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1、会计学1材料材料(cilio)成形技术基础成形技术基础 第一页，共137页。2006-9-7第1页/共137页第二页，共137页。2006-9-7液态金属液态金属(jnsh)的结构的结构l纯金属的液态结构纯金属的液态结构l 原子集团原子集团(jtun)、游离原子、空穴或、游离原子、空穴或裂纹组成裂纹组成l实际的液态金属（合金）结构实际的液态金属（合金）结构l 各种成分的原子集团各种成分的原子集团(jtun)、游离原、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡组成子、空穴、裂纹、杂质及气泡组成l液态金属的特点液态金属的特点l 能量起伏、成分起伏、结构（相）起伏能量起伏、成分起伏、结构（相）起伏第2页/共1
2、37页第三页，共137页。2006-9-7液态液态(yti)金属的热物理性质金属的热物理性质第3页/共137页第四页，共137页。2006-9-7间接说明液态金属的结构接近固态间接说明液态金属的结构接近固态(gti)而远离气态金属而远离气态金属第4页/共137页第五页，共137页。2006-9-7第5页/共137页第六页，共137页。2006-9-7近程有序、远程近程有序、远程(yunchng)无序无序第6页/共137页第七页，共137页。2006-9-7液态液态(yti)金属的性质金属的性质l液态金属的粘滞性（粘度）液态金属的粘滞性（粘度）l 1.粘度的实质及影响粘度的实质及影响(yngxi
3、ng)因素因素牛顿液体牛顿液体(yt)粘质粘质定律定律第7页/共137页第八页，共137页。2006-9-7l粘度的本质粘度的本质l 原子间的结合力原子间的结合力l影响粘度的因素影响粘度的因素l 原子离位激活能原子离位激活能l 原子间的距离原子间的距离(jl)l 温度温度l 夹杂物及合金元夹杂物及合金元素素第8页/共137页第九页，共137页。2006-9-7粘度在材料成形过程粘度在材料成形过程(guchng)中的意义中的意义l对液态金属净化对液态金属净化(jnghu)的影响的影响l夹杂物和气泡夹杂物和气泡斯托克斯公式斯托克斯公式(gngsh)第9页/共137页第十页，共137页。2006-9
4、-7l对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响(yngxing)l 流体的流动分层流和紊流流体的流动分层流和紊流l 雷诺数雷诺数Re的大小决定的大小决定l Re2300为紊流，为紊流，ReTm GSGL 熔化熔化 TTm GST。第45页/共137页第四十六页，共137页。2006-9-7二、自发形核二、自发形核 液相液相固态：能垒固态：能垒Gd Gd 能垒能垒GdGd的克服，是通过液态内部的温度起伏，的克服，是通过液态内部的温度起伏，即能量起伏来实现的。即能量起伏来实现的。形核：稳定的液相通过温度起伏在一些微小形核：稳定的液相通过温度起伏在一些微小(wixio)(wixio)区域内部
5、形成稳定存在的晶质质点的过区域内部形成稳定存在的晶质质点的过程。程。两种形核方式：自发形核和非自发形核。两种形核方式：自发形核和非自发形核。非自发形核是指在不均匀熔体中依靠外来杂质非自发形核是指在不均匀熔体中依靠外来杂质界面或各种衬底形核的过程，而自发形核则是指界面或各种衬底形核的过程，而自发形核则是指在不借助任何外来界面的均匀熔体中形核的过程。在不借助任何外来界面的均匀熔体中形核的过程。第46页/共137页第四十七页，共137页。2006-9-7 自自发发形形核核的的物物理理化化学学实实质质是是，液液体体内内部部出出现现(chxin)晶晶核核时时，系系统统的的吉吉布布斯斯自自由由能能变变化化
6、由由固固、液液两两相相能能差差和和固固、液液界界面面能能差差组组成成。前前者者是是相相变变的驱动力，后者则是相变的阻力。的驱动力，后者则是相变的阻力。仅仅靠靠液液相相内内部部自自发发形形核核的的过过程程，需需要要较较大大的的过过冷冷度才得以完成。度才得以完成。第47页/共137页第四十八页，共137页。2006-9-7均质形核热力学均质形核热力学 单位体积的液态金属（合单位体积的液态金属（合金）在一定的过冷度金）在一定的过冷度T下，下，其内部产生其内部产生(chnshng)1个晶个晶核，并假设晶核为球形，则体核，并假设晶核为球形，则体系的吉布斯自由能的变化为系的吉布斯自由能的变化为第48页/共
7、137页第四十九页，共137页。2006-9-7r*称为称为(chn wi)晶核临界半径晶核临界半径第49页/共137页第五十页，共137页。2006-9-7均质形核速率均质形核速率(sl)形核率为单位时间形核率为单位时间(shjin)、单位体积生成晶、单位体积生成晶核的数目核的数目第50页/共137页第五十一页，共137页。2006-9-7第51页/共137页第五十二页，共137页。2006-9-7均质形核理论均质形核理论(lln)的的局限性局限性均质形核是对纯金属均质形核是对纯金属(jnsh)而言的，其过冷而言的，其过冷度很大，约为度很大，约为0.2Tm纯液态纯液态(yti)铁的铁的T=1
8、590*0.2=318实际上，金属结晶时的过冷度一般为几分之实际上，金属结晶时的过冷度一般为几分之一摄氏度到几十摄氏度一摄氏度到几十摄氏度第52页/共137页第五十三页，共137页。2006-9-7异质异质(y zh)形核形核热力学热力学第53页/共137页第五十四页，共137页。2006-9-7第54页/共137页第五十五页，共137页。2006-9-7第55页/共137页第五十六页，共137页。2006-9-7第56页/共137页第五十七页，共137页。2006-9-7第57页/共137页第五十八页，共137页。2006-9-7第58页/共137页第五十九页，共137页。2006-9-7异
9、质形核速率异质形核速率(sl)及其影及其影响因素响因素n过冷度过冷度n界面界面(jimin)n液体液体(yt)的过热及持的过热及持续时间续时间第59页/共137页第六十页，共137页。2006-9-7 原子数：原子数：n n凸凸 n n平平 n n凹凹形核能力形核能力:弱弱 中中 强强第60页/共137页第六十一页，共137页。2006-9-7在一定范围内增加过冷度，无论是非自发形核还是在一定范围内增加过冷度，无论是非自发形核还是(hi shi)(hi shi)自发形核的形核率都会得到显著提高。其中非自发形核比自发形核需要小得多的过冷度。自发形核的形核率都会得到显著提高。其中非自发形核比自发形
10、核需要小得多的过冷度。T第61页/共137页第六十二页，共137页。2006-9-7形核剂应该具备下述特点：形核剂应该具备下述特点：1.1.失配度小失配度小 衬衬底底晶晶面面总总是是力力图图与与最最相相近近的的晶晶格格(jn(jn)常常数数与与键键型型的的晶晶面面相相结结合合，有有完完全全共共格格对对应应与与半半共共格格对对应应界面。界面。界面原子间距对应程度可由点阵失配度来衡量。界面原子间距对应程度可由点阵失配度来衡量。三、形核剂三、形核剂 细化金属细化金属(jnsh)晶粒，改善材料性能。晶粒，改善材料性能。第62页/共137页第六十三页，共137页。2006-9-7第63页/共137页第六
11、十四页，共137页。2006-9-7 当5时，通过点阵畸变，可以(ky)实现晶面两侧的原子对应，这种界面就是完全共格界面。其界面能最低，促进非白发形核能力最强，形核率最高。当5x0.95)第72页/共137页第七十三页，共137页。2006-9-7 从从固固液液界界面面微微观观尺尺度度考考虑虑，可可将将其其自自然然划划分分成成粗粗糙糙界界面面和和光光滑滑(gung hu)界界面面，光光滑滑(gung hu)界界面面也也称为小晶面，而把粗糙界面又称为非小晶面。称为小晶面，而把粗糙界面又称为非小晶面。光光滑滑(gung hu)界界面面：界界面面上上有有很很多多空空位位被被原原子子占占据据，或或几几
12、乎乎所所有有空空位位被被原原子子占占有有。光光滑滑(gung hu)界界面面上上仍允许有一些小的台阶存在。仍允许有一些小的台阶存在。粗粗糙糙界界面面：从从原原子子尺尺度度上上看看是是粗粗糙糙的的，但但从从宏宏观观上上看看却是却是“光滑光滑(gung hu)”的。的。固液界面固液界面(jimin)的结构的结构第73页/共137页第七十四页，共137页。2006-9-7第74页/共137页第七十五页，共137页。2006-9-7第75页/共137页第七十六页，共137页。2006-9-7 晶体生长方式由固液界面结构所确定，一般粗糙界面对应于连续长大，光滑界面对应于侧面(cmin)长大。界面越粗糙，
13、原子长大沉积过程越容易。对于光滑界面，原子主要依靠台阶长大。对这两种长大方式，粗糙界面的连续长大要比光滑界面的侧向长大容易得多。连续长大的含义是长大过程可以连续不断地进行；而侧面(cmin)长大，在长大台阶消耗殆尽后，只有依靠在界面形成新的台阶，才能使长大过程持续进行。生长生长(shngzhng)方式方式第76页/共137页第七十七页，共137页。2006-9-7l连续连续(linx)生长生长第77页/共137页第七十八页，共137页。2006-9-7侧面侧面(cmin)生长生长二维晶核台阶二维晶核台阶(tiji)生长生长缺陷缺陷(quxin)形成形成台阶生长台阶生长螺旋位错生长螺旋位错生长第
14、78页/共137页第七十九页，共137页。2006-9-7第79页/共137页第八十页，共137页。2006-9-7旋转旋转(xunzhun)孪孪晶生长晶生长反射反射(fnsh)孪晶生长孪晶生长第80页/共137页第八十一页，共137页。2006-9-7 与形核过程类似，生长过程也需要克服能垒。即需要一定的过冷度，生长所需过冷度与晶体生长方式有很大关系。当过冷度较小时，光滑界面(jimin)趋向于螺型位错方式生长；过冷度较大时，则转为连续生长。二维生长方式对于光滑界面(jimin)的晶体几乎是不可能的。在所有生长方式中，连续生长的速度始终是最快的。生长生长(shngzhng)速度速度第81页/
15、共137页第八十二页，共137页。2006-9-7T第82页/共137页第八十三页，共137页。2006-9-7作业作业(zuy)P51：3、5第83页/共137页第八十四页，共137页。2006-9-7单相单相(dn(dn xin)xin)合金的凝合金的凝固固 什么什么(shn me)是平衡分配系数？是平衡分配系数？非非平平衡衡凝凝固固的的Scheil方方程程与与平平衡衡凝凝固固杠杠杆杆定定律有何差别？律有何差别？什什么么(shn me)是是成成分分过过冷冷?它它是是怎怎么么产产生生的的?怎么判断成分过冷？怎么判断成分过冷？成分过冷与晶体生长形态有何关系？成分过冷与晶体生长形态有何关系？第8
16、4页/共137页第八十五页，共137页。2006-9-7一、溶质再分配与平衡分配系数一、溶质再分配与平衡分配系数 在平衡凝固过程中，固液共存温度区间是从平衡在平衡凝固过程中，固液共存温度区间是从平衡相图中液相线温度开始，至固相线温度结束。随温相图中液相线温度开始，至固相线温度结束。随温度的下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液度的下降，固相成分沿固相线变化，液相成分沿液相线变化。可见，凝固过程中必有传质过程发生，相线变化。可见，凝固过程中必有传质过程发生，固液界面两侧都将不断地发生溶质再分配现象固液界面两侧都将不断地发生溶质再分配现象(xinxing)，其原因在于各组元在不同相中化学，其原因
17、在于各组元在不同相中化学位不同。位不同。单相合金：凝固时只析出一个单相合金：凝固时只析出一个(y)固相的合固相的合金。金。多相合金：凝固同时析出两个以上相的合金。多相合金：凝固同时析出两个以上相的合金。第85页/共137页第八十六页，共137页。2006-9-7 设界面的温度为设界面的温度为T*T*，则固相侧薄层中的溶，则固相侧薄层中的溶质含量为质含量为CS*CS*，液相侧薄层中溶质的含量为，液相侧薄层中溶质的含量为CL*CL*，将两者之比定义为平衡分配系数，将两者之比定义为平衡分配系数 K0 K0：K0=CS*/CL*K0=CS*/CL*对大多数单相对大多数单相(dn xin)(dn xin
18、)合金，合金，K01 K01 第86页/共137页第八十七页，共137页。2006-9-7 溶质在固相中的扩散率比在液相中要小3个数量级。单位等截面的单元体质量为1，固相质量分数ws与液相质量分数wL，在任何时刻都满足关系：ws+wL=1 此外，不计溶质在固相中的扩散。在液相均匀混合的条件下，可以(ky)得到下面的非平衡杠杆定律(也称为Scheil方程)：CS*=K0C0(1-ws)k0-1 二、非平衡凝固时的溶质二、非平衡凝固时的溶质(rngzh)再分配再分配第87页/共137页第八十八页，共137页。2006-9-7 如果液相中溶质并不能如果液相中溶质并不能均匀混合，固液界面前方将存均匀混
19、合，固液界面前方将存在一个溶质边界层在一个溶质边界层(如图如图2 22424所示所示)，此时，此时ScheilScheil方程仍方程仍适用适用(shyng)(shyng)，但需对平衡，但需对平衡分配系数分配系数K0K0加以修正，用有效加以修正，用有效平衡分配系数平衡分配系数KeKe代替代替K0K0即可。即可。系数系数KeKe与固液界面推进速度、与固液界面推进速度、溶质边界层厚度和溶质液相扩溶质边界层厚度和溶质液相扩散系数有关。散系数有关。一般凝固条件下固液界面液相侧形成溶质边界层 第88页/共137页第八十九页，共137页。2006-9-7 一般凝固条件下，固液界面前沿液相溶质将形成一个溶质富
20、集的边界层(对K01的合金)。这种溶质富集，导致液相凝固温度TL发生改变，与界面前沿实际温度Ta相比，产生差异，此差异可能引起过冷。把这种由溶质再分配(fnpi)导致界面前沿平衡温度发生变化而引起的过冷称为成分过冷。三、成分三、成分(chng fn)过冷过冷第89页/共137页第九十页，共137页。2006-9-7第90页/共137页第九十一页，共137页。2006-9-7界面界面(jimin)处的处的温度温度Ti为为界面界面(jimin)处的过冷度处的过冷度Tk(动力学过冷度动力学过冷度)为为固液界面固液界面(jimin)前方液体的前方液体的过冷度为过冷度为固液界面前方液相的温度为固液界面前
21、方液相的温度为第91页/共137页第九十二页，共137页。2006-9-7l成分成分(chng fn)过冷判据过冷判据第92页/共137页第九十三页，共137页。2006-9-7四、成分四、成分(chng fn)(chng fn)过冷与晶体生长形过冷与晶体生长形态的关系态的关系l 无成分无成分(chng fn)过冷过冷平面生平面生长长l狭窄过冷区狭窄过冷区 扰动扰动 胞状界面胞状界面l较宽成分较宽成分(chng fn)过冷区过冷区柱柱状树枝晶状树枝晶l宽成分宽成分(chng fn)过冷区过冷区自由自由树枝晶树枝晶 第93页/共137页第九十四页，共137页。2006-9-7第94页/共137页
22、第九十五页，共137页。2006-9-7第95页/共137页第九十六页，共137页。2006-9-7第96页/共137页第九十七页，共137页。2006-9-7第97页/共137页第九十八页，共137页。2006-9-7第98页/共137页第九十九页，共137页。2006-9-7第99页/共137页第一百页，共137页。2006-9-7五、偏析五、偏析l偏析的定义偏析的定义l 铸件凝固后，从微观晶粒内部到宏观上各部铸件凝固后，从微观晶粒内部到宏观上各部位化学成分不均匀的现象。位化学成分不均匀的现象。l偏析的类型偏析的类型l 微观偏析和宏观偏析微观偏析和宏观偏析l偏析对铸件质量偏析对铸件质量(z
23、hling)的影响及其应用的影响及其应用l物理化学性质的不均匀，降低铸件的使用寿命；物理化学性质的不均匀，降低铸件的使用寿命；热裂倾向增大；抗腐蚀性能下降。热裂倾向增大；抗腐蚀性能下降。l净化和提纯金属净化和提纯金属第100页/共137页第一百零一页，共137页。2006-9-7l定义定义l 微小范围内的化学成分不均匀的现象微小范围内的化学成分不均匀的现象(xinxing)。l类型类型l胞状偏析胞状偏析l枝晶偏析（晶内偏析）枝晶偏析（晶内偏析）l晶界偏析晶界偏析微观微观(wigun)偏析偏析第101页/共137页第一百零二页，共137页。2006-9-71、胞状偏析、胞状偏析成分成分(chng
24、 fn)过冷较小过冷较小晶体呈胞状方式晶体呈胞状方式(fngsh)生长生长溶质溶质(rngzh)再再分配分配胞壁处的溶质将富集或贫乏胞壁处的溶质将富集或贫乏均匀化退火可以消除均匀化退火可以消除第102页/共137页第一百零三页，共137页。2006-9-72、枝晶偏析（晶内偏析）、枝晶偏析（晶内偏析）具有结晶温度具有结晶温度(wnd)范范围，能够形成固溶体的围，能够形成固溶体的合金合金在不平衡在不平衡(pnghng)凝凝固条件下固条件下析出相的固体析出相的固体(gt)成分成分不同不同晶粒内部成分不均匀晶粒内部成分不均匀溶质不能均匀扩散溶质不能均匀扩散第103页/共137页第一百零四页，共137
25、页。2006-9-7l影响晶内偏析程度的因素影响晶内偏析程度的因素l（1）冷却速度）冷却速度l 冷却速度越大，溶质扩散越不均匀，晶内偏冷却速度越大，溶质扩散越不均匀，晶内偏析越严重；随着冷却速度的增加，使晶粒细化，析越严重；随着冷却速度的增加，使晶粒细化，可以减轻晶内偏析。可以减轻晶内偏析。l（2）偏析元素在固溶体中的扩散能力）偏析元素在固溶体中的扩散能力(nngl)。l（3）合金相图上液相线与固相线的水平距离）合金相图上液相线与固相线的水平距离扩散扩散(kusn)退火或均匀化退退火或均匀化退火来消除火来消除第104页/共137页第一百零五页，共137页。2006-9-73、晶界偏析、晶界偏析
26、两个晶粒并排生长，两个晶粒并排生长，晶界平行晶界平行(pngxng)于于生长方向生长方向凹槽（晶界与熔液）凹槽（晶界与熔液）表面张力表面张力(biominzhngl)平衡要求平衡要求晶界溶质晶界溶质(rngzh)原子的富集原子的富集溶质再分配溶质再分配第105页/共137页第一百零六页，共137页。2006-9-7宏观宏观(hnggun)偏析偏析l定义定义l 较大较大(jio d)尺寸范围内的化学成分尺寸范围内的化学成分不均匀现象不均匀现象l类型类型l正偏析、负（逆）偏析正偏析、负（逆）偏析lV形偏析、逆形偏析、逆V形偏析形偏析l带状偏析、密度偏析带状偏析、密度偏析l区域偏析、层状偏析区域偏析
27、、层状偏析第106页/共137页第一百零七页，共137页。2006-9-71、正偏析、正偏析溶质溶质(rngzh)再再分配分配溶质溶质(rngzh)的浓度的浓度逐渐增加逐渐增加K01后结晶的固相的溶质后结晶的固相的溶质(rngzh)浓度高于先结浓度高于先结晶的部分晶的部分凝固界面的液相中将有一部凝固界面的液相中将有一部分溶质被排出分溶质被排出第107页/共137页第一百零八页，共137页。2006-9-72、逆偏析、逆偏析第108页/共137页第一百零九页，共137页。2006-9-7一定一定(ydng)结晶温结晶温度范围的固溶体型合度范围的固溶体型合金金枝晶间富集着低熔点枝晶间富集着低熔点(
28、rngdin)溶质溶质缓慢缓慢(hunmn)凝固凝固低熔点溶质将沿着树枝晶向外移动低熔点溶质将沿着树枝晶向外移动形成相互交错的粗大树枝晶形成相互交错的粗大树枝晶铸件产生体收缩铸件产生体收缩第109页/共137页第一百一十页，共137页。2006-9-7l正偏析和逆偏析的影响因素正偏析和逆偏析的影响因素(yn s)l结晶温度范围结晶温度范围l树枝状晶的尺寸树枝状晶的尺寸l冷却条件冷却条件l合金结晶过程液体金属所受的压合金结晶过程液体金属所受的压力力第110页/共137页第一百一十一页，共137页。2006-9-7第六节第六节 共晶合金共晶合金(hjn)(hjn)的凝固的凝固 l共晶合金共晶合金(
29、hjn)的类型的类型l 规则共晶和非规则共晶规则共晶和非规则共晶金属金属金属相或金属金属相或金属金属间化合物相，即非小平面金属间化合物相，即非小平面非小平面组成非小平面组成(z chn)。形态有规则的棒状或层片状。形态有规则的棒状或层片状。1/金属金属非金属（非小平面非金属（非小平面小平面）相或非金属小平面）相或非金属非金属（小平面非金属（小平面小平面）相组成小平面）相组成第111页/共137页第一百一十二页，共137页。2006-9-7 和纯金属类似，在合金液相中形核也需和纯金属类似，在合金液相中形核也需要一定的过冷度。在共晶温度要一定的过冷度。在共晶温度TETE以下，两相以下，两相中中某一
30、相先形核，而另一相则依附于先形核某一相先形核，而另一相则依附于先形核相形核，继而相形核，继而(j r)(j r)形成两相竞相析出和长形成两相竞相析出和长大的过程。大的过程。共晶结晶的方式可分共晶结晶的方式可分为共生生长和离异为共生生长和离异生长两种。生长两种。第112页/共137页第一百一十三页，共137页。2006-9-7l伪共晶伪共晶(n jn)组织组织非共晶非共晶(n jn)成分在近平衡凝固条件下获得的成分在近平衡凝固条件下获得的完全共晶完全共晶(n jn)组织组织l共晶共晶(n jn)共生区共生区非平衡凝固条件下，获得伪非平衡凝固条件下，获得伪共晶组织的特定的成分和温共晶组织的特定的成
31、分和温度范围度范围第113页/共137页第一百一十四页，共137页。2006-9-7l共晶共生共晶共生(gngshng)区的类型区的类型对称对称(duchn)型和型和非对称非对称(duchn)型型第114页/共137页第一百一十五页，共137页。2006-9-7共生生长：结晶时后析出相依附于领先析出相表面共生生长：结晶时后析出相依附于领先析出相表面(biomin)(biomin)析出，形成具有两相析出，形成具有两相共同生长界面的双相核共同生长界面的双相核心，然后依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，心，然后依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻互相不断地为相邻的另一相提供生
32、长所需的组元，使两的另一相提供生长所需的组元，使两相协同生长。这种两相彼此合作生相协同生长。这种两相彼此合作生长的方式，就称为共长的方式，就称为共生生长。生生长。第115页/共137页第一百一十六页，共137页。2006-9-7l对称对称(duchn)型型组成共晶的两个组成共晶的两个(lin)组元熔点相近，两条组元熔点相近，两条液相线形状彼此对称，共晶两相性质相近，两相液相线形状彼此对称，共晶两相性质相近，两相在共晶成分附近析出能力相当。在共晶成分附近析出能力相当。易于形成彼此易于形成彼此(bc)依附的双相依附的双相核心核心易于保持两相等速的协同生长易于保持两相等速的协同生长两相在共晶成分附近
33、的扩散能力接近两相在共晶成分附近的扩散能力接近金属金属金属（非小平面金属（非小平面非非小平面）共晶合金小平面）共晶合金第116页/共137页第一百一十七页，共137页。2006-9-7两相共生两相共生(gngshng)生生长模型长模型共晶两相按共同合作共晶两相按共同合作(hzu)的方式同时长大的生的方式同时长大的生长方式长方式第117页/共137页第一百一十八页，共137页。2006-9-7离异生长：有的共晶合金两相生长时，并没有共同的生长界面，而是两相分离，并以不同的生长速率进行结晶，这就是所谓的离异生长方式。其所得的组织称为(chn wi)离异共晶体。离异共晶体又可分为晶间偏析型和领先相呈
34、球团型两类。第118页/共137页第一百一十九页，共137页。2006-9-7 领先相往往属熔点高的非金属，且生长界面为各向异性，此时领先相形成(xngchng)球团形态，金属相只能围绕其表面生长，形成(xngchng)“晕圈”。“晕圈”的成因可能与共晶两相的形核能力及生长速率差异有关。“晕圈”可分为完整的(封闭式)和不完整的两种。第119页/共137页第一百二十页，共137页。2006-9-7第120页/共137页第一百二十一页，共137页。2006-9-7第121页/共137页第一百二十二页，共137页。2006-9-7第七节第七节 金属及合金金属及合金(hjn)(hjn)的凝的凝固方式固
35、方式 一、凝固区特性与凝固件质量的关系一、凝固区特性与凝固件质量的关系(gun x)三个典型的区域：液相区、固液两相区和固相区三个典型的区域：液相区、固液两相区和固相区 第122页/共137页第一百二十三页，共137页。2006-9-7固液两相区的性质与凝固件最终的健全固液两相区的性质与凝固件最终的健全(jin qun)性关系最为密切。固液两相区的性关系最为密切。固液两相区的 宽度对凝固补缩是否顺利，有很重要影响。固液两相区较窄时呈现逐层凝固特征；凡液相补缩困难的凝固，凝宽度对凝固补缩是否顺利，有很重要影响。固液两相区较窄时呈现逐层凝固特征；凡液相补缩困难的凝固，凝固件致密性就差，并容易出现缩
36、孔、缩松缺陷。固件致密性就差，并容易出现缩孔、缩松缺陷。第123页/共137页第一百二十四页，共137页。2006-9-7凝固凝固(nngg)(nngg)动态曲线：凝动态曲线：凝固件断面液相线固件断面液相线固相固相线与凝固线与凝固(nngg)(nngg)时间的关系。时间的关系。二、凝固动态二、凝固动态(dngti)曲线与凝固方式曲线与凝固方式层状凝固层状凝固(nngg)体积凝固体积凝固（糊状凝固）（糊状凝固）中间状凝固中间状凝固第124页/共137页第一百二十五页，共137页。2006-9-7 凝凝固固方方式式(fngsh)一一般般由由合合金金固固液液相相线线温温度度间间隔隔和和凝凝固固件件断
37、断面面温温度度梯梯度度两两个个因因素素决决定定。凝凝固固温温度度间间隔隔大大的的合合金金，倾倾向向于于糊糊状状凝凝固固；反反之之，倾倾向向于于逐逐层层凝凝固固。温温度度梯梯度度大大时时，宽宽固固液液相相温温度度间间隔隔的合金趋于中间的合金趋于中间凝固或逐层凝固。凝固或逐层凝固。三、凝固方式三、凝固方式(fngsh)的影响因素的影响因素第125页/共137页第一百二十六页，共137页。2006-9-7砂型:糊状凝固 金属型:逐层凝固 离界面距离/mm离界面距离/mm始点终点始点终点时间/mm时间/mm图图2.40 2.40 工业纯铝凝固件断面的凝固动态曲线工业纯铝凝固件断面的凝固动态曲线 第12
38、6页/共137页第一百二十七页，共137页。2006-9-7第127页/共137页第一百二十八页，共137页。2006-9-7铸型的冷却能力铸型的冷却能力(nngl)(nngl)：强：强逐层凝固逐层凝固 合金凝固的温度范围：窄合金凝固的温度范围：窄逐层凝固逐层凝固合金热导率：小合金热导率：小逐层凝固逐层凝固合金本身的凝固温度合金本身的凝固温度第128页/共137页第一百二十九页，共137页。2006-9-7第八节第八节 凝固凝固(nngg)(nngg)成形的应用成形的应用一、收缩一、收缩1、液液态态收收缩缩。浇浇注注温温度度凝凝固固开开始始的的温温度度所所发发生生的的体体积收缩。液态收缩主要表
39、现为液面的降低。积收缩。液态收缩主要表现为液面的降低。2、凝凝固固收收缩缩。凝凝固固阶阶段段的的收收缩缩。取取决决于于状状态态改改变变和和凝凝固固温温度度范范围围(fnwi)的的大大小小。合合金金凝凝固固温温度度范范围围(fnwi)增加，凝固收缩也相应增大。增加，凝固收缩也相应增大。3、固固态态收收缩缩。固固态态合合金金因因温温度度降降低低发发生生的的收收缩缩。固固态态收缩对铸收缩对铸件的尺寸精度影响相当大。件的尺寸精度影响相当大。第129页/共137页第一百三十页，共137页。2006-9-7 液态收缩和凝固收缩是铸件产生液态收缩和凝固收缩是铸件产生(chnshng)(chnshng)缩孔、
40、缩孔、缩松的主要原因，而固态收缩则是铸件产生缩松的主要原因，而固态收缩则是铸件产生(chnshng)(chnshng)铸造应铸造应力、变形、裂纹的主要原因。因此，铸件的收缩控力、变形、裂纹的主要原因。因此，铸件的收缩控制对铸件的质量影响是很大的。制对铸件的质量影响是很大的。合金的收缩量可以用体收缩率和线收缩率来表示。合金的收缩量可以用体收缩率和线收缩率来表示。第130页/共137页第一百三十一页，共137页。2006-9-7 把体积大而集中的孔洞称为缩孔；把细小而分散(fnsn)的孔洞称为缩松。缩孔和缩松都会使铸件受力的有效截面积减小，在缩孔、缩松处还会产生应力集中，而使铸件强度降低。对于一些
41、耐压的零件，缩孔、缩松还会使耐压指标降低而发生渗漏，故生产中应尽量防止或减少缩孔、缩松。二、缩二、缩孔与缩松孔与缩松第131页/共137页第一百三十二页，共137页。2006-9-7 铸件凝固后，由于(yuy)合金的收缩，在最后凝固部位往往出现孔洞。第132页/共137页第一百三十三页，共137页。2006-9-7生产中常用画生产中常用画“凝固等温线凝固等温线”和画和画“内切圆内切圆”的方法的方法(fngf)(fngf)来近似确来近似确定缩孔位置。定缩孔位置。复杂(fz)铸件简单(jindn)铸件第133页/共137页第一百三十四页，共137页。2006-9-7 分热应力、相变应力和机械阻碍应
42、力。铸件冷却时因各部分冷却速度不同，造成在同一时刻各部分的收缩量不同，彼此相互制约的结果就产生了应力。热应力：因散热条件和冷却速度不同而形成的铸造应力。相变应力：具有固态(gti)相变的合金铸件，冷却过程发生的相变时间、相变体积的变化，导致各部分的体积和长度变化时间也不一致。机械阻碍应力：铸件收缩时，受铸件浇注系统、冒口和本身的机械阻碍而产生的应力。三、应力三、应力(yngl)第134页/共137页第一百三十五页，共137页。2006-9-7当铸造应力超过金属的抗拉强度时，铸件便会产生裂纹。当铸造应力超过金属的抗拉强度时，铸件便会产生裂纹。按裂纹形成的温度范围，可分为冷按裂纹形成的温度范围，可
43、分为冷裂和热裂两种类型。裂和热裂两种类型。热裂是在凝固末期高温下形成的，其表面呈氧化色。热裂是在凝固末期高温下形成的，其表面呈氧化色。冷裂是铸件处于弹性状态，冷裂是铸件处于弹性状态，即在低温时形成的，其表即在低温时形成的，其表面光滑，具有金属光泽或呈轻微氧化色。面光滑，具有金属光泽或呈轻微氧化色。避免铸件发生避免铸件发生(fshng)(fshng)变形和裂纹，最根本的办法变形和裂纹，最根本的办法是减小残余应力。是减小残余应力。四、裂纹四、裂纹(li wn)第135页/共137页第一百三十六页，共137页。2006-9-7作业作业(zuy)：P50：10、16第136页/共137页第一百三十七页，共137页。