材料凝固理论2

§2-7金属及合金的凝固方式§2-7金属及合金的凝固方式一、凝固组织控制1.铸件宏观组织的形成(1)表面细晶粒区(2)柱状晶区(3)内部等轴晶区晶区形成机理表面细等轴晶区：型壁激冷作用产生砂型金属型§2-7金属及合金的凝固方式柱状晶区：表面细等轴晶通过择优取向长成§2-7金属及合金的凝固方式内部等轴晶区：过冷熔体非自发形核,界面前方晶粒游离,激冷晶粒游离。§2-7金属及合金的凝固方式2.凝固组织的控制等轴晶的特点：优点：杂质、缺陷分布分散，性能无方向性缺点：枝晶发达，组织不致密，缩松较多柱状晶的特点：优点：组织致密，缩松和杂质少，性能有方向性，磁性能好，高温蠕变性能好缺点：界面杂质多，易开裂§2-7金属及合金的凝固方式（1）等轴晶组织的获得和细化a)金属性质方面：•选择凝固温度范围宽的合金，造成枝晶断裂、游离•选择溶质含量高、平衡分配系数小的合金，促使晶粒颈缩、熔断、游离•孕育处理，促使大量形核§2-7金属及合金的凝固方式b)浇注条件方面：•低温浇注，有利于在流道造成枝晶断裂、游离•加强对型壁的冲刷，增加游离晶中心顶注靠近型壁顶注靠近型壁雨淋浇注等轴晶最少等轴晶较多等轴晶最多§2-7金属及合金的凝固方式进水出水使用冷凝器以增加金属液游离晶数量，但应减少气体、夹杂物的带入量。§2-7金属及合金的凝固方式c)铸型性质和结构方面：•对薄壁件，采用激冷能力强的铸型•对厚壁件，采用激冷能力较弱的铸型d)动态晶粒细化：•振动：振动铸型、浇注槽和浇口杯。振动源有电磁、机械和超声振动•搅拌：机械、电磁搅拌•旋转震荡：变速旋转§2-7金属及合金的凝固方式§2-7金属及合金的凝固方式初生碳化物晶粒度§2-7金属及合金的凝固方式e)孕育处理：孕育处理的目的是造成大量晶核、细化晶粒。•合理选择孕育剂•合理确定孕育工艺§2-7金属及合金的凝固方式（2）柱状晶组织的获得定向凝固方法，形成有一段向另一端发展的大的温度梯度，提供了柱状晶充分发展的条件。定向凝固装置示意§2-7金属及合金的凝固方式3.凝固方式及影响因素逐层凝固和糊状凝固§2-7金属及合金的凝固方式SSS+LS+LLTLTST逐层凝固糊状凝固SSS+LTLTST§2-7金属及合金的凝固方式§2-7金属及合金的凝固方式5.凝固方式与质量的关系凝固范围凝固范围窄凝固范围宽凝固方式逐层凝固糊状凝固动态图特点凝固始终点波范围窄凝固始终点波范围宽组织特点表面细等轴晶+柱状晶（+中心等轴晶）树枝发达的粗等轴晶缺陷倾向集中缩孔缩松（分散性缩孔）充填性能好差所属金属及合金纯金属、共晶成分合金、低碳钢、铝青铜、黄铜铝铜合金、铝镁合金、镁合金、锡青铜、铅青铜、高碳钢、球墨铸铁、黄铜§2-7金属及合金的凝固方式§2-8凝固成形的应用三、铸造生产过程中的凝固收缩控制1.收缩的基本概念：铸件在冷却过程中体积缩小的现象叫收缩。铸件收缩可引起缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂。收缩可分为体收缩和线收缩。•体收缩：金属由液态到常温的体积改变量。用体收缩率来表示。•线收缩：金属固态线尺寸改变量。用线收缩率来表示。%100)(%100000lVlVTTVVV%100)(%100000llllTTlll§2-8凝固成形的应用收缩还可分成：液态收缩、凝固收缩、固态收缩铸造合金的收缩过程示意nmmn§2-8凝固成形的应用•对逐层凝固的合金：液态收缩+凝固收缩-固态收缩是产生缩孔的基本原因。•对糊状凝固的合金：凝固收缩是形成缩松的主要原因。§2-8凝固成形的应用2.铸件的收缩：自由收缩：仅受到金属表面与铸型表面摩擦力阻碍的收缩。受阻收缩：受到热阻力和机械阻力的收缩。§2-8凝固成形的应用3.铸件的缩孔铸件在凝固过程中，因合金的液态和凝固收缩，在铸件最后凝固处形成的容积大而集中的孔洞。危害：降低强度（减少有效受力面积，产生应力集中），导致承压铸件渗漏。§2-8凝固成形的应用缩孔的形成：§2-8凝固成形的应用影响缩孔体积的因素：•合金的液态收缩大缩孔体积大•合金的固态收缩大缩孔体积大•浇注速度慢缩孔体积小•铸型激冷能力大缩孔体积小•铸件厚缩孔体积大•浇注温度高缩孔体积大•热导率、凝固温度范围大缩孔体积小•铸型刚度大缩孔体积小§2-8凝固成形的应用缩孔位置的确定：a）凝固等温线法§2-8凝固成形的应用冷铁冷铁§2-8凝固成形的应用b）内切圆法§2-8凝固成形的应用c）计算机凝固过程预测法§2-8凝固成形的应用4.铸件的缩松•缩松是铸件最后凝固的区域没能得到液态合金的补缩造成的分散、细小的缩孔。•根据的分布形态，缩松分为宏观缩松和微观缩松两类•宏观缩松：指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞。宏观缩松通常出现在缩孔的下方。•微缩缩松：是指分布在枝晶间的微小孔洞，在显微镜下才能看到。这种缩松的分布面更大，甚至遍及铸件整个截面，也很难完全避免。对于一般铸件也不作为缺陷对待，除非一些对致密性和力学性能要求很高的铸件。§2-8凝固成形的应用倾向于逐层凝固的合金，如纯金属、共晶成分的合金或结晶温度范围窄的合金，形成缩孔的倾向大，不易形成缩松；而另一些倾向于糊状凝固的合金如结晶温度范围宽的合金，产生缩孔的倾向小，却极易产生缩松。因此，缩孔和缩松可在一定范围内互相转化。§2-8凝固成形的应用§2-8凝固成形的应用5.防止铸件产生缩孔缩松的途径：a)顺序凝固和同时凝固•顺序凝固：铸件上远离冒口或浇口的部分到浇口或冒口之间建立递增的温度梯度，合金由远到近，按顺序凝固的方法•优点：能较好发挥冒口的补缩作用•缺点：易发生热裂、应力和变形，加冒口、冷铁或补贴，使工艺较复杂§2-8凝固成形的应用•同时凝固：铸件各部分温差很小，几乎同时发生凝固•优点：热裂、应力和变形趋势小，工艺出品率高，劳动量小•缺点：铸件中心易出现缩松，铸件不致密温度距浇口距离0§2-8凝固成形的应用b）防止缩孔、缩松的工艺措施•合理确定浇注系统及浇注工艺•浇口从铸件厚壁处引入以加强顺序凝固的趋势。•浇口尽可能靠近冒口或使金属液通过冒口再进入铸件。•浇注位置要适当（顶注、底注、中注式）。•采用回转铸型浇注方法。•合理选择浇注温度和浇注速度。§2-8凝固成形的应用12慢浇3快浇412慢浇3快浇4温度高度0冒口铸件浇注位置对缩孔、缩松的影响§2-8凝固成形的应用凝固位置回转铸型法示意图§2-8凝固成形的应用•应用冒口其作用：补缩、出气、浮渣、观察冒口铸件型腔§2-8凝固成形的应用•应用补贴造成一定的温度梯度，形成顺序凝固趋势§2-8凝固成形的应用•应用激冷物与冒口配合，加强顺序凝固趋势。局部加快热节冷却速度。细化基体组织。冒口§2-8凝固成形的应用四、铸造生产过程中凝固应力控制1.铸造应力及其分类：铸造应力：铸件在凝固过程中，因发生冷却或膨胀，产生体积或尺寸变化而产生的应力。§2-8凝固成形的应用铸造应力的分类：热应力相变应力机械阻碍应力临时应力残余应力按应力形成的原因分类：按应力存在时间长短分类：§2-8凝固成形的应用按应力形成原因分类：热应力–铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不一致，造成收缩量不一致，彼此制约的结果，所形成的应力。相变应力–铸件冷却过程中发生固态相变的时间不一致，体积和长度变化的时间也不一致，彼此制约，形成的应力。机械应力–铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍而产生的应力。§2-8凝固成形的应用按应力存在的时间分类：临时应力-在产生的应力原因被消除后，即消失的应力。这类应力有机械阻碍应力。残余应力-产生应力的原因消除后，仍残留下来的应力。这类应力有热应力和相变应力。§2-8凝固成形的应用2.铸造应力对铸件质量的影响危害：•残余应力方向与零件工作应力方向一致，导致正常工作条件下产生裂纹，甚至断裂。应力载荷载荷§2-8凝固成形的应用•残余应力超过材料的屈服强度，导致零件变形，而成为废品。fY0§2-8凝固成形的应用•残余应力超过材料的断裂强度，使零件在铸造后直接断裂，成为废品。§2-8凝固成形的应用•残余应力作用于工作在腐蚀介质中的零件，导致应力腐蚀。§2-8凝固成形的应用优点：残余压应力可减小零件工作时的拉应力产生预应力，增加两个铸件间的配合强度。§2-8凝固成形的应用3.铸造应力分析a）热应力的形成：以厚薄杆为例进行分析。假设条件：•杆的起始冷却温度为Ti，最后冷却温度为Te=0℃•杆冷却过程无相变，无机械阻碍•弹塑性转变临界温度为Tk•杆I、II间无热交换III§2-8凝固成形的应用热应力形成机理图解“厚拉薄压”原则ITkTTi0IIIIITITII塑性状态弹性状态123III0ll3=10IIIIIIIII实际长度§2-8凝固成形的应用b）相变应力的形成：相变应力可以是临时应力，也可以是残余应力。有残余相变应力时，应力方向与热应力方向相反。（为什么？）合金相变温度低于临界温度Tk时，才有可能产生相变应力。热应力相变应力§2-8凝固成形的应用c）机械阻碍应力的形成：机械阻碍应力属于临时应力。机械阻碍应力与热应力方向是相同的，易于使铸件发生冷裂缺陷。收缩方向收缩方向§2-8凝固成形的应用三类应力作用方向表铸件部位热应力相变应力机械阻碍应力薄处（外部）-++厚处（内部）+-+各种铸造应力作用方向§2-8凝固成形的应用4.减少和消除残留应力的方法a)减小铸件冷却过程中各部分的温差•在铸件厚壁部分放置冷铁或蓄热系数大的型砂•在铸件厚壁部分附近型砂中埋设钢管，管内通压缩空气或冷却水，强制冷却•内浇口开设在铸件较薄部分，促使同时凝固•铸件凝固后，在弹塑性转变温度以上扒去铸件厚实部分的型砂，加快冷却•提高浇注温度b)改善铸型和型芯的退让性§2-8凝固成形的应用①自然时效：将铸件露天长时间放置，促使应力松弛的方法。优点是成本低，缺点是生产周期长，占地面积大，消除应力不彻底。②人工时效：将铸件加热到合金弹性状态的温度范围，保温一定时间后，缓慢冷却，使残余应力消除的方法。c）消除铸造应力的方法§2-8凝固成形的应用弹塑性转变温度弹性转变温度升温保温冷却冷却550~600℃3~6h350℃出炉150~200℃装炉100~200℃0时间温度灰铸铁人工时效工艺规范时间0温度§2-8凝固成形的应用③共振法常温下将铸件在共振频率下振动1060min，去除残余应力的方法。特点：时间短，费用低，耗能小，结构轻便，易于操作，节省人力和资源，便于机械化和自动化。§2-8凝固成形的应用