第2章金属的结品 应的高熔点物质细粒,在液相中直接起着外来晶核的作用。如浇注高铬钢时加入铬铁粉 在液态金属中加入少量的某些元素,形成稳定化合物作为活性质点,促进非自发形核;如 在钢液中加入钛、钒、铌等形成碳化合物作为活性质点;铝液中加入钛、锆作为质点都能 起到非自发形核的核心作用。有些物质不能提供结晶核心,但能阻止晶粒长大,如液态金 属中加入少量表面活性元素,能附着在晶核的结晶前沿,阻碍晶核长大,如钢液中加入 硼就属于此类变质剂。 三乏习 令度 QRH B 图26金属的形核率N和长大速度G与过冷度的关系 (3)振动、搅拌等。在金属结晶过程中,用机械振动、超声波振动以及搅拌等方法 能够打碎正在长大的枝晶,增加结晶的核心,达到细化晶粒的目的。 2.1.2铸锭组织 1.铸锭组织的形成 铸锭凝固过程中,由于表面和中心冷却条件不同,因此铸锭的组织是不均匀的。如 图27铸锭剖面组织示意图。其组织由外向内明显分为三个晶区:表层细晶区,柱状晶区 中心等轴晶区 图27金属铸锭组织示意图 1一表层细晶区2一柱状晶区3—中心等轴晶区 表层细晶区:当将钢水浇注到锭模以后,由于模壁的温度较低,和模壁接触的钢液受 到激冷,造成较大的过冷度,形成大量的晶核,同时模壁也有非自发形核核心的作用。结 果,在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。 表层细晶区的晶粒十分细小、组织致密,力学性能好。但纯金属铸锭表层细晶区的厚 度一般都很薄,对整个铸锭性能的影响不是很大。而合金铸锭一般具有较厚的表层细晶区
第 2 章 金属的结晶 ·35· ·35· 应的高熔点物质细粒，在液相中直接起着外来晶核的作用。如浇注高铬钢时加入铬铁粉； 在液态金属中加入少量的某些元素，形成稳定化合物作为活性质点，促进非自发形核；如 在钢液中加入钛、钒、铌等形成碳化合物作为活性质点；铝液中加入钛、锆作为质点都能 起到非自发形核的核心作用。有些物质不能提供结晶核心，但能阻止晶粒长大，如液态金 属中加入少量表面活性元素，能附着在晶核的结晶前沿，阻碍晶核长大，如钢液中加入 硼就属于此类变质剂。 图 2.6 金属的形核率 N 和长大速度 G 与过冷度的关系 (3) 振动、搅拌等。在金属结晶过程中，用机械振动、超声波振动以及搅拌等方法， 能够打碎正在长大的枝晶，增加结晶的核心，达到细化晶粒的目的。 2.1.2 铸锭组织 1. 铸锭组织的形成 铸锭凝固过程中，由于表面和中心冷却条件不同，因此铸锭的组织是不均匀的。如 图 2.7 铸锭剖面组织示意图。其组织由外向内明显分为三个晶区：表层细晶区，柱状晶区， 中心等轴晶区。 图 2.7 金属铸锭组织示意图 1—表层细晶区 2—柱状晶区 3—中心等轴晶区 表层细晶区：当将钢水浇注到锭模以后，由于模壁的温度较低，和模壁接触的钢液受 到激冷，造成较大的过冷度，形成大量的晶核，同时模壁也有非自发形核核心的作用。结 果，在金属的表层形成一层厚度不大、晶粒很细的细晶区。 表层细晶区的晶粒十分细小、组织致密，力学性能好。但纯金属铸锭表层细晶区的厚 度一般都很薄，对整个铸锭性能的影响不是很大。而合金铸锭一般具有较厚的表层细晶区
金属学与热处理 柱状晶区:细晶区形成的同时,模壁温度升高,使剩余液体金属的冷却速度降低,同 时,由于表层结晶时释放结晶潜热,使细晶区前沿的液体过冷度减小,形核速度降低,但 晶核继续生长。由于垂直模壁的方向散热速度最快,那些晶轴垂直于模壁的晶核就会沿着 与散热方向相反的方向迅速向液体金属中长大,而晶轴与模壁斜交的晶核长大受到限制 结果获得柱状晶粒区。 在柱状晶区,晶粒彼此间的界面比较平直,气泡缩孔很小,组织比较致密。而柱状晶 的交界面处的低熔点杂质或非金属杂质较多,形成明显的脆弱界面,在锻造、轧制时易沿 这些脆弱面形成裂纹或开裂。生产上,对于不希望得到柱状晶的金属,通常采用振动浇注 或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。但柱状晶区的性能有明显的方向性,沿柱状晶晶 轴方向强度高,对于那些主要受单向载荷的机械零件,例如汽轮机叶片,柱状晶是比较理 想的,一般采用提高浇注温度、加快冷却速度等措施,都有利于柱状晶的发展。 中心等轴晶区:随着柱状晶区的发展,剩余液体金属的冷却速度很快降低,温差也越 来越小,散热方向变得不明显,处于均匀冷却状态。此外,由于液体金属的流动,将一些 未熔杂质质点推向铸锭中心,或柱晶上的小分枝被冲断而漂移到铸锭中心,它们都能成为 剩余液体金属结晶晶核,这些晶核由于在不同方向上的生长速度大致相同而最终长成等轴 晶粒。 中心等轴晶区不存在明显的脆弱面,方向不同的晶粒彼此交错、咬合,各方向上力学 性能均匀,是一般钢铁铸件所要求的组织和性能。生产上采用低温浇注、冷却速度慢、各 方向均匀散热、变质处理和附加振动、搅拌等措施来获得等轴晶粒。 2.铸锭的缺陷 液体金属或合金在凝固过程中经常会产生一些铸造缺陷,常见的有缩孔、疏松和气孔 等,这些缺陷的存在对铸件的质量产生重要影响 1)缩孔 液体金属在凝固过程中发生体积收缩,凝固早的液体金属所产生的收缩孔隙由凝固晚 的液体金属来补充,最后一部分没有剩余的液体金属补充就成为空洞,即缩孔。一般缩孔 部分在轧制或锻造之前都要切去,否则对产品质量有影响。生产中减少缩孔的办法有:合 理的设计模锭:合理的浇注方法,如上注法,慢注;采用保温帽等措施。采用连铸工艺生 产的钢坯没有缩孔缺陷。因此,连铸工艺生产的钢材的成材率高 2)疏松 疏松即分散缩孔,主要是由于枝晶间分隔的液体金属在凝固收缩时得不到液体金属补 充而可能留下的一些小孔隙以及金属液中的气体夹杂造成的。减少疏松的方法是快速冷却 及降低气体含量等。 3)气孔 气孔是指铸锭(件)中因有气体析出而形成的空洞。液体金属中的气体溶解度较大,如 铸模表面的锈皮等与液体相互作用产生气体,浇注时液体流动也会卷入气体,希望这些气 体在凝固过程要析出。如果凝固过程气体来不及逸出,就会保留在液体金属中形成气孔。 在铸锭铸坯轧制过程中气孔大多都可以焊合,但对皮下气孔,会造成微细裂纹和表面起皱 现象,从而影响金属质量。故冶炼及浇注过程要控制产生气体的各种因素
·36· 金属学与热处理 ·36· 柱状晶区：细晶区形成的同时，模壁温度升高，使剩余液体金属的冷却速度降低，同 时，由于表层结晶时释放结晶潜热，使细晶区前沿的液体过冷度减小，形核速度降低，但 晶核继续生长。由于垂直模壁的方向散热速度最快，那些晶轴垂直于模壁的晶核就会沿着 与散热方向相反的方向迅速向液体金属中长大，而晶轴与模壁斜交的晶核长大受到限制， 结果获得柱状晶粒区。 在柱状晶区，晶粒彼此间的界面比较平直，气泡缩孔很小，组织比较致密。而柱状晶 的交界面处的低熔点杂质或非金属杂质较多，形成明显的脆弱界面，在锻造、轧制时易沿 这些脆弱面形成裂纹或开裂。生产上，对于不希望得到柱状晶的金属，通常采用振动浇注 或变质处理等方法来抑制柱状晶的扩展。但柱状晶区的性能有明显的方向性，沿柱状晶晶 轴方向强度高，对于那些主要受单向载荷的机械零件，例如汽轮机叶片，柱状晶是比较理 想的，一般采用提高浇注温度、加快冷却速度等措施，都有利于柱状晶的发展。 中心等轴晶区：随着柱状晶区的发展，剩余液体金属的冷却速度很快降低，温差也越 来越小，散热方向变得不明显，处于均匀冷却状态。此外，由于液体金属的流动，将一些 未熔杂质质点推向铸锭中心，或柱晶上的小分枝被冲断而漂移到铸锭中心，它们都能成为 剩余液体金属结晶晶核，这些晶核由于在不同方向上的生长速度大致相同而最终长成等轴 晶粒。 中心等轴晶区不存在明显的脆弱面，方向不同的晶粒彼此交错、咬合，各方向上力学 性能均匀，是一般钢铁铸件所要求的组织和性能。生产上采用低温浇注、冷却速度慢、各 方向均匀散热、变质处理和附加振动、搅拌等措施来获得等轴晶粒。 2. 铸锭的缺陷 液体金属或合金在凝固过程中经常会产生一些铸造缺陷，常见的有缩孔、疏松和气孔 等，这些缺陷的存在对铸件的质量产生重要影响。 1) 缩孔 液体金属在凝固过程中发生体积收缩，凝固早的液体金属所产生的收缩孔隙由凝固晚 的液体金属来补充，最后一部分没有剩余的液体金属补充就成为空洞，即缩孔。一般缩孔 部分在轧制或锻造之前都要切去，否则对产品质量有影响。生产中减少缩孔的办法有：合 理的设计模锭；合理的浇注方法，如上注法，慢注；采用保温帽等措施。采用连铸工艺生 产的钢坯没有缩孔缺陷。因此，连铸工艺生产的钢材的成材率高。 2) 疏松 疏松即分散缩孔，主要是由于枝晶间分隔的液体金属在凝固收缩时得不到液体金属补 充而可能留下的一些小孔隙以及金属液中的气体夹杂造成的。减少疏松的方法是快速冷却 及降低气体含量等。 3) 气孔 气孔是指铸锭(件)中因有气体析出而形成的空洞。液体金属中的气体溶解度较大，如 铸模表面的锈皮等与液体相互作用产生气体，浇注时液体流动也会卷入气体，希望这些气 体在凝固过程要析出。如果凝固过程气体来不及逸出，就会保留在液体金属中形成气孔。 在铸锭铸坯轧制过程中气孔大多都可以焊合，但对皮下气孔，会造成微细裂纹和表面起皱 现象，从而影响金属质量。故冶炼及浇注过程要控制产生气体的各种因素
第2章金属的结品 22合金的结晶 相图是表示合金系的状态,是合金的状态与温度、成分之间关系的图解。利用相图, 可以知道各种成分的合金在不同温度的组织状态及什么温度下发生结晶和相变,也可以了 解不同成分的合金在不同温度下由哪些相组成及相对含量,还能了解合金在加热和冷却过 程中可能会发生的转变。合金状态图为进行金相分析、合金熔炼、铸造、锻造及热处理工 艺提供了理论依据 22.1二元合金相图的建立 1.相图的建立方法 元合金相图是由实验测定的。测定相图的方法有热分析法、金相分析法、硬度法、 膨胀试验、X射线分析等。这些方法都是以合金相变时发生某些物理变化为基础而选定的。 这里重点介绍热分析法建立相图。 合金凝固时释放凝固潜热,用热分析法可以方便地测定合金的凝固温度。建立二元合 金相图的具体步骤如下: ①首先配制一系列不同成分的同一合金系。 ②将合金熔化后,分别测出它们的冷却曲线 ③根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度。 ④将上述数据引入以温度(℃)为纵轴、成分(质量百分比为单位)为横轴的坐标平面中 ⑤连接意义相同的点,作出相应的曲线,标明各区域所存在的相。便得到合金系 相图 测定时所配制的合金数目越多、所用金属纯度越高、测温精度越高、冷却速度越慢 (0.5℃min~1s℃min),则所测得的相图越精确 如图28所示是用热分析法建立的CuNi合金的相图过程示例。 50%%70% L 1452 1083 时间/t 305070 WNi/%o (a)冷却曲线 (b)相图 图28用热分析法建立CuN相图
第 2 章 金属的结晶 ·37· ·37· 2.2 合金的结晶 相图是表示合金系的状态，是合金的状态与温度、成分之间关系的图解。利用相图， 可以知道各种成分的合金在不同温度的组织状态及什么温度下发生结晶和相变，也可以了 解不同成分的合金在不同温度下由哪些相组成及相对含量，还能了解合金在加热和冷却过 程中可能会发生的转变。合金状态图为进行金相分析、合金熔炼、铸造、锻造及热处理工 艺提供了理论依据。 2.2.1 二元合金相图的建立 1. 相图的建立方法 二元合金相图是由实验测定的。测定相图的方法有热分析法、金相分析法、硬度法、 膨胀试验、X 射线分析等。这些方法都是以合金相变时发生某些物理变化为基础而选定的。 这里重点介绍热分析法建立相图。 合金凝固时释放凝固潜热，用热分析法可以方便地测定合金的凝固温度。建立二元合 金相图的具体步骤如下： ① 首先配制一系列不同成分的同一合金系。 ② 将合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线。 ③ 根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度。 ④ 将上述数据引入以温度(℃)为纵轴、成分(质量百分比为单位)为横轴的坐标平面中。 ⑤ 连接意义相同的点，作出相应的曲线，标明各区域所存在的相。便得到合金系 相图。 测定时所配制的合金数目越多、所用金属纯度越高、测温精度越高、冷却速度越慢 (0.5℃/min ~1.5℃/min)，则所测得的相图越精确。 如图 2.8 所示是用热分析法建立的 Cu-Ni 合金的相图过程示例。 图 2.8 用热分析法建立 Cu-Ni 相图