材料成型与控制工程.docx

第六章:特殊条件下的凝固快速凝固:是指采用急冷或大过冷技术获得很高的凝固前沿推进速度的一种凝固过程特点:通常界面推进速度大于10mm/s。快速凝固基本原理：分为急冷凝固技术和大过冷技术。急冷凝固技术的核心：提高凝固过程的熔体的冷速。要求：1）减少单位时间内金属凝固时产生的结晶潜热2）提高凝固过程中的传热速度。方法：设法减少同一时刻凝固的熔体体积并减少熔体体积和其散热表面积之比；设法减少熔体与热传导性能很好的冷却介质的界面的热阻及主要通过传导方式散热6。大过冷技术的原理：要在熔体中形成尽可能接近均质形核的那个条件。方法：把熔体弥散成熔滴；设法把熔体与容器壁隔离开，甚至在融化于凝固过程中不用容器，以减少或消除由容器壁引入的形核媒质。急冷技术分为：模冷技术：主要使熔体与冷模接触并以热传导的方式散热。采用模冷技术，熔体的凝固冷速较高，产品的微观组织结构和性能比较均匀（优点），但是使用模冷技术生产的急冷合金产品作为结构材料使用时，要首先粉碎后才能经固结成形加工成大块材料（缺点）雾化技术：采用某种措施将熔体分离雾化，同时通过对流的方式凝固。采用雾化技术制成的产品主要是粉末，可以不用粉碎而直接固结成形为大块材料或工件，故生产成本较低，便于大批量生产（优点），熔体在凝固过程中主要以对流方式冷却，故凝固速度一般不如模冷技术高。表面熔化与沉积技术：应用激光束、电子束、或等离子束等作为高密度能束聚焦并迅速逐行扫描工件表面，使工件表面熔化。表面熔化与沉积技术应用较多的是等离子体喷涂沉积技术，主要使用高温等离子体火焰熔化合金或陶瓷粉末，然后喷射到工件表面，高温熔滴迅速冷凝沉积并与基体结合成牢固、致密的喷涂层。具有凝固冷速高，工艺流程短，生产速度快，应用比较方便等特点，但只能应用于工件表面强化。快速凝固晶态合金的组织和性能特征:显著扩大合金的固熔极限2）超细的晶粒度3）少偏析或无偏析4）形成亚稳相5）高的点缺陷密度。快速凝固合金由于微观组织结构的尺寸明显细化和均匀化，故具有很好的晶界强化和韧化、微畴强化和韧化等作用；成分均匀、偏析减小不仅提高了合金元素的使用效率还避免； 一些降低合金性能的有害相的产生，消除了微裂纹萌生的隐患，故改善了合金的强度和延性和韧性；固熔度的扩大、过饱和固溶体的形成，不仅起到了很好的固熔强化的作用，也为第二相的析出、弥撒强化提供了条件；位错、层错密度的提高还产生了位错强化的作用。亚稳相也起到很好的强化和韧化的作用。定向凝固(定向结晶):是使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法.第七章：焊缝及其热影响区焊接：通过加热或加压或两者并用，用或不用填充材料，使两个分离的工件产生原子（分子）间结合而形成永久性连接的工艺过程。焊接包括：熔焊，压焊，钎焊熔焊：通过局部加热使连接处达到熔化状态，然后冷却结晶形成共同晶粒。压焊：利用加压、摩擦、扩散等物理 作用客服连接表面的不平度，挤除氧化膜等污物，在固态条件下实现连接。压焊时必须加压。为了有效地实现压焊，常在加压的同时加热。但加热温度远低于母材的熔点。除加热温度较高的扩散焊外，都无需保护措施。钎焊：采用熔点低于母材的金属材料做钎料，加热的温度仅使钎料熔化而母材不熔化。熔焊和钎焊主要采用热能，压焊主要采用机械能。通常指的电阻焊又称压焊，属于固相焊接。但电阻点焊缝焊的接头在形成过程中伴随熔化结晶过程，属于熔焊。熔焊焊接接头的形成及冶金过程：焊接热过程：熔焊时被焊金属及焊接材料在热源作用下局部受热并熔化，热源移走后焊接熔池冷却凝固，焊缝及热影响区金属发生固态相变。故整个焊接过程自始至终都是在焊接热作用过程中发生和发展的。焊接化学冶金过程：熔焊时，液态金属、熔渣及气相之间进行一系列的化学冶金反应。这些冶金反应直接影响焊缝金属的成分、组织、性能。控制措施：1）控制焊缝金属中夹杂物的种类，直径大小，作为形核质点细化焊缝金属晶粒，提高焊缝的强度与韧性2）往焊缝中加入微量合金元素进行变质处理3）适当降低焊缝的碳含量，并最大限度的排除焊缝中的S、P、O、N、H、等的杂质，使焊缝净化，也能提高焊缝的韧性。焊接物理冶金过程：在焊接热源作用下，焊接材料及木材金属局部熔化，热源离开后经过化学冶金反应的熔池金属开始凝固结晶，金属原子有近程有序变为远程有序排列；随着温度的降低，具有同素异构转变的金属，在冷却的过程中还将发生不同的固态相变。在焊接进行过程中，焊缝周围未融化的母材在加热和冷却过程中，发生了显微组织和力学性能变化的区域称为热影响区（HAZ）。此区域与焊缝不同，主要发生物理冶金过程。由于HAZ中各点距焊缝的远近不同，所经受的最高温度和高温停留时间也不同，将发生不同的组织转变，必影响其性能变化。焊接接头主要由焊缝、热影响区、母材组成。焊缝与热影响区之间有一薄层过渡区，称为熔合区。焊接熔池：熔焊时，在热源的作用下母材将发生局部熔化，并与熔化了的填充金属搅拌混合形成焊接熔池。当热源离开后，熔池也开始凝固结晶，随着热远的移动焊接熔池不断形成又不断结晶，从而形成了焊缝。焊接熔池的特征：1）熔池的体积较小，冷却速度大2）焊接熔池的液态金属处于过热的状态3）焊接熔池的液态金属始终处于运动状态。熔池凝固的特点：结晶过程经历形核和晶核的长大过程。焊接熔池的凝固属于非平衡凝固。1）联生结晶（交互结晶、外延结晶）：其凝固过程是从边界开始的，是一种非均匀形核。焊缝金属呈柱状晶形式与母材联系，好似母材晶粒的外延生长。这种依附母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的凝固方式，叫联生结晶。2）择优生长：在熔池的边界开始结晶之后，晶体变呈柱状晶的形式继续向熔池的内部成长。柱状晶的成长，其主轴具有严格结晶位向。与熔池边界等温线相垂直，也就是正好是散热最快的方向，有利于柱状晶的成长。处于熔池边界等温线的偏斜方向，不利于其成长，这就是焊缝中柱状晶择优长大的结果。焊缝金属凝固组织的形态：1、晶1）平面晶：在固-液界面前方液相中温度梯度G很大，不形成成分过冷区，此时凝固界面为平滑界面，且在柱状晶内不存在溶质的微观偏析，称为平面晶。多见于高纯金属焊缝或溶质的质量分数底的液态合金，在熔合线附近温度梯度很高而结晶速度很小的边界层中。2）胞状晶：液相中温度梯度G变小，形成少量成分过冷区，此时因平面结晶界面处于不稳定状态，凝固界面长出许多平行束状的晶芽胞，凸入前方过冷的液相，并继续向前成长，凸起的晶芽胞向侧面亚晶界排除溶质，使亚晶界的液相线温度下降，于是在晶粒内部形成一束相互平行的柱状体元、横截面近视六角形的亚结构。主轴方向同成长方向一致，每一棱柱体前沿中心都有稍微突前的现象，这种组织形态称为胞状晶。3）胞状树枝晶：温度梯度G进一步减小，成分过冷区增大，晶体成长加快，胞状晶前沿能够深入液相内部较长的距离，凸起的部分也向周围排出溶质，而在横向也产生成分过冷。4）柱状枝晶2、 等轴晶2） 晶形态的变化：在焊缝的边界，由于熔合线上的温度梯度大，结晶速度R小，成分过冷很难形成，故多以平面晶形态成长。随着晶粒逐渐远离边界向焊缝中心生长，温度梯度G逐渐变小，结晶速度逐渐 加快，溶质的质量分数增高，成分过冷区也逐渐增大，柱状晶内的亚结构一次向胞状晶、胞状树枝晶、树枝状晶发展。晶体生长到焊缝中心时，温度梯度G最小，结晶速度最大，溶质的质量分数最高，成分过冷区大，最终可能生成等轴晶。焊缝金属的组织：2） 低碳钢焊缝的室温组织：低碳钢焊缝碳含量较低，高温奥氏体固态相变后得到铁素体加珠光体组织。固态相变时首先沿着奥氏体晶界析出铁素体，然后发生共析转变AP（F+Fe3C），焊缝金属过热时，还会出现魏氏组织，其特征也是铁素体在原奥氏体晶界呈网状析出。焊缝金属是一种多相组织，是晶界铁素体、侧板条铁素体和珠光体混合组织的总称。这种组织的塑性和冲击韧性差，使脆性转变温度上升。2）低合金钢焊缝的室温组织：（1）先析出铁素体（也叫晶界铁素体）：是焊缝冷却较低高温区间（转变温度约770680°），沿奥氏体晶界首先析出的铁素体。内部的位错密度较低，为低屈服强度的弱相，使焊缝金属韧性下降。）（2）侧板条铁素体：形成温度比先共析铁素体稍低，转变温度范围较宽（约700550°）。一般从晶界铁素体的侧面以板条状向晶内生长。位错密度比先共析铁素体高一些，它使焊缝金属韧性显著下降。（3）针状铁素体：形成温度比侧板条铁素体更低，约500°附近，在中等冷却速度下才能得到，在原奥氏体晶内以针状分布，常以某些弥散氧化物或氮化物杂物质点为核心放射性成长，使形成的针状铁素体相互限制而不能任意长大。位错密度较高，位错之间也相互缠结，分布也不均匀。针状铁素体的比例增加时，有利于提高焊缝金属的韧性。（4）细晶铁素体：一般是在有细化晶粒的元素存在的条件下，在奥氏体晶粒内形成的铁素体，在细晶之间有珠光体和碳化物析出。转变温度一般在500°一下，若在更低的温度转变时（约450°），可转变为上贝氏体。珠光体：接近平衡状态下低合金钢常见的组织，转变大约发生在Ar1500°之间。层状珠光体，粒状珠光体，细珠光体。珠光体会增加焊缝金属的温度，但使其韧性下降，贝氏体：贝氏体属于中文转变，转变温度在550°Ms，此时合金元素已不能扩散，只有碳还能扩散。上贝氏体：光学显微镜下呈羽毛状，一般沿奥氏体晶界析出，电镜：相邻条状晶的位向接近于平行， 且在平行的条状铁素体间分布有渗碳体。由于这些碳化物断续平行的分布于铁素之间，因而裂纹易沿铁素体条间扩展，在各类贝氏体中以上贝氏体的韧性最差。下贝氏体：光学镜：有些与回火片状马氏体相似。电镜：许多针状铁素体和针状渗碳体的机械混合物。由于下贝氏体的转变温度区在贝氏体转变区的低温部分（450Ms），碳的扩散更为困难，故在铁素体内分布有碳化物颗粒，碳化物弥散析出于铁素体内，裂纹不易穿过，故下贝氏体具有强度和韧性均良好的综合性能。马氏体：当焊缝金属的含碳量偏高或合金元素较多时，在快速冷却条件下，奥氏体过冷到Ms温度以下将发生马氏体转变。1）板条马氏体：奥氏体晶粒内部平行生长成群的细条状马氏体板条。马氏体板条内存在许多位错，其含碳量低。不仅具有较高的强度，同时具有良好的韧性，抗裂纹能力强，综合性能好。2）片状马氏体：含碳量较高（0.4%），将会出现片状马氏体，马氏体片不相互平行，初始形成的马氏体叫粗大，往往贯穿整个奥氏体晶粒，使以后形成的马氏体片受到阻碍。这种马氏体硬度高而脆，容易产生焊缝冷裂纹，应避免。焊缝金属性能的控制：控制焊缝性能是保证焊接质量的主要内容之一。1）焊缝合金化与变质处理：焊缝合金化目的是保证焊缝金属的焊态强度和韧性。采用固溶强化、细晶强化、弥散强化、相变强化2）工艺措施：调整焊接参数的方法提高焊缝性能。焊接热影响区的组织与性能：热影响区：熔焊时，在焊接热源的作用下焊缝周围的母材发生组织和性能的变化的区域焊接热影响区的热循环特点：1）焊接热循环：焊件上某点的温度由低到高，达到最大值后又由高到低随时间的变化过程。组织转变特点：1）焊接热循环的特点（1）焊接HAZ加热温度高（2）加热速度快（3）高温停留时间短（4）局部受热。焊接HAZ各处的温度分布不均匀，加热与冷却也不均匀。造成了组织和性能的不均匀性。2）焊接加热过程中奥氏体化的特点：由于加热速度快，使钢的Ac1、Ac3点相应提高，二者温差也增大。-由于F+PA转变是扩散型重结晶过程，快速加热必然使奥氏体孕育期延长，不利于奥氏体化奥氏体均匀化。钢中的合金元素，不但合金元素本身扩散较慢，且降低碳的扩散速度，这也不利于奥氏体化。焊接HAZ加热温度高，不但促进奥氏体化，且在高温下奥氏体晶粒迅速长大，使HAZ高温区奥氏体粗大，冷却后为粗大的奥氏体转变产物。焊接热影响区的组织与性能变化：1）钢及不易淬火的低合金钢HAZ之分布（1）熔合区：晶界与晶界内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差，所以是焊接接头的薄弱环节。（2）过热区：温度范围处于固相线到1100°左右。由于加热温度高，奥氏体过热，晶粒严重长大。焊后冷却时，奥氏体相变产物也因晶粒粗化使塑性、韧性下降，慢冷是还会出现魏氏组织。（3）相变重结晶区（正火区）：母材已完全奥氏体化，该区处于1100Ac3（约900°）之间。由于奥氏体晶粒细小，空冷后得到晶粒细小而均匀珠光体和铁素体，其塑性和韧性较好。（4）不完全重结晶区：Ac1Ac3范围内的HAZ属于不完全重结晶区。由于部分母材组织发生相变重结晶，且奥氏体晶粒细小，冷却转变后得到细小的F+P，而未奥氏体化的F受热后长大，使该区晶粒大小、组织分布不均匀，虽受热不严重但性能不如相变重结晶区。易淬火钢HAZ组织分布：（1）焊前为正火或退火状态：焊前母材为F+P组织。HAZ主要由完全淬火区和不完全淬火区组成。HAZ的性能变化：HAZ的硬化、HAZ的脆化、HAZ软化、HAZ韧化第八章：成形工艺中的冶金反应特点1）药皮区反应：加热的温度较低，不超过药皮的熔化温度（造渣反应区）。反应的部位在焊条前端的套筒附近。在药皮反应区进行的冶金反应，只要是水的蒸发及药皮中的某些固态物质的分解。反应的结果将显著改变焊接区的气氛性质，在氧化性气氛中将导致铁合金的氧化。2）熔滴反应区：温度高、熔滴的表面积大、3）熔池反应区：熔滴金属和部分熔渣以很大的速度落入熔池后，同熔化的母材金属混合，并向熔池尾部和四周运动。同时，各相之间发生物理化学反应，直至金属凝固，形成固态焊缝金属。由于熔池的平均温度比熔滴低，表面积小，故熔池中的化学反应强烈程度要比熔滴反应区小些。由于熔池中的温度分布极不均匀，在熔池的不同部位液态金属存在的时间不同，因而冶金反应进行的程度也不相同，熔池的头部处于升温阶段，发生金属的熔化和气体的吸收，这有利于吸热反应的进行，而熔池的尾部发生金属的凝固，气体的逸出，有利于放热反应的进行。熔池反应区反应物的相对浓度要比熔滴反应区小，故其反应的速度也比熔滴反应区小些。但由于熔池区的反应时间较长，且熔池中存在着对流和搅拌现象，这有助于熔池成分的均匀化和冶金反应的进行。气体的影响：N与金属的作用：N在金属中的溶解：气体分子向金属与气体的界面上运动、气体被金属表面吸附、气体在金属表面上分解为原子、原子穿过金属表面层向金属深处扩散。N的影响：1）N是低碳钢的有害元素（使材料变脆，严重降低金属的塑性和韧性）2）N是促使时效脆化的元素：因焊接时冷却速度较大，N来不及随温度下降而析出，随着时间的延长，钢中过饱和的N将逐渐析出，并形成稳定的Fe4N，从而导致钢的时效脆化。3）N也是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。N的控制：加强保护、正确选择焊接参数、控制合金元素的含量。H与金属的作用：影响：氢脆（氢在室温附近使钢的塑性严重下降）、白点（鱼眼：若H含量高，则常常在拉伸或弯曲断面上出现银白色的圆形局部脆断点）、形成气孔、冷裂纹H的控制：限制氢的来源、冶金处理、控制工艺过程、脱氢处理氧与金属的作用：氧在铁液中以原子氧和FeO两种形式存在。氧对金属有氧化作用氧的影响：氧化物极容易呈薄膜状偏析于晶粒边界或以夹杂物形式存在于晶界。随着氧含量的增加，金属的强度、塑性、韧性、都明显下降。溶解在液态金属中的氧还能与碳发生反应，生产不溶于金属的CO气体。控制：纯化焊接材料、控制焊接参数、进行脱氧处理。熔渣：在熔炼金属的过程中，固体熔渣材料在高温炉中被熔化生产的低熔点复杂化合物熔渣在焊接过程中的作用：1）机械保护作用2）冶金处理作用3）改善焊接工艺性能熔渣的物理性能：1）熔渣的粘度：当温度高于液相线时，随温度的提高其粘度迅速下降；温度低于液相线时，随温度的下降期粘度迅速增加。熔化焊是，若粘度过大，焊接冶金反应缓慢，焊缝表面的成形不良，并易产生气孔、夹杂等缺陷；粘度过小，将使熔渣对焊缝的覆盖不均匀，失去应有的保护作用。熔渣的熔点：固体熔渣开始熔化的温度称为熔渣的熔点。焊条药皮开始熔化的温度叫造渣温度，药皮的熔点要高于熔渣的熔点，且药皮熔点越高，则熔渣的熔点也越高。熔渣的熔点过高，就会比熔池金属过早地开始凝固，使焊缝成形不良；若熔渣熔点过低，则熔池金属开始凝固时，熔渣仍处于稀流状态，熔渣的覆盖性不用，也不能起到成形作用，其机械保护作用也难以令人满意。熔渣的表面张力：熔渣的表面张力实际上是气相与熔渣之间的界面张力。金属的键能最大，所以液态金属的表面张力最大。具有离子键的物质的键能较大，表面张力也较大，具有共价键的物质键能小，表面张力也小。碱性熔渣的表面张力较大，酸性熔渣的表面张力较小。控制：调整熔渣的成分。脱氧处理：目的：尽量减少金属中的氧含量，这既要求减少液态金属中溶解的氧，又要求脱氧后的产物易被排除。方法：在焊接材料中加入合适的元素或铁合金，使之在冶金反应中夺取氧，将金属还原。原则1）脱氧剂对氧的亲和力应比需还原的金属大2）脱氧产物应不溶于液态金属3）考虑脱氧剂对金属的成分、性能、及工艺的影响。硫：危害：1）降低了钢的冲击韧度和耐蚀性2）硫共晶的熔点低，易形成凝固裂纹。控制措施：1）限制焊接材料中的硫含量2）用冶金方法脱硫磷：危害：1）磷与铁和镍可以形成低熔点共晶，在钢液的凝固过程中最后以块状或条状析出于晶界处，减弱了晶粒之间的结合力，同时其本身既硬又脆。既能增加冷脆性，又能促使形成凝固裂纹。控制措施：1）限制磷的来源2）采用冶金方法脱磷第一章:液态金属的机构与性质熔化潜热:在熔点温度的固态变成同温的液态时,金属要吸收大量的热量,称为熔化潜热.液态金属结构接近固态1)金属的结晶潜热远小于汽化潜热.固态金属原子完全变成气态比完全熔化所需的热量大得多,对气态金属而言,原子间结合键几乎完全被破坏,而液态金属原子间结合键只破坏部分.2)熵值变化是系统结构紊乱性变化的程度.金属由熔点温度的固态变成同温度的液态比其从室温加热至熔点的熵变要小.液态金属的结构:纯金属的液态结构是由原子集团/游离原子和空穴组成.在原子集团内部,原子排列任具有一定的规律性,称为近程有序.液态金属的机构是不稳定的,处于瞬息万变的状态,原子集团、空穴等的大小、形态、分布及热运动都处于无时无刻不在变化的状态。这种原子集团、空穴的变化现象称为结构起伏。结构起伏的同时，液态中也必然存在大量的能量起伏。实际金属的结构，包含各种化学成分的原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡等。还存在成分起伏。X射线：条带的第一个峰值和第二个接近固态的峰值。在几个原子间距的小范围内固态原子的排列方式基本一致，远离原子后就完全不同于固态。这种结构成为近程有序，远程无序。液态金属的粘度：由于原子间作用力大为削弱，且其中存在大量的空穴，其活动性比固态金属要大得多，呈液态的性质。影响液态金属粘度的因素：化学成分、温度、夹杂物。1）化学成分：难熔化合物的液体粘度高（难熔化合物结合力强，在冷却至熔点之前已开始原子聚集），熔点低的共晶成分合金的粘度低（异类原子之间不发生结合，同类原子聚合时，由于异类原子的存在使它的聚合缓慢，晶坯的形成拖后）2）对成分一定的合金，温度升高，粘度下降。3）非金属夹杂物：液态金属中呈固态的非金属夹杂物使液态金属的粘度增加，因为夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体系，液相流动时内摩擦增加，夹杂物越多，对粘度的影响越大。2）粘度在材料成型中的意义1）对液态金属净化的影响：杂质及气泡鱼金属液的密度不同，一般是小的，故总是力图离开液体2）流动阻力的影响：粘度越大，其流动阻力也越大3）对合金对流的影响：由于存在稳温度和浓度而产生浮力（合金对流的驱动力），粘度越大对流强度越小。表面张力：液体或固体同空气或正空接触的界面称为表面。液体内部的分子或原子处于力的平衡状态，而表面层上的分子或原子受力不均，结果产生只想液体内部的合理（表面张力产生的根源）。界面：任意两相的交界面称为界面。表面张力是实质是质点间的作用力。影响表面张力的因素：熔点、温度、溶质元素1） 熔点：原子间结合力的的物质，熔点、沸点高，则表面张力往往就大。2）温度：大多数合金（Al，Mg，Zn）其表面张力随温度的升高而降低。（温度升高使液体质点间的结合力减弱）3）溶质元素：正吸附元素：使表面张力降低（表面含量高于内部含量）。加入某些溶质后改变了熔体表面层质点的力场分布不对称程度。流变铸造：合金或金属在凝固温度区间给以强烈的搅拌，使晶体的生长形态发生变化，由本来是静止状态的树枝晶转变梅花状或接近于球形的晶粒。表观粘度：当剪切速率一定时，浆料中的固相率越大，表观粘度也越大。剪切速率越小，表观粘度的增长速度也越快。冷却速度越小，则半固态金属的表观粘度越低。金属的半固态成形技术优点:1)显著降低金属的温度和热量,减少了对模具的热蚀作用,能显著提高模具的寿命,并可压铸高熔点合金2)半固态金属浆料有较大的粘性,压铸时无涡流现象,卷入的空气少,减少甚至消除了气孔、夹杂、缩松等缺陷。第二章：流动性、充型能力液态成形：将熔化的金属或合金在重力作用或其他的外力总用下注入铸型的型腔中，待其冷却凝固后获得与型腔形状相同的铸件的一种成形方法。充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。液态金属的充型能力好，零件的形状就完整，轮廓清晰。否则就会产生浇不足的缺陷。充型能力首先取决于液态金属的流动性，同时又与外界条件密切相关。流动性：液态金属本身的流动能力称为流动性。由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定。与外界因素无关。液态金属的流动性好，气体和杂质越易上浮，使金属得以净化。良好的流动性有利于防止缩孔。缩松、热裂等缺陷的出现。液态金属的停止流动机理：窄结晶温度范围：在金属的过热量未散失尽以前是纯液体流动（I区），金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，而后面的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷却强度下降。由于液流通过I区的终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第II区。该区先形成凝固壳，又被完全熔化。第III区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，该区的终点金属液耗尽的过热热量。第IV区，液相和固相具有相同的温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在其附近发生堵塞。宽结晶温度范围：在过热热量未散失尽前以纯液态流动，温度下降到液相线以下时，液流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。液流前端不断与冷的型壁接触，冷却最快，晶粒数量最多，使金属液的粘度增加，流速减慢。当晶粒达到某一临界数量时，便结成一个连续的网络，液流的压力不能克服此网络的阻力时，发生堵塞而停止流动。合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相量，即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。具有最大溶解度的合金，流动性最小。影响充型能力的因素和促进措施：因素：金属性质、铸型性质、浇注条件、铸件结构措施：1）金属性质（1）合金的成分：在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分的地方出现最大值，有结晶温度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范围附近出现最小值。（2）结晶潜热：凝固过程中释放的潜热越多，则凝固进行的越缓慢，流动性就越好。（3）金属的比热容、密度、和导热率：比热容和密度较大的合金，因本身含有较多的热量，在相同的过热度下保持液态的时间长，流动性好；导热率小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长，热导率小，在凝固期间液固并存的两相区小，流动阻力小，好。（4）液态金属的粘度：粘度对层流运动的流速影响较大，对紊流运动的流速=影响较小。（5）表面张力：型腔越细薄，棱角的曲率半斤越小，表面张力影响越大。2）铸型性质：（1）铸型的蓄热系数：b2表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本身中热量的能力。越大，铸型的激冷能力就越强，金属液与其中保持液态的时间久越短，充型能力下降。（2）铸型的温度：预热铸型能减少金属与铸型的温差，从而提高充型能力。3）浇注条件：（1）浇注温度：浇注温度越高，充型能力越好。在一定温度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升。超过某界限后，由于金属吸气多，氧化严重，充型能力提高的幅度越来越小。但随着浇注温度的提高，铸件一次结晶组织粗大，易产生缩孔、缩松、粘砂、裂纹等缺陷。（2）充型压头：液态金属在流动方向上所受的压头越大，充型能力越好。金属液的充型速度过高时，不仅要发生喷射和飞溅现象，使金属氧化和产生铁豆缺陷，且型腔中气体来不及排出，导致反压力增加，还可能造成浇不足或冷隔缺陷。（3）浇注系统的结构：浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下充型能力就越差。4）铸件结构：（1）铸件的折算厚度：铸件的壁越薄，折算厚度就越小，就越不易被充满，铸件壁厚相同时，在铸件中水平壁和垂直壁相比较，垂直壁易充满。（2）铸件的复杂程度：铸件结构复杂、厚薄部分过度面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。第三章：纯金属晶体的长大方式晶体长大方式：宏观长大：讨论固-液界面所具有的形态；微观长大：讨论液相中的原子向固-液界面堆积的方式。界面前方液体的温度分布：温度梯度为正：晶体以平面方式长大；温度梯度为负：以树枝晶方式张。1）平面方式：固-液界面前方液体过冷区域及过冷度小。晶体生长时凝固潜热的析出方向同晶体生长方向相反，一旦某一晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，导致晶体以平面方式生长。2）树枝晶生长方式：固-液界面前方液体过冷区域及过冷度较大，距界面越远的液体其过冷度越大，晶体生长时凝固潜热的析出方向同晶体生长方向相同。界面上凸起的晶体快速伸入过冷液中，成为树枝晶生长方式。微观结构：1）粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有50%左右的被固相原子占据，这些原子散乱地随机分布在界面上，形成一个坑坑洼洼凸凹不平的界面层。2）平整界面：固相表面的点阵位置几乎全部被固相原子占据，只留下少数空位。形成一个总体上是平整光滑的界面。粗糙界面与平整界面是对原子尺度而言的。显微尺度：粗糙界面由于原子散乱分布的统计均匀性反而显得比较平滑；而平整界面由一些轮廓分明的小平面所构成。晶体的生长机理：在结晶过程中晶体晶面的生长方式。1、连续生长：当液-固界面在原子尺度内呈粗糙结构时，界面上存在50%左右的空位，这些空位构成晶体生长所必须的台阶，使得液相原子能够连续往上堆砌，并随机第受到固相中较多近邻原子的键合。原子进入固相点阵以后被原子碰撞而弹回液相中去的几率很小，生长过程不需要很大的过冷度。对于粗糙界面，固相与液相之间在结构和键合能方面差别较小，易在界面过度层内得到调整，故动力学能障较小，不需要很大的动力学过冷度来驱动新原子进入晶体，并能得到较大的生长速率。2、晶体的二维生长：对平整的固-液界面，因界面上没有多少位置供原子占据，单个原子无法往界面上堆砌。在平整界面上形成一个原子厚度的核心，叫二维晶核。由于二维核心的形成，产生了台阶，液相中的原子即可源源不断地沿台阶堆砌，使晶体侧向生长，当台阶被完全填满后，又在新的平整界面上形成新的二维台阶，直至完成凝固过程。3、晶体从缺陷处生长：1）螺旋位错生长2）旋转孪晶生长3）反射孪晶生长。连续生长的速率最快，其次是螺旋生长，最差的是二维生长。当界面过冷度很大时，三者的生长速度趋于一致。第四章：单相合金多相合金单相合金：在凝固过程中只析出一个固相的合金。多相合金：结晶过程中同时析出两个以上新相的合金。溶质再分配：从形核开始到凝固结束，在整个结晶过程中固液两相内部不断进行着溶质元素的重新分布。平衡凝固：在一定的压力条件下，凝固体系的温度、成分完全由相应合金系的平衡相图所规定。近平衡凝固：在固液界面处合金符合平衡相图（界面平衡）。溶质平衡分配系数K：在给定的温度下，平衡固相溶质浓度Cs与液相溶质浓度Cl之比。成分过冷：金属凝固时所需的过冷度，若完全由热扩散控制，这样的过冷称为热过冷。纯金属凝固就是热过冷。热过冷度为理论凝固温度与实际凝固温度之差。由固-液界面前方溶质的再分配引起的过冷称为成分过冷，其过冷称为成分过冷度。产生成分过冷条件：1）固液界面前沿溶质的富集而引起成分再分配2）固液界面前方液相的实际温度分布或实际温度分布梯度必须发达一定值。成分过冷对单相合金凝固过程的影响：无成分过冷时：界面为平界面；负温度梯度：界面为树枝状形态；正温度梯度：晶体的生长方式多样性：稍有成分过冷时：胞状生长，随着成分过冷的增大，晶体由胞状晶变为柱状晶、柱状枝晶和自由树枝晶（等轴晶）。平面生长、胞状生长和柱状树枝晶生长都属于一种晶体自型壁生核，然后由外向内延伸的生长（外生生长）。等轴晶是在液体内部自由生长的（内生生长）。等轴晶具有无方向性。等轴晶越细越好。共晶合金的凝固：宏观：从平面生长、胞状生长到枝晶生长，从柱状晶到等轴晶。规则共晶合金：非小平面-非小平面共晶合金（金属-金属共晶合金）共晶两相均具有非小平面生长的粗糙界面，组织形态为规则的棒状或层片状。非小平面-小平面共晶合金（非规则共晶合金、金属-非金属共晶）：一个相的固液界面为非小平面生长的粗糙界面，另一个相则为小平面生长的平整界面。共晶合金的结晶方式：实际凝固条件下，即使共晶点附近非共晶成分的合计，当其一比较快的速度冷却到平衡相图上的两条液相线的延长线以下的区域时，液相内部两相同时到达过饱和度，都具备了析出的条件。这种有由非共晶成分合金发生共晶凝固而获得共晶组织称为伪共晶组织，-区域称为共晶共生区。离异生长和离异共晶：合金液不能进入共晶共生区，共晶两相没有共同的生长界面，他们各以不同的速度独立生长，这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，形成的组织称为离异共晶。合金液可在一定成分条件下通过直接过冷而进入共晶共生区，也可在一定过冷条件下通过初生相的生长使液相成分发生变化而进入共晶共生区。合金一旦进入共晶结晶，两相就能借助于共生生长的方式进行共晶结晶，从而形成共晶组织。规则共晶凝固：层片状共晶、棒状共晶。非规则共晶凝固：Fe-C、Al-Si铸锭截面宏观组织三种形态：1、表面细晶粒区是紧靠铸型壁的激冷组织（激冷区）2、柱状晶区由垂直于型腔比且彼此平行排列的柱状晶粒组成3、内部等轴晶区由各向同性的等轴晶组成。铸件宏观凝固组织形成机理：析出性气孔：液态金在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔。常在铸件断面上大面积分布，或分布在铸件的某一局部区域，尤其在冒口附近和热节等温度较高的区域分布较密集。侵入性气孔：砂型和砂芯等在液态金属高温作业下产生的气体，侵入金属内部所形成的气孔。特征是数量少，体积较大，孔壁光滑，表面有氧化色。常出现在铸件表层或近表层。反应性气孔：液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的气孔。常分布在铸件表皮下13处（皮下气孔）。夹杂物：金属内部或表面存在的与基本金属成分不同的物质，主要来源是原材料本身的杂质，以及金属在熔炼、浇注和凝固过程中与非金属元素或化合物发生反应而产形成才产物。1）原材料本身含有杂质2）金属熔炼3）液态金属与炉衬、浇包的耐火材料及熔渣接触4）精炼后转包及浇注过程中，金属表面与空气接触形成的表面氧化膜5）铸造过程中，金属与非金属元素发生化学反应而产生的各种夹杂物。夹杂物分类：内在夹杂物：熔炼、铸造或焊接过程中，金属与其内部非金属发生化学反应而产生的化合物。外来夹杂物：金属与外界物质接触发生相互作用所产生的非金属夹杂物。收缩：金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减小现象。铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔的形成机理：纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔。产生集中缩孔的条件是铸件由表及里逐层凝固。一般集中在铸件顶部或最后凝固的部位，如果这些部位设置冒口，缩孔将被移入冒口中。缩松的形成：结晶温度范围较宽的合金，一般按照体积凝固的方式凝固。缩松形成的原因：液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩。影响缩孔和缩松的因素：1）金属的性质2）铸型条件3）浇注条件4）铸件尺寸5）补缩压力影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔和缩松的因素：铸铁成分、铸型刚度防止产生缩孔的途径：1、顺序凝固（采用各种措施，保证铸件各部分按照距离冒口的远近，由远及近朝着冒口方向凝固，冒口最后凝固。可使缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。）但铸件各部分存在温差，在凝固过程中易产生热裂，凝固后铸件易产生变形。2、同时凝固：采用工艺措施保证铸件各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。由于同时凝固时铸件温差较小，不易产生热裂，凝固后不易引起盈利和变形。控制缩孔和缩松的措施：调整液态金属的浇注温度和浇注速度，可以加强顺序凝固和同时凝固。采用高温慢浇工艺，能增加铸件的纵向温度，有利于实现顺序凝固，通过多个内浇道低温快浇，可减少纵向温差，有利于实现同时凝固原则。使用冒口、补贴和冷铁是防止缩孔和缩松最有效的工艺措施。加压补缩法。化学成分的偏析：液态合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象称为偏析。微观偏析和宏观偏析主要使由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散不充分引起的。晶内偏析：使晶粒内部成分不均，导致合金的力学性能降低；使合金化学性能不均，导致合金的耐蚀性能降低。晶界偏析：危害比晶内偏析更大，既会2降低合金的塑性和高温性能，又会增加热裂倾向。正常偏析、逆偏析、V形偏析和逆V形偏析、带状偏析、重力偏析。