上海大学材料学院史文老师材料科学基础_凝固.ppt

材料科学基础 上海大学材料学院史文 1 金属凝固基本理论及其应用 2 凝固理论 3 凝固理论 炼钢浇注炼铜 4 凝固理论 纯金属的凝固固溶体的凝固铸锭组织控制 5 凝固理论 纯金属的凝固液体结构凝固基本现象和过程形核长大 6 凝固理论 液体结构 7 凝固理论 液体结构 将金属加热至熔点时金属体积突然膨胀3 5 金属的其它性质如电阻 粘性等发生突变吸收大量热能 熔化潜热金属的温度不升高熔化就是金属从规则的原子排列变为紊乱的非晶质结构的过程 8 凝固理论 一些金属的熔化潜热和汽化潜热的比较 9 凝固理论 某些金属的熵值变化 10 凝固理论 液态金属的基本特征有固定的体积有很好的流动性各种物理化学性质接近于固态 而远离气态 11 凝固理论 12 凝固理论 结构差异 原子排列 13 凝固理论 纯金属凝固的基本现象和过程凝固 液相 固相几乎所有液态金属 包括合金 在通常的冷却条件下都转变为晶体 即其固液转变过程为结晶过程 14 凝固理论 纯金属凝固的基本现象过冷 15 凝固理论 纯金属凝固的基本现象 过冷 液态材料在理论结晶温度以下仍保持液态的现象过冷度 液体材料的理论结晶温度 Tm 与其实际温度之差 T Tm T 见冷却曲线 过冷是凝固的必要条件 凝固过程总是在一定的过冷度下进行 16 凝固理论 纯金属凝固的基本现象 G T曲线下降曲线 dG dT S上凸曲线 d2G d2T Cp T液相曲线斜率大于固相 dG dT S二曲线交点 材料的熔点 17 凝固理论 纯金属凝固的基本过程形核 长大 18 凝固理论 纯金属凝固的基本过程形核 长大 形核率 单位时间 单位体积液体中形成的晶核数量 用N表示 长大速度 晶核生长过程中 液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离 用G表示 19 凝固理论 形核均匀形核新相晶核在遍及母相的整个体积内无轨则均匀形成非均匀形核新相晶核依附于其它物质择优形成 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 20 凝固理论 形核 均匀形核和非均匀形核均匀形核的热力学分析液相自由能G L 固相自由能G S 固 液界面能G A G G S G L G A 0 或 G G S G A G L 0 其中 G S G L 叫体积自由能差 G A 0 叫面积自由能差 21 凝固理论 均匀形核的热力学分析 G G S G L G A 0 22 凝固理论 均匀形核的热力学分析 临界晶核半径r 当r0熔化当r r G 0有条件的凝固 G 0凝固 23 凝固理论 24 凝固理论 25 凝固理论 一些常见金属液滴均匀形核所需要的过冷度 26 凝固理论 均匀形核的热力学分析 G G S G L G A 0 非均匀形核的热力学分析 G G S G L G A s G A L 27 凝固理论 28 凝固理论 29 凝固理论 均匀形核和非均匀形核的形核率 30 凝固理论 长大条件 过冷长大动力学 Johnson Mehl公式长大机制 由固液界面微观结构决定长大形貌 由长大机制和温度梯度决定 31 凝固理论 32 凝固理论 33 凝固理论 34 凝固理论 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 35 凝固理论 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 36 凝固理论 37 凝固理论 合金 固溶体 的凝固与纯金属凝固的异同形核 长大温度区间选择 异分 结晶 38 凝固理论 固相溶质的再分配取决于液相中的混合情况快速冷却 R很大 或液相不混合 D很小 CS C0极慢冷却 R很小 或液相完全混合 D很大 CS k0C0 1 fS k0 1一般情况CS keC0 1 fS ke 1 39 凝固理论 成分过冷成分过冷定义成分过冷形成 40 凝固理论 41 凝固理论 成分过冷对形貌的影响 42 凝固理论 凝固组织及其控制 43 凝固理论 44 凝固理论 结晶组织对铸坯的性能和质量的影响表面细晶区很薄 对铸件的质量和性能影响不大柱状晶在生长过程中凝固区域较窄 其横向生长受到相邻晶体的阻碍 树枝晶得不到充分的发展 分枝较少 因此结晶后显微缩松等晶间杂质少 组织比较致密 有良好的强度和塑性 但柱状晶较粗大 晶界上富集低熔点 力学性能较差的杂质等缺陷 使晶粒间的联系受到很大的削弱 因此 柱状晶组织的力学性能有明显的方向性 纵向好 横向差 铸坯在凝固或冷却过程中容易沿晶界产生裂纹 等轴晶的晶界面积较大 杂质和缺陷分布比较分散 且晶粒的晶体取向不同 故性能的方向性小 比较稳定 晶粒越细 其综合性能越好 且抗疲劳性能也越高 所以 通常情况下希望获得细密的等轴晶组织 45 凝固理论 凝固组织控制受浇铸温度 冷却速度 化学成分 变质处理 机械振动与搅拌等因素影响 46 凝固理论 47 凝固理论 铸锭缺陷微观偏析 晶粒内的成分不均匀现象宏观偏析 整个铸锭范围内的成分不均匀现象 正偏析 k0 1的合金铸锭中心溶质含量较高的现象 反偏析 密度偏析 由于初生相与剩余液体密度差异而导致铸锭上下部分成分不均匀的现象 48 凝固理论 微观偏析可以通过热处理 高温退火 消除宏观偏析难以消除 大变形塑性加工可以起到一些作用 但是也是很困难的 49 凝固理论 改善宏观偏析的基本方法根本措施 细化晶粒 增加细等轴晶数量工艺方法 控制冷却速度 低过热浇注 提高外部冷却强度 生核处理悬浮浇注电磁搅拌防止铸坯凝固中出现鼓肚等变形改变铸坯重量和尺寸 减小重量和高度有利于减小偏析 50 凝固理论 铸锭缺陷夹杂与气孔夹杂 外来夹杂和内生夹杂 气孔 析出型和反应型 缩孔和疏松形成 凝固时体积缩小 补缩不足 形成缩孔 分类 集中缩孔 缩孔 缩管 和分散缩孔 疏松 枝晶骨架相遇 封闭液体 造成补缩困难形成 51 凝固理论 52 凝固理论 53 凝固理论 54 凝固理论 55 凝固理论 56 凝固理论 57 凝固理论 58 凝固理论 59 凝固理论 60 凝固理论 61 凝固理论应用 1材料铸态晶粒度的控制Zv 0 9 N G 3 4 1 提高过冷度 降低浇铸温度 提高散热导热能力 适用于小件 2 化学变质处理 促进异质形核 阻碍晶粒长大 3 振动和搅拌 输入能量提高形核率 破碎枝晶增加核心 62 凝固理论 63 凝固理论 利用金属流对型壁的冲刷用电磁搅拌使金属液体旋转孕育处理与变质处理a 外加晶核b 加入生核剂c 采用成分过冷元素 64 凝固理论 2快速凝固在比常规工艺过程中快得多的冷却速度下 金属或合金以极快的速度从液态转变为固态的过程快速凝固的金属冷却速度一般要达到104 109 S 普通的铸造生产中的冷却速度为102 S左右 经过快速凝固的合金 会出现一系列独特的结构与组织现象 65 凝固理论 66 凝固理论 快速凝固的实质通过某种技术手段 使液态合金在很大的冷却速度下达到足够大的过冷度 使凝固过程尽可能按无溶质再分配 无扩散 无偏析的模式进行 67 凝固理论 68 凝固理论 69 凝固理论 快速凝固合金具有比常规合金低几个数量级的晶粒尺寸 一般为小于0 1 1 0 m 在Ag Cu wcn 50 合金中 观察到了细至30 的晶粒 超细铸态晶粒成为快速凝固合金在组织上的又一个重要特征 这显然是在很大的过冷度下达到很高形核率的结果 70 凝固理论 扩大了固溶极限超细的晶粒度极少偏析或无偏析形成亚稳相高点缺陷密度 71 凝固理论 特有的组织结构特征赋予快速凝固合金的优异性能a 高强度及高韧性 是由于快速凝固合金具有扩大的固溶度 超细的晶粒度以及超细和高分散度的析出相所致 b 高耐蚀性 在快速凝固条件下可提高铬含量而不致引起铬不锈钢中 相的析出 c 高抗蠕变能力 这是因为消除了偏析 疲劳裂纹的开始得以推迟 在高温合金中使早期熔化温度提高75 100 d 快速凝固还可使不锈钢具有良好的抗辐射性能 72 凝固理论 快速凝固非晶态合金的性能特点 在力学性能上 具有极高的强度与硬度 如Fe80B20非晶态合金的屈服极限可达3626Mpa 在高强度的同时有较好的韧性 具有十分良好的软磁性能 其铁芯损耗仅为晶态合金的几分之一 是优异的变压器铁芯 磁录音头及多种磁性器件的材料 具有很小直至为零的电阻温度系数 因而可以成为标准电阻及磁泡存储器材料 73 凝固理