材料凝固理论2..ppt

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 SS S+LS+L L TL TS T 逐层凝固糊状凝固 SSS+L TL TS T 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 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 nm m n 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 1 2慢浇 3快浇 4 1 2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 浇注位置 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 4与冒口配合，加强 顺序凝固趋势 4局部加快热节冷却 速度 4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 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 Y 0 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 I II 2-8 凝固成形的应用 热应力形成机理图解   “厚拉薄压”原则 I Tk T Ti 0 IIIII TI TII 塑性状态 弹性状态 123 III  0 l l3=1 0 IIIIIII II 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 50~150℃/h 550~600℃ 3~6h 18~30℃/h 350℃ 60℃/h 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 。