凝固后的晶粒尺寸及其控制.ppt

材料的凝固速度指的是凝固时固相体积随时间的增长率，它是由形核速度和晶体长大速度两个因素决定的形核速度又称形核率形核速度又称形核率，指的是单位体积的液相中，在单位时间内所形成的晶核数目，用N来表示（1 /m-2 · s）晶体长大速度晶体长大速度通常指的是晶体的长大线速度，用vg来表示（m / s） 大小为临界半径r*的晶核处于介稳状态，它们既可消散也可长大只有r＞r*的晶核才可成为稳定晶核 4.5凝固动力学和晶粒尺寸 1、形核率均匀形核形核率N受两个矛盾的因素控制，一方面随过冷度增大，rc、ΔGc 减小，有利于形核；另一方面随过冷度增大，原子从液相向晶胚扩散的速率降低，不利于形核形核率可用下式表示：(式中 N 为总形核率， N1 为受形核功影响的形核率因子; N2 是受扩散影响的形核率因子ΔGc是形核功，ΔGA是扩散激活能 R为气体常数.图3-5为N1、N2与ΔT的关系曲线可见当 ΔT 不大时，形核率主要受形核功因子控制， ΔT 增大，形核率增大，在 ΔT非常大时，形核率主要受扩散因子的控制，随 ΔT 增加，形核率降低晶胚的最大尺寸随过冷度增大而增大，临界晶核半径、晶胚尺寸与过冷度的关系金属的结晶倾向很大，液体金属不易达到很大的过冷度， N与ΔT的关系如图所示，ΔT不大时,N很小，但达到有效形核温度时，N急剧上升，这个有效形核温度值约为0.2Tm(K)。

非均匀形核率•非均匀形核率明显增加时所需的过冷度也比均匀形核小•非均匀形核时，在约为0.02 Tm的过冷度下，非均匀形核率就已达到最大值•非均匀形核率由低向高的过渡较为平缓，而且达到最大值后，凝固并未结束，非均匀形核率将继续下降直至凝固完毕2、晶体的长大速率•晶体的长大速度vg主要取决于晶体的生长方式和过冷度当晶体以连续生长方式生长时，随着过冷度的增大，晶体的平均长大线速度vg呈线性增大•晶体的平均长大速度与过冷度之间的关系可描述为，•其中v1为材料相关的比例常数，单位是m / s · K凝固时晶体的长大速度还受所释放潜热的传导速度控制，对于具有粗糙界面的晶体材料，其结晶潜热一般较小，因此，连续生长时的长大速度较高晶体的长大速率•对于二维形核生长方式而言，晶体的生长是不连续的，相应的平均长大速率可表示为，•其中v2和b均为常数当 很小时，vg非常小，这是因为二维形核所需形核功较大，且二维晶核需达到一定临界尺寸后才能进一步扩展•藉螺型位错生长方式的平均长大速率可表示为，•其中v3为比例常数由于液固界面上所提供的螺型位错露头有限，也就是可填充原子的位置有限，故藉螺型位错生长时的长大速度相对于连续生长时要低。

4-5-2 凝固后的晶粒尺寸及其控制凝固后的晶粒尺寸及其控制晶粒尺寸对材料的性能有重要影响细化晶粒是提高铸件力学性能的及改善材料压力加工性能的重要手段材料凝固后的晶粒尺寸可用单位体积内的晶粒数目或用单位面积上的晶粒数目Z来表示，它取决于凝固过程中的形核率N和晶体长大速度vg，三者之间的关系为：可见，晶粒尺寸随形核率的增大而减小，随着晶体长大速度的增加而增大凝固后晶粒尺寸的控制•(1) 增大过冷度 • 随着过冷度的增大，凝固时形核率N和生长速度vg都将增加，且N的增加率大于vg的增加率，即增大过冷度会提高N / vg的比值，Z将增大，晶粒变细•增大过冷度靠提高凝固时的冷却速度来实现，即通过改变铸造条件如降低浇注温度、提高铸型的吸热能力和导热性能等来实现但利用提高冷却速度增大过冷度来细化晶粒往往只适用于小件和薄件，对大件就难以办到•值得指出的是，过快的冷却可能导致铸件出现裂纹，造成废品•（2）加入形核剂 •由于实际的凝固都为非均匀形核，为了提高形核率，可在熔液凝固之前加入一些细小的人工形核剂（也称孕育剂或变质剂），使之分散在熔液中作为不均匀形核所需的现成基底，这样能使晶核数目大大提高，晶粒显著细化，这种方法又称为孕育处理或变质处理。

凝固后晶粒尺寸的控制凝固后晶粒尺寸的控制•（3）采用振动或搅拌等物理方法 • 在熔液凝固时施加振动或搅拌作用能得到细小的晶粒.•机械振动、电磁搅拌、超声波振动等•晶粒的细化作用主要是通过两个方面来实现的•由于能量的输入使液相的形核率提高•振动或搅拌使生长的晶体破碎，从而提供更多的结晶核心。