第六章鑄件與焊縫宏觀組織及其控制

1、金陵科技學(xué)院教案【封面】任課系部：材料工程學(xué)院 材料系 課程名稱金屬材料成型原理課程編號(hào)0802407007授課對象專業(yè)材料科學(xué)與工程課程類別必修課公共基礎(chǔ)課；學(xué)科基礎(chǔ)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(xué)時(shí)數(shù)48學(xué)分?jǐn)?shù)3學(xué)時(shí)分配課堂講授 32學(xué)時(shí)； 實(shí)踐課16學(xué)時(shí)教材名稱材料成形基本原理作者劉全坤出版社及出版時(shí)間機(jī)械工業(yè)出版社指定參考書作者出版社及出版時(shí)間材料成形原理陳平昌機(jī)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(xué)院金陵科技學(xué)院教案【教學(xué)單元首頁】第 1次課 授課學(xué)時(shí) 2 教案完成時(shí)間： 章、節(jié)第六章 主要內(nèi)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(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理 §第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)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(zhì)、目的及要求，對材料測試與研究方法有一個(gè)全面、系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，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(yīng)用有概略行的認(rèn)識(shí)。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：鑄件宏觀組織的控制（孕育處理）難點(diǎn)：焊接速度對晶粒生長形態(tài)的影響。教學(xué)方法與手段PPT多媒體教學(xué)結(jié)合板書。授課內(nèi)容內(nèi) 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(jié)構(gòu)的概念包括晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，如樹枝晶、胞狀晶等亞結(jié)構(gòu)形態(tài)，共晶團(tuán)內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)已經(jīng)這些形態(tài)的細(xì)化程度等。兩者表現(xiàn)形式不同，但其形成過程密切相關(guān)，并對鑄件的各項(xiàng)性能產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。 本章側(cè)重分析鑄件宏觀組織的成因及其影響因素，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)出生產(chǎn)中控制鑄件結(jié)晶組織的有效方法。 1.2.1 通常，鑄件的宏觀結(jié)晶組織可能包含三個(gè)不同的晶區(qū)： 表面細(xì)晶粒區(qū)； 柱狀晶區(qū)； 內(nèi)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(xì)等軸晶加柱狀晶 (c)三個(gè)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(jié)晶過程及組織影響試樣編號(hào)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(xì)小等軸晶 1.2.4 柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)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(diǎn)。 如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)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?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將

5、轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激冷細(xì)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(xì)晶粒區(qū)向柱狀晶區(qū)轉(zhuǎn)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(jié)束于內(nèi)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(gè)因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。3內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理 3.1“成分過冷”理論： 該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度 梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來越富集，從而使界面前方成分過冷逐漸增大。當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致

6、內(nèi)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(kuò)大等軸晶區(qū) 。 3.3枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論： 目前比較統(tǒng)一的看法是內(nèi)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(jī)理起主導(dǎo)作用，在另一種情況下，可能是另一種機(jī)理在起作用，或者是幾種機(jī)理的綜合作用，而各自作用的大小當(dāng)由具體的凝固條件所決定。4鑄件宏觀結(jié)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(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成。本質(zhì)上是：晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨(dú)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(gè)基本條件綜合作用的結(jié)果。鑄件宏觀結(jié)晶組織的影響因素： A金屬性質(zhì)方面： 1)強(qiáng)生核劑在過冷熔體中的存在； 2)寬結(jié)晶溫度范圍的合金和小的溫度梯度G。 3)合金溶質(zhì)元素含量較高、平衡分配系數(shù)偏離1較遠(yuǎn)。 4)熔體在凝固過程中存在長時(shí)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(xì)化。 2)合適的澆注工藝。強(qiáng)化液流對型壁的沖刷有利等軸晶的形成和晶粒細(xì) 化。 C鑄件性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)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(xì)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(dòng)性，導(dǎo)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(qiáng)化對流對型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)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(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)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(zhì)以達(dá)到細(xì)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(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生長機(jī)理，從而影響晶體形貌。變質(zhì)在改變共晶合金的非金屬相的結(jié)晶形貌上有著重要的應(yīng)用，而在等軸晶組織的獲得和細(xì)化中采用的則是孕育方法。 動(dòng)力學(xué)細(xì)化 a鑄型振動(dòng): 在凝固過程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶

9、破碎形成結(jié)晶核心。離心鑄造時(shí)若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)所起的細(xì)化晶粒作用。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動(dòng)鑄型可促使“晶雨”的形成。 b超聲波振動(dòng): 超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)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(xì)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(zhì)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(zhì)量要求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為

10、首選。 d流變鑄造: 這種細(xì)小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的流動(dòng)性而容易成形。因?yàn)樗臏囟冗h(yuǎn)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(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)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(dòng)態(tài)凝固過程 d液態(tài)金屬對流激烈 熔池結(jié)晶特征 非平衡結(jié)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(dá)到1870，遠(yuǎn)高于鑄造時(shí)的最高平均溫度1550。 熔池在動(dòng)態(tài)下結(jié)晶:焊接熔池中金屬的結(jié)晶和熔化是同時(shí)進(jìn)行的，結(jié)晶前沿隨焊接熱源而移動(dòng)，而且焊接條件下各種力的

11、作用會(huì)使正在結(jié)晶中的熔池受到激烈的攪拌。 聯(lián)生結(jié)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(zhì)的懸浮質(zhì)點(diǎn)（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(gè)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)的半橢球。熔池的形狀和大小，受母材的熱物理性質(zhì)、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(jìn)一步加大，樹枝晶生長的方式逐漸占主導(dǎo)地位，在到達(dá)熔池尾端結(jié)束凝固時(shí)，成分過冷度最大，有可能形成等軸樹枝晶區(qū)。 熔池結(jié)晶組織的細(xì)化通過提高形核率和抑制晶粒長大兩個(gè)方面 a變質(zhì)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(zhì)點(diǎn),從而使焊縫晶粒細(xì)化。 b振動(dòng)結(jié)晶 采用振動(dòng)的方法來打斷正在成長的柱狀晶，增大晶粒游離傾向，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。振動(dòng)方式主要有機(jī)械振動(dòng)、超