材料加工原理

材料加工原理1第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月a.右邊的晶體已連成骨架，但液體還能在其間移動，為限制遷移帶b.左邊的已接近固相溫度，固相占絕大部分，骨架之間的少量液體被分割成互補溝通的小“熔池”，為顯微遷移帶寬結(jié)晶溫度范圍內(nèi)合金的凝固區(qū)域液固部分：液相占優(yōu)勢固液部分：固相占優(yōu)勢1)液固部分凝固的晶體處于懸浮狀態(tài)而未連成一片，固相可以自由移動,為宏觀遷移帶。2)固液部分第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄件凝固方式一般分為三種：逐層凝固、體積凝固和中間凝固。1、逐層凝固（純金屬或共晶成分合金的凝固方式）

恒溫下結(jié)晶的金屬，在凝固過程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾鹊扔诹?，斷面上的固體和液體由一條界線清晰地分開，隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，逐步到達鑄件中心，此為“逐層凝固方式”。二、鑄件的凝固方式及其影響因素第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月逐層凝固方式特點：無凝固區(qū)或凝固區(qū)很窄凝固動態(tài)曲線上的兩相邊界的縱向間距很小或是無條件重合。

a）恒溫下結(jié)晶的純金屬或共晶成分合金

b）結(jié)晶溫度范圍很窄或斷面溫度梯度很大第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、體積凝固（鑄件斷面溫度場較平坦或結(jié)晶范圍較寬的合金）

如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件鑄件斷面溫度場較平坦，鑄件凝固的某一段時間內(nèi)，其凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個鑄件斷面，而表面溫度高于固相溫度，這種情況為“體積凝固方式”，或稱為“糊狀凝固方式”。第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月體積凝固方式（糊狀凝固方式）特點：a）鑄件斷面溫度平坦b）結(jié)晶溫度范圍很寬——凝固動態(tài)曲線上的兩相邊界縱向間距很大第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、中間凝固（結(jié)晶范圍較窄或鑄件斷面溫度梯度較大的合金）如果合金的結(jié)晶范圍較窄，或因鑄件斷面的溫度梯度較大，鑄件斷面上的凝固區(qū)域介于前兩者之間時，屬于“中間凝固方式”。第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月中間凝固方式特點：凝固初期似逐層凝固——凝固后期似糊狀凝固

a）結(jié)晶溫度范圍較窄

b）鑄件斷面的溫度梯度較大第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1.以二元共晶相圖為例說明

1.逐層凝固3.糊狀凝固

2.中間凝固

合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)影響鑄件凝固方式的因素合金的結(jié)晶溫度范圍第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月以碳鋼為例說明

第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、鑄件的溫度梯度的影響

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其對應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。梯度很大的溫度場，可以使寬結(jié)晶溫度范圍的合金按中間凝固方式凝固(加高碳鋼在金屬型中凝固)，甚至按逐層凝固方式凝固。很平坦的溫度場，可以使窄結(jié)晶溫度范圍的合金按體積凝固方式凝固。所以，溫度梯度是凝固方式的重要調(diào)節(jié)因素。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)純鋁（99%Al）在砂型和金屬型中鑄造時所測得的溫度場合凝固動態(tài)曲線

將它在砂型中的凝固動態(tài)曲線與上圖中低碳鋼的相應(yīng)曲線比較則可看到，雖然工業(yè)純鋁的結(jié)晶溫度范圍為6度，比低碳鋼的22度小得多，但是低碳鋼為逐層凝固方式，而工業(yè)純鋁卻已體積凝固方式進行凝固。其原因是鋁的凝固溫度低、結(jié)晶潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)大，鑄件斷面的溫度場平坦。圖2-16工業(yè)純鋁鑄件斷面的溫度場（a）和凝固動態(tài)曲線（圖b）第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上,鑄件的凝固方式由結(jié)晶溫度范圍和溫度梯度共同決定：趨于體積凝固趨于逐層凝固第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)近代凝固理論，又把工業(yè)上常用的金屬的凝固方式分成兩大類：外生凝固和內(nèi)生凝固外生凝固：特點：凝固層從金屬液-鑄型界面向中心推進。分類：宏觀光滑界面的凝固（理想的平滑界面）宏觀粗糙界面的凝固（S-L界面呈割裂的鋸齒狀）枝晶狀（海綿狀）凝固（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）機制：宏觀S-L界面連續(xù)，界面推進方向與傳熱方向相反。熱量通過固相向環(huán)境散失。凝固速率取決于傳熱速率形貌：等軸晶第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月內(nèi)生凝固：特點：既可以在界面凝固，也可在金屬液內(nèi)部進行。分類：糊狀凝固（表面和中心凝固速率相差不大）形殼凝固（表面凝固速率>中心）機制：宏觀S-L界面分散，界面推進方向與傳熱方向相同。熱量通過液相向環(huán)境散失。凝固速率取決于液相過冷度。形貌：等軸晶第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、窄結(jié)晶溫度范圍的合金金屬澆入鑄型后，首先在型壁處過冷，形成激冷層，然后按柱狀晶的形勢緊密生長，固相界面前沿為平面推進的方式.包括純金屬、共晶成分合金和其它窄結(jié)晶溫度范圍的合金純金屬共晶類合金窄結(jié)晶溫度范圍合金工業(yè)用銅工業(yè)用鋅工業(yè)用錫共晶成分合金近共晶成分合金低碳鋼錫青銅結(jié)晶溫度范圍小的黃銅三、結(jié)晶溫度范圍對鑄件凝固過程的影響第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸，當(dāng)液態(tài)凝固成為固態(tài)而發(fā)生體積收縮時，可以不斷地得到液體的補充，所以：（1）產(chǎn)生分散縮松的傾向小，而是在鑄件最后凝固部位留下集中縮孔，設(shè)置冒口易消除，因此其合金的補縮特性良好；（2）這類合金鑄件在凝固過程中當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時，也容易得到金屬液的充填，使裂紋愈合，所以鑄件的熱裂傾向小。（3）如果這類合金在充型過程中發(fā)生凝固時，也具有較好的充型能力。第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄件產(chǎn)生集中縮孔的基本原因

金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于固態(tài)收縮;產(chǎn)生集中縮孔的條件是鑄件由表及里逐層凝固?？s孔一般集中在鑄件頂部或最后凝固的部位,如果在這些部位設(shè)置冒口,縮孔將被移入冒口中。

(一)縮孔的形成

第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、寬結(jié)晶溫度范圍的合金鋁、鎂合金銅合金鐵碳合金鋁銅合金鋁鎂合金鎂合金錫青銅鋁青銅結(jié)晶溫度范圍大黃銅高碳鋼球墨鑄鐵

這類合金鑄件的凝固區(qū)域?qū)?，液態(tài)金屬的過冷很小，容易發(fā)展為樹枝發(fā)達的粗大等軸晶組織。在凝固區(qū)域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周圍產(chǎn)生溶質(zhì)富集，停止生長，在富集區(qū)的后面又形成一批小晶粒，這樣下去很快布滿整個凝固區(qū)域，由于結(jié)晶溫度區(qū)間大，過冷度小，形成的晶粒數(shù)目少，所以形成粗大的等軸晶。粗大的等軸晶比較早地連成晶體骨架，將尚未凝固的液體分割成小的互不溝通的熔池，最后在鑄件中形成微小縮松。同時熱裂傾向性也大，充型能力也差。第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月寬結(jié)晶范圍的合金結(jié)晶過程：在凝固區(qū)域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周圍產(chǎn)生溶質(zhì)富集，停止生長，在富集區(qū)的后面又形成一批小晶粒，這樣下去很快布滿整個凝固區(qū)域，由于結(jié)晶溫度區(qū)間大，過冷度小，形成的晶粒數(shù)目少，所以形成粗大的等軸晶。粗大的等軸晶比較早地連成晶體骨架，將尚未凝固的液體分割成小的互不溝通的熔池，最后在鑄件中形成微小縮松。同時熱裂傾向性也大，充型能力也差。第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）由于粗大的等軸晶比較早的兩成晶體骨架，而粗大的等軸晶的高溫強度低，當(dāng)晶間因收縮出現(xiàn)裂紋時，又得不到液態(tài)金屬的及時填充使之愈合，故鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向大；（1）當(dāng)粗大的等軸晶互相連接以后，便將尚未凝固的液態(tài)金屬分割成一個個互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮松。采用普通冒口消除縮松是很困難的，往往采用其它措施，如增加冒口的補縮壓力，加速冷卻等.（3）若這類合金在充填過程中發(fā)生凝固，其充型能力也很差。第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

應(yīng)該指出，合金的補縮特性和充型性能是一致的，不僅與凝固方式密切相關(guān)，還受初生晶形態(tài)的影響。1－液相邊界2－初生晶析出終了邊界3－固相邊界4－傾出邊界亞共晶鋁硅合金過共晶鋁硅合金四、灰鑄鐵和球墨鑄鐵的凝固第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月亞共晶灰鑄鐵和球墨鑄鐵凝固的共同特點：初生奧氏體枝晶能迅速布滿鑄件的整個斷面,而且奧氏體枝晶具有很大的連成骨架的能力。因此,這兩種鑄鐵都有產(chǎn)生縮松的可能性。但是,由于它們的共晶凝固方式和石墨長大的機理不同,產(chǎn)生縮孔和縮松的傾向性有很大差別。

第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體

灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨,與枝晶間的共晶液體直接接觸，因此片狀石墨長大時所產(chǎn)生的體積膨脹大部分作用在所接觸的晶間液體上,迫使它們通過枝晶間的通道去充填奧氏體枝晶間因液態(tài)收縮和凝固收縮所產(chǎn)生的小孔洞,從而大大降低了灰鑄鐵產(chǎn)生縮松的嚴重程度。這就是灰鑄鐵的所謂“自補縮能力”第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

球墨鑄鐵在凝固中后期,石墨球長大到一定程度后,四周形成奧氏體外殼,碳原子通過奧氏體外殼擴散到共晶團中使石墨球長大。當(dāng)共晶團長大到相互接觸后,石墨化膨脹所產(chǎn)生的膨脹力,只有一小部分作用在晶間液體上。而大部分作用在相鄰的共晶團上或奧氏體枝晶上,趨向于把它們擠開。

第40頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

因此,球墨鑄鐵的縮前膨脹比灰鑄鐵大得多