液態(tài)金屬的凝固.ppt

1、1,金屬結晶及組織控制,高玉來 Tel: 56332144(O) Email: 日新樓402室 Oct. 8, 2011,高玉來：金屬結晶及組織控制,2,第四章 液態(tài)金屬的凝固,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 凝固區(qū)域的結構和液態(tài)金屬的凝固方式 第三節(jié)凝固方式與鑄坯宏觀組織 第四節(jié) 焊接過程中的凝固問題,高玉來：金屬結晶及組織控制,3,第一節(jié)：概述,基本概念： 合金從液態(tài)轉變成固態(tài)的過程，稱為一次結晶或凝固。 一次結晶和“凝固”這兩個術語雖然指的是同一個狀態(tài)變化過程，但它們的含意是有區(qū)別的。一次結晶是從物理化學觀點出發(fā)，研究液態(tài)金屬的生核、長大、結晶組織的形成規(guī)律。而凝固則是從傳熱學觀點出發(fā)，研究鑄件和

2、鑄型的傳熱過程、鑄件斷面上凝固區(qū)域的變化規(guī)律、凝固方式與鑄件質(zhì)量的關系、凝固缺陷形成機制等。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,4,凝固過程的研究方法,金屬凝固過程由于是在高溫下進行，金屬又是不透明的，因此研究起來比較困難。目前金屬凝固過程的研究方法主要有： (1)傾出法： 最古老、最簡單。美國人Briggs最早使用。方法：在金屬凝固過程的不同時刻，將未凝固的金屬液傾出，觀察已凝固部分的厚度和形貌等。優(yōu)點：可直接得到凝固速度、固-液界面形貌方面的信息，操作簡單。 缺點：僅在凝固初期有效，對于寬結晶溫度范圍的合金，游離枝晶將一起倒出，使結果有誤差。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,5,凝固過程的研究方法,(2)

3、數(shù)學解析法： 始于20年代，德國H.Groher提出。理論根據(jù)：壓力恒定時，金屬狀態(tài)是溫度的函數(shù)。方法：建立數(shù)學解析式直接求解。是用數(shù)值計算法分析熱流傳遞規(guī)律，預測凝固過程。優(yōu)點：能得出溫度場、凝固區(qū)域及變化規(guī)律。缺點：計算復雜，只對形狀簡單的鑄坯有效；需要做大量假設，影響其精確性；需要有關熱物性參數(shù)；難以直觀反映固-液界面的形貌。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,6,凝固過程的研究方法,(3) 數(shù)值模擬法： 方法：將數(shù)學解析方程離散為差分方程，進行求解。近年來隨著計算機的普及而發(fā)展較快。優(yōu)點：能得出溫度場、凝固區(qū)域及其變化規(guī)律。相對于數(shù)學解析法，可解更復雜的函數(shù)式。缺點：需要做大量假設，影響其精確性

4、。需要有關熱物性參數(shù)。難以直觀反映固-液界面形貌,第四章 液態(tài)金屬的凝固,7,凝固過程的研究方法,(4) 多點熱分析法凝固曲線法： 代表性工作是50年代Rudde做的。 方法：實測不同部位鑄坯溫度隨時間變化的曲線，據(jù)此得到凝固動態(tài)曲線、溫度場等。 優(yōu)點：結果可靠。 缺點：不能反映固-液界面組織、界面形貌。有些情況下實測困難。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,8,凝固過程的研究方法,(5) X-射線衍射法： 方法：用X-射線直接觀察、記錄凝固過程。 優(yōu)點：將不透明的金屬透視，可直接觀察其形貌。 缺點：只有固、液兩相對X-射線的減弱系數(shù)有較大差別時才有效。對金屬厚度有限制。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,9,凝

5、固過程的研究方法,(6) 激冷法（液淬法）： 方法：將多個一定尺寸的試樣，隔一定時間淬入水中，然后在金相顯微鏡下觀察其凝固組織 。 優(yōu)點：既可得到某一時刻凝固區(qū)域的大小，又可得到組織、界面形貌。 缺點：固相在液淬時也會發(fā)生異常相變。在液淬過程中，凝固還在進行。不能研究大體積金屬的凝固過程。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,10,凝固過程的研究方法,(7) 模擬物質(zhì)法： 方法：用蛋白質(zhì)、鹽溶液等模擬金屬凝固過程，直接觀察。 優(yōu)點：信息量大，研究方便。 缺點：模擬物質(zhì)是否能全面真實反映金屬凝固過程還需要認證。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,11,凝固過程的研究方法,(8) 彩色金相法： 方法：利用凝固層推進過程

6、中位置不同，成分也不同的特點，用彩色金相對已經(jīng)凝固的合金做特種處理，可得到其凝固過程的動態(tài)描述。 優(yōu)點：可視形貌 。 缺點：由于找不到合適的處理方法，不總是有效。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,12,凝固過程的研究方法,以上方法雖能應用于凝固過程的研究，但都存在著某些缺陷，使它們的應用受到了限制。因此，這些方法都有待于不斷地完善或相互有機的結合，使之能更真實地反映凝固的狀態(tài)。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,13,數(shù)學解析法(Mathematical analysis method),運用數(shù)學方法研究鑄件和鑄型的傳熱，主要是利用傳熱學原理，建立表征凝固過程傳熱特征的各物理量之間的方程式，即鑄件和鑄型的溫度場

7、數(shù)學模型并加以求解。 凝固是一個相當復雜的過程，涉及到傳熱、傳質(zhì)、相變等各種復雜的初始和邊界條件。要建立一個符合實際情況的微分方程式很困難，即使建立了微分方程式也未必能夠求解。因此，用數(shù)學分析法研究凝固過程時，必須對過程進行合理的簡化。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,14,數(shù)學解析法(mathematical analysis method),第四章 液態(tài)金屬的凝固,15,16,數(shù)值模擬法(numerical stimulation method),計算機的出現(xiàn)為解決數(shù)值計算法計算量大的問題提供了有力的工具。因此近十年來，凝固過程的數(shù)值模擬有了很大的進展。金屬凝固過程傳熱、傳質(zhì)及流動的偶合模擬，已經(jīng)

8、能夠作為預測和控制鑄件質(zhì)量的依據(jù)。 導熱微分方程的數(shù)值解法主要有有限差分法(finite difference method)、有限單元法(finite element method)、邊界元法(boundary element method) 等，這些方法各有特點。以有限差分法為例，介紹如下：,第四章 液態(tài)金屬的凝固,17,數(shù)值模擬法(numerical stimulation method),第四章 液態(tài)金屬的凝固,18,數(shù)值模擬法(numerical stimulation method),在實際計算中，涉及時間步長和空間步長x的確定、初始條件的確定、邊界條件的處理以及結晶潛熱的處理等，

9、因此實際問題要復雜得多。但是，數(shù)值模擬方法在凝固過程的研究中應用十分廣泛，已經(jīng)逐步被認可。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,19,溫度場的實測法(measurement of temperature field),鑄件溫度場實測法的示意圖如圖4-4所示。將一組熱電偶的熱端固定在型腔中的不同位置，利用多點自動記錄電子電位計作為溫度測量和記錄裝置，即可記錄自金屬液注入型腔起至任意時刻鑄件斷面上各測溫點的溫度-時間曲線(圖4-5a)。根據(jù)該曲線可繪制出鑄件斷面上不同時刻的溫度場（圖4-5b）和鑄件的凝固動態(tài)曲線。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,20,溫度場的實測法(measurement of temperatu

10、re field),第四章 液態(tài)金屬的凝固,21,第二節(jié)：凝固區(qū)域的結構和液態(tài)金屬的凝固方式,圖4-6為凝固動態(tài)曲線，它是根據(jù)直接測量的溫度時間曲線繪制的。首先在圖4-6a上給出合金的液相線和固相線溫度，把二直線與溫度時間相交的各點分別標注在圖4-6b的(x / R ，)坐標系上，再將各點連接起來，即得凝固動態(tài)曲線。縱坐標x是鑄件表面向中心方向的距離，R是鑄件壁厚之半或圓柱體和球體的半徑。由于凝固是從鑄件壁兩側同時向中心進行，所以當x / R=1時表示已凝固至鑄件中心。圖4-6c為根據(jù)凝固動態(tài)曲線繪制的自測溫度開始后2分20秒的凝固狀況。根據(jù)凝固動態(tài)曲線可以獲得任一時刻的凝固狀態(tài)。,第四章 液

11、態(tài)金屬的凝固,22,凝固區(qū)域的結構,鑄件在凝固過程中，除純金屬和共晶成分合金外，斷面上一般都存在三個區(qū)域，即固相區(qū)，凝固區(qū)和液相區(qū)。鑄件的質(zhì)量與凝固區(qū)域有密切的關系。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,23,凝固區(qū)域的結構,圖4-7是凝固區(qū)域結構示意圖，其中凝固區(qū)域由傾出邊界和補縮邊界又分割成三個區(qū)域。 區(qū)（從液相邊界到傾出邊界）。這個區(qū)的特征為固相處于懸浮狀態(tài)而未連成一片，液相可以自由移動，用傾出法做試驗時，固體能夠隨液態(tài)金屬一起被傾出。 區(qū)（從傾出邊界到補縮邊界），這個區(qū)的特征為固相已經(jīng)連成骨架，但液相還能在固相骨架間自由移動，這時某一部位的體積收縮能夠得到其它部位液體的補充，而不至于產(chǎn)生縮孔或縮松

12、。 區(qū)（從補縮邊界到固相邊界）這個區(qū)的特征為固相不但連成骨架而且已經(jīng)充分長大，存在于固相間隙中的少量液體被分割成一個個互不溝通的小“溶池”。這時液體再發(fā)生凝固收縮，不能得到其它液體的補縮。 根據(jù)以上的分析可以看出，對鑄坯質(zhì)量影響最大的是區(qū)的寬度?？梢酝茢嗄虆^(qū)域越寬，則區(qū)的寬度也就越寬。,24,凝固方式,一般將金屬的凝固方式分為三種類型；逐層凝固方式(skin-forming solidification)，體積凝固方式(volume solidification)或稱糊狀凝固方式(mushy solidification)和中間凝固方式(middle solidification)。凝固方式

13、取決與凝固區(qū)域的寬度,而凝固區(qū)域的寬度取決于合金的結晶溫度范圍和冷卻強度。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,25,逐層凝固方式,圖48a為恒溫下結晶的純金屬或共晶成分合金某瞬間的凝固情況。tc是結晶溫度，T1和T2 是鑄件斷面上兩個不同時刻的溫度場。從圖中可觀察到，恒溫下結晶的金屬，在凝固過程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱恪嗝嫔系墓腆w和液體由一條界線（凝固前沿）清楚地分開。隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，逐步達到鑄件中心。這種情況為逐層凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,26,體積凝固方式,如果因鑄件斷面溫度場較平坦（圖49a），或合金的結晶溫度范圍很寬（圖49b），鑄件凝固的某一段時間內(nèi)，其凝固

14、區(qū)域幾乎貫穿整個鑄件斷面時，則在凝固區(qū)域里既有已結晶的晶體，也有未凝固的液體，這種情況為體積凝固方式或稱糊狀凝固方式。,27,中間凝固方式,如果合金的結晶溫度范圍較窄（圖410 a），或者鑄件斷面溫度梯度較大（圖410 b），鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谇皟烧咧g時，稱中間凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,28,凝固方式,第四章 液態(tài)金屬的凝固,29,第三節(jié) 凝固方式與鑄件宏觀組織,從凝固區(qū)域的結構分析可知，鑄件的致密性和健全性與合金的凝固方式密切相關，而影響凝固方式的因素為結晶溫度范圍和鑄件斷面的溫度梯度。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,30,化學成分、結晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關系,化學成分決定

15、了合金結晶的溫度范圍。純金屬和共晶成分合金在凝固時，由于結晶溫度范圍是零，因此沒有液固共存的凝固區(qū)，以逐層方式凝固，其凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸。當液態(tài)凝固成為固體而發(fā)生體積收縮時，可以不斷地得到液體的補充，所以產(chǎn)生分散性縮松的傾向性很小，而是在鑄件最后凝固的部位留下集中縮孔，如圖412。由于集中縮孔容易消除，一般認為這類合金的補縮性良好。在板狀或棒狀鑄件會出現(xiàn)中心線縮孔。這類鑄件在凝固過程中，當收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時，也容易得到金屬液的填充，使裂紋愈合。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,31,化學成分、結晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關系,第四章 液態(tài)金屬的凝固,32,化學成分、結晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關

16、系,寬結晶溫度范圍的合金，凝固區(qū)域?qū)挘釛l件差，容易發(fā)展成為樹枝晶發(fā)達的粗大等軸枝晶組織。當粗大的等軸枝晶相互連接以后(固相約為70)，將使凝固的液態(tài)金屬分割為一個個互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮孔 ，即縮松，如圖413所示。對于這類鑄件采用普通冒口消除其縮松是很難的，而往往需要采取其它輔助措施，以增加鑄件的致密性。由于粗大的等軸晶比較早的連成骨架，在鑄件中產(chǎn)生熱裂的傾向性很大。這是因為，等軸晶越粗大，高溫強度就越低；此外當晶間出現(xiàn)裂紋時，也得不到液態(tài)金屬的充填使之愈合。如果這類合金在充填過程中發(fā)生凝固時，其充型性能也很差。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,33,化學成分、結晶溫度范圍與

17、鑄件質(zhì)量的關系,第四章 液態(tài)金屬的凝固,34,外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關系,由于合金成分是根據(jù)其性能、價格、使用條件等因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過程中，要改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工藝，或者說可以通過外部條件來調(diào)整合金的凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,35,外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關系,由于合金成分是根據(jù)其性能、價格、使用條件等因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過程中，要改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工藝，或者說可以通過外部條件來調(diào)整合金的凝固方式。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,36,鑄件在非金屬型中冷卻,非金屬型（一般指砂型）的導熱系數(shù)比金屬鑄件的

18、導熱系數(shù)小得多，即 2 / 11。鑄件在非金屬型中凝固冷卻時，由于鑄型的導熱系數(shù)小，所以鑄件冷卻緩慢，其斷面上的溫差很小。由于同樣理由，鑄型內(nèi)表面被鑄件加熱至很高的溫度，而其外表面仍處于較低的溫度，斷面上的溫差很大。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,37,鑄件在非金屬型中冷卻,在這種情況下，鑄件和鑄型斷面上的溫度分布如圖4-14所示。可見，鑄件和中間層斷面上的溫差與鑄型的溫差相比較，是相當小的，可以忽略不計。因此可以認為，在整個熱傳導過程中，鑄件斷面上的溫度分布可以看作是均勻的，鑄型內(nèi)表面的溫度接近鑄件的溫度。所以，砂型鑄造時，砂型本身的熱物理性質(zhì)是決定整個系統(tǒng)熱交換過程的主要因素，亦即鑄件的冷卻強度

19、主要取決與鑄型的熱物理參數(shù)。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,38,鑄件在金屬型中冷卻,(1)當鑄件的冷卻和鑄型的加熱都不十分激烈時，鑄件、中間層和鑄型斷面上的溫度分布如圖4-15所示。可見，在“鑄件中間層鑄型”系統(tǒng)中，大部分溫度降在中間層上。當金屬型的工作表面涂有較厚的涂料時，就屬于這種情況。 這種類型的傳熱特點是，鑄件斷面上的溫差1t和鑄型斷面上的溫差2t與中間層的溫差3t相比，顯得很小，可以忽略不計。所以，可以認為，鑄件和鑄型斷面上的溫度分布實際上是均勻的，傳熱過程主要取決于涂料層的熱物理性質(zhì)。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,39,鑄件在金屬型中冷卻,(2)鑄件的冷卻和鑄型的加熱都很激烈，鑄件和鑄型斷

20、面上的溫度分布如圖4-16所示?？梢?，鑄件和鑄型斷面上都有很大的溫度降。當金屬型的涂料層很薄時，就屬于這種傳熱情況。這種類型的傳熱特點是，中間層斷面的溫差3t與鑄件和鑄型的溫差相比較顯得很小，可以忽略不計。因此，可以認為，鑄型內(nèi)表面溫度和鑄件表面溫度相同，傳熱過程取決與鑄件和鑄型的熱物理量。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,40,鑄件在金屬型中冷卻,上述兩種情況說明，金屬型鑄造完全可以用改變涂料層厚度或其熱物理性質(zhì)的方法來控制鑄件的冷卻強度。在實際生產(chǎn)中，鑄鐵件的金屬型鑄造就是利用涂料或襯料防止鑄件產(chǎn)生白口。金屬型鑄造鋁合金鑄件時，經(jīng)常在冒口用的涂料中加入一定比例的石棉粉，增加熱阻，以提高冒口的補縮效

21、果。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,41,非金屬在金屬型中冷卻,非金屬鑄件的導熱系數(shù)比金屬型的導熱系數(shù)小得多，即2 / 1 1。非金屬鑄件在金屬型中冷卻時，由于鑄件的導熱系數(shù)小，其內(nèi)部熱量不能及時傳遞至外表面，所以冷卻緩慢，斷面上的溫差很大。相反，由于金屬型的導熱系數(shù)很大，其斷面上的溫差則很小。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,42,非金屬在金屬型中冷卻,在這種情況下，鑄件和鑄型斷面上的溫度分布如圖4-17所示。熔模精密鑄造中用金屬壓型壓制蠟模，在金屬型中制造塑料制品，就屬于這種情況。這種類型的熱交換特點是，中間層和金屬鑄型斷面上的溫差很小，可以忽略不計。傳熱過程主要取決于非金屬鑄件本身的熱物理性質(zhì)。,第四

22、章 液態(tài)金屬的凝固,43,鑄件凝固過程影響因素,通過對上述四種不同類型鑄造條件的分析，可以看出，“鑄件中間層鑄型”系統(tǒng)中各組元的熱阻對系統(tǒng)的溫度分布影響極大，而熱阻最大的組元是傳熱過程中的決定性因素。因此，利用該因素控制鑄件的凝固是最有效的。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,44,第四節(jié) 焊接過程中的凝固問題,焊接是在極短的時間內(nèi)使金屬局部熔化和凝固而形成接合的一種加工技術。焊接既包括熔化過程，也包括凝固過程。因此，有人把焊接過程形象地稱為“小熔池冶金，小熔池凝固”。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,45,第四節(jié) 焊接過程中的凝固問題,焊接的凝固規(guī)律與其它凝固過程大體相同，也常出現(xiàn)化學成分不均勻、氣孔、夾雜以

23、及熱裂等缺陷，但又有其獨特的凝固特點：熔池的體積小，冷卻速度大；熔池中的液體金屬處于高的過熱狀態(tài)，過熱溫度可高達250-550。熔池在運動狀態(tài)下結晶。焊接熔池周圍的母材金屬對于熔池金屬起著“模壁”作用，“模壁”的尺寸和形狀決定了溫度場的特性。研究焊縫的凝固規(guī)律是提高焊縫金屬性能的有效方法，已成為重要的課題。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,46,焊接過程中的溫度變化,焊接過程中的溫度分布對焊縫金屬的組織影響很大，它是研究焊接過程凝固規(guī)律的基礎。 焊接過程中的熱交換有兩個重要的特征：一是熱作用的集中性，即焊接熱源集中作用于焊體接口的部位；二是熱作用的瞬時性，也就是說，焊接熱源始終以一定速度運動，因此對焊

24、接某一點的熱作用是瞬時的。為了方便分析焊接區(qū)域的溫度分布，假設焊接的是單長焊道，熱源為等速運動的點熱源，這可以歸納為準穩(wěn)態(tài)傳熱問題，即等溫線僅取決于熱源的位置，而與熱源運動的時間無關。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,47,焊縫金屬的外生凝固,焊接熔池中液態(tài)金屬有大的過熱度和冷卻速度，同時熔池邊緣和中心之間有大的溫度梯度。近代凝固理論告訴我們，這些特征都表明，焊縫金屬的凝固方式為外生凝固，結晶是從熔池邊界開始，沿著與熱流相反的方向向熔池中心生長的。實驗證明，焊接熔池的凝固過程確實是從熔池邊界開始的，奧氏體鋼的焊縫金屬組織呈樹狀晶，而且看起來好象是由母材晶粒外延生長而成的，母材和焊縫之間存在明顯的晶界面

25、。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,48,焊縫金屬的外生凝固,在焊接過程中，鄰近焊縫金屬的母材由于受到電弧的加熱，距熔合線不同距離的點將經(jīng)歷不同程度的急熱以及隨后不同程度的急冷過程。這種過程叫做焊接熱循環(huán)。在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫附近母材金屬的組織及性能會發(fā)生變化，焊縫邊界的母材晶粒容易因過熱而粗化，因而焊縫樹狀晶也將隨之粗化。實際生產(chǎn)中往往用調(diào)整焊接線能量的方法控制焊接熱循環(huán)，使過熱度減少，以防止母材的晶粒粗化。這是獲得較細小晶粒焊縫的最有效的途徑。在不預熱的情況下，增大焊接速度v以降低焊接線能量E，可以達到細化凝固組織的目的。,第四章 液態(tài)金屬的凝固,49,焊縫柱狀樹枝晶的生長,外生凝固方式?jīng)Q定了熔池邊界焊縫金屬外延生長的晶體為柱狀晶。該晶體生成后繼續(xù)向熔池中心生長。在母材上生成的晶體，與相鄰的晶體在金屬液中競相成長，如圖4-19所示。由于晶體生長速度具有異向性，例如面心立方和體心立方的金屬（如Al, Cu, Fe等）其晶體長大的優(yōu)先方向是。如果晶體的這些方向和熱流方向相平行，則這些晶體將得到發(fā)展。因為在這些方向上具有最大的生長速度。因而這些與熱流方向相平行的晶體由于抑制了相鄰晶體的成長而優(yōu)先長大。在晶體的成長過程中，越是接近熱流方向的晶體，越易