第一章 液態(tài)金屬凝固原理

第一章液態(tài)金屬凝固原理郭連貴湖北工程學(xué)院化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院凝固：指從液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)變的相變過程。傳熱學(xué)——傳熱過程、凝固方式、凝固時(shí)間及凝固缺陷。結(jié)晶：指液態(tài)金屬向固態(tài)金屬轉(zhuǎn)變的過程。物理化學(xué)——形核、長(zhǎng)大及結(jié)晶組織的形成規(guī)律。2一、金屬凝固的溫度場(chǎng)31、溫度場(chǎng)的概念

定義：在某一瞬間物體內(nèi)各點(diǎn)溫度分布的情況。一、金屬凝固的溫度場(chǎng)4一、金屬凝固的溫度場(chǎng)熱流方向與溫度梯度方向相反52、凝固過程中傳熱的方式與特點(diǎn)

凝固過程中的傳熱方式一、金屬凝固的溫度場(chǎng)太陽輻射能冷水熱水傅里葉導(dǎo)熱方程：λ表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的大小62、凝固過程中傳熱的方式與特點(diǎn)凝固過程特點(diǎn)—熱阻一、金屬凝固的溫度場(chǎng)中間層砂型鑄造金屬型鑄造傳熱方向72、凝固過程中傳熱的方式與特點(diǎn)

凝固過程特點(diǎn)—熱阻一、金屬凝固的溫度場(chǎng)中間層水冷金屬型鑄造非水冷厚壁金屬型鑄造傳熱方向傳熱方向83、金屬凝固溫度場(chǎng)的分析方法

數(shù)學(xué)分析方法一、金屬凝固的溫度場(chǎng)9

數(shù)值計(jì)算法—差分法或有限元法實(shí)驗(yàn)測(cè)定法-測(cè)溫法一、金屬凝固的溫度場(chǎng)104、影響金屬凝固溫度場(chǎng)的因素

金屬性質(zhì)的影響一、金屬凝固的溫度場(chǎng)11鑄型性質(zhì)的影響一、金屬凝固的溫度場(chǎng)12澆注條件的影響一、金屬凝固的溫度場(chǎng)（1）澆注溫度不超過液相線以上100℃；（2）砂型鑄造增加過熱程度，相當(dāng)于提高鑄件凝固時(shí)鑄型溫度，鑄件斷面溫度梯度減??；（3）金屬型鑄造時(shí)，由于鑄型導(dǎo)熱能力大，能夠迅速傳導(dǎo)出去，澆注溫度影響不大。鑄件結(jié)構(gòu)的影響（1）鑄件越厚，鑄件斷面溫度梯度越??；（2）鑄件凸面和外角部分的冷卻速度比平面快，而鑄件凹面和內(nèi)角部分的冷卻速度比平面慢。13二、金屬的凝固方式凝固區(qū)寬度決定金屬的凝固方式141、凝固動(dòng)態(tài)曲線二、金屬的凝固方式152、凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)二、金屬的凝固方式寬凝固區(qū)域：液固部分：液相占優(yōu)，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(dòng),其邊界稱為“傾出邊界”。固液部分：固相占優(yōu)，右邊的晶體已連成骨架，但液體還能在其間移動(dòng)，為“限制遷移帶”；左邊的已接近固相線溫度，固相占絕大部分，骨架之間的少量液體被分割成互補(bǔ)溝通的小“熔池”，為“顯微遷移帶”，兩個(gè)帶的邊界稱為“補(bǔ)縮邊界”。163、金屬凝固方式及其影響因素二、金屬的凝固方式金屬的凝固方式金屬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)挾鹊扔诹悖瑪嗝嫔系墓腆w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(dá)鑄件中心，此為“逐層凝固方式”純銅、純鋁、低碳鋼、灰鑄鐵等的凝固屬于這種方式。

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17二、金屬的凝固方式（2）體積凝固如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件斷面溫度場(chǎng)較平坦，鑄件心部溫度降至結(jié)晶開始溫度，凝固區(qū)域甚至貫穿整個(gè)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“糊狀凝固方式”）。高碳鋼、球墨鑄鐵等凝固屬于這種方式。a）結(jié)晶溫度范圍很寬b）鑄件斷面溫度平坦18二、金屬的凝固方式（3）中間凝固如果合金的結(jié)晶范圍較窄，或因鑄件斷面的溫度梯度較大，凝固初期似逐層凝固——凝固后期似糊狀凝固，這種鑄件斷面上的凝固區(qū)域介于前兩者之間時(shí)屬于“中間凝固方式”。中碳鋼、白口鑄鐵等的凝固屬于這種方式。

a）結(jié)晶溫度范圍較窄b）鑄件斷面的溫度梯度較大193、金屬凝固方式及其影響因素二、金屬的凝固方式影響金屬凝固方式的因素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)（1）合金的結(jié)晶溫度范圍203、金屬凝固方式及其影響因素二、金屬的凝固方式影響金屬凝固方式的因素（2）鑄件的溫度梯度在合金結(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(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。溫度梯度很大的溫度場(chǎng)，可以使寬結(jié)晶溫度范圍的合金按中間凝固方式凝固(如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(chǎng)，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。21二、金屬的凝固方式224、金屬凝固方式對(duì)鑄件質(zhì)量的影響二、金屬的凝固方式23二、金屬的凝固方式24二、金屬的凝固方式255、灰鑄鐵和球磨鑄鐵的凝固方式二、金屬的凝固方式共同點(diǎn)：都有產(chǎn)生縮松的可能性。不同點(diǎn)：共晶凝固方式不同；石墨形態(tài)不同。261、砂型鑄造時(shí)鑄件凝固時(shí)間——平方根定律及Chvorinov法則三、金屬的凝固時(shí)間凝固時(shí)間：指從液態(tài)金屬充滿型腔后至凝固完畢所需的額時(shí)間。2、金屬型鑄造時(shí)鑄件凝固時(shí)間——牛頓換熱公式及Chvorinov法則271、鑄件典型晶粒組織的形成及其影響因素四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制28四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

表層細(xì)晶粒區(qū)的形成

形成原因

影響因素

晶核來源

(1)過冷熔體中非均質(zhì)生核——型壁附近熔體內(nèi)部的大量生核——必要條件；

(2)晶粒游離——型壁晶粒脫落、枝晶熔斷、晶粒增殖等抑制鑄件形成穩(wěn)定的凝固殼層——充分條件。29四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成

形成原因成長(zhǎng)方向30四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

內(nèi)部柱狀晶區(qū)的形成

影響因素31四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

中心等軸晶區(qū)的形成32四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

中心等軸晶區(qū)的形成33四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

中心等軸晶區(qū)的形成杰克遜：生長(zhǎng)著的柱狀晶在凝固界面前方的熔斷、游離、增殖導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶晶核的形成。34四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

中心等軸晶區(qū)的形成35四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

中心等軸晶區(qū)的形成36四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

中心等軸晶區(qū)的形成索辛：液面晶粒下雨似的沉積在柱狀晶前方的液體中—鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源；37四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

中心等軸晶區(qū)的形成

形成過程隨著柱狀晶的發(fā)展。散熱已失去了方向性，已經(jīng)成為晶核的小晶體在液體中可以自由生長(zhǎng)，在各個(gè)方向上的長(zhǎng)大速度幾乎相等，于是長(zhǎng)成等軸晶；當(dāng)它們長(zhǎng)到與柱狀晶相遇時(shí)全部液體凝固完畢，從而形成明顯的中心等軸晶區(qū)。

影響因素（1）澆注溫度提高，柱狀晶區(qū)擴(kuò)大，等軸晶區(qū)縮小；反之，澆注溫度降低，柱狀晶區(qū)縮小，等軸晶區(qū)擴(kuò)大。（2）溶質(zhì)元素含量增加，柱狀晶區(qū)寬度減小，等軸晶區(qū)相應(yīng)擴(kuò)大；反之，溶質(zhì)元素含量減小，柱狀晶區(qū)寬度擴(kuò)大，等軸晶區(qū)相應(yīng)減??；382、鑄件晶粒組織的控制四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制39四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制40四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

等軸晶組織的獲得和細(xì)化41四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

等軸晶組織的獲得和細(xì)化42四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

等軸晶組織的獲得和細(xì)化43四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

等軸晶組織的獲得和細(xì)化組織較粗大晶粒細(xì)化晶粒更細(xì)44四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

等軸晶組織的獲得和細(xì)化45四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

等軸晶組織的獲得和細(xì)化46四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

柱狀晶組織的獲得和定向凝固技術(shù)柱狀晶組織獲得的條件：（1）保證液態(tài)合金的熱量在型腔中沿單一方向散失，絕對(duì)避免在側(cè)面形核和生長(zhǎng)；（2）保證固-液界面前沿液相中有足夠大的正溫度梯度，并減小界面前沿液相中的成分過冷（關(guān)鍵）；（3）保證型腔中液態(tài)合金液面上不產(chǎn)生晶體，以防止其沉積形成等軸晶；（4）在熔煉過程中應(yīng)采取措施防止液態(tài)合金氧化，以提高液態(tài)合金的純潔性。47四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

柱狀晶組織的獲得和定向凝固技術(shù)48四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

柱狀晶組織的獲得和定向凝固技術(shù)493、凝固缺陷及其控制四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制50四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

偏析51四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

偏析微觀偏析后果：降低合金力學(xué)性能和耐腐蝕性能。消除微觀偏析的方法：細(xì)晶強(qiáng)化和均勻化退火。胞狀偏析：一個(gè)晶胞內(nèi)出現(xiàn)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象；枝晶偏析：一個(gè)晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象；晶界偏析：晶粒與晶粒之間的邊界出現(xiàn)的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。52四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

偏析正偏析：鑄件外層純度高、溶質(zhì)含量低，內(nèi)部溶質(zhì)含量高、雜質(zhì)集中的區(qū)域偏析。反偏析：外層溶質(zhì)元素含量反而高于內(nèi)層的含量的區(qū)域偏析。比重偏析：由于先共晶相的上浮或下沉出現(xiàn)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。53四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

氣孔與非金屬夾雜54四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

氣孔與非金屬夾雜55四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

氣孔與非金屬夾雜4）合金液含有氣體→流動(dòng)性降低鋁合金中的氫氣孔40Cr鋼軸鍛件縱向斷口氫白點(diǎn)56四、金屬結(jié)晶組織和凝固缺陷的控制

氣孔與非金屬夾雜57四、金