凝固缺陷及控制.ppt

UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,第十一章 凝固缺陷及控制,主要内容： 合金中的成分偏析 气孔与夹杂的形成机理 缩孔缩松的形成与防止 凝固收缩、变形与裂纹,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,第一节 合金中偏析,偏析 合金在凝固中发生的化学成分不均匀现象叫偏析 分类： 微观偏析：合金微小范围内（约一个晶粒范围）的化学成分不均匀性，如晶内偏析和晶界偏析 宏观偏析：合金凝固断面上各部位的化学成分不均匀性，常有正常偏析、逆偏析和重力偏析等 正偏析： 负偏析：,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,一、微观偏析,晶内偏析 晶内偏析是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象 形成机理： 1）合金相图上液相线和固相线间隔越大，则先后结晶部分的成分差别越大，晶内偏析越严重 2）偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，晶内偏析倾向越大 3）在其他条件相同时，冷却速度越快，则实际结晶温度越低，原子扩散能力越小，晶内偏析越严重 对性能的影响 成分不均匀造成性能下降，特别是塑性和韧性 成分不均匀造成合金抗腐蚀性能的下降 特点： 不稳定，通过扩散退火和均匀化退火可以消除,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,晶界偏析,晶界偏析 晶界与晶内的化学成分不均匀现象； 在晶粒与晶粒之间最后凝固部分（即晶界区）积累了更多的低熔点组元和杂质元素。

晶界偏析的程度比晶内偏析更为严重，有时在晶界上还会出现一些不平衡的第二相，如低熔点共晶体,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,晶界偏析形成过程,,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,Al-0.2%Ce合金的偏析,,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,二、 宏观偏析,1 正常偏析,单向凝固时的溶质分布曲线,•铸件外层纯度高、溶质含量 低，内部溶质含量高、杂质 集中的区域偏析为正常偏析 •机理：冷速较慢，低熔点组 元充分向内部聚集 •危害：铸件性能不均匀；但 可借此对金属提纯 •防止：扩散退火无效，提高 冷速有效， 如降低浇注温 度、加速铸件凝固,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,2 逆偏析,铸件凝固后常出现与正常偏析相反的情况，即 k1 时，铸件表面或底部含溶质元素较多，而中心部位或上部含溶质较少,结晶温度范围宽的固溶体合金和粗大的树枝晶易产生逆偏析，缓慢冷却时逆偏析程度增加。

Al-4.7Cu合金的逆偏析,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,3、V形偏析和逆V形偏析,特征 对于大型钢锭，呈锥形，偏析带中存在大量的C、S、P等杂质 形成机理 溶质富集产生周期性凝固，并且结晶沉淀在钢锭下部形成负偏析，上部形成正偏析 晶粒脱落沉淀，收缩后被富溶质液态填充而形成V形偏析,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,4 带状偏析,带状偏析的形成特点是它总是和凝固的固-液界面相平行防止措施： （1）强化冷却 （2）加入组织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,由于重力作用而出现的化学成分不均匀现象 在凝固初期，由于组员密度差异 而产生重力偏析 如Cu-Sb合金，Sn-Sb轴承合金等,5 重力偏析,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,6、区域偏析和层状偏析,区域偏析： 焊缝熔池凝固时，柱状晶快速长大，是溶质和杂质元素推向焊缝中心，形成中心区域偏析带。

易产生裂纹 层状偏析： 是由于热的周期性作用而引起的意志化学成分不均匀现象 原因：结晶潜热和热能的波动，冷却速度慢时偏析较小、冷却快时偏析较严重,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,第二节 气孔与夹杂,一、气孔 因气体分子聚集而在金属中产生的空洞叫气孔 原因： 液态金属中气体溶解度降低而溢出的分子状态的气泡； 侵入气体不被金属溶解形成的气泡 分类： 按气体来源：析出性气孔、侵入性气孔和反应性气孔 按气体种类：氢气孔、氮气孔和一氧化碳气孔,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,1、析出性气孔 在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出气体，来不及从液面排出而形成气孔 分布：冒口附近和热节 形状：含气量少时呈裂纹状；含气量高时呈团球状,含氢量,一）基本概念,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,Al-Si合金中的典型析出性气孔,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,Al-Si合金中的典型析出性气孔,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,2、侵入性气孔,定义： 铸型和型芯在高温金属作用下产生的气体，侵入金属内部形成的气孔 特征： 数量少、体积大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出现在铸件表面或近表层 形状： 梨形、椭圆形或圆形 组分： 水蒸气、CO、CO2、H2、碳氢化合物,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,3、反应性气孔,定义： 金属液－铸型之间、金属液内部发生化学反应所产生的气孔 分布： 铸件表皮以下1~3mm处，通称皮下气孔 形状： 球状和梨状 组分： CO、N2、H2,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,,,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,二） 气孔的析出,气体析出方式： 扩散逸出、与金属元素形成化合物和以气泡形式逸出 气泡形成过程 气泡的生核、长大和上浮逸出,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,铸件中气孔的形成示意图,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,气泡生核,生核方式：依附现成表面非均质形核 气泡生核能：,越高，生核能越小，生核越容易，如枝晶间凹陷部位 越大，生核能越小，生核越容易,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,气泡的长大,气泡的长大: 长大的热力学条件：,：气泡内各种气体分压的总和,：阻碍气泡长大的外界压力总和，包括大气压、金属静压头、和表面张力产生的附加压力,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,气泡的逸出上浮,气泡形核后短暂长大脱离依附表面而上浮,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,二） 气孔的形成机理,凝固界面前沿气体原子聚集——固相无扩散、液相只有扩散：,1）、析出性气孔,机理：结晶前沿特别是枝晶间气体溶质富集，当气体含量超过其饱和度，析出压力大于外界阻力时，气体依附于晶界溶质偏析和非金属夹杂物生核长大，逸出气泡，且气泡不易排除而留下来成为气孔,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,动力学条件： 取决于： 上浮速度Ve与凝固速度R 当Ve R时 气泡残留于金属中 Ve =2(ρL-ρg)gr2/9η R↑ 气孔↑ η↑ Ve ↓ 气孔↑ △ρ(实际上为ρL )↑ Ve ↑ 气孔↓ －－轻金属易产生气孔（铝、镁）,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,2）侵入型气孔的形成机理,形成条件：,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,3）反应性气孔形成机理 （1）金属液与铸型（芯）反应性气孔 （皮下气孔） 原因：铸型水分高、透气性低； 合金中有易氧化成分；熔点较高的合金（钢、铁。

铜） 一定中等壁厚范围内 机理：氢气说 氮气说——有树脂粘结剂时 CO说,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,1）渣气孔 例 钢中 CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成CO （FeO）+[C] = CO+[Fe] （MnO）+[C] = CO+[Mn] （SiO2）+2[C] = 2CO+ [Si] （Cu2O）+2[H] = 2[Cu]+H2O (气),（2）金属液内反应性气孔,2）金属液中元素间反应性气孔 ＃碳氧反应气孔 ＃水蒸气反应气孔 ＃碳氢反应气孔,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,金属液体中含氢量的检测,1、铝合金含氢量的炉前快速检测仪（AH-1型）,原理：P气Pa+ H＋ 2σ/r,(a) 含气量小 (b) 含气量大,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,AH-2测氢系统外形图,铝液含氢量定量测试仪（AH-2B）,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,式中 T—铝液温度，K CH—氢在铝合金熔体中的溶解度，ml/100gAl PH—铝液中氢气分压，Pa A和B为与合金成分有关的常数,第一气泡法（Sieverts定律）,含氢量检测原理,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,d)含氢量0.065cm3/100gAl,b)含氢量0.183cm3/100gAl,c)含氢量0.128cm3/100gAl,a)含氢量0.237cm3/100gAl,通过铝液含氢量检测及控制，大幅度减少针孔,UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan,1、危害 有效工作断面 ↓→ σb↓ δ↓ 应力集中 →裂纹 疏松 → δ↓气密性 ↓ 耐蚀性↓ 2、防止措施 1）消除气体来源：炉料洁净、型砂水分、有机粘结剂用量和含氮量、焊条烘干等 2）合理工。