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1、材料加工原理1本讲稿第一页，共四十二页 a.右边的晶体已连成骨架，但液体还能在其右边的晶体已连成骨架，但液体还能在其间移动，为间移动，为限制迁移带限制迁移带 b.左边的已接近固相温度，固相占绝大部分，左边的已接近固相温度，固相占绝大部分，骨架之间的少量液体被分割成互补沟通的小骨架之间的少量液体被分割成互补沟通的小“熔池熔池”，为，为显微迁移带显微迁移带宽结晶温度范围内合金的凝固区域液固部分：液相占优势固液部分：固相占优势1)液固部分凝固的晶体处于悬浮状态而未连成一片，固相可以自由移动,为宏观迁移带。2)固液部分本讲稿第二页，共四十二页铸件凝固方式一般分为三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。1、
2、逐层凝固（纯金属或共晶成分合金的凝固方式）恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固体和液体由一条界线清晰地分开，随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步到达铸件中心，此为“逐层凝固方式”。二、铸件的凝固方式及其影响因素本讲稿第三页，共四十二页逐层凝固方式特点：无凝固区或凝固区很窄凝固动态曲线上的两相边界的纵向间距很小或是无条件重合。a）恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金 b）结晶温度范围很窄或断面温度梯度很大本讲稿第四页，共四十二页2、体积凝固（铸件断面温度场较平坦或结晶范围较宽的合金）如果合金的结晶温度范围很宽，或因铸件铸件断面温度场较平坦，铸件凝固的某一段时间内
3、，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度高于固相温度，这种情况为“体积凝固方式”，或称为“糊状凝固方式”。本讲稿第五页，共四十二页体积凝固方式（糊状凝固方式）特点：a）铸件断面温度平坦b）结晶温度范围很宽凝固动态曲线上的两相边界纵向间距很大本讲稿第六页，共四十二页3、中间凝固（结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金）如果合金的结晶范围较窄，或因铸件断面的温度梯度较大，铸件断面上的凝固区域介于前两者之间时，属于“中间凝固方式”。本讲稿第七页，共四十二页 中间凝固方式特点：凝固初期似逐层凝固凝固后期似糊状凝固 a）结晶温度范围较窄 b）铸件断面的温度梯度较大本讲稿第八页，共四十二页1.
4、1.以二元共晶相图为例说明以二元共晶相图为例说明 1.1.逐层凝固逐层凝固 3.3.糊状凝固糊状凝固 2.2.中间凝固中间凝固 合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液表层中心St铸件温度液相线固凝固区影响铸件凝固方式的因素合金的结晶温度范围本讲稿第九页，共四十二页以以碳碳钢钢为为例例说说明明 本讲稿第十页，共四十二页2、铸件的温度梯度的影响 在合金结晶温度范围已
5、定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。梯度很大的温度场，可以使宽结晶温度范围的合金按中间凝固方式凝固(加高碳钢在金属型中凝固)，甚至按逐层凝固方式凝固。很平坦的温度场，可以使窄结晶温度范围的合金按体积凝固方式凝固。所以，温度梯度是凝固方式的重要调节因素。本讲稿第十一页，共四十二页工业纯铝（99%Al）在砂型和金属型中铸造时所测得的温度场合凝固动态曲线 将它在砂型中的凝固动态曲线与上图中低碳钢的相应曲线比较则可看到，虽然工业纯铝的结晶温度范围为6度，比低碳钢的22度小得多，但是低碳钢为逐层凝固方式，而工业纯铝却已体积凝
6、固方式进行凝固。其原因是铝的凝固温度低、结晶潜热和导热系数大，铸件断面的温度场平坦。图2-16 工业纯铝铸件断面的温度场（a）和凝固动态曲线（图b）本讲稿第十二页，共四十二页综上综上,铸件的凝固方式由结晶温度范围和温度梯铸件的凝固方式由结晶温度范围和温度梯度共同决定度共同决定：趋于体积凝固趋于体积凝固趋于逐层凝固趋于逐层凝固本讲稿第十三页，共四十二页根据近代凝固理论，又把工业上常用的金属的凝固方式分成两大类：外生凝固和内生凝固外生凝固：特点：凝固层从金属液-铸型界面向中心推进。分类：宏观光滑界面的凝固（理想的平滑界面）宏观粗糙界面的凝固（S-L界面呈割裂的锯齿状）枝晶状（海绵状）凝固（网状结构
7、）机制：宏观S-L界面连续，界面推进方向与传热方向相反。热量通过固相向环境散失。凝固速率取决于传热速率形貌：等轴晶本讲稿第十四页，共四十二页内生凝固：特点：既可以在界面凝固，也可在金属液内部进行。分类：糊状凝固（表面和中心凝固速率相差不大）形壳凝固（表面凝固速率中心）机制：宏观S-L界面分散分散，界面推进方向与传热方向相同相同。热量通过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。形貌：等轴晶本讲稿第十五页，共四十二页1 1、窄结晶温度范围的合金、窄结晶温度范围的合金 金属浇入铸型后，首先在型壁金属浇入铸型后，首先在型壁处过冷，形成激冷层，然后按柱状处过冷，形成激冷层，然后按柱状晶的形势紧密生长
8、，固相界面前沿晶的形势紧密生长，固相界面前沿为平面推进的方式为平面推进的方式.包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金纯金属共晶类合金窄结晶温度范围合金工业用铜工业用锌工业用锡共晶成分合金近共晶成分合金低碳钢锡青铜结晶温度范围小的黄铜三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响本讲稿第十六页，共四十二页 由于凝固前沿直接与液态金属接触，当液态凝固成为固态而发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以：（1）产生分散缩松的倾向小，而是在铸件最后凝固部位留下集中缩孔，设置冒口易消除，因此其合金的补缩特性良好；（2）这类合金铸件在凝固过程中当收缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属液的充填，使裂
9、纹愈合，所以铸件的热裂倾向小。（3）如果这类合金在充型过程中发生凝固时，也具有较好的充型能力。本讲稿第十七页，共四十二页(一一)缩孔的形成缩孔的形成 本讲稿第十八页，共四十二页(一一)缩孔的形成缩孔的形成 本讲稿第十九页，共四十二页(一一)缩孔的形成缩孔的形成 本讲稿第二十页，共四十二页(一一)缩孔的形成缩孔的形成 本讲稿第二十一页，共四十二页(一一)缩孔的形成缩孔的形成 本讲稿第二十二页，共四十二页(一一)缩孔的形成缩孔的形成 本讲稿第二十三页，共四十二页铸件产生集中缩孔的基本原因铸件产生集中缩孔的基本原因 金属的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩金属的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩;产
10、生产生集中缩集中缩孔孔的条件是铸件由表及里逐层凝固。缩孔一般集中在的条件是铸件由表及里逐层凝固。缩孔一般集中在铸铸件顶件顶部或最后凝固的部位部或最后凝固的部位,如果在这些部位设置冒口如果在这些部位设置冒口,缩孔将被缩孔将被移入冒口中。移入冒口中。(一一)缩孔的形成缩孔的形成 本讲稿第二十四页，共四十二页2 2、宽结晶温度范围的合金、宽结晶温度范围的合金铝、镁合金铜合金铁碳合金铝铜合金铝镁合金镁合金锡青铜铝青铜结晶温度范围大黄铜高碳钢球墨铸铁 这类合金铸件的凝固区域宽，液态金属的过冷很小，容易发展为树枝发达的粗大等轴晶组织。在凝固区域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周围产生溶质富集，停止生长，在富集
11、区的后面又形成一批小晶粒，这样下去很快布满整个凝固区域，由于结晶温度区间大，过冷度小，形成的晶粒数目少，所以形成粗大的等轴晶。粗大的等轴晶比较早地连成晶体骨架，将尚未凝固的液体分割成小的互不沟通的熔池，最后在铸件中形成微小缩松。同时热裂倾向性也大，充型能力也差。本讲稿第二十五页，共四十二页宽结晶范围的合金结晶过程：在凝固区域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周围产生溶质富集，停止生长，在富集区的后面又形成一批小晶粒，这样下去很快布满整个凝固区域，由于结晶温度区间大，过冷度小，形成的晶粒数目少，所以形成粗大的等轴晶。粗大的等轴晶比较早地连成晶体骨架，将尚未凝固的液体分割成小的互不沟通的熔池，最后在铸件
12、中形成微小缩松。同时热裂倾向性也大，充型能力也差。本讲稿第二十六页，共四十二页(二)缩松的形成 本讲稿第二十七页，共四十二页(二)缩松的形成 本讲稿第二十八页，共四十二页(二)缩松的形成 本讲稿第二十九页，共四十二页(二)缩松的形成 本讲稿第三十页，共四十二页（2 2）由于粗大的等轴晶比较早的两成晶体骨架，而粗大的等轴晶的高温）由于粗大的等轴晶比较早的两成晶体骨架，而粗大的等轴晶的高温强度低，当晶间因收缩出现裂纹时，又得不到液态金属的及时填充使之强度低，当晶间因收缩出现裂纹时，又得不到液态金属的及时填充使之愈合，故铸件产生热裂的倾向大；愈合，故铸件产生热裂的倾向大；（1）当粗大的等轴晶互相连接
13、以后，便将尚未凝固的液态金属分割成一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩松。采用普通冒口消除缩松是很困难的，往往采用其它措施，如增加冒口的补缩压力，加速冷却等.（3）若这类合金在充填过程中发生凝固，其充型能力也很差。本讲稿第三十一页，共四十二页 应该指出，合金的补缩特性和充型性能是一致的，不仅与凝固应该指出，合金的补缩特性和充型性能是一致的，不仅与凝固应该指出，合金的补缩特性和充型性能是一致的，不仅与凝固应该指出，合金的补缩特性和充型性能是一致的，不仅与凝固方式密切相关，还受初生晶形态的影响。方式密切相关，还受初生晶形态的影响。方式密切相关，还受初生晶形态的影响。方式密切相关，还受初
14、生晶形态的影响。1 1液相边界液相边界液相边界液相边界 2 2初生晶析初生晶析初生晶析初生晶析出终了边界出终了边界出终了边界出终了边界 3 3固相边界固相边界固相边界固相边界 4 4倾出边界倾出边界倾出边界倾出边界亚共晶铝硅合金亚共晶铝硅合金亚共晶铝硅合金亚共晶铝硅合金过共晶铝硅合金过共晶铝硅合金过共晶铝硅合金过共晶铝硅合金四、四、灰铸铁和球墨铸铁的凝固灰铸铁和球墨铸铁的凝固 本讲稿第三十二页，共四十二页亚共晶灰铸铁和球墨铸铁凝固的共同特点亚共晶灰铸铁和球墨铸铁凝固的共同特点：初初生生奥奥氏氏体体枝枝晶晶能能迅迅速速布布满满铸铸件件的的整整个个断断面面,而而且且奥奥氏氏体体枝枝晶晶具具有有很很
15、大大的的连连成成骨骨架架的的能能力力。因因此此,这这两两种种铸铸铁铁都都有有产产生生缩缩松松的的可可能能性性。但但是是,由由于于它它们们的的共共晶晶凝凝固固方方式式和和石石墨墨长长大大的的机理不同机理不同,产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。本讲稿第三十三页，共四十二页液体液体 灰灰铸铸铁铁共共晶晶团团中中的的片片状状石石墨墨 ,与与枝枝晶晶间间的的共共晶晶液液体体直直接接接接触触，因因此此片片状状石石墨墨长长大大时时所所产产生生的的体体积积膨膨胀胀大大部部分分作作用用在在所所接接触触的的晶晶间间液液体体上上,迫迫使使它它们们通通过过枝枝晶晶间间的的通通道道去去
16、充充填填奥奥氏氏体体枝枝晶晶间间因因液液态态收收缩缩和和凝凝固固收收缩缩所所产产生生的的小小孔孔洞洞 ,从从而而大大大大降降低低了了灰灰铸铸铁铁产产生生缩缩松松的的严严重重程程度度。这就是灰铸铁的所谓。这就是灰铸铁的所谓“自补缩能力自补缩能力”本讲稿第三十四页，共四十二页液体液体本讲稿第三十五页，共四十二页液体液体本讲稿第三十六页，共四十二页液体液体本讲稿第三十七页，共四十二页液体液体本讲稿第三十八页，共四十二页液体液体本讲稿第三十九页，共四十二页 球球墨墨铸铸铁铁在在凝凝固固中中后后期期,石石墨墨球球长长大大到到一一定定程程度度后后 ,四四周周形形成成奥奥氏氏体体外外壳壳 ,碳碳原原子子通通
17、过过奥奥氏氏体体外外壳壳扩扩散散到到共共晶晶团团中中使使石石墨墨球球长长大大。当当共共晶晶团团长长大大到到相相互互接接触触后后 ,石石墨墨化化膨膨胀胀所所产产生生的的膨膨胀胀力力 ,只只有有一一小小部部分分作作用用在在晶晶间间液液体体上上 。而而大大部部分分作作用用在在相相邻邻的的共共晶团上或奥氏体枝晶上晶团上或奥氏体枝晶上,趋向于把它们挤开。趋向于把它们挤开。本讲稿第四十页，共四十二页 因因此此,球球墨墨铸铸铁铁的的缩缩前前膨膨胀胀比比灰灰铸铸铁铁大大得得多多随随着着石石墨墨球球的的长长大大,共共晶晶团团之之间间的的间间隙隙逐逐步步扩扩大大,并并使使铸铸件件普普遍遍膨膨胀胀共共晶晶团团之之间间的的间间隙隙就就是是球球墨墨铸铸铁铁的的显显微微缩缩松松,而而共共晶晶团团集集团团之之间间的的问问隙隙则则构构成成铸铸件件的的(宏宏观观)缩缩松松。所以所以,球墨铸铁产生缩松的倾向性很大球墨铸铁产生缩松的倾向性很大。本讲稿第四十一页，共四十二页 如如果果铸铸件件厚厚大大,球球墨墨铸铸铁铁的的缩缩前前膨膨胀胀也也会会导导致致铸铸件件产产生生缩缩孔孔。如如果果铸铸型型刚刚度度足足够够大大,石石墨墨化化的的膨膨胀胀力力有有可能将缩松压合。可能将缩松压合。在这种情况下在这种情况下,球墨铸铁也可看作具有球墨铸铁也可看作具有 自补缩自补缩 能力。能力。本讲稿第四十二页，共四十二页