材料凝固理論

材料凝固理論第1頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五2023/4/11第一節(jié)材料凝固概述一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況1、基本問題：凝固組織的形成與控制鑄造缺陷的防止與控制鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制第2頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

控制鑄件的凝固組織是凝固成形中的一個(gè)基本問題。目前已建立了許多控制組織的方法，如孕育、動(dòng)態(tài)結(jié)晶、定向凝固等。第3頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)材料凝固概述一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況1、基本問題：凝固組織的形成與控制鑄造缺陷的防止與控制鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制第4頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

縮孔、縮松；偏析缺陷；裂紋。還有許多缺陷，如夾雜物、氣孔、冷隔等，出現(xiàn)在填充過程中，它們不僅與合金種類有關(guān)，而且，還與具體成形工藝有關(guān)。第5頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)材料凝固概述一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況1、基本問題：凝固組織的形成與控制鑄造缺陷的防止與控制鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制第6頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

鑄件尺寸精度和表面粗糙度由于受到諸多因素（如鑄型尺寸精度及型腔表面粗糙度、液體金屬與鑄型表面的反應(yīng)、凝固熱應(yīng)力、凝固收縮等）的影響和制約，控制難度很大。第7頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

2、發(fā)展概況：金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的應(yīng)用第8頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

近四十年來，從傳熱、傳質(zhì)和固液界面三個(gè)方面進(jìn)行研究，使金屬凝固理論有了很大的發(fā)展，例如：建立了鑄件冷卻速度和晶粒度以及晶粒度與力學(xué)性能之間的一些函數(shù)關(guān)系，為控制鑄造工藝參數(shù)和鑄件力學(xué)性能創(chuàng)造了條件。第9頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

2、發(fā)展概況：金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的應(yīng)用第10頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

典型代表就是定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)和復(fù)合材料的獲得。此外，還有半固態(tài)金屬鑄造成形技術(shù)等。第11頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

2、發(fā)展概況：金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的應(yīng)用第12頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)；快速樣件制造技術(shù)；過程和設(shè)備運(yùn)行的計(jì)算機(jī)控制。第13頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、凝固過程中材料的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的變化體積改變外形改變熵值改變產(chǎn)生凝固潛熱晶體結(jié)構(gòu)改變發(fā)生溶質(zhì)再分配第14頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

大多數(shù)材料在經(jīng)歷液－固轉(zhuǎn)變時(shí)，其體積將縮小3－5％，原子的平均間距減小1－1.7％，導(dǎo)致缺陷形成的主要原因之一。第15頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、凝固過程中材料的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的變化體積改變外形改變熵值改變產(chǎn)生凝固潛熱晶體結(jié)構(gòu)改變發(fā)生溶質(zhì)再分配第16頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

材料發(fā)生液－固轉(zhuǎn)變后，其外形將保持容器的形狀，這就是鑄造－古老而又年輕的工藝手段。第17頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、凝固過程中材料的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的變化體積改變外形改變熵值改變產(chǎn)生凝固潛熱晶體結(jié)構(gòu)改變發(fā)生溶質(zhì)再分配第18頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

表示一個(gè)體系的紊亂程度，熵值越大，體系越紊亂。當(dāng)材料發(fā)生液－固轉(zhuǎn)變時(shí)，熵值將減小，說明固體比液體的結(jié)構(gòu)更“整齊”。第19頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、凝固過程中材料的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的變化體積改變外形改變熵值改變產(chǎn)生凝固潛熱晶體結(jié)構(gòu)改變發(fā)生溶質(zhì)再分配第20頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五亞共晶灰鑄鐵冷卻曲線第21頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、凝固過程中材料的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的變化體積改變外形改變熵值改變產(chǎn)生凝固潛熱晶體結(jié)構(gòu)改變發(fā)生溶質(zhì)再分配第22頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五1200℃時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)1500℃時(shí)液態(tài)金屬原子的狀態(tài)第23頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、凝固過程中材料的物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)的變化體積改變外形改變熵值改變產(chǎn)生凝固潛熱晶體結(jié)構(gòu)改變發(fā)生溶質(zhì)再分配第24頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五凝固過程的溶質(zhì)再分配第25頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)一、狀態(tài)函數(shù)的概念

1、熱力學(xué)函數(shù)與狀態(tài)函數(shù)第26頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第27頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)一、狀態(tài)函數(shù)的概念熱力學(xué)函數(shù)與狀態(tài)函數(shù)第28頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五－體系的吉布斯（Gibbs）自由能－熱焓，體系等壓過程中熱量的變化－熱量和溫度的熵值，反映體系紊亂程度－體系的體積－體系的溫度－體系的壓力－等壓熱容二、狀態(tài)函數(shù)間的關(guān)系PVSHG第29頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五三、自發(fā)過程判據(jù)一、Helmholtz自由能最低原理：等溫等容條件下體系的自由能永不增大；自發(fā)過程的方向力圖減低體系的自由能，平衡的標(biāo)志是體系的自由能為極小。判據(jù)二、Gibbs自由能判據(jù)：等溫等壓條件下，一個(gè)只做體積功的體系，其自由能永不增大；自發(fā)過程的方向是使體系自由能降低，當(dāng)自由能降到極小值時(shí)，體系達(dá)到平衡。第30頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五四、界面張力

物體與物體接觸時(shí)都會(huì)形成分界面，分界面上原子受力不平衡，合力則指向物體內(nèi)部，使接觸面產(chǎn)生自動(dòng)縮小的趨勢。第31頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五液－氣界面原子受力作用示意第32頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

可以這樣理解界面張力：不同物體接觸的界面如同一張具有彈性的膜，該膜總是力圖使界面的面積減小。

從能量角度：第33頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五b簡單的薄膜拉伸試驗(yàn)第34頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

可以這樣理解界面張力：不同物體接觸的界面如同一張具有彈性的膜，該膜總是力圖使界面的面積減小。從能量角度：第35頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五固體表面的液滴及表面張力的示意第36頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五根據(jù)力的平衡原理：第37頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五一、凝固的熱力學(xué)條件等壓條件下有：又：

第三節(jié)形核第38頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

等壓條件下，體系自由能隨溫度升高而降低，且液態(tài)金屬自由能隨溫度降低的趨勢大于固態(tài)金屬。第39頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五一、凝固的熱力學(xué)條件等壓條件下有：又：

第40頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五純金屬液、固兩相自由能隨溫度的變化第41頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

在熔點(diǎn)附近凝固時(shí)，熱焓和熵值隨溫度的變化可忽略不計(jì)，則有：第42頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

過冷度△T為金屬凝固的驅(qū)動(dòng)力，過冷度越大，凝固驅(qū)動(dòng)力越大；金屬不可能在T＝Tm時(shí)凝固。第43頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、自發(fā)形核1、經(jīng)典相變動(dòng)力學(xué)理論

根據(jù)經(jīng)典相變動(dòng)力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動(dòng)力△Gm作用下，從高自由能GL的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡蹽S的固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)過程中，必須越過一個(gè)能壘△Gd，才能使凝固過程得以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)液相的凝固過程，就是原子在相變驅(qū)動(dòng)力△Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘△Gd，并通過形核和長大的方式而實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過程。第44頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五GdGLGS0原子位置a△Gd△Gm凝固過程的吉布斯自由能的變化第45頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、自發(fā)形核1、經(jīng)典相變動(dòng)力學(xué)理論

根據(jù)經(jīng)典相變動(dòng)力學(xué)理論，液相原子在凝固驅(qū)動(dòng)力△Gm作用下，從高自由能GL的液態(tài)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杂赡蹽S的固態(tài)晶體結(jié)構(gòu)過程中，必須越過一個(gè)能壘△Gd，才能使凝固過程得以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)液相的凝固過程，就是原子在相變驅(qū)動(dòng)力△Gm驅(qū)使下，不斷借助能量起伏以克服能壘△Gd，并通過形核和長大的方式而實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)變過程。第46頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五2、臨界形核功與臨界晶核半徑第47頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五表面自由能體積自由能晶胚晶核原子半徑與吉布斯自由能的關(guān)系第48頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第49頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

臨界形核功相當(dāng)于表面能的1/3，這意味著固、液之間自由能差只能供給形成臨界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏來補(bǔ)足。第50頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五GdGLGS0原子位置a△Gd△Gm凝固過程的吉布斯自由能的變化第51頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五三、非自發(fā)形核1、臨界晶核半徑與形核功第52頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第53頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第54頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第55頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第56頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第57頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五四、形核劑第58頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第59頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)生長一、固－液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑；將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙；將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類第60頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

粗糙界面第61頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)生長一、固－液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑；將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙；將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類第62頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

粗糙界面第63頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)生長一、固－液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑；將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙；將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類第64頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

光滑界面

第65頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)生長一、固－液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑；將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙；將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類第66頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

光滑界面

第67頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第四節(jié)生長一、固－液界面結(jié)構(gòu)粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑；將生長成為光滑的樹枝；大部分金屬屬于此類光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙；將生長成為有棱角的晶體；非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類第68頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第69頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第70頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第71頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五-0.500.51.01.52.000.20.40.60.81不同α值時(shí)與χ間的關(guān)系第72頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五為粗糙界面。此時(shí)的界面形態(tài)被稱之其自由能最小，半原子位置被沉積時(shí)，是說有一％被沉積時(shí)最小，也就有在界面原子位置時(shí)，）當(dāng)5021SGD￡a第73頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五為光滑界面。界面形態(tài)被稱之自由能均最小，此時(shí)的這兩種情況下，的空位均被原子占據(jù)。，或幾乎所有很多空位未被原子占據(jù)面上有的兩端處，這意味著界和于接近的最小值在時(shí)，）當(dāng)1022xGSD>a第74頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五簡單立方晶體的長大過程示意二、生長方式第75頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第76頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第77頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第78頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第79頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第80頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五三、生長速度第81頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù)溶質(zhì)平衡分配系數(shù)為恒溫下固相溶質(zhì)濃度與液相溶質(zhì)濃度達(dá)到平衡時(shí)的比值，二元合金中的可由平衡狀態(tài)圖的液相線與固相線給出，即：二、非平衡凝固時(shí)的溶質(zhì)再分配假定凝固的任意時(shí)刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：

第五節(jié)溶質(zhì)再分配第82頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五固液凝固方向平衡凝固條件下的溶質(zhì)分配系數(shù)第83頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第五節(jié)溶質(zhì)再分配一、溶質(zhì)再分配與平衡分配系數(shù)溶質(zhì)平衡分配系數(shù)為恒溫下固相溶質(zhì)濃度與液相溶質(zhì)濃度達(dá)到平衡時(shí)的比值，二元合金中的可由平衡狀態(tài)圖的液相線與固相線給出，即：二、非平衡凝固時(shí)的溶質(zhì)再分配假定凝固的任意時(shí)刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：第84頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五C0k0C0凝固方向固液C非平衡凝固條件下的溶質(zhì)分配系數(shù)第85頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五三、成份過冷判據(jù)成分過冷：由溶質(zhì)再分配導(dǎo)致界面前沿平衡溫度發(fā)生變化而引起的過冷

第86頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五合金凝固時(shí)的成分過冷a)二元平衡相圖b)界面前沿液相溶質(zhì)富集帶c)穩(wěn)定界面d)非穩(wěn)定界面第87頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五鋁合金隨成分過冷度的增加，凝固界面形態(tài)的演變過程a)平界面b)痘點(diǎn)狀界面c)狹長胞狀界面d)不規(guī)則胞狀界面e)六角形胞晶f)樹枝晶第88頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

在固液界面附近，運(yùn)用Fick擴(kuò)散定律和平衡溫度梯度與液相斜率的關(guān)系，可以推導(dǎo)出成分過冷判據(jù)：第89頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五四、成份過冷與晶體生長形態(tài)凝固界面形態(tài)分為：平界面、胞狀界面、和樹枝界面當(dāng)合金成分一致時(shí)，隨值的減少，晶體形態(tài)由平面晶向胞狀晶向胞狀樹枝晶、柱狀樹枝和等軸樹枝晶轉(zhuǎn)變。第90頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

和對晶體形態(tài)的影響第91頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五“成分過冷”與固－液界面形貌第92頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五胞狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪顦渲У?3頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五五、微觀偏析偏析：金屬凝固過程中發(fā)生化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象偏析程度用偏析比來表示：微觀偏析可造成材料本身的沖擊韌性、塑性繼耐腐蝕性降低第94頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五有兩種情況：晶界與晶體生長方向平行，晶界出現(xiàn)凹槽，溶質(zhì)富集程度高，如圖a；兩個(gè)晶粒相對生長，相遇前將溶質(zhì)排出到剩余液相中，使最后凝固部分富含溶質(zhì)，如圖b。第95頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五六、宏觀偏析宏觀偏析通常指整個(gè)鑄錠或鑄件在大于晶粒尺度的大范圍內(nèi)產(chǎn)生的成分不均勻的現(xiàn)象1、正常偏析：對于<1的合金，先凝固區(qū)域的溶質(zhì)含量低于后凝固區(qū)域，與正常溶質(zhì)再分配規(guī)律一致。2、逆偏析：對于>1的合金，外層的一定范圍內(nèi)溶質(zhì)含量分布由外向內(nèi)逐漸降低3、密度偏析：由于重力作用產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。第96頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第六節(jié)共晶合金的凝固

共晶型合金分為規(guī)則共晶和非規(guī)則共晶。規(guī)則共晶由金屬－金屬組成，屬小平面共晶；非規(guī)則共晶由金屬－非金屬組成，屬非小平面－小平面共晶。第97頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第98頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第99頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

不同的合金系中，共晶結(jié)晶的方式可分為共生生長和離異生長兩種。第100頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

對共生生長，結(jié)晶時(shí)后析出相依附于領(lǐng)先相表面析出，形成具有兩相共生界面的雙相核心，隨后由界面前沿兩相間的橫向擴(kuò)散作用，互相為對方提供生長所需組元，以此協(xié)同生長。

這一點(diǎn)從共晶系平衡相圖中也可看出。第101頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五a）為共晶系平衡組織相圖

b）c）d)為吉布斯自由能隨溫度變化示意圖第102頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五共生生長需要兩個(gè)基本條件：兩相生長能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和長大。兩組元在界面前沿的橫向傳輸要能保證兩相等速生長的需要。第103頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

由于實(shí)際凝固過程中動(dòng)力學(xué)條件的限制，實(shí)際共生區(qū)與前示平衡相圖上的共生區(qū)會(huì)有一定差異。通常要小一些，或是不對稱。

對稱形非對稱形第104頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

離異生長是指共晶合金兩相生長時(shí)，沒有共同的生長界面，兩相分離并以不同生長速率而結(jié)晶。

離異共晶體可分為晶間偏析型和領(lǐng)先相呈球團(tuán)型兩類。第105頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

晶間偏析型合金成分偏離共晶點(diǎn)很遠(yuǎn)，初生相長得很大且很多時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)，而另一相在初生相上繼續(xù)長出，最終所得組織如圖示。

第106頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

領(lǐng)先相呈球團(tuán)型是由于領(lǐng)先相為熔點(diǎn)高的金屬，且生長界面為各向異性，此時(shí)領(lǐng)先相成球團(tuán)形態(tài)，其他相圍繞其表面生長，形成“暈圈”。

不完整暈圈的共生生長封閉暈圈的離異生長第107頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

第七節(jié)

金屬及合金的凝固方式一、凝固方式與質(zhì)量的關(guān)系：

金屬或合金在鑄型中凝固時(shí),可以分為液相區(qū)、固相區(qū)和固液兩相區(qū)。第108頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五金屬或合金凝固分區(qū)示意圖第109頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

固液兩相區(qū)較窄時(shí)，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的得逐層凝固特點(diǎn)；固液兩相區(qū)較寬時(shí)，液相補(bǔ)縮困難，逐層凝固特征不明顯。固液兩相區(qū)寬度對液相補(bǔ)縮的影響a)固液兩相區(qū)寬度較窄b)固液兩相區(qū)寬度較寬第110頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五二、凝固動(dòng)態(tài)曲線與凝固方式

在凝固件橫斷面處設(shè)置溫度傳感器測定冷卻曲線，即溫度-時(shí)間曲線。據(jù)不同斷面的冷卻曲線，結(jié)合該合金的相圖，便可以繪出凝固件斷面液相線-固相線與凝固時(shí)間的關(guān)系----凝固動(dòng)態(tài)曲線。由凝固動(dòng)態(tài)曲線可以看出合金在凝固件中的凝固方式。第111頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五鑄件凝固動(dòng)態(tài)曲線的繪制a)鑄件斷面的溫度-時(shí)間曲線b)凝固動(dòng)態(tài)曲線c)某時(shí)刻的凝固狀第112頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五工業(yè)純鋁鑄件斷面的凝固動(dòng)態(tài)曲線a)砂型鑄造b)金屬型鑄造第113頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五三、凝固方式的影響因素：

凝固方式一般由合金固液相線溫度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個(gè)因素決定。凝固溫度間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐層凝固第114頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五SSS+LS+LLTLTST逐層凝固糊狀凝固SSS+LTLTST第115頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

第八節(jié)凝固成形的應(yīng)用

一、鑄造生產(chǎn)過程中的凝固控制1、充型能力控制充型能力：液態(tài)金屬充滿型腔，獲得形完 整、輪廓清晰鑄件的能力。影響因素：金屬金屬性質(zhì)方面、鑄型性質(zhì) 方面、澆鑄條件方面和鑄件結(jié) 構(gòu)方面。第116頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五螺旋形流動(dòng)性試樣結(jié)構(gòu)示意圖1-澆口杯；2-低壩；3-直澆道；4-螺旋試樣；5-高壩；6-溢流道；7-全壓井

衡量金屬或合金的流動(dòng)性，常用螺旋形式樣澆鑄后得到的長度制來衡量。第117頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五2、收縮控制：鑄件在冷卻過程中體積縮小的現(xiàn)象叫收縮。收縮可分成三個(gè)階段：液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮。液態(tài)收縮：從澆注溫度降低到凝固開始的溫度時(shí)，發(fā)生的體積收縮；凝固收縮：合金再凝固階段的體積收縮；固態(tài)收縮：固態(tài)合金因溫度降低發(fā)生的體積收縮。液態(tài)收縮、凝固收縮是引起縮孔、縮松的主要原因，而固態(tài)收縮是產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形和裂紋的主要原因。第118頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

合金的收縮量用體收縮率和線收縮率來表示，其定義為：

V0，V1－合金在溫度為T0，T1時(shí)的體積；l0，l1－合金在溫度為T0，T1時(shí)的長度；av，al－合金在T0～T1溫度范圍的體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。第119頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

鑄件凝固后，由于合金的收縮，在最后凝固部位會(huì)出現(xiàn)孔洞。體積大而集中的孔洞稱為縮孔；細(xì)小而分散的空洞稱為縮松。第120頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五以逐層凝固的圓柱體鑄件為例，縮孔的形成過程如圖：第121頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

生產(chǎn)中常用畫“凝固等溫線”和畫“內(nèi)切圓”的方法來近似確定縮孔位置。

其中前一種方法一般用于形狀較簡單的鑄件，而對于稍復(fù)雜的鑄件，則用后一種方法。第122頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五將鑄件斷面上溫度相同的點(diǎn)連接而成的曲線，就是凝固等溫線。圖中涂黑的部分就是縮孔出現(xiàn)的實(shí)際位置。第123頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五內(nèi)切圓法：鑄件壁交接處的內(nèi)切圓直徑大于鑄件壁厚，這些地方凝固較晚，縮孔可能在那里生成。第124頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五鑄件的縮松：縮松是鑄件以糊狀凝固方式凝固時(shí)，最后凝固的區(qū)域沒能得到液態(tài)合金的補(bǔ)充造成的分散、細(xì)小的顯微縮孔根據(jù)分布形態(tài)，縮松分為宏觀縮松和微觀縮松兩類宏觀縮松：指用肉眼或放大鏡可以看到的細(xì)小孔洞，通常出現(xiàn)在縮孔的下方微縮縮松：是指分布在枝晶間的微小孔洞，在顯微鏡下才能看到。第125頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

縮孔、縮松的存在都會(huì)使鑄件受力的有效截面積減小，使鑄件強(qiáng)度降低。在生產(chǎn)中應(yīng)盡量防止或減少縮孔、縮松。

可以利用冒口、冷鐵和補(bǔ)貼等工藝措施，并結(jié)合運(yùn)用順序凝固或同時(shí)凝固的工藝原則來實(shí)現(xiàn)。第126頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五3、應(yīng)力控制

鑄件冷卻時(shí)因各部分冷卻速度不同，造成在同一時(shí)刻各部分的收縮量不同，彼此相互制約的結(jié)果就產(chǎn)生了應(yīng)力。第127頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五按應(yīng)力形成原因分類：熱應(yīng)力

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鑄件在冷卻過程中，由于各部分冷卻速度不一致，造成收縮量不一致，彼此制約的結(jié)果，所形成的應(yīng)力；相變應(yīng)力

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鑄件冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的時(shí)間不一致，體積和長度變化的時(shí)間也不一致，彼此制約，形成的應(yīng)力；機(jī)械應(yīng)力

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鑄件冷卻收縮過程中，線收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。第128頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五框形鑄件熱應(yīng)力形成過程第129頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五第一階段（t0～t1）：在高于彈塑性轉(zhuǎn)變階段，兩桿均處于塑性狀態(tài)，瞬時(shí)的應(yīng)力均可通過塑性變形釋放；

第二階段（t1～t2）：冷卻較快的桿II已進(jìn)入彈性狀態(tài)，而粗桿I仍處于塑性狀態(tài)，所以桿II收縮大于桿I，細(xì)桿II受拉伸，粗桿I受壓縮，形成臨時(shí)內(nèi)應(yīng)力；

第三階段（t2～t3）：粗桿I溫度較高，還會(huì)有較大的收縮，細(xì)桿II溫度較低，收縮較小，所以粗桿I的收縮會(huì)受到桿II的強(qiáng)烈阻礙，桿II受壓縮，桿I受拉伸，直到室溫，形成殘余應(yīng)力。第130頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的屈服點(diǎn)后，鑄件就會(huì)發(fā)生變形，以釋放應(yīng)力。

當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件就會(huì)產(chǎn)生裂紋。按裂紋形成的溫度范圍，可分為冷裂和熱裂兩種類型。

第131頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五

要避免鑄件發(fā)生變形和裂紋，最根本的辦法是減小殘余應(yīng)力。第132頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五4、凝固組織控制鑄件宏觀組織一般可能存在三個(gè)不同的晶區(qū)：表面細(xì)晶粒區(qū)：靠近型壁的外殼層，有紊亂排列的細(xì)小等軸晶組成；柱狀晶區(qū)：由自外向內(nèi)沿著熱流方向彼此排列的柱狀晶所組成；內(nèi)部等軸晶區(qū)：由紊亂排列的粗大等軸晶組成。

第133頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五鑄件典型的幾種組織第134頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五三個(gè)晶區(qū)形成的簡單過程是：

金屬液澆入鑄型后，先在溫度低的型壁上形核與生長，同時(shí)又從其上脫落與游移，從而在型壁附近沉積成細(xì)小晶粒，構(gòu)成表面細(xì)晶粒區(qū)；

表層細(xì)晶層形成后，液體對流強(qiáng)度大大減弱，固液界面前沿晶體在與型壁垂直的單向熱流作用下，向中心延伸，形成柱狀晶區(qū)；

在柱狀晶生長過程中，液體內(nèi)部也將可能出現(xiàn)過冷，形成新的等軸晶，或從別處遷移過來的游離晶生長成新的等軸晶，最終形成內(nèi)部等軸晶區(qū)。

第135頁，共153頁，2023年，2月20日，星期五