金屬凝固理論

1、第十章 鑄件形成理論概述鑄造: 是一種用液態(tài)金屬生產(chǎn)制品的工藝方法。鑄件 ：將金屬熔化，成為具有良好流動性的液態(tài)，在重力場或其它力（壓力、離心力、電磁力等）作用下 充滿鑄型，經(jīng)凝固和冷卻成為具有鑄型型腔形狀的制品，所鑄出的金屬制品稱為鑄件。鑄造的特點 ：（ 1）適應性強（ 2）尺寸精度高（ 3）成本低（ 4）缺點： a：鑄件尺寸均一性差 b：與壓力加 工和粉末冶金相比，金屬的利用率低 c ：內(nèi)在質量比鍛件差 d：工作環(huán)境粉塵多、溫度高、勞動強度大、生 產(chǎn)效率低等。第十一章 液態(tài)金屬的結構和性質液態(tài)金屬的遺傳性 ：鑄件的組織和氣孔等缺陷與爐料的組織和缺陷有關。 主要體現(xiàn)在以下幾個方面 : 爐料的

2、 組織和缺陷對凝固后鑄件或毛坯的組織和缺陷有影響、在液態(tài)合金中加入合金元素后，改變了合金中元素 與元素之間的相互作用，進而影響凝固后鑄件或毛坯的組織、液態(tài)金屬或合金的結構 （ 如過冷度、凈化程 度等 ）不同對凝固后鑄件或毛坯的組織有影響， 這些影響液態(tài)金屬或合金熔體結構進而影響凝固后鑄件或毛 坯的組織與性能稱液態(tài)金屬或合金的遺傳性。金屬的液態(tài)結構 ：液體狀態(tài)的結構有以下特點： 1） 原子間仍保持較強的結合能 2） 在熔化時僅在原子集團內(nèi) 有序排列 （近程有序排列 ）。3） 能量起伏大，新的原子集團。所有原子集團都處于瞬息萬變狀態(tài)。4）原子集團之間距離較大，比較松散，猶如存在“空穴” 。自由電子

3、歸原子集團中原子公有，仍導電。 5） 原子集團的 平均尺寸、“游動”速度都與溫度有關。實際金屬的液態(tài)結構 ：存在著大量雜質原子，不會很均勻地分布。游動集團之間存在著成分不均勻性，稱 為"濃度起伏 " 。因此，實際金屬和合金的液體結構中存在著兩種起伏，一種是能量起伏，表現(xiàn)為各個原子 間能量的不同和各個原子集團間尺寸的不同；另一種是濃度起伏，表現(xiàn)為各個原子集團之間成分的不同。 原因： 1）工業(yè)多元合金 2） 原材料雜質 3）熔化過程中金屬與爐氣、 熔劑，爐襯的相互作用還會吸收氣體帶進 雜質，甚至帶入許多固、液體質點。實際金屬在微觀上是由成分和結構不同的游動原子集團、空穴和許多

4、固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)的化合物組成， 它是一種 "混濁"的液體 ;而從化學鍵上看， 除了基體金屬與其合金元素組 成的金屬鍵之外，還存在其它多種類型的化學鍵。斯托克斯公式條件 ：雜質上升過程中保持球形或近似球形，且上升很慢或雜質半徑很小（r 0.lmm） ，滿足Re=2rv/v金屬溶化和汽化的異同 ：熔化是從晶界開始的，金屬體積突然膨脹3%5%，原子間結合鍵部分破壞；汽化體積膨脹無限大，結合鍵全部破壞。 X Rry 衍射分析證實。表面張力和界面張力、 附加壓力 ：表面層質點受到一個指向液體內(nèi)部的力， 使液體表面有自動縮小的趨勢。 這相當于在表面上存在一個平行于表面且各向大小相等的張

5、力， 稱之為表面張力。 不僅在上述的液 - 氣界面， 而且在所有兩相界面， 如固-氣、液-固、液-液上都存在表面張力。 故廣義地說， 表面張力應稱為界面張力。 表面張力引起附加壓力，表面張力而造成的附加壓力 p 的大小與曲率半徑 r 成反比。第十二章 液態(tài)金屬的充型能力充型能力與流動性 ：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，稱為液態(tài)金屬充填 鑄型的能力，簡稱液態(tài)金屬的充型能力。液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動能力，同時又受 外界條件，如鑄型性質、澆注條件、鑄件結構等因素的影響，是各種因素的綜合反映。液態(tài)金屬本身的流 動能力，稱為“流動性” , 是金屬的鑄造性能之

6、一，與金屬的成分、溫度、雜質含量，及其物理性質有關。 影響充型能力的因素及提高充型能力的措施 ：第一類因素金屬性質方面的 因素 1）金屬的密度 1； 2）金 屬的比熱容 c1；3）金屬的導熱系數(shù) 1；4）金屬的結晶潛熱 L ； 5）金屬的粘度； 6）金屬的表面張力 ； 7）金屬的結晶特點。第二類因素鑄件性質方面的因素1）鑄型的蓄熱系數(shù) 2）鑄型的密度 2；3）鑄型的比熱容 c2 ；4）鑄型的導熱系數(shù) 2；5）鑄型的溫度； 6）鑄型的涂料層； 7）鑄型的發(fā)氣性和透氣性。 第三類因素澆注條件方面的因素： 1）液態(tài)金屬的澆注溫度 t 澆； 2）液態(tài)金屬的靜壓頭 H；3）澆注系統(tǒng)中 壓頭損失總和； 4

7、）外力場（壓力、真空、離心、振動等） 。第四類因素鑄件結構方面的因素 : 1）鑄件 的折算厚度 R ；2）由鑄件結構所確定的型腔的復雜程度引起的壓頭損失。word 文檔 可自由復制編輯措施 ：金屬方面（ 1）正確選擇合金的成分（ 2）合理的熔煉工藝。鑄型方面：調(diào)整鑄型，減小鑄型中氣體 反壓力（降低型砂中的含水量和發(fā)氣物質的含量，提高砂型的透氣性）澆注條件方面（1）澆注溫度（ 2）充型壓頭（ 3）澆注系統(tǒng)的結構。鑄件結構方面（ 1）折算厚度大（ 2）鑄件的復雜程度。 亞共晶和過共晶鋁硅合金的流動性 ：在相同的過熱度下 Al-Si 合金的流動性，在共晶成分處并非最大值， 而在過共晶區(qū)里繼續(xù)增加。原

8、因初生相潛熱大。和亞共晶合金對比，析出相同數(shù)量的固相量時，過共晶 合金具有較高的實際過熱度。鑄鐵和鑄鋼的流動性 ：鑄鐵的結晶溫度范圍一般都比鑄鋼的寬，但鑄鐵的流動性卻比鑄鋼的好。這是由于 鑄鋼的熔點高，鋼液的過熱度一般都比鑄鐵的小，維持液態(tài)的流動時間就要短 ; 另外，由于鋼液的溫度高， 在鑄型中散熱速度大，很快就析出一定數(shù)量的枝晶，使鋼液失去流動能力。高碳鋼的結晶溫度范圍雖然比 低碳鋼的寬，但是，由于液相線溫度低，容易過熱，所以實際流動性并不比低碳鋼差?！案邷爻鰻t， 低溫澆注”：高溫出爐能使一些難熔的固體質點熔化， 末熔的質點和氣體在澆包中鎮(zhèn)靜階段有 機會上浮而使金屬凈化，從而提高金屬液的流動

9、性。澆注溫度的影響 ：在一定溫度范圍內(nèi)，充型能力隨澆注溫度的提高而直線上升。超過某界限后，由于金屬 吸氣多，氧化嚴重，充型能力的提高幅度越來越小。隨著澆注溫度的提高，鑄件一次結晶組織粗大，容易 產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、裂紋等缺陷。第十三章 鑄件的凝固 影響鑄件溫度場的因素 ：（1）金屬性質的影響 1） 金屬的熱擴散率大，溫度梯度就小 2） 結晶潛熱大，溫度梯 度減小 3） 金屬的凝固溫度高，鑄件表面和鑄型內(nèi)表面的溫度越高，鑄型內(nèi)外表面的溫差就越大（2）鑄型性質的影響 1） 鑄型的蓄熱系數(shù)大，溫度梯度就越大 2） 鑄型的預熱溫度高，溫度梯度?。?3）澆注條件的影 響：增加過熱，溫度梯度減小（ 4）

10、鑄件結構的影響 1） 鑄件的壁厚大，溫度梯度小 2） 鑄件的形狀 鑄件的凝固方式及其影響因素 ：凝固方式分為三種類型 :逐層凝固方式、 體積凝固方式（或稱糊狀凝固方式） 和中間凝固方式。鑄件的凝固方式取決于凝固區(qū)域的寬度。1）恒溫下結晶的金屬，合金的結晶溫度范圍很小，或斷面溫度梯度很大。特點是在凝固過程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)域寬度等于零。斷面上的固體和液 體由一條界線清楚地分開 2）鑄件斷面溫度場較平坦，合金的結晶溫度范圍很寬，特點是凝固區(qū)域里既有 已結晶的晶體也有未凝固的液體 3） 介于兩者之間。鑄件斷面凝固區(qū)域的寬度是由合金的結晶溫度范圍和溫 度梯度兩個量決定。結晶溫度范圍 / 溫度梯度遠

11、小于 1則逐層凝固，結晶溫度范圍 / 溫度梯度則體積凝固。 金屬的凝固方式與鑄件質量的關系 ：1、窄結晶溫度范圍的合金（ 1）純金屬和共晶成分合金：是以逐層方 式凝固（ 2）窄結晶溫度范圍的合金：與純金屬的不同之處是凝固前沿不平滑，而為鋸齒形。補縮性良好， 最后凝固的部位縮孔，熱裂傾向性小，較好的充型能力2、寬結晶溫度范圍的合金：合金鑄件的凝固區(qū)域寬，液態(tài)金屬的過冷很小，容易發(fā)展成為樹枝發(fā)達的粗大等軸晶組織，鑄件中形成分散性的縮孔即縮松， 熱裂的傾向性很大，充型性能也很差。 3、中等結晶溫度范圍的合金補縮特性、熱裂傾向性和充型性能介于 窄結晶溫度范圍和寬結晶溫度范圍合金之間。凝固時間的計算 ：

12、T=R2/K2，R為折算厚度，板型為厚度 /2 ，球形為半徑 /3 第十四章 液態(tài)金屬結晶的基本原理液態(tài)金屬的結晶過程對鑄件質量的影響 ：液態(tài)金屬的結晶過程決定著鑄件凝固后的結晶組織，并對隨后冷 卻過程中的相變、過飽和相的析出及鑄件的熱處理過程產(chǎn)生極大的影響。此外，它還影響到結晶過程中的 其它伴生現(xiàn)象，如偏析、氣體析出、補縮過程和裂紋形成等。界面共格對應理論的內(nèi)容和局限性 ：該理論認為，在非均質生核過程中，襯底晶面總是力圖與結晶相的某 一最合適的晶面相結合， 以便組成一個 CS 最低的界面。 因此界面兩側原子之間必然要呈現(xiàn)出某種規(guī)律性 的聯(lián)系。局限性： 1）由于點陣失配而引起的晶格畸變是共格型

13、界面能的主要來源，但決非唯一來源。2）物質表面具有一個偏離內(nèi)部正常結構的過渡層。3）影響非均質生核的其它因素，如 LC 與 LS 的大小、生核劑的穩(wěn)定性以及表面的幾何形狀和粗糙度等可能在某些情況下起著更大的作用。粗糙界面和平整界面 ：1）粗糙界面：界面固相一側的點陣位置只有50%左右為固相原子所占據(jù)。這些原子散亂地隨機分布在界面上，形成一個坑坑洼洼、凹凸不平的界面層。2）平整界面：固相表面的點陣位置幾 word 文檔 可自由復制編輯 乎全部為固相原子所占據(jù)，只留下少數(shù)空位；或者是在充滿固相原子的界面上存在有少數(shù)不穩(wěn)定的、孤立 的固相原子，從而形成了一個總的來說是平整光滑的界面。合金結晶過程中的

14、溶質再分配 ：從生核開始直到凝固結束，在整個結晶過程中，固、液兩相內(nèi)部將不斷進 行著溶質元素的重新分布的過程。結晶是一個非平衡過程，對于平整界面有偏差，所以不僅由Ko 決定。證明 Ko 為常數(shù)： Ko=C* s/C * l=（To/Ks）/（To/Kl）。兩直線斜率比為常數(shù)。熱過冷與成分過冷 ：只有當界面液相一側形成負溫度梯度時， 才能在純金屬晶體界面前方熔體內(nèi)獲得過冷。 這種僅由熔體實際溫度分布所決定的過冷狀態(tài)稱為熱過冷。由溶質再分配導致界面前方熔體成分及其凝固 溫度發(fā)生變化而引起的過冷稱為成分過冷。熱過冷與成分過冷之間的根本區(qū)別是前者僅受傳熱過程控制， 后者則同時受傳熱過程和傳質過程制約。

15、在晶體生長過程中，界面前方的熱過冷只不過是成分過冷在 Co 0 時的一個特例而已，兩者在本質上是一致的。它們對晶體生長過程的影響也相同。成分過冷判據(jù)和影響 ：成分過冷的產(chǎn)生以及成分過冷值 Tc 與成分過冷區(qū)寬度 xo 的大小既取決于凝固 過程中的工藝條件 GL 與 R ，也與合金本身的性質，如 Co 、ko 、m 及 DL 的大小有關。 界面前方過冷 狀態(tài)對結晶過程的影響 ：（1）熱過冷對純金屬結晶過程的影響： 1）界面前方無熱過冷下的平面生長 2）熱 過冷作用下的枝晶生長（ 2）成分過冷對一般單相合金結晶過程的影響：無成分過冷，平面生長；成分過冷 的出現(xiàn)和增大， 胞狀生長 -枝晶生長 -新的

16、晶核并不斷長大， 由柱狀枝晶的外生生長到等軸枝晶的內(nèi)生生長。 一般單相合金結晶時的界面生長方式和晶體結構形態(tài)取決于工藝條件和成分條件共同作用下的成分過冷。 細化枝晶間距 ：枝晶間距越小，組織就越細密，分布于其間的元素偏析范圍也就越小，故鑄件越容易通過 熱處理而均勻化；這時的顯微縮松和非金屬夾雜物也更加細小分散，因而也就越有利于性能的提高。第十五章 鑄件結晶組織的形成和控制晶粒游離 ：晶粒游離方式?jīng)Q定了鑄件結晶中等軸晶“晶核”的來源。鑄件結晶過程中幾種形式的晶粒游離： 1）游離晶直接來自過冷熔體中的非均質生核。 2） 由型壁晶粒脫落、枝晶熔斷和增殖所引起的晶粒游離。 3） 液面晶粒沉積所引起的晶

17、粒游離。除了非均質生核過程以外，各種形式的晶粒游離也是形成表面細晶粒區(qū) 的“晶核”來源。等軸晶組織的獲得和細化 ：等軸晶細化能使雜質和缺陷分布更加分散，從而在一定程度上提高各項性能。 一般說來，晶粒越細，其綜合性能就越好，抗疲勞性能也越高。 細化原理 ：通過強化非均質生核和促進晶 粒游離以抑制凝固過程中柱狀晶區(qū)的形成和發(fā)展。就能獲得等軸晶組織。非均質晶核數(shù)量越多，晶粒游離 的作用越強，熔體內(nèi)部越有利于游離晶的殘存，則形成的等軸晶粒就越細。具體措施 ：（1）合理控制熱學條件 1）低溫澆注和采用合理的澆注工藝 2） 合理控制冷卻條件； （2）孕育處理 1） 合理選用孕育劑生核劑 強成分過冷元素孕育

18、劑 2）合理確定孕育工藝（ 3）動態(tài)晶粒細化 1）振動 2）攪拌 3）旋轉振蕩（ 4）等 軸晶枝晶間距的控制第十六章 鑄件化學成分的不均勻性晶界偏析 ：在不少情況下，晶粒中心只有不甚明顯的負偏析（或正偏析 ） ，而晶界區(qū)域卻顯示出明顯的正偏析（或負偏析 ） ，這種偏析稱為晶界偏析。在以下幾種情況下將產(chǎn)生晶界偏析：如果晶界平行于生長方向， 由于表面張力平衡條件的要求，在液體與晶界交界處出現(xiàn)凹槽，此處有利于溶質原子的富集，形成晶界偏 析。如果兩個晶粒相對生長，彼此相遇，在固液界面上溶質被排出（ko< 1）。這樣，在最后凝固的晶界處將堆積較多的溶質和其它低熔點物質。宏觀正常偏析條件 ：鑄件產(chǎn)生

19、宏觀偏析的規(guī)律與鑄件的凝固特點密切相關。 當鑄件以逐層凝固方式凝固時， 凝固前沿是平滑的或短鋸齒形，溶質原子（ ko<1）易于向垂直于凝固界面的液體內(nèi)傳輸。此時，枝晶間液 體的流動對宏觀偏析的影響降至次要地位，凝固后的鑄件內(nèi)外層之間溶質濃度差大，正常偏析顯著。 正常 正常偏析少見原因 ：正常偏析隨著溶質偏析系數(shù) |1-ko| 值的增大而增大。但對于偏析系數(shù)較大的合金，當 溶質含量較高時，鑄件傾向體積凝固，反而減輕正常偏析或不產(chǎn)生正常偏析。第十七章 鑄件中的氣體 常見氣體在鑄件中的存在形態(tài)： 氣體元素在金屬中主要有三種存在形態(tài)：固溶體、化合物和氣態(tài)。若氣體 以原子狀態(tài)溶解于金屬中，則以固溶

20、體形態(tài)存在。若氣體與金屬中某些元素的親合力大于氣體本身的親合word 文檔 可自由復制編輯 力，氣體就與這些元素形成化合物。氣體還能以分子狀態(tài)聚集成氣泡存在于金屬中。氣體對鑄件質量的影響 ：氣孔減小鑄件的有效工作斷面，還產(chǎn)生應力集中，成為零件斷裂的裂紋源，顯著 降低鑄件的強度和塑性。溶解于固態(tài)金屬中的氣體對鑄件機械性能和質量也有不良影響。液態(tài)金屬中溶解 的氣體對其鑄造性能也有不良影響，阻止金屬液補縮，使鑄件產(chǎn)生晶間縮松，流動性明顯降低。第十八章 鑄件中的非金屬夾雜物非金屬夾雜物的分類： 1）簡單氧化物 2）復雜氧化物 3）硅酸鹽 4）硫化物 5）氮化物。前三類非金屬夾雜 物統(tǒng)稱為氧化夾雜物。夾

21、雜物的分布 ：1） 能作為金屬非自發(fā)結晶核心的非金屬夾雜物分布在晶內(nèi)。2） 能上浮到鑄件表面的夾雜物、不溶解于金屬液中的液態(tài)夾雜物及固態(tài)夾雜物在金屬液中運動、碰撞、聚合，尺寸不斷加大。若夾雜物的 密度小于金屬液的密度，可能集中到冒口中被排除，或保留在鑄件上部、上表面層和鑄件的拐角處。 處在 金屬凝固區(qū)內(nèi)的高熔點固態(tài)微小夾雜物，可能被枝晶粘附，分布于晶內(nèi)；否則分布于晶界。減少和排除夾雜物的途徑 ：（1）正確地選擇合金成分，嚴格控制易氧化元素的含量。 （2）加熔劑（ 3）采用 復合脫氧劑（ 4）采用真空或在保護氣氛下熔煉和澆注（ 5）應避免金屬液在澆注和充型時發(fā)生飛濺和渦流， 盡可能保證充型平穩(wěn)。

22、 （6）過濾法（ 7）減少鑄型的氧化氣氛，在型砂中添加附加物 第十九章 鑄件的收縮收縮及其階段 ：鑄件在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)的冷卻過程中，所發(fā)生的體積減小現(xiàn)象稱為收縮。澆注溫度冷 卻到常溫經(jīng)歷三個收縮階段（ 1）液態(tài)收縮（ 2）凝固收縮（ 3）固態(tài)收縮鑄件中的縮孔和縮松 ：縮孔 ：鑄件在凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后凝固 的部位出現(xiàn)孔洞，稱為縮孔。容積大而集中的孔洞稱為集中縮孔，或簡稱為縮孔。在鑄件中產(chǎn)生集中縮孔 的基本原因， 是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值?？s松 ：細小而分散的孔洞稱為分散性縮孔，簡稱為縮松。形成縮松的基本原因和形成縮孔一樣，形成縮松的基本

23、條件是合金的結晶溫度范圍較寬。逐 層凝固的合金傾向于產(chǎn)生集中縮孔；糊狀凝固的合金傾向于產(chǎn)生縮松。 措施 ：使鑄件在凝固過程中建立良 好的補縮條件，盡可能地使縮松轉化為縮孔，并使縮孔出現(xiàn)在鑄件最后凝固的地方。1）順序凝固和同時凝固 2）澆注系統(tǒng)的引入位置及澆注工藝 3）冒口、補貼和冷鐵 4）加壓補縮 5 ）懸浮澆注 第二十章 鑄件的熱裂熱裂的機理和理論 ：熱裂紋是在凝固溫度范圍內(nèi)、鄰近固相線時形成的，或者說是在有效結晶溫度范圍形 成的。液膜理論認為，液膜是產(chǎn)生熱裂紋的根本原因，而鑄件收縮受阻是產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。 強度理 論認為 ，合金存在熱脆區(qū)和在熱脆區(qū)內(nèi)合金的斷裂應變低是產(chǎn)生熱裂紋的重要原因，而鑄件的集中變形是 產(chǎn)生熱裂紋的必要條件。結晶溫度范圍越寬的合金熱裂傾向越大 ：結晶溫度范圍寬，熱脆區(qū)大，低塑性時間長，熱裂傾向大。 第二十一章 鑄造應力、變形及冷裂鑄造應力 ：鑄件凝固和冷卻過程中發(fā)生線收縮，體積的膨脹或收縮，這種變化受到外界的約束或鑄件各部 分之間的相互制約，產(chǎn)生應力。冷裂 ：冷裂是鑄件中應力超出合金的強度極限而產(chǎn)生的。冷裂往往