第六章鑄件與焊縫宏觀組織及其控制

1、金陵科技學院教案【封面】任課系部：材料工程學院 材料系 課程名稱金屬材料成型原理課程編號0802407007授課對象專業(yè)材料科學與工程課程類別必修課公共基礎課；學科基礎課；專業(yè)核心課選修課專業(yè)方向課；專業(yè)拓展課；公選課總學時數(shù)48學分數(shù)3學時分配課堂講授 32學時； 實踐課16學時教材名稱材料成形基本原理作者劉全坤出版社及出版時間機械工業(yè)出版社指定參考書作者出版社及出版時間材料成形原理陳平昌機械工業(yè)出版社，2001材料成型原理陳玉喜中國鐵道出版社，2002授課教師楊曉莉職稱副教授單位材料工程學院金陵科技學院教案【教學單元首頁】第 1次課 授課學時 2 教案完成時間： 章、節(jié)第六章 主要內容第六

2、章 鑄件與焊縫宏觀組織及其控制 §第一節(jié) 鑄件的宏觀組織 §第二節(jié) 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成 §第三節(jié) 內部等軸晶的形成機理 §第四節(jié) 鑄件宏觀結晶組織的控制 §第五節(jié) 焊接熔池凝固及控制目的與要求了解本課程的性質、目的及要求，對材料測試與研究方法有一個全面、系統(tǒng)的認識，熟悉材料現(xiàn)代分析的一般原理和主要方法，對各種材料分析方法的基本原理和基本應用有概略行的認識。重點與難點重點：鑄件宏觀組織的控制（孕育處理）難點：焊接速度對晶粒生長形態(tài)的影響。教學方法與手段PPT多媒體教學結合板書。授課內容內 容備 注1鑄件的宏觀組織 1.1引言：鑄件的宏觀組

3、織指的是鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布等情況。鑄件的微觀結構的概念包括晶粒內部的結構形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結構形態(tài)，共晶團內部的兩相結構形態(tài)已經(jīng)這些形態(tài)的細化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過程密切相關，并對鑄件的各項性能產(chǎn)生強烈的影響。 本章側重分析鑄件宏觀組織的成因及其影響因素，并在此基礎上總結出生產(chǎn)中控制鑄件結晶組織的有效方法。 1.2.1 通常，鑄件的宏觀結晶組織可能包含三個不同的晶區(qū)： 表面細晶粒區(qū)； 柱狀晶區(qū)； 內部等軸晶區(qū) 1.2.2 幾種不同類型的鑄件宏觀組織： (a)只有柱狀晶; (b)表面細等軸晶加柱狀晶 (c)三個晶區(qū)都有; (d)只有等軸晶 1.2.3不同澆注條

4、件對鋁錠結晶過程及組織影響試樣編號鑄型材料鑄型溫度()澆注溫度()組織形貌特征1砂模500700多邊形的粗大等軸晶2砂模室溫700粗大柱狀晶，中心處有等軸晶3鐵模室溫700較粗大柱狀晶4鐵模500700較粗大柱狀晶，中心少量等軸晶5鐵模室溫800細小等軸晶 1.2.4 柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動機和螺旋漿葉片等這些強調單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點。 如何在技術上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學習各晶區(qū)組織的形成機理。 2表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成 2.1表面激冷區(qū)的形成： 一旦型壁附近的晶粒互相連結而構成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將

5、轉為柱狀晶區(qū)由外向內的生長，表面激冷細晶粒區(qū)將不再發(fā)展。因此穩(wěn)定的凝固殼層形成得越早，表面細晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉變得也就越快，表面激冷區(qū)也就越窄。 2.2柱狀晶區(qū)的形成： 柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結束于內部等軸晶區(qū)的形成。因此柱狀晶區(qū)的存在與否及寬窄程度取決于上述兩個因素綜合作用的結果。如果在凝固初期就使得內部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成。3內部等軸晶的形成機理 3.1“成分過冷”理論： 該理論認為，隨著凝固層向內推移，固相散熱能力逐漸削弱，內部溫度 梯度趨于平緩，且液相中的溶質原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當成分過冷大到足以發(fā)生非均質生核時，便導致

6、內部等軸晶的形成。 3.2激冷等軸晶型壁脫落與游離理論： 在澆注的過程中及凝固的初期激冷，小等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成， 澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴大等軸晶區(qū) 。 3.3枝晶熔斷及結晶雨理論： 目前比較統(tǒng)一的看法是內部等軸晶區(qū)的形成很可能是多種途徑起作用。在一種情況下，可能是這種機理起主導作用，在另一種情況下，可能是另一種機理在起作用，或者是幾種機理的綜合作用，而各自作用的大小當由具體的凝固條件所決定。4鑄件宏觀結晶組織的控制： 柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生，而結束于內部等軸晶區(qū)的形成。本質上是：晶區(qū)的形成和轉變乃是過冷熔體獨立生核的能力和各種形式晶粒游離、增殖或重熔的程度

7、這兩個基本條件綜合作用的結果。鑄件宏觀結晶組織的影響因素： A金屬性質方面： 1)強生核劑在過冷熔體中的存在； 2)寬結晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度G。 3)合金溶質元素含量較高、平衡分配系數(shù)偏離1較遠。 4)熔體在凝固過程中存在長時間的激烈的對流。 B澆注條件方面 ： 1)低的澆注溫度。有利等軸晶的形成和晶粒細化。 2)合適的澆注工藝。強化液流對型壁的沖刷有利等軸晶的形成和晶粒細 化。 C鑄件性質和鑄件結構方面合理地控制澆注工藝和冷卻條件 澆注溫度:合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細化等軸晶的有效措施。但過低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動性，導致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。 澆注方式:通

8、過改變澆注方式強化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進細等軸晶的形成。但必須注意不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導致鑄件產(chǎn)生相應的缺陷。 孕育處理 孕育處理是澆注之前或澆注過程中向液態(tài)金屬中添加少量物質以達到細化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。 孕育( Inoculation)主要是影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒；而變質（Modification）則是改變晶體的生長機理，從而影響晶體形貌。變質在改變共晶合金的非金屬相的結晶形貌上有著重要的應用，而在等軸晶組織的獲得和細化中采用的則是孕育方法。 動力學細化 a鑄型振動: 在凝固過程中振動鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運動，導致枝晶

9、破碎形成結晶核心。離心鑄造時若周期改變旋轉方向可獲得細小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運動所起的細化晶粒作用。振動還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動鑄型可促使“晶雨”的形成。 b超聲波振動: 超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當這些空隙崩潰時，液體迅速補充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶粒細化。 c液相攪拌: 連鑄過程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質量要求較高時，電磁攪拌技術便成為

10、首選。 d流變鑄造: 這種細小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動性而容易成形。因為它的溫度遠低于液相線溫度，所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴大黑色金屬壓鑄的應用范圍。5焊接熔池凝固及控制 熔池凝固條件: a體積小、冷速快 b溫差大、過熱度高 c動態(tài)凝固過程 d液態(tài)金屬對流激烈 熔池結晶特征 非平衡結晶 熔池過熱、溫度梯度大:焊接熔池中的液態(tài)金屬處于過熱狀態(tài)，如低碳鋼的焊接熔池平均溫度可達到1870，遠高于鑄造時的最高平均溫度1550。 熔池在動態(tài)下結晶:焊接熔池中金屬的結晶和熔化是同時進行的，結晶前沿隨焊接熱源而移動，而且焊接條件下各種力的

11、作用會使正在結晶中的熔池受到激烈的攪拌。 聯(lián)生結晶 在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面：一種是合金元素或雜質的懸浮質點（在正常情況下所起作用不大）；另一種就是熔池邊界未熔母材晶粒表面，非自發(fā)形核就依附在這個表面，在較小的過冷度下以柱狀晶的形態(tài)向焊縫中心生長，稱為聯(lián)生結晶(也稱外延生長)。 柱狀晶生長方向與速度的變化 典型的焊接熔池形狀像不標準的半橢球。熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質、尺寸和焊接方法以及工藝參數(shù)等因素的影響。焊接速度增大, L增加, Bmax減小. 熔池凝固組織形態(tài)的多樣性:隨著成分過冷的進一步加大，樹枝晶生長的方式逐漸占主導地位，在到達熔池尾端結束凝固時，成分過冷度最大，有可能形成等軸樹枝晶區(qū)。 熔池結晶組織的細化通過提高形核率和抑制晶粒長大兩個方面 a變質處理 通過焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如B、Mo、V、Ti、Nb等) , 作為熔池中非自發(fā)晶核的質點,從而使焊縫晶粒細化。 b振動結晶 采用振動的方法來打斷正在成長的柱狀晶，增大晶粒游離傾向，達到細化晶粒的目的。振動方式主要有機械振動、超