文档介绍：第五章铸件及焊缝宏观组织及其控制
第一节铸件的宏观组织
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,如图 5-l 所示。其中激冷
晶区和内部等轴晶区是由等轴晶粒(在极大冷速条件下激冷晶区也可能是柱状晶),其排列方向比较
紊乱。它们之间的差别仅在于激冷晶区的晶粒细小,内部等轴晶区的晶粒较为粗大。柱状晶区的
特点是晶粒都是垂直于型壁排列,且平行于热流方向,在这个方向上的晶轴长大尺寸远比其它方
向长。当然,并不是所有的铸件其宏观组织都是由以上三个晶区所组成,不同的条件下可分别出
现图 5-2 所示的四种情况:只有柱状晶(图 a);表面细等轴晶加柱状晶(图 b);三个晶区都有(图
c);只有等轴晶(图 d)。甚至由激冷区和柱状区所组成。即使是具有三个晶区的宏观组织,其各
个晶区所占的比例因凝固条件不同往往也是不一样的,这造成铸件宏观组织多样化。

柱状晶区

内部等轴晶

图 5-1 铸件典型宏观组织分布示意图

图 5-2 几种不同类型的铸件宏观组织示意图
1
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
表面激冷区中的晶粒通常是无方向性的细等轴晶。根据传统理论,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大量非均质
生核。这些晶核在过冷熔体中也采取枝晶方
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。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
激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固
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。
二、柱状晶区的形成
图 5-3 柱状晶区的形成与发展示意图
在一般情况下柱状晶区是由表面细晶粒
区发展而成的,但也可能直接从型壁处长出。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底向内生长,发展成由外向内生长的柱状晶区。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,便转而以枝晶状单向延伸生长。
对于纯金属,其凝固前沿基本上呈平面生长,故其择优生长并不明显,凝固前沿以平面
生长的方式逆着热流方向向内伸展而成为柱状晶组织。对于合金,当溶质元素在固-液界面前
沿富集而逐渐增多时,柱状晶区的亚组织能呈现出从平面生长、胞状生长直到树枝状生长等
各个阶段的结构形态。
柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生,而结束于内部等轴晶区的形成。如果界面前方始
终不利于等轴晶的形成与生长,则柱状晶区可以一直延伸到铸件中心。如果界面前方有利于
等轴晶的产生与发展条件,内生生长而形成内部等轴晶,这样会阻止柱状晶区的进一步扩展。
第三节内部等轴晶的形成机理
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。
一、“成分过冷”理论
这个理论是 Winegand 和 Chalmers 于 1954 年提出来的,该理论认为,随着凝固层向内推
移,固相散热能力逐渐削弱,内部温度梯度趋于平缓,且液相