液态金属结晶时的细晶强化方法

3.4　液态金属结晶时的细晶强化方法

3.4.1　金属的晶粒度与性能的关系

由前述可知:在常温下，金属的晶粒越细，单位体积的晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧度越好（如表3－4所示为室温下纯铁的晶粒大小与其性能的关系），因此，在常温下使用的金属材料，通常晶粒越细，其强韧性越高；而在高温下，因晶界为不稳定的高能量状态，使在高温下的稳定性变差，则晶粒越细，其高温性能就越差。

表3－4　晶粒大小对纯铁力学性能的影响

工程上，利用细化晶粒的方式来提高材料室温强韧性的方法称为细晶强化（面缺陷的增加，是细晶强化的主要原因）。对固态金属，可用热处理及塑性变形来细化晶粒，而对液态金属的结晶，则主要采用下面的方法来细化晶粒。

3.4.2　液态金属结晶时的细晶方法

晶粒度的大小与结晶时的形核率N和长大速度G有关。形核率越大，在单位体积中形成的晶核数就越多，每个晶粒长大的空间就越小，结晶结束后获得的晶粒也就越细小。同时，如果晶体的长大速度越小，则在晶体长大的过程中可能形成的晶粒数目就越多，因而晶粒也越小。

工程上常用的细化晶粒的方法如下。

1.增大过冷度

工业生产条件下，金属结晶时的形核率和晶体长大速度都是随着过冷度的增大而增加的，但形核率的增长倾向比晶体长大速度的增长倾向更为强烈。因此，增大过冷度可以提高形核率和长大速度的比值，使晶粒数目增大，获得细小晶粒，如图3－41所示。生产中，可以通过改变各种铸造条件来提高金属凝固时的冷却速度，从而增大过冷度。常用的方法如提高铸型导热能力、降低金属液的浇注温度等。

图3－41　晶粒大小与形核率N和长大速度G的关系

2.加入形核剂

在液态金属中加入细小的形核剂（又称孕育剂或变质剂），使之分散在金属液中成为非自发形核的现成基底，或是在金属中形成一些局部的微小过冷区或阻碍晶粒的长大，都可能促进晶核的形成，大大提高形核率，达到细化晶粒的目的，这种方法称为变质处理或孕育处理，这是生产中常用的细化晶粒的有效方法。对于不同的金属液，有效的孕育剂是不相同的:如在生产铸铁件时使用稀土硅铁粉或稀土硅钙粉，生产铝合金件时使用氯化钠、钛或锆，而在钢液中加入钛、钒、铝、铌等。

3.机械方法

用搅拌、振动等机械方法迫使凝固中的液态金属流动，可以使附着于铸型壁上的细晶粒脱落，或者使长大中的树枝状晶断落，而进入液相深处，成为新晶核形成的基底，因而可以有效地细化晶粒。如超声振动、电磁搅拌、机械振动、人工搅拌等。