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、長大及結(jié)晶組織的形成規(guī)律。2一、金屬凝固的溫度場31、溫度場的概念

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4一、金屬凝固的溫度場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、金屬凝固溫度場的分析方法

數(shù)學(xué)分析方法一、金屬凝固的溫度場9

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

金屬性質(zhì)的影響一、金屬凝固的溫度場11鑄型性質(zhì)的影響一、金屬凝固的溫度場12澆注條件的影響一、金屬凝固的溫度場（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小；（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小；（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?，斷面上的固體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，則其對應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。溫度梯度很大的溫度場，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，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，在各個(gè)方向上的長大速度幾乎相等，于是長成等軸晶；當(dāng)它們長到與柱狀晶相遇時(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?。?82、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，絕對避免在側(cè)面形核和生長；（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