸强度随着温度升高而提高，在升高而提高，在升高而提高，在升高而提高，在760760760760附近达最附近达最附近达最附近达最高值，超过高值，超过高值，超过高值，超过800800800800时，迅速降低，时，迅速降低，时，
119、迅速降低，时，迅速降低，在在在在760760760760附近柱状晶拉伸强度比附近柱状晶拉伸强度比附近柱状晶拉伸强度比附近柱状晶拉伸强度比等轴晶高出等轴晶高出等轴晶高出等轴晶高出100MPa100MPa100MPa100MPa，在，在，在，在760760760760附附附附近出现拉伸塑性的最低值。镍近出现拉伸塑性的最低值。镍近出现拉伸塑性的最低值。镍近出现拉伸塑性的最低值。镍基高温合金中低温塑性是由其基高温合金中低温塑性是由其基高温合金中低温塑性是由其基高温合金中低温塑性是由其内部组织结构所决定的。内部组织结构所决定的。内部组织结构所决定的。内部组织结构所决定的。 7/22/20247/22/2
120、0244040结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织5.2.2 获得柱状晶的条件和单向凝固技术 蠕变和持久性能是衡量高温合金材蠕变和持久性能是衡量高温合金材蠕变和持久性能是衡量高温合金材蠕变和持久性能是衡量高温合金材料性能的重要指标。在这方面，柱状晶料性能的重要指标。在这方面，柱状晶料性能的重要指标。在这方面，柱状晶料性能的重要指标。在这方面，柱状晶和单晶组织显示了突出的优越性。单晶、和单晶组织显示了突出的优越性。单晶、和单晶组织显示了突出的优越性。单晶、和单晶组织显示了突出的优越性。单晶、柱状晶和等轴晶合金在高温下蠕变特征柱状晶和等轴晶合金在高温下蠕变特征柱状晶和等轴晶合金在高温下蠕变特征柱状晶和
121、等轴晶合金在高温下蠕变特征曲线，试验温度曲线，试验温度曲线，试验温度曲线，试验温度980980，工作应力，工作应力，工作应力，工作应力205MPa205MPa。这一特征对于涡轮热端转动。这一特征对于涡轮热端转动。这一特征对于涡轮热端转动。这一特征对于涡轮热端转动部件尤为重要，它预示着零件是否即将部件尤为重要，它预示着零件是否即将部件尤为重要，它预示着零件是否即将部件尤为重要，它预示着零件是否即将破坏，有利于杜绝发生突然断裂事故。破坏，有利于杜绝发生突然断裂事故。破坏，有利于杜绝发生突然断裂事故。破坏，有利于杜绝发生突然断裂事故。 优良的热疲劳性能是单向凝固柱晶优良的热疲劳性能是单向凝固柱晶优良
122、的热疲劳性能是单向凝固柱晶优良的热疲劳性能是单向凝固柱晶和单晶的特性。试验在和单晶的特性。试验在和单晶的特性。试验在和单晶的特性。试验在201000201000、周、周、周、周期加热每分钟期加热每分钟期加热每分钟期加热每分钟2 2次、加压次、加压次、加压次、加压80MPa80MPa条件下条件下条件下条件下进行的。试验结果表明，柱晶比等轴晶进行的。试验结果表明，柱晶比等轴晶进行的。试验结果表明，柱晶比等轴晶进行的。试验结果表明，柱晶比等轴晶抗热疲劳性能提高抗热疲劳性能提高抗热疲劳性能提高抗热疲劳性能提高5 5倍，其热疲劳裂纹倍，其热疲劳裂纹倍，其热疲劳裂纹倍，其热疲劳裂纹扩展速度相当缓慢。柱晶热
123、疲劳裂纹的扩展速度相当缓慢。柱晶热疲劳裂纹的扩展速度相当缓慢。柱晶热疲劳裂纹的扩展速度相当缓慢。柱晶热疲劳裂纹的裂纹源首先产生在枝晶间，裂纹要向前裂纹源首先产生在枝晶间，裂纹要向前裂纹源首先产生在枝晶间，裂纹要向前裂纹源首先产生在枝晶间，裂纹要向前扩展必须反复不断穿过阻力较大的互相扩展必须反复不断穿过阻力较大的互相扩展必须反复不断穿过阻力较大的互相扩展必须反复不断穿过阻力较大的互相平行的枝晶区，因而扩展速度缓慢。平行的枝晶区，因而扩展速度缓慢。平行的枝晶区，因而扩展速度缓慢。平行的枝晶区，因而扩展速度缓慢。 7/22/20247/22/20244141结晶组织结晶组织结晶组织结晶组织本章结束7/22/202442
