第一篇液态金属成型原理.pptx

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1、第一章 液态金属及合金的结构和性质 铸造是使金属的状态按着“固态一液态固态“过程而成型的。金属由液态转变为固态过程中发生很多现象：形核，晶体长大，溶质的传输，液态体积变化等，这些均与金属的结构及性质有关。因此金属的结构及性质对研究铸件形成过程非常重要。科学上对液体状态的认识远落后于气体状态和固体状态。理想气体中的分子，基本上像是一些弹性体。在低压和中压下，分子间距大约分子自身尺寸，其间作用可忽略不计；在高压下，分子间作用力不可忽略，其气体状态方程式为：PV=RT（范德瓦尔公式）对液态结构的研究由于原子间的相互作用，必须予以考虑，但原子相互位置不确定产生了困难。第1页/共77页一、凝聚理论 把液

2、体看作是浓缩的气体，从气体运动论观点出发，通过修正气体状态方程式，来修正浓缩气体中原子或分子之间作用力的影响。博尔恩及格林提出了一组适于描述液体运动论的分子分布函数。但很复杂，实际很难应用。二、点阵理论 把液体看作是无序的固体，该理论的出发点是将缺陷引人晶体点阵中，其中有3中理论。1.晶格理论 晶格理论认为固体的原子排列是有序的，原子在点阵位置上不停地作三维热振动。被熔化的液体是从固态的有序排列转变到液态的无序排列，原子仍被限制在点阵位置附近，但是可以独自作随机振动。第2页/共77页 2.空穴或空洞理论 空穴理论把液体看作是有大量空位的一种伪点阵。3.有效结构理论 根据这种理论，液体状态可用似

3、晶组分与似气组分之间的配分关系来表示。三、几何理论 由和提出的，把液体看作是原子的某种“堆积物”。该理论认为，液体是原子紊乱的密集球堆积的，或者更确切地说，液体是均质的相互粘着的，本质上为不规则的原子集合体。典型试验为钢球实验。此试验发现“伪晶核”的高密度区，在液相中出现有序的似晶区域，从而可以】说明原子呈”近程有序“的规则排列。第3页/共77页第一节 固体金属的加热膨胀及熔化一、金属中的原子结合 金属原子是靠金属正离子和自由电子之间的静电引力结合在一起。金属键的结合强弱取决于原子结构及它们之间的相互作用力和热运动。见图1-1。有图可知，R较小（RR0 时为引力。R=R0 时W最小，此时原子处

4、于最稳定状态，R0 称为平衡距离。第4页/共77页二、金属的加热膨胀 当温度升高时，右边自由振动的原子的振幅增大。由于势能曲线w的不对称性，使得向左振动时动能很快全部转化为势能，振幅小；向右振动时，经过很大振幅才能使动能转化为势能。温升时，振动剧烈势能按W1 W2 W3 W4变化，原子平衡位置将安R1 R2 R3 R4，可见将发生膨胀。但是只改变原子间距不改变相当位置。在任何时刻总有些原子能量高于平均能量，而另一些原子能量低于平均能量，称此为能量起伏第5页/共77页 随着温度的升高，能量起伏增大，其中一部分能量大的原子可能越过势垒跳到周围原子之间的空隙中，使原来的位置成为空穴。同时空穴周围的原

5、子也可以进入空穴中，就使空穴发生”移动”。空穴首先从金属表面产生，向内部扩散。温度越高，能量起伏越大，离位原子和空穴数量越多，是金属发生膨胀。所以原子间距增大和空穴的产生是造成膨胀的根本原因。三、金属的熔化 金属的熔化首先是从晶界开始的。晶界上原子排列相对不规则，离位原子多，势能大。随着温度的升高，在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒之间的相对滑动。当温度达到熔点时，金属晶粒逐渐被瓦解，金属体积膨胀；此时金属进一步吸收熔化潜热，当温第6页/共77页度不升高。金属的熔化潜热一部分用来使体积膨胀做功，另一部分用来增加系统的内能。恒压下 q=d(U+pV)=dU+pdV=dH 式中 q外界供

6、给的潜热;U内能；pV膨胀功；H-热焓 可见，熔化的本质就是金属从固态的有规律性的长程有序排列转变为液态的紊乱而无序的非晶体结构的过程。第7页/共77页第二节 液态金属和合金的结构一、一些物理性质的变化 1.熔化时体积的变化 金属从固态转变为气态时，其体积无限膨胀，但是变为液体其体积增加了3%5%，见表1-1表1-1 某些常用金属熔化时的体积变化金属名称晶体结构熔点熔化时的体积变化%铝面心立方660+6.0金面心立方1063+5.1锌密排六方420+4.2铜面心立方1083+4.15镁密排六方650+4.1镉密排六方321+4.0铁体心/面心立方1537+3.0第8页/共77页 2.熔化潜热与

7、汽化潜热 汽化潜热是使原子间结合键全部破坏所需的能量，而熔化潜热则仅有汽化潜热的3%7%，见表1-2，但是从固态转变为液体，配位数的变化很小的。3.熔化熵 熔化时熵的增加是较大的，配位数的变化很小，这说明熔化时原子排列有序度大为降低，原子间距或最邻近的原子数目，并没有很大变化。表1-2几种金属的熔化热与汽化热的比较金属锌铁铬锰铝铜Q熔（J/mol）66571490516955144451048713028Q汽（J/mol）12151539578368456309838211443347521Q熔/Q汽5.53.84.54.75.03.7第9页/共77页二、X射线衍射分析 液态金属中原子的排列在

8、几个原子间距范围内与固态的排列方式基本一致，只是原子的配位数稍稍有点变化。三、液体金属的结构 1.液体金属中原子间距比气态小，比固态稍大，原子集团中呈现“近程有序排列”。2.存在能量起伏和结构起伏。3.原子集团中存在“空穴”，大部分液态金属的电阻率比固态大。4.存在浓度起伏。第10页/共77页第三节 液态金属和合金的性质一、液态金属的粘滞性 液态金属的粘滞性对液态金属充填铸型、液态金属的净化及凝固过程中的补缩有着很大的影响。1.粘滞性 当液体在外力作用下流动时，由于分子间有内聚力，使液体的内部产生内摩擦力，以阻滞液层间的相对滑动。这种性质称为粘滞性，用粘度表征粘滞性的大小。见图1-5第11页/

9、共77页运动粘度可用动力粘度与密度之比表示，即 运动粘度表征液体质点保持自身运动方向的惯性大小。在运动粘度相同的情况下，密度大者，运动粘度小，质点保持自身运动方向的倾向性打，亦即流体的紊流倾向大。2.粘度对铸件形成过程的影响 （1）对液态金属流动状态的影响 流体的流动状态取决于雷诺准则数Re。临街雷诺数Re2300为紊流，ReLS，液体表面将如1-7b所示(2)SGLS时，cos 为正值，即90 为锐角，称为润湿固体；=0 时，液体在固体表面铺展成薄膜，完全润湿。SG90 为钝角，称为不能润湿固体；=180 时，液体完全不润湿固体。2.影响表面张力的因素 （1）熔点 原子间结合力大的物质，其熔

10、点高，表面张力大。（2）温度 多数金属及合金随温度升高，表面张力降低；铸铁、铜合金表面张力随温度升高而增大。（3）溶质 表面活性物质：能使表面张力降低的溶质元素，有正吸附 非表面活性物质：使表面张力增大的溶质元素，有负吸附第15页/共77页 3.表面张力对铸件成型的影响 由于砂型铸造条件下金属不润湿，产生一个指向内部的附加压力，为了克服此压力，必须附加一个静压头，如加大直流浇道高度或者提高浇注温度、预热铸型等。三、液态金属和合金的铸造性能 铸造性能指流动性、收缩性、吸气性、偏析性、热裂纹倾向性。1.液态金属和合金的流动性 流动性：液态金属本身的流动能力。与成分、温度、气体和夹杂的含量以及其物理

11、性质有关。流动性好：充型能力强，利于气体上浮和排除；利于补缩 流动性差：充型能力差；易产生冷隔、气孔、夹杂等缺陷 2.合金流动性的测定 在相同的浇注温度或过热度下，浇注各种合金的流动性试样，以试样的流动长度或以试样某处的厚薄程度表示合金的流动性。多用螺旋形试样（球形、楔形、真空试样）。第16页/共77页 3.影响合金流动性的因素 （1）合金的成分合金中：磷量增加，液相线和固相线温度降低，粘度下降，流动性提高，但过高使铸铁变脆。一般不用其提高流动性。硅增加，液相线下降，流动性提高。锰小于0.25%影响不大，但与S反应，使流动性降低。铜和镍稍微提高流动性；铬降低流动性，但1%无影响。铸钢中：硅0.

12、6%，流动性随含量的增加而提高。锰0.05%，流动性提高，但会使钢变脆。硫与锰形成化合物使粘度增大，降低流动性。铬1.5%降低钢液流动性，铜提高流动性。第17页/共77页（2）结晶潜热 固定温度下凝固的纯金属或共晶成分合金，潜热越多，流动性越好。对宽温度范围的合金，潜热对流动性影响不大，潜热释放前枝晶已经形成（铝硅除外，因其初生相为规整块状晶硅，强度小而脆，不易形成枝晶网络）（3）金属的比热，密度和导热系数 比热和密度大的合金，热量多，保持液态时间长，流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持液态时间长，流动性好。（4）液态金属的粘度 粘度对层流影响较大，对紊流影响不大，金属浇注和流动基本为

13、紊流，所以对流动性影响不明显。（5）浇注温度 温度越高，流动性越好，充型能量越强。流动性随浇注温度的提高而提高，但过高温度是溶解气体多，氧化严重，流动性降低。第18页/共77页 第四节 流变铸造一、流变铸造 定义：具有流动性的半固态金属用铸造成型工艺来实现成型的方法。特点：1.使用半固态金属浆液，可铸造高熔点合金（固相占50%，提高金属型寿命）；2.提高铸件的尺寸精度；3.不会形成宏观偏析；4.抑制缩松；5.减少气孔缺陷；6.制备复合材料。二、流变铸造的晶体形态 表面光滑，树枝状组织较少，接近球状。三、液态金属的流变学特征 1.切应力与固相体积分数的关系 固体体积分数大于临界值，切应力随固相体

14、积分数的增大而迅速增大。2.切应力与剪切变形量的关系 随变形量的增大，切应力增大，达到最大值后逐渐减小。最大值随固相分数的增大而升高。3.连续搅拌对半固态金属凝固的影响第19页/共77页（1）固相尺寸由搅拌强度保证（随冷却速度的增大而减小）（2）表观动力粘度取决于合金的冷却速度和剪切速率。随着剪切速率或减小冷却速度的增大，表观动力粘度减小，在较大固相分数下有较好的流动性。增大剪切速率或降低冷却速率加速球化过程，抑制菊花状晶体形成。球化程度越高，表观动力粘度则越小。四、半固态金属流变铸造技术 1.凝固过程中加剧搅拌获得糊状金属，然后在一定压力下充型；2.将糊状金属浇成锭材，从锭材切坯，将其加热到

15、固液两相区，使其有一定流动性，进行挤压成型。枝晶破碎梅花状枝晶球状糊状金属第20页/共77页第二章液态金属和合金的凝固 第一节 傅立叶导热微分方程一、Fourier定律 单位时间里由于导热而通过单位面积的热流量与温度梯度成正比。数学表达式为：其中负号表示热流方向与温度梯度方向相反。当温度呈线性分布时，则 R为热阻其表达式为第21页/共77页二、Fourier导热微分方程（一）直角坐标系导热微分方程微元体能量三维导热微分方程各向同性、导热系数为常数时其中a为导温系数 为拉普拉斯算子第22页/共77页（二）圆柱坐标系导热微分方程第23页/共77页第二节 铸件的温度场 温度场：在空间中一切点的瞬时的

16、温度值的集合，是无向量场。分类：不稳定温度场：温度场随时间而变化 稳定温度场：温度场内任何点的温度不随时间的改变而改变铸造温度场属于无温度温度场 研究意义：了解各断面上各时刻凝固区域大小及变化，推进速度，缺陷位置及凝固时间等问题，制定正确铸造工艺设计、采取必要措施合理控制凝固进程。方法：数学解析法、数值模拟法和实测法一、数学解析法 在傅里叶导热微分方程的基础上加一些单值性附加条件（几何条件、物性条件、时间条件和边界条件）已无限大铸件和铸型温度场为例，此为一维导热问题，微分方程为：第24页/共77页铸件温度场方程式：铸型温度场方程式：其中第25页/共77页 K1是铸件热阻与中间层热阻之比；K2是

17、铸型热阻与中间层热阻之比 K小于1，铸件或铸型的热阻比中间层小，大于1，比中间层热阻大。1.铸件在砂型中的冷却 K1 1，K2 1；铸件断面上温度分布均匀，冷却强度取决于砂型的热物性参数。2.铸件在金属型中的冷却 （1）金属型的工作表面涂有较厚的涂料 K11，K2 1；大部分温降在中间层，铸件和铸型断面温度均匀，传热过程取决于涂层的热物性 （2）金属型的工作表面涂有很薄的涂料 K1 1，K2 1；中间层热阻很小，忽略不计，传热过程取决于铸件和铸型的热物性3.非金属铸件在金属型中冷却 K1 1，K2 1；非金属导热系数大，热阻小，中间层和金属型断面的热阻小，温差小，传热过程取决于非金属的热物性第

18、26页/共77页二、数值模拟法 分类：有限差分法、有限单元法、边界元法等。有限差分法：在离散点上用相应的差商代替微商，建立与原微分方程相应差分方程，并求解差分方程，得到近似解。1.一维导热系统第27页/共77页三、铸件温度场的测定 将热电偶固定在不同位置，将不同点温度和坐标相对应，绘成曲线。四、影响铸件温度场的因素 1.金属和合金性质的影响 （1）金属和合金的热扩散率 热扩散率大，温度均匀化能力就强，温度梯度小，曲线比较平坦。（2）结晶潜热 结晶潜热大，释放热量多，温度梯度减小，冷却速度慢，曲线平坦。（3）金属或合金的凝固温度 凝固温度越高，铸型温差越大，铸件温度梯度越大，曲线较陡。2.铸型性

19、质的影响 铸型吸热强度越大，凝固速度越快，温度梯度越大，曲线越陡。（1）铸型的蓄热系数 蓄热系数越大，冷却能力越强，温度梯度越大，曲线越陡。（2）铸型的温度 温度越高，冷却作用越小，温度梯度越小，曲线越平坦。3.浇注条件的影响 砂型中，增加过热度相当提高铸型温度，温度梯度变小，曲线平坦，金属型影响不明显第28页/共77页4.铸件结构的影响 （1）铸件的厚度 铸件越厚，温度梯度越小，曲线越平坦。（2）铸件的形状 尖角处冷却速度比平面铸件要大第29页/共77页第三节 焊接温度场一、焊接温度场的意思 熔焊过程中的热源形成溶池是残余应力和焊接变形的根源，焊接温度场是不均匀和不稳定的，它不仅直接影响热应

20、变，还与金属状态、显微组织相变、焊接残余应力、工艺性有关，所以需要研究。二、焊接温度场的类型温度随时间变化情况分：（1）稳定温度场：温度场中形成一定温度分别之后，不随时间变化。（2）非稳定温度场：各点温度随时间的变化而变化。（3）准温度温度场：a开始后一段时间是非稳定的，过一段时间达到稳定状态 b 热源作为原点，坐标系和原点一起移动，温度不随时间变化，稳定温度场。传热方向：三维传热、二维传热和一维传热。厚大件三维，薄板二维，细长杆一维。三、影响焊接温度场的因素(1)热源的性质：电渣焊线热源，电子束和激光点热源，气焊面热源(2)焊接线能量：速度不变，等温线随功率增大而增大；功率一定，速度增大，等

21、温线范围变小，宽度和长度都变小，当宽度小的更大些，变成细长形。第30页/共77页（3）被焊金属的热物理性质 （1）热导率（）：单位时间内，沿法线方向单位距离相差1时单位面积说传递的热量。纯铁、碳钢和低合金钢的热导率随温度的增大而减小，高合金钢热导率随温度的增高而增大。（2）比热容（C）：1g物质每升高1所需的热。随材料和温度的变化而变化。（3）容积比热容（c）；单位体积物质每升高1所需要的热量。c是温度的函数，c值大的金属，温度上升缓慢。（4）热扩散系数（a）。随温度的变化而变化。（5）热焓（H）：单位物质说具有的全部热能，与温度无关。（6）表面散热系数（）：散热体表面与周围介质每相差1 时，

22、单位时间内单位面积说散失热量。（4）焊件的板厚及形状 随着板厚的增加，热源向工件内部传播，使温度场变小；薄板时，热量不易散失，等温线范围较宽，温度较高。所以厚板采用大的线能量，薄板采用小的先能量。第31页/共77页第四节 铸件的凝固方式一、凝固动态曲线 用热电偶进行实测，绘制曲线。二、凝固区域及凝固区域的结构 分区：固相区、凝固区、液相区 凝固区可分为液-固区和固-液区，对应着补缩边界和倾出边界。补缩边界：即为固-液区，晶体已形成骨件，液态被隔离，不能自由移动，补缩困难。倾出边界：晶体处于悬浮状态可以自由流动。三、铸件的凝固方式 逐层凝固、体积凝固和中间凝固 逐层凝固：随温度的不断下降，凝固层

23、逐步向铸件中心推进。（纯金属、共晶合金、温度范围小、温度梯度大）体积凝固：凝固区域很宽，整个铸件断面都处于凝固状态。（结晶范围宽、断面温度梯度小）第32页/共77页四、影响凝固方式的因素 1.合金结晶温度范围 结晶温度范围增加，凝固方式将由逐层向体积转变。2.铸件断面温度梯度的影响 温度梯度非常大可使宽结晶范围的合金趋向中间凝固甚至逐层凝固；温度梯度小，可使窄温度范围合金趋向体积凝固。五、铸件的凝固方式与铸件质量的关系 1.逐层凝固方式 柱状晶组织，补缩性好，热裂倾向小，但中间易出现集中缩孔，力学性能各向异性。2.体积凝固方式 粗大等轴晶组织，大量弥散分别的缩松，热裂倾向大，各向同性 3.中间

24、凝固方式 介于两者之间。第33页/共77页第五节凝固时间的计算凝固时间：指液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间。一、凝固时间的理论计算法吸走液态金属过热热量的时间 t1从液相线温度降到固相线温度及释放潜热所需时间 t2第34页/共77页二、经验计算法：1.Chvorinov平方根定律 适用于大型平板类且结晶温度范围小的合金。2.折算厚度计算法三、实验法第35页/共77页第三章液态金属及合金的结晶第一节概论一、液态金属结晶的过冷现象 当金属达到平衡结晶温度Tm时并不立即结晶，而是在显著低于Tm温度时开始形核，此温度差为过冷度。二、结晶的热力学条件 物质总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低

25、的状态转变。所以只有自由能降低的过程才能自发进行。由上式可知：固液两相的自由能随温度的增加而降低。第36页/共77页 Tm为平衡结晶温度或熔点，当t Tm时，不能结晶；t Tm时为平衡状态；t Tm自发结晶，所以过冷是金属结晶的必要条件。要是 必须使 三、结晶过程 结晶过程就是晶核的形成和长大过程，晶核越多，晶粒就越细。第37页/共77页第二节生核过程均质形核：在均一的液相中，靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相；非均质形核：依附在液相中某种固体表面形核的过程。一、均质形核 系统自由能由体积自由能和界面能两部分组成。体积自由能使系统自由能降低，界面能使自由能升高。自由能的增加等于界面能的三分之一

26、，体积自由提供界面能的三分之二。第38页/共77页 结晶过程并不是在任意过冷度条件下都能发生。晶胚半径小于临界晶核尺寸，不能形成晶核。临界状态 晶胚半径大于临界晶核尺寸，可以均质形核。一般情况下，均质形核所需的过冷度为0.2Tm，此值很大，很难实现。二、非均质形核 第39页/共77页 此时新旧两项不润湿，相当于均质形核，不能进行非自发形核 此时两相完全润湿，形核时不需能量补偿，粒子基底即为结晶核心。三、形核的影响因素及形核率（一）形核的影响因素 1.过冷度 均质形核：T 越大，rc越小，形核功GC越小，形核越容易。非均质形核：还与,粒子表面形状,基底表面曲率大小和方向有关 2.接触角 越小，G

27、C越小，形核越容易。的大小取决于界面能，而界面能又取决于基底粒子晶体结构的相似性。界面结构越近似，点阵常数相差越小，界面能越小，越容易形核。3.形核基底的形状 凹形曲面对形核有利，凸形不利。第40页/共77页二、形核率 形核率I：单位时间、单位体积中所形成的晶核数目，单位数/CM3.g Turnbell 均质形核形核率公式：非均质形核形核率公式：第41页/共77页第三节晶体生长过程一、晶体长大的动力学条件 液-固界面上同时存在两种原子迁移过程：熔化过程（M）：固相原子迁移到液相中；凝固过程（S）：液相原子迁移到固相中。如图所示 晶核可以长大 晶核既不长大也不消融 晶核熔化 界面动力学过冷度，是

28、晶体长大的动力学条件。二、液-固界面的微观结构 1.光滑界面 固相表面为基本完整的原子密排面，微观看界面平整光滑，宏观看呈台阶状、弯曲的小平面，又称小平面界面。非金属、亚金属为光滑界面。2.粗糙界面 第42页/共77页液-固界面存在几个原子厚度的过渡层，其中只有大约50%的位置为固相原子占据，微观高低不平，宏观呈平面状无曲折的小平面。亦称非小平面界面，大部分金属均为粗糙界面。第43页/共77页三、晶体长大机制 （一）连续（垂直）长大机制 液-固界面呈粗糙界面时，界面上有50%空虚位置，使原子堆砌（结晶）过程变得容易，需要较小的过冷度，动力学能障较小，晶体生长过程不受生长界面的影响，但存在不明显

29、的各向异性。第44页/共77页（二）依靠台阶生长的机制（具有光滑界面晶体的生长）1.二维晶核生长机制 光滑界面为完整的界面时，只能依靠能量起伏在界面上形成单原子厚度的二维晶核，然后横向扩散，直至长满一层，再开始新一层的生长。其热力学能障高，生长比较困难。2.利用晶体缺陷生长的机制 （1）螺型位错生长机制 原子在台阶上不断堆砌，围绕着露头而选择生长，不断向纵深发展，最终形成螺旋卷线。过冷度比二维小，生长速率较大。第45页/共77页 (2)通过孪晶生长的机制 旋转孪晶和反射孪晶的面缺陷提高的台阶都不会消失，为晶核的生长提供良好的条件。四、晶体生长形态 1.在正的温度梯度下生长 如果某一部分向前推进

30、超过界面，延伸到比Tm更高温度区域，凸出部位被熔化，所以必是均匀推进，生长方式为平面状生长。生长方向与散热方向相反。第46页/共77页2.在负的温度梯度下生长 如果某部分凸出并超过其他部分，它将碰到比原来更低的温度，使凸出的部分进一步推移，进而形成树枝或等轴晶。第47页/共77页第四节 单相合金的结晶 单相合金：一次结晶时只析出一个固相（不考虑固相线以下的固态转变）的合金。多相合金：结晶时同时析出两个或多个以上新相的合金，包括共晶、包晶或偏晶转变的合金。一、溶质在分配与平衡分配系数 溶质在分配：合金在结晶过程中，析出相的溶质含量不同于液相，而使固-液界面前的液体溶质富集或贫化的现象。平衡分配系

31、数K0：某一温度下固相与液相溶质浓度的比值。K01 随溶质的增加，液固相线温度提高；K01 随溶质的增加，液固相线温度降低。第48页/共77页二、单相合金结晶过程中溶质的再分配（一）液相均匀混合时的溶质再分配 第49页/共77页（二）液相中的溶质只有扩散而无对流搅拌时的溶质再分配第50页/共77页（三）液相存在部分混合时的溶质再分配 他介于上述两个方式之间。当边界层厚度趋向于0时，溶质再分配规律与液相完全混合是相同；当趋向于无穷大时再分配规律接近于液相只有有限扩散的情况。有效分配系数：结晶过程中瞬时形成的固相成分与同一时间内液相的平均成分之比。三、单相合金结晶中的成分过冷（一）成分过冷的概念

32、由溶质再分配导致界面前沿熔体液相线温度发生变化而引起的过冷。对于K01的合金，界面溶质含量的聚集将引起液相线温度的降低。（二）成分过冷产生的条件温度梯度与界面前方凝固温度曲线相切。第51页/共77页 影响成分过冷度的因素：1.合金性质：液相线斜率m越大，C0越高，扩散系数D越大,K0值越小（K01）,成分过冷倾向增大。2.边界条件：实际温度梯度GL越小，凝固速度R越大，成分过冷增大。四、成分过冷对晶体生长的影响 当 时，以平面状生长方式向前推进。当 时，根据过冷度的不同晶粒以不同的生长方式生长（一）胞状组织（二）胞状枝晶组织（三）柱状枝晶（四）等轴枝晶第52页/共77页第五节共晶合金的结晶一、

33、共晶合金的平衡结晶 液相在恒温下同时结晶出两个固相的转变称为共晶转变。共晶相图两个特点：1.两组元液态完全互溶，固态部分互溶或完全不溶。2.平衡分配系数均小于1第53页/共77页二、共晶系合金的非平衡结晶1.伪共晶 在非平衡凝固条件下，成份接近共晶成份的亚共晶或过共晶和金，凝固后的组织却可以可以全部是共晶体体。这种非共晶合金得到完全的共晶组织称为伪共晶。两相结晶速度不能相差太大 两相熔点相近时，对称伪共晶区；熔点相差悬殊时，共晶点偏向低熔点一侧，伪共晶区偏向高熔点相呈不对称形。第54页/共77页 两相与液相成分差异越大，形核和长大就越困难，结晶速度就越慢。当两相熔点相差较大时，共晶点偏向低熔点

34、相一侧，使得低熔点相成分与液相将近，形核速度较快，成为领先相，不易形成共晶组织。当合金成分向高熔点相偏移时，高熔点相与液相的差异减小，使高熔点形核速度提高，有利于形成共晶组织。这是共晶点偏向低熔点一侧，而共晶区偏向高熔点一侧。2.不平衡共晶 当合金冷却到固相线时还未完全凝固，仍有少量液体，继续冷却直共晶温度，发生共晶转变，形成分布于晶界或枝晶之间的共晶组织，称为不平衡共晶。3.离异共晶 在不平衡凝固时其形成的共晶组织所占的体积分数很小，而先共晶相所占体积分数很大，这时与先共晶相相同的组成相就会依附于先共晶长大，把另一相弧立出来，结果形成了以先共晶相为基体，另一组成相连续地或继续地分布在先共晶相

35、晶粒的边界上。这种两相分离的共晶组织叫离异共晶。第55页/共77页三、共晶组织形态及其形成机制1.组织形态及分类 共晶合金的结晶及其组织形态主要取决于组成相的本质，即组成相生长时液-固界面的性质第56页/共77页共晶组织的分类：（1）金属-金属类（粗糙粗糙界面）（2）金属非金属类（粗糙光滑界面）（3）非金属非金属类（光滑-光滑界面）第57页/共77页 2.金属-金属类共晶组织的形成机制（1）组织形态及其影响因素。两组成相的体积分数热力学：体积分数相同时，两相界面积越小，总界面能就越小。一相体积为30%,棒状等于层状界面积。一相体积小于30%时，棒状小，有利于形成层状 一相体积大于30%时，层状

36、界面积小，有利于形成层状。两组成相界面的界面能 一相体积小于30%，当两相取向关系相互配合时，界面能降低，也可能形成层片状形状。（2）共晶组织的形成机制第58页/共77页 层片间距：相邻两相单片厚度之和的平均值3.金属-非金属类共晶 二维截面上表现为树枝状、针片状和骨骼状等。第59页/共77页第四章金属结晶组织及其凝固控制第一节金属的结晶组织一、铸件的宏观组织（一）铸件的宏观组织 1.表面细晶区 2.柱状晶区 3.内部等轴晶区第60页/共77页 晶区相当大小和晶粒粗细的影响因素：独立生核能力 晶粒游离、漂移与沉积的程度（二）影响铸件宏观组织的主要因素 1.金属的性质 （1）是否含有强生核剂 （

37、2）结晶温度范围宽度和温度梯度大小 （3）溶质含量 （4）高温停留时间，液体流动情况 2.浇注条件 （1）浇注温度低，过热度低，利于等轴晶形成。（2）强化冲刷作用，扩大等轴晶区。3.铸型性质和铸件结构 金属型比砂型更易获得等轴晶二、焊缝金属的结晶组织（一）焊缝金属的结晶组织 柱状晶和少量等轴晶。第61页/共77页（二）焊接工艺对金属组织组织的影响 溶池温度梯度 溶池冷却速度 溶池尺寸形状第62页/共77页第二节结晶组织的形成及性质一、结晶组织的形成（一）柱状晶区的形成 稳定凝固壳层形成后，在单向热流作用下，晶体单向延伸生长，表现为择优生长。（二）内部等轴晶区的形成 1.等轴晶的来源 （1）过冷

38、熔体直接生核理论 足够大的过冷度，促使非均质形核。（2）界面前方晶粒游离理论 前方晶粒的熔断、流离和增殖 （3）激冷晶游离理论 2.内部等轴晶区的形成过程 （1）界面前存在等轴晶晶核，并且晶核长大到一定尺寸，形成网络，阻止柱状晶的生长 （2）不需要游离晶形成网络，是由一部分游离晶沉积和一部分游离晶第63页/共77页被侧面生长的柱状晶捕获后而形成的。（3）界面生长速度与游离晶垂直于界面的运动速度之差大于界面捕获游离晶所必需的临界速度即形成内部等轴晶。二、结晶组织的性能 柱状晶：晶间杂质少，组织比较致密，但比较粗大，界面面积小，具有明显的方向性，晶界上聚集大量夹杂和气体，易产生热裂。等轴晶区：界面

39、面积大，杂质好缺陷分布分散，性能各向同性，枝晶发达，缩松较多，组织不过致密。塑性较好的材料，希望得到较多的柱状晶；塑性较差的材料，希望得到等轴晶组织第64页/共77页第三节 细化晶粒的措施一、变质处理定义：利用向溶液添加少量元素或其化合物的方法，以控制结晶过程，改变凝固组织，从而达到细化晶粒的方法。所加物质称为变质剂。变质剂的作用：作为新相核心。有助于新相成核，阻碍界面的生长或延缓其生长。变质剂类型：形核源，难熔物质 表面活性物质变质剂的特点：不溶于合金中 含量范围适中，不易过高 不能污染合金液第65页/共77页二、合理控制热学条件 1.合理的浇注工艺 低温浇注，可获得细等轴晶，但过低将产生浇

40、注不足和夹杂的缺陷。强化冲刷作用，可获得细小等轴晶，但易引起气孔和夹杂等缺陷。2.合理控制冷却条件 形成宽的凝固区间和获得大的成分过冷度而促进生核和晶粒游离。三、孕育处理定义：在液态金属中添加少量物质而细化晶粒，改善组织的一种方法。孕育与变质的区别：孕育主要影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒 变质则是改变晶体的长大机理，从而影响晶体形貌（一）合理选用孕育剂 分类：1.生核剂：强化非均质生核 2.孕育剂：强成分过冷元素，作用：在结晶前沿的富集使晶粒根部树枝晶根部产生细小缩颈，促进晶粒流离。（二）合理确定孕育工艺第66页/共77页 1.温度：温度越高孕育衰退越快 2.粒度：四、振荡结晶（一）机械

41、振荡法 属低频振荡，对焊缝金属有细化作用，其冲击韧性有所提高。（二）超声振荡法 频率可达1020Hz，使正在凝固的固相与液相发生摩擦以及所谓空化过程。超声波加入溶池的方式：1.直接通过工件金属 方法简单，但声能散射大，作用效果不均匀 2.耦合棒直接接触液体溶池 声能利用较好，效果均匀，但耦合棒尖端需耐高温 3.通过可动滑块或冷却垫板。（三）电磁振荡法 改善组织，降低残余应力。第67页/共77页第四节 定向凝固技术定向凝固的必要条件：1.严格保证单向散热 2.一定合金成分下提高G/R比值，使过冷度在允许范围内。3.提高液体的纯净性，减少杂质。4.避免液态金属的对流、搅拌和振动。定向凝固方法分类：

42、1.功率降低法（P.D 法）金属液浇入型壳时，下部感应圈停电，建立温度梯度，促进定向凝固。第68页/共77页 2.高速凝固（法）工作时，移动模壳以加强散热条件，将底部开口的模壳置于水冷底座上，上部置于石墨加热器中，建立其一定的温度梯度。第69页/共77页3.液体金属冷却法（法）将金属浇到模壳中，安一定速度将模壳拉出炉腔浸入金属液中，以金属液作为冷却介质。液态金属液应具有低的蒸气压，熔点低、热容量大、热导率高，不溶于合金中且价格便宜。第70页/共77页第五节 快速凝固技术第71页/共77页第72页/共77页第73页/共77页第74页/共77页第75页/共77页第76页/共77页感谢您的观看！第77页/共77页