凝固缺陷及控制的課件

第十一章凝固缺陷及控制主要內(nèi)容：合金中的成分偏析氣孔與夾雜的形成機(jī)理縮孔縮松的形成與防止凝固收縮、變形與裂紋UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan第一節(jié)合金中偏析偏析合金在凝固中發(fā)生的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象叫偏析。分類：微觀偏析：合金微小范圍內(nèi)（約一個(gè)晶粒范圍）的化學(xué)成分不均勻性，如晶內(nèi)偏析和晶界偏析。宏觀偏析：合金凝固斷面上各部位的化學(xué)成分不均勻性，常有正常偏析、逆偏析和重力偏析等正偏析：負(fù)偏析：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan一、微觀偏析晶內(nèi)偏析晶內(nèi)偏析是在一個(gè)晶粒內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象。形成機(jī)理：1）合金相圖上液相線和固相線間隔越大，則先后結(jié)晶部分的成分差別越大，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。2）偏析元素在固溶體中的擴(kuò)散能力越小，晶內(nèi)偏析傾向越大。3）在其他條件相同時(shí)，冷卻速度越快，則實(shí)際結(jié)晶溫度越低，原子擴(kuò)散能力越小，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重

對(duì)性能的影響成分不均勻造成性能下降，特別是塑性和韌性成分不均勻造成合金抗腐蝕性能的下降特點(diǎn)：不穩(wěn)定，通過擴(kuò)散退火和均勻化退火可以消除UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan晶界偏析晶界偏析晶界與晶內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象；在晶粒與晶粒之間最后凝固部分（即晶界區(qū)）積累了更多的低熔點(diǎn)組元和雜質(zhì)元素。晶界偏析的程度比晶內(nèi)偏析更為嚴(yán)重，有時(shí)在晶界上還會(huì)出現(xiàn)一些不平衡的第二相，如低熔點(diǎn)共晶體UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan晶界偏析形成過程UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-0.2%Ce合金的偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二、宏觀偏析1正常偏析單向凝固時(shí)的溶質(zhì)分布曲線?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)域偏析為正常偏析?機(jī)理：冷速較慢，低熔點(diǎn)組元充分向內(nèi)部聚集?危害：鑄件性能不均勻；但可借此對(duì)金屬提純?防止：擴(kuò)散退火無效，提高冷速有效，如降低澆注溫度、加速鑄件凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2逆偏析鑄件凝固后常出現(xiàn)與正常偏析相反的情況，即k<1時(shí)，鑄件表面或底部含溶質(zhì)元素較多，而中心部位或上部含溶質(zhì)較少結(jié)晶溫度范圍寬的固溶體合金和粗大的樹枝晶易產(chǎn)生逆偏析，緩慢冷卻時(shí)逆偏析程度增加。Al-4.7Cu合金的逆偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、V形偏析和逆V形偏析特征對(duì)于大型鋼錠，呈錐形，偏析帶中存在大量的C、S、P等雜質(zhì)形成機(jī)理溶質(zhì)富集產(chǎn)生周期性凝固，并且結(jié)晶沉淀在鋼錠下部形成負(fù)偏析，上部形成正偏析晶粒脫落沉淀，收縮后被富溶質(zhì)液態(tài)填充而形成V形偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan4帶狀偏析帶狀偏析的形成特點(diǎn)是它總是和凝固的固-液界面相平行。防止措施：（1）強(qiáng)化冷卻（2）加入組織初晶沉浮的合金元素，如Cu-Sb合金中加入Ni，Sb-Sn合金中加入Cu由于重力作用而出現(xiàn)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。在凝固初期，由于組員密度差異而產(chǎn)生重力偏析。如Cu-Sb合金，Sn-Sb軸承合金等5重力偏析UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan6、區(qū)域偏析和層狀偏析區(qū)域偏析：焊縫熔池凝固時(shí)，柱狀晶快速長(zhǎng)大，是溶質(zhì)和雜質(zhì)元素推向焊縫中心，形成中心區(qū)域偏析帶。易產(chǎn)生裂紋層狀偏析：是由于熱的周期性作用而引起的意志化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象原因：結(jié)晶潛熱和熱能的波動(dòng)，冷卻速度慢時(shí)偏析較小、冷卻快時(shí)偏析較嚴(yán)重UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan第二節(jié)氣孔與夾雜一、氣孔因氣體分子聚集而在金屬中產(chǎn)生的空洞叫氣孔原因：液態(tài)金屬中氣體溶解度降低而溢出的分子狀態(tài)的氣泡；侵入氣體不被金屬溶解形成的氣泡。分類：按氣體來源：析出性氣孔、侵入性氣孔和反應(yīng)性氣孔按氣體種類：氫氣孔、氮?dú)饪缀鸵谎趸細(xì)饪譛CSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、析出性氣孔在冷卻及凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出氣體，來不及從液面排出而形成氣孔。分布：冒口附近和熱節(jié)形狀：含氣量少時(shí)呈裂紋狀；含氣量高時(shí)呈團(tuán)球狀含氫量一）基本概念

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-Si合金中的典型析出性氣孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-Si合金中的典型析出性氣孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、侵入性氣孔定義：鑄型和型芯在高溫金屬作用下產(chǎn)生的氣體，侵入金屬內(nèi)部形成的氣孔特征：數(shù)量少、體積大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表面或近表層形狀：梨形、橢圓形或圓形組分：水蒸氣、CO、CO2、H2、碳?xì)浠衔颱CSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、反應(yīng)性氣孔定義：金屬液－鑄型之間、金屬液內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔分布：鑄件表皮以下1~3mm處，通稱皮下氣孔形狀：球狀和梨狀組分：CO、N2、H2UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二）

氣孔的析出氣體析出方式：擴(kuò)散逸出、與金屬元素形成化合物和以氣泡形式逸出氣泡形成過程氣泡的生核、長(zhǎng)大和上浮逸出UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan鑄件中氣孔的形成示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan氣泡生核生核方式：依附現(xiàn)成表面非均質(zhì)形核氣泡生核能：越高，生核能越小，生核越容易，如枝晶間凹陷部位越大，生核能越小，生核越容易UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan氣泡的長(zhǎng)大氣泡的長(zhǎng)大:長(zhǎng)大的熱力學(xué)條件：：氣泡內(nèi)各種氣體分壓的總和：阻礙氣泡長(zhǎng)大的外界壓力總和，包括大氣壓、金屬靜壓頭、和表面張力產(chǎn)生的附加壓力UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan氣泡的逸出上浮氣泡形核后短暫長(zhǎng)大脫離依附表面而上浮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二）

氣孔的形成機(jī)理凝固界面前沿氣體原子聚集——固相無擴(kuò)散、液相只有擴(kuò)散：1）、析出性氣孔機(jī)理：結(jié)晶前沿特別是枝晶間氣體溶質(zhì)富集，當(dāng)氣體含量超過其飽和度，析出壓力大于外界阻力時(shí)，氣體依附于晶界溶質(zhì)偏析和非金屬夾雜物生核長(zhǎng)大，逸出氣泡，且氣泡不易排除而留下來成為氣孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan動(dòng)力學(xué)條件：取決于：上浮速度Ve與凝固速度R

當(dāng)Ve<

R時(shí)氣泡殘留于金屬中

Ve=2(ρL-ρg)gr2/9ηR↑氣孔↑η↑Ve↓氣孔↑△ρ(實(shí)際上為ρL)↑Ve↑氣孔↓－－輕金屬易產(chǎn)生氣孔（鋁、鎂）UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2）侵入型氣孔的形成機(jī)理形成條件：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3）反應(yīng)性氣孔形成機(jī)理（1）金屬液與鑄型（芯）反應(yīng)性氣孔（皮下氣孔）原因：鑄型水分高、透氣性低；合金中有易氧化成分；熔點(diǎn)較高的合金（鋼、鐵。銅）一定中等壁厚范圍內(nèi)。機(jī)理：氫氣說氮?dú)庹f——有樹脂粘結(jié)劑時(shí)

CO說UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1）渣氣孔例鋼中CO不溶，但氧或氧化物與碳反應(yīng)形成CO（FeO）+[C]=CO+[Fe]（MnO）+[C]=CO+[Mn]（SiO2）+2[C]=2CO+[Si]（Cu2O）+2[H]=2[Cu]+H2O(氣)（2）金屬液內(nèi)反應(yīng)性氣孔2）金屬液中元素間反應(yīng)性氣孔＃碳氧反應(yīng)氣孔＃水蒸氣反應(yīng)氣孔＃碳?xì)浞磻?yīng)氣孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan金屬液體中含氫量的檢測(cè)

1、鋁合金含氫量的爐前快速檢測(cè)儀（AH-1型）

原理：P氣>Pa+H＋2σ/r(a)含氣量小(b)含氣量大

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAH-2測(cè)氫系統(tǒng)外形圖鋁液含氫量定量測(cè)試儀（AH-2B）測(cè)氫系統(tǒng)的組成：

1-坩鍋2-熱電偶3-玻璃4-微壓傳感器5-微機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6-真空管路7-電阻爐8-真空泵UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan式中T—鋁液溫度，KCH—?dú)湓阡X合金熔體中的溶解度，ml/100gAlPH—鋁液中氫氣分壓，PaA和B為與合金成分有關(guān)的常數(shù)

第一氣泡法（Sieverts定律）含氫量檢測(cè)原理UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynand)含氫量0.065cm3/100gAl

b)含氫量0.183cm3/100gAl

c)含氫量0.128cm3/100gAl

a)含氫量0.237cm3/100gAl

通過鋁液含氫量檢測(cè)及控制，大幅度減少針孔UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、危害有效工作斷面↓→σb↓δ↓

應(yīng)力集中→裂紋疏松→δ↓氣密性↓耐蝕性↓2、防止措施

1）消除氣體來源：爐料潔凈、型砂水分、有機(jī)粘結(jié)劑用量和含氮量、焊條烘干等

2）合理工藝：精煉、除氣和氣體保護(hù)

3）增加氣體析出阻力：快速凝固、金屬型鑄造、密封加壓凝固等

三）影響氣孔的因素及防止措施UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan二、夾雜物定義：金屬內(nèi)部或表面存在的和基本金屬成分不同的物質(zhì)。來源：原材料本身含有的夾雜物金屬熔煉和爐前處理帶來的夾雜物，如MnO、SO2、Al2O3等液態(tài)金屬與耐火材料及熔渣接觸產(chǎn)生的與其他接觸產(chǎn)生的夾雜物鑄造和焊接過程中產(chǎn)生的UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan夾雜物的分類1、來源：

內(nèi)生夾雜：熔化與凝固過程冶金反應(yīng)產(chǎn)物脫OPS產(chǎn)物

N2、O2、P溶解偏析形成第二相

外來夾雜：熔爐耐火材料、造型材料2、按組成：氧化物、硫化物、硅酸鹽3、按形成時(shí)間先后：一次夾雜物和二次夾雜物4、按夾雜物的形狀：球形、多面體、多角形等等

UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan決定于夾雜物的成分、性能、形狀、大小、數(shù)量、分布=>硬脆→δαk

球形→影響↓；針狀、尖角影響↑↑（應(yīng)力集中）事物的另一方面：

高熔點(diǎn)、細(xì)小顆粒→好的作用非自發(fā)形核核心→細(xì)化沉淀強(qiáng)化—N化物彌散

新學(xué)科的產(chǎn)生→MMC，人為的加入高性能陶瓷相夾雜物的危害：連續(xù)性，均勻性破壞＝>機(jī)械性能↓致密性↓耐蝕性能紅脆—熱裂（低熔點(diǎn)相）裂紋源UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan鋼中MnS夾雜物引起的裂紋源及擴(kuò)張過程a)原始狀態(tài)b)受力后產(chǎn)生裂紋c)d)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan澆注前的熔煉及熔體處理中，冶金反應(yīng)產(chǎn)生。夾雜物容易聚合、長(zhǎng)大防止措施：（1）加溶劑——吸收夾雜（2）除氣處理時(shí)也可將夾雜物攜帶上浮排出（3）過濾法3、初生夾雜物的形成及防止措施UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan4、二次氧化夾雜物的形成及防止措施（1）形成——澆注及填充鑄型的過程中氧化形成（2）防止——合理的澆注工藝及澆冒口系統(tǒng)，平穩(wěn)充型——控制金屬液的易氧化元素——鑄型內(nèi)造還原型氣氛UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan5、次生夾雜物凝固過程中，溶質(zhì)再分配，溶質(zhì)富集，偏晶結(jié)晶析出夾雜物例如：Fe中富集Mn和S時(shí)：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖夾雜物粘附晶體示意圖（a)粘附后（b)粘附前粘附發(fā)生的條件：圖偏析夾雜物被粘附陷入晶內(nèi)示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan夾雜物被排斥推入液相示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan晶界殘留較多夾雜物時(shí)的形狀：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan不同二面角晶間夾雜物的形狀示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanShrinkageholesandshrinkageporosity

第三節(jié)縮孔與縮松的形成原理UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan一、金屬的收縮1、收縮的基本概念——鑄件在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)冷卻過程中發(fā)生的體積減少。體收縮——金屬?gòu)囊簯B(tài)到常溫（室溫）的體積改變量

線收縮——金屬在固態(tài)時(shí)從高溫到常溫（室溫）的線尺寸改變量

體收縮率：線收縮率：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan1、液態(tài)收縮：2、凝固收縮：3、固態(tài)收縮：UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2、鑄鋼的收縮圖碳鋼的比容與溫度和含碳量的關(guān)系1－0.35％C；2－0.25%C；3－0.8%C（1）液態(tài)（2）凝固UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（3）固態(tài)收縮a.珠光體轉(zhuǎn)變前收縮b.共析轉(zhuǎn)變期的膨脹c.珠光體轉(zhuǎn)變后收縮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan3、鑄鐵的收縮圖鑄鐵的收縮過程曲線1－白口鑄鐵；2－灰鑄鐵(1)液態(tài)收縮（2）凝固收縮：狀態(tài)改變＋溫度降低析出1％石墨，體積增大2％凝UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan灰鑄鐵凝固收縮與碳當(dāng)量的關(guān)系（3）鑄鐵的固體收縮曲線UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanUCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖Fe-C合金的自由線收縮曲線1－碳鋼；2－白口鐵；3－灰鑄鐵；4－球墨鑄鐵UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan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。容積大而集中的孔洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松1縮孔（Shrinkagehole）熱節(jié)：鑄件厚壁處、兩壁相交處及內(nèi)澆口附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位特征：尺寸較大，形狀不規(guī)則，表面不光滑，有枝晶脈絡(luò)狀凸起a)明縮孔b)凹角縮孔c)芯面縮孔d)內(nèi)部縮孔分類：內(nèi)縮孔和外縮孔二、縮孔與縮松的分類及特征UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan2縮松（Porosity）分類：宏觀縮松（簡(jiǎn)稱縮松）和微觀縮松（顯微縮松）分布：多出現(xiàn)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金中，常分布在鑄件壁的軸線區(qū)域、縮孔附近或鑄件厚壁的中心部位。鑄件熱節(jié)處的縮孔與縮松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan①縮孔：凝固體積收縮，得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充→逐層凝固時(shí)→通過液態(tài)金屬的流動(dòng)使收縮集中于鑄件最后凝固部位形成集中縮孔。②縮松：糊狀凝固→糊狀區(qū)、液固共存—液體流動(dòng)困難→晶間樹枝間得不到補(bǔ)充→分散的小縮孔三、縮孔與縮松的形成機(jī)理③危害：機(jī)械性能、氣密性、耐蝕性、鍛造裂紋UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan鑄件中縮孔的形成示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.TynanAl-4.5%Cu合金中的顯微縮松a.含氣量高的顯微縮松與球形孔洞；b.樹枝間的顯微縮松UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖鑄鐵共晶石墨長(zhǎng)大特點(diǎn)示意圖灰鑄鐵——“自補(bǔ)縮能力”球墨鑄鐵——膨脹力大——若鑄型移動(dòng)——縮松傾向大若鑄型剛性大——自補(bǔ)縮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖灰鐵與球鐵在濕砂型中澆注的膨脹曲線灰鑄鐵——“自補(bǔ)縮能力”球墨鑄鐵——膨脹力大——若鑄型移動(dòng)——縮松傾向大若鑄型剛性大——自補(bǔ)縮UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan產(chǎn)生縮孔、縮松因素與控制：收縮必然性→縮孔或縮松→取決于凝固方式（層、糊）影響凝固方式因素：成分、溫度梯度影響縮孔和縮松大小的因素：金屬的性質(zhì)；鑄型條件(激冷能力)

澆注條件；鑄件尺寸縮孔防止：合理設(shè)計(jì)澆冒口系統(tǒng)→縮孔于澆冒口中?？s松防止：無法通過澆冒口消除?！鱐↑枝晶發(fā)達(dá)→縮松↑四、影響縮孔與縮松的因素及防止措施UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan

防止措施成分選擇澆冒口設(shè)計(jì)（縮孔）－定向凝固和同時(shí)凝固高壓下澆注與凝固（縮松）急冷—減少糊狀（縮松），如冷鐵UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan定向凝固方式示意圖均勻壁厚鑄件定向凝固過程UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan圖擴(kuò)展角對(duì)補(bǔ)縮困難區(qū)的影響UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan冷鐵對(duì)縮孔位置的影響

（順序凝固）冷鐵造成同時(shí)凝固方式示意圖UCSDMAE-1FluidDynamicsFocusAreaLectureNotes,G.R.Tynan（四）加壓補(bǔ)縮——壓力下凝固（壓力釜，擠壓鑄造，高壓鑄造）