第五章材料成形基本原理課件

1、合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一節(jié)第一節(jié) 鑄件的宏觀組織鑄件的宏觀組織第二節(jié)第二節(jié) 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理第四節(jié)第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制第五節(jié)第五節(jié) 焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成

2、形基本原理第一節(jié)第一節(jié) 鑄件的宏觀組織鑄件的宏觀組織u激冷晶區(qū)的晶激冷晶區(qū)的晶粒細(xì)小粒細(xì)小;u柱狀晶區(qū)的晶柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排粒垂直于型壁排列，且平行于熱列，且平行于熱流方向流方向.u內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大的晶粒較為粗大;表層急冷晶區(qū)表層急冷晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理圖圖5-2 幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖幾種不同類型的鑄件宏觀組織示意圖（a）只有柱狀晶）只有柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶）表面細(xì)等軸晶加

3、柱狀晶;（c）三個晶區(qū)都有）三個晶區(qū)都有;（d）只有等軸晶）只有等軸晶 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理u柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、柱狀晶的特點是各向異性，對于諸如磁性材料、發(fā)動機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情發(fā)動機(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況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點。具優(yōu)點。u如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分如何在技術(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

4、。重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二節(jié)第二節(jié) 表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成表面激冷區(qū)及柱狀晶區(qū)的形成一、一、 表面激冷區(qū)的形成表面激冷區(qū)的形成二、二、 柱狀晶區(qū)的形成柱狀晶區(qū)的形成合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、表面激冷區(qū)的形成一、表面激冷區(qū)的形成 型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的型壁附近熔體由于受到強(qiáng)烈的激冷激冷作用，產(chǎn)生很大的過冷度而作用，產(chǎn)生很

5、大的過冷度而大量非均質(zhì)生核大量非均質(zhì)生核,各種形式的各種形式的晶粒晶粒游離游離也是形成表面細(xì)等軸晶的也是形成表面細(xì)等軸晶的“晶核晶核”來源。這些晶核在過冷來源。這些晶核在過冷熔體中采取枝晶方式生長，由于熔體中采取枝晶方式生長，由于其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也其結(jié)晶潛熱既可從型壁導(dǎo)出，也可向過冷熔體中散失，從而形成可向過冷熔體中散失，從而形成了了無方向性無方向性的表面細(xì)等軸晶組織。的表面細(xì)等軸晶組織。 一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而一旦型壁附近的晶?；ハ噙B結(jié)而構(gòu)成構(gòu)成穩(wěn)定的凝固殼層穩(wěn)定的凝固殼層，凝固將轉(zhuǎn)為，凝固將轉(zhuǎn)為柱狀晶區(qū)由外向內(nèi)的生長，表面激柱狀晶區(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

6、。因此穩(wěn)定冷細(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，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。表面激冷區(qū)也就越窄。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、柱狀晶區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱穩(wěn)定的凝固殼層一旦形成，柱狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝狀晶就直接由表面細(xì)等軸晶凝固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長，固層某些晶粒為基底向內(nèi)生長，發(fā)展成由外向內(nèi)生長的柱狀晶發(fā)展成由外向內(nèi)生長的柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向

7、與熱流方向區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長迅速平行的枝晶生長迅速 。柱狀晶區(qū)開始于穩(wěn)定凝固殼層的柱狀晶區(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因素及寬窄程度取決于上述兩個因素綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初綜合作用的結(jié)果。如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會有效地抑制柱狀晶的形成。將會有效地抑制柱狀晶的形成。柱狀晶生長過程的動態(tài)演示柱狀晶生長過程的動態(tài)演示鋁錠截面組織鋁錠截面組織合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與

8、工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理柱狀晶生長過程柱狀晶生長過程錄像錄像鑄鑄型型液液態(tài)態(tài)金金屬屬合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三節(jié)第三節(jié) 內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理一、一、“成分過冷成分過冷”理論理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論三、三、 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)

9、與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、一、“成分過冷成分過冷”理論理論 該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱該理論認(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。過冷逐漸增大。當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)當(dāng)成分過冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。生核時，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“

10、十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理a) 7500C水淬水淬,搖動搖動 b) 在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)在坩堝中置一不銹鋼篩網(wǎng)大野篤美的實驗大野篤美的實驗等軸晶等軸晶不銹鋼篩網(wǎng)不銹鋼篩網(wǎng)等軸晶等軸晶合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論二、激冷等軸晶型壁脫落與游離理論在澆注的過程中及凝固在澆注的過程中及凝固的初期激冷的初期激冷,等軸晶自型等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸壁脫落與游離促使等軸晶形成晶形成, 澆注溫度低可澆注溫度低可以使柱狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)以使柱

11、狀晶區(qū)變窄而擴(kuò)大等軸晶區(qū)大等軸晶區(qū) 。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理圖圖5-5 型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離型壁處形成的激冷晶向鑄件內(nèi)部的游離為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而為什么純金屬幾乎得不到等軸晶而溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶溶質(zhì)濃度大的合金容易得到等軸晶呢呢? a) 晶體密度比熔體小的情況晶體密度比熔體小的情況; b) 晶體密度比熔體大的情況晶體密度比熔體大的情況合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基

12、本原理材料成形基本原理圖圖5-6 晶體與型壁交會處產(chǎn)生晶體與型壁交會處產(chǎn)生“脖頸脖頸”促使晶體發(fā)生脫落而游促使晶體發(fā)生脫落而游離離 溶質(zhì)的偏析溶質(zhì)的偏析容易使晶體在與型壁的交會處容易使晶體在與型壁的交會處產(chǎn)生產(chǎn)生“脖頸脖頸”，具有，具有“脖頸脖頸”的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成的晶體不易于沿型壁方向與其相鄰晶體連接形成凝固殼凝固殼, 另一方面，在另一方面，在澆注過程和凝固初期存在的對流容易澆注過程和凝固初期存在的對流容易沖斷沖斷“脖頸脖頸”，使晶體脫落并游離，使晶體脫落并游離出去。出去。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級

13、規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理圖圖5-7 游離晶體的生長、局部熔化與增殖游離晶體的生長、局部熔化與增殖合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、三、 枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長著的生長著的柱狀枝晶柱狀枝晶在凝固界面前方的在凝固界面前方的熔斷熔斷、游離游離和和增殖增殖導(dǎo)致了導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱為晶核的形成，稱為“枝晶熔斷枝晶熔斷”理論。理論。 液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過程

14、中也發(fā)生體中，下落過程中也發(fā)生熔斷熔斷和和增殖增殖，是鑄錠凝固時內(nèi)，是鑄錠凝固時內(nèi)部等軸晶晶核的主要來源，稱為部等軸晶晶核的主要來源，稱為“結(jié)晶雨結(jié)晶雨”理論。理論。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示四、單個等軸晶形成過程的動態(tài)演示 各向同性，多方向生長各向同性，多方向生長 各向異性，四向生長各向異性，四向生長 各向異性，六向生長各向異性，六向生長 各向異性，雙核生長各向異性，雙核生長 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等

15、教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第四節(jié)第四節(jié) 鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制鑄件宏觀結(jié)晶組織的控制思路思路: 晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是晶區(qū)的形成和轉(zhuǎn)變乃是過冷熔體獨(dú)立生核的能力過冷熔體獨(dú)立生核的能力和和各種形式各種形式晶粒游離晶粒游離、增殖增殖或或重熔重熔的程度這兩個基本條件綜的程度這兩個基本條件綜合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)就合作用的結(jié)果，鑄件中各晶區(qū)的相對大小和晶粒的粗細(xì)就是由這個結(jié)果所決定的。凡能是由這個結(jié)果所決定的。凡能強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核強(qiáng)化熔體獨(dú)立生核，促進(jìn)晶促進(jìn)晶粒游離粒游離，以及，以及有助于游離晶的殘存與增殖有助于游離晶的殘存與增殖的各種因素都將

16、的各種因素都將抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，抑制柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展，從而擴(kuò)大等軸晶區(qū)的范圍，并細(xì)化等軸晶組織。并細(xì)化等軸晶組織。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件一、合理地控制澆注工藝和冷卻條件二、孕育處理二、孕育處理三、動力學(xué)細(xì)化三、動力學(xué)細(xì)化合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理合理的澆注工藝合理的澆注工藝澆注溫度澆注溫度澆注方式澆注方

17、式 合理降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得及細(xì)化等軸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)金屬的流動性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。的流動性，導(dǎo)致澆不足和冷隔等缺陷的產(chǎn)生。 通過改變澆注方式強(qiáng)化對流對型壁激冷晶的沖刷作通過改變澆注方式強(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)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。生相應(yīng)的缺陷。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大

18、學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理鑄型中間澆注鑄型中間澆注 單孔上注單孔上注 沿型壁六孔澆注沿型壁六孔澆注 圖圖5-8 不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織不同澆注方法引起不同的鑄件凝固組織 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理低溫鑄造低溫鑄造水流冷卻的斜板澆注方法水流冷卻的斜板澆注方法 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理冷卻條件的控制冷卻

19、條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，從而促控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度小的溫度梯度GL和和高的冷卻速度高的冷卻速度R可可以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，以滿足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這除薄壁鑄件外，這二者不可兼得二者不可兼得。 對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。對薄壁鑄件，可采用高蓄熱、快熱傳導(dǎo)能力的鑄型。 對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的對厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到

20、滿意的效果。形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿意的效果。懸浮澆注法可同時滿足小的懸浮澆注法可同時滿足小的GL與高的與高的R的要求。的要求。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理懸浮澆注法是在澆注懸浮澆注法是在澆注過程過程中中將一定量的將一定量的固態(tài)金屬顆粒加固態(tài)金屬顆粒加入到金屬液中入到金屬液中，從，從而改變金屬液凝固過而改變金屬液凝固過程，達(dá)到細(xì)化組織、程，達(dá)到細(xì)化組織、減小偏析、減小鑄造減小偏析、減小鑄造應(yīng)力的目的的一種工應(yīng)力的目的的一種工藝方法。藝方法。懸浮澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)懸浮

21、澆注用渦流導(dǎo)入法的澆注系統(tǒng)料斗料斗離心集液包離心集液包直澆道直澆道合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理懸浮澆注法的特點懸浮澆注法的特點 1) 顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面顯著細(xì)化鑄件組織，提高力學(xué)性能，改善鑄件厚大斷面力學(xué)性能均勻性；力學(xué)性能均勻性； 2) 減小凝固收縮，使冒口減小減小凝固收縮，使冒口減小1535%； 3) 減少縮松，提高鑄件致密性；減少縮松，提高鑄件致密性； 4) 減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向；減小鑄造應(yīng)力，減小鑄件熱裂傾向； 5) 改善宏觀偏析；改善宏觀

22、偏析； 6) 提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況；提高凝固速度，改善鑄型受熱狀況； 7) 可以實現(xiàn)澆注過程合金化?？梢詫崿F(xiàn)澆注過程合金化。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、孕育處理二、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。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。 孕育孕育( Inoculation)主要是影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離主要是影響生核過程和促進(jìn)晶粒游離

23、以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（以細(xì)化晶粒；而變質(zhì)（Modification）則是改變晶體的生）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。細(xì)化中采用的則是孕育方法。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點孕育劑作用機(jī)理的兩類觀點孕育主要起非孕育主要起非自發(fā)形核作用自發(fā)形核作用u通過

24、在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶通過在生長界面前沿的成分富集而使晶粒根部和樹枝晶分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。分枝根部產(chǎn)生縮頸，促進(jìn)枝晶熔斷和游離而細(xì)化晶粒。孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì)孕育劑含有直接作為非自發(fā)生核的物質(zhì) 孕育劑能與液相中某些元素孕育劑能與液相中某些元素反應(yīng)反應(yīng)生成較穩(wěn)定的生成較穩(wěn)定的化合物化合物而產(chǎn)生非自發(fā)生核而產(chǎn)生非自發(fā)生核在液相中造成很大的在液相中造成很大的微區(qū)富集微區(qū)富集而迫使結(jié)晶相提而迫使結(jié)晶相提前彌散析出而生核前彌散析出而生核 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材

25、材料成形基本原理材料成形基本原理合金種類合金種類孕育劑主要組元孕育劑主要組元加入量加入量wt%加入方法加入方法碳鋼及合金鋼碳鋼及合金鋼Ti0.10.2鐵合金鐵合金V0.060.30B0.0050.01鑄鐵鑄鐵Si-Fe，Ca, Ba, Sr0.11.0，與與Si-Fe復(fù)合復(fù)合鐵合金鐵合金鋁合金鋁合金Ti, Zr , Ti+B, Ti+C Ti:0.15; Zr:0.2；復(fù)合復(fù)合:Ti0.01B或或C0.05;Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金中間合金過共晶過共晶Al-Si合金合金P0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金中間合金銅合金銅合金Zr, Zr+B,

26、Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04純金屬或中間合金純金屬或中間合金鎳基高溫合金鎳基高溫合金WC, NbC碳化物粉末碳化物粉末表表5-1 合金常用孕育劑的主要元素情況合金常用孕育劑的主要元素情況 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理鋁合金鑄棒（直徑鋁合金鑄棒（直徑6英寸）英寸）的橫截面組織的橫截面組織加入變質(zhì)劑之后的橫加入變質(zhì)劑之后的橫截面組織截面組織合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原

27、理孕育衰退孕育衰退（孕育效果逐漸減弱）（孕育效果逐漸減弱）孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育期和衰退期。孕育劑加入合金液后要經(jīng)歷一個孕育期和衰退期。在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過在孕育期內(nèi)，作為孕育劑的中間合金的某些組分完成熔化過程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆程，或與合金液反應(yīng)生成化合物，起細(xì)化作用的異質(zhì)固相顆粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。粒均勻分布并與合金液充分潤濕，逐漸達(dá)到最佳的細(xì)化效果。當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度當(dāng)細(xì)化效果達(dá)到最佳值時澆注是最理想的，隨合金熔化溫度和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效

28、果所需要的時間也不和孕育劑種類的不同，達(dá)到最佳細(xì)化效果所需要的時間也不同。同。u幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(xiàn)孕育衰幾乎所有的孕育劑都有在孕育處理后一段時間出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與退現(xiàn)象，因此孕育效果不僅取決于孕育劑的本身，而且也與孕育處理工藝密切相關(guān)。孕育處理工藝密切相關(guān)。u一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散一般處理溫度越高，孕育衰退越快，在保證孕育劑均勻散開的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。開的前提下，應(yīng)盡量降低處理溫度。u孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體孕育劑的粒度也要根據(jù)處理溫度、被處理合金液量和具體的處

29、理方法來選擇。的處理方法來選擇。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、動力學(xué)細(xì)化三、動力學(xué)細(xì)化 1 1鑄型振動鑄型振動2 2超聲波振動超聲波振動3 3液相攪拌液相攪拌4 4流變鑄造流變鑄造合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1鑄型振動鑄型振動在凝固過程中振動鑄型可在凝固過程中振動鑄型可使液相使液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動和固相發(fā)生相對運(yùn)動，導(dǎo)致，導(dǎo)致枝晶枝晶破碎破碎形成結(jié)晶核心。形成結(jié)晶核心。離心鑄

30、造離心鑄造時時若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小若周期改變旋轉(zhuǎn)方向可獲得細(xì)小等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相等軸晶，說明液相和固相發(fā)生相對運(yùn)動所起的細(xì)化晶粒作用。對運(yùn)動所起的細(xì)化晶粒作用。振動還可引起振動還可引起局部的溫度起伏局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷有利于枝晶熔斷。振動鑄型可振動鑄型可促使促使“晶雨晶雨”的形成的形成。立式離心鑄造機(jī)合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2超聲波振動超聲波振動 超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空超聲波振動可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩

31、潰時，液體迅速補(bǔ)充，液體流崩潰時，液體迅速補(bǔ)充，液體流動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。動的動量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時凝固的合金熔點溫當(dāng)壓力增加時凝固的合金熔點溫度也要增加，從而提高了凝固過度也要增加，從而提高了凝固過冷度，造成形核率的提高，使晶冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。粒細(xì)化。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3液相攪拌液相攪拌 采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對固相的運(yùn)動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到

32、細(xì)化晶粒的目的。運(yùn)動，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 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、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，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理4流變鑄造流變鑄造 流變

33、鑄造又稱半固態(tài)鑄造，流變鑄造又稱半固態(tài)鑄造，這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)這種方法是當(dāng)液體金屬凝固達(dá)5060時，在氬氣保護(hù)下時，在氬氣保護(hù)下進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為半進(jìn)行高速攪拌，使金屬成為半固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固固態(tài)漿液，將半固態(tài)漿液凝固成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。成坯料或擠壓至鑄型凝固成形。其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加其固態(tài)晶體隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯趨于細(xì)小而圓整，機(jī)械性能顯著提高。著提高。 這種細(xì)小圓整的半固態(tài)這種細(xì)小圓整的半固態(tài)金屬漿液由于具有較好的金屬漿液由于具有較好的流動性而容易成形。因為流動性而容易成形。因為它的溫度遠(yuǎn)低于液相線溫它的溫度遠(yuǎn)低于液相線溫度，所以對

34、于黑色金屬的度，所以對于黑色金屬的壓鑄件來說，能大大減輕壓鑄件來說，能大大減輕金屬對模具的熱沖擊，提金屬對模具的熱沖擊，提高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大高壓鑄模具的壽命，擴(kuò)大黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。黑色金屬壓鑄的應(yīng)用范圍。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理傳統(tǒng)鑄造傳統(tǒng)鑄造a a）和流變鑄造）和流變鑄造b b）所獲得的顯微組織）所獲得的顯微組織 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理第五節(jié)第五節(jié) 焊接熔池凝

35、固及控制焊接熔池凝固及控制 一、熔池凝固條件一、熔池凝固條件二、熔池結(jié)晶特征二、熔池結(jié)晶特征三、熔池結(jié)晶組織的三、熔池結(jié)晶組織的細(xì)化細(xì)化合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、熔池凝固條件一、熔池凝固條件體積小、冷速快體積小、冷速快 溫差大、過熱度高溫差大、過熱度高 動態(tài)凝固過程動態(tài)凝固過程 液態(tài)金屬對流激烈液態(tài)金屬對流激烈 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理1. 熔池金屬的體積小，冷卻速度快熔

36、池金屬的體積小，冷卻速度快在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有在一般電弧焊條件下，熔池的體積最大也只有30cm3 ，重量不超過重量不超過100g;周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通周圍被冷態(tài)金屬所包圍，所以熔池的冷卻速度很大，通常可達(dá)?？蛇_(dá)4100/s，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度，遠(yuǎn)高于一般鑄件的冷卻速度;由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分由于冷卻快，溫度梯度大，致使焊縫中柱狀晶得到充分發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性發(fā)展。這也是造成高碳、高合金鋼以及鑄鐵材料焊接性差的主要原因之一。差的主要原因之一。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)

37、材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2. 溫差大、過熱溫度高溫差大、過熱溫度高熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池金屬中不同區(qū)域因加熱與冷卻速度很快，熔池中熔池中心和邊緣存在較大的溫度梯度心和邊緣存在較大的溫度梯度，例如，對于電弧焊接低，例如，對于電弧焊接低碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)碳鋼或低合金鋼，熔池中心溫度高達(dá)21002300，而熔池后部表面溫度只有而熔池后部表面溫度只有1600左右，熔池平均溫度為左右，熔池平均溫度為1700100。由于過熱溫度高，由于過熱溫度高，非自發(fā)形核的原始質(zhì)點數(shù)大為減少非自發(fā)形核的原始質(zhì)點數(shù)大為減

38、少，這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。這也促使焊縫柱狀晶的發(fā)展。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理3. 動態(tài)凝固過程動態(tài)凝固過程處于熱源移動方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔池中的熔融的處于熱源移動方向前端的母材不斷熔化，連同過渡到熔池中的熔融的焊接材料一起在電弧吹力作用下，對流至熔池后部。隨著熱源的離去，焊接材料一起在電弧吹力作用下，對流至熔池后部。隨著熱源的離去，熔池后部的液態(tài)金屬立即開始凝固。因此，凝固過程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池后部的液態(tài)金屬立即開始凝固。因此，凝固過程是連續(xù)進(jìn)行并隨熔池前進(jìn)。熔池

39、前進(jìn)。圖圖5-11 熔池的運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶熔池的運(yùn)動狀態(tài)下結(jié)晶合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理4. 液態(tài)金屬對流激烈液態(tài)金屬對流激烈熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械熔池中存在許多復(fù)雜的作用力，如電弧的機(jī)械力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，力、氣流吹力、電磁力，以及液態(tài)金屬中密度差，使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對流，在熔池上部使熔池金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的攪拌和對流，在熔池上部其方向一般從熔池頭部向尾部流動，而在熔池底其方向一般從熔池頭部向尾部流動，而在熔池底部的流動方向與之正好相反，這一

40、點有利于熔池部的流動方向與之正好相反，這一點有利于熔池金屬成分分布的均勻化與純凈化。金屬成分分布的均勻化與純凈化。合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、熔池結(jié)晶特征二、熔池結(jié)晶特征 聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長方向與速度的變化 熔池凝固組織形態(tài)的多樣性熔池凝固組織形態(tài)的多樣性 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理 1. 聯(lián)生結(jié)晶聯(lián)生結(jié)晶在熔池中存在兩種現(xiàn)成固相表面：在熔

41、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)點一種是合金元素或雜質(zhì)的懸浮質(zhì)點（在正常情況下所起作用不大）；（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)形核就依附在這個表表面，非自發(fā)形核就依附在這個表面，在較小的過冷度下以柱狀晶的面，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)形態(tài)向焊縫中心生長，稱為聯(lián)生結(jié)晶晶(也稱外延生長也稱外延生長)。 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理2. 柱狀晶生長方向與速度的變化柱狀晶生長

42、方向與速度的變化 典型的焊接熔池形狀像不典型的焊接熔池形狀像不標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。熔池的形標(biāo)準(zhǔn)的半橢球。熔池的形狀和大小，受母材的熱物狀和大小，受母材的熱物理性質(zhì)、尺寸和焊接方法理性質(zhì)、尺寸和焊接方法以及工藝參數(shù)等因素的影以及工藝參數(shù)等因素的影響。焊接速度增大響。焊接速度增大, L增增加加, Bmax減小減小. 合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院制作普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材材料成形基本原理材料成形基本原理cosR在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時（圖中在熔合區(qū)上晶粒開始成長的瞬時（圖中 H 和和F點）點）, 晶粒生長線速度晶粒生長線速度R為零，即焊縫邊緣的生長速度最慢。而在熱源移動后面的焊縫中心（為零，即焊縫邊緣的生長速度