材料凝固理论2

1、2-72-7金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 一、凝固组织控制一、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 晶区形成机理晶区形成机理 表面细等轴晶区：型壁激冷作用产生表面细等轴晶区：型壁激冷作用产生 砂型砂型金属型金属型 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式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柱状晶区：表面细等轴晶通过择优取向长成 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式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内部等轴晶区：过冷熔体非自

2、发形核,界面前方晶粒游离界面前方晶粒游离,激激 冷晶粒游离。冷晶粒游离。 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 2. 凝固组织的控制凝固组织的控制 等轴晶的特点：等轴晶的特点： 优点：杂质、缺陷分布分散，性能无方向性优点：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，缩松较多缺点：枝晶发达，组织不致密，缩松较多 柱状晶的特点：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，高温蠕变性能好能好，高温蠕变性能好 缺点：界面杂质多，易开裂缺点：界面杂质多，易开裂 2-7 2-7 金属及合金的凝

3、固方式金属及合金的凝固方式 （1） 等轴晶组织的获得和细化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 2-7 金属及合金的凝固方式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 中心顶注中心顶注 靠近型壁顶注靠近型壁顶注 靠近型壁雨淋浇注靠近型壁雨淋浇注 等轴晶最少等轴晶最少 等轴晶较多等轴晶较多 等轴晶最多等轴晶最多 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 进水进

4、水 出水出水 使用冷凝器以增加金属液使用冷凝器以增加金属液 游离晶数量，但应减少气体、游离晶数量，但应减少气体、 夹杂物的带入量。夹杂物的带入量。 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式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 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 初生碳化物初生碳化物 晶粒度晶粒度 2-7 2-7 金属

5、及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 e) 孕育处理：孕育处理： 孕育处理的目的是造成大量晶核、细化晶粒。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选择孕育剂 合理确定孕育工艺合理确定孕育工艺 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 （2） 柱状晶组织的获得柱状晶组织的获得 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。 定向凝固装置示意定向凝固装置示意 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 3. 凝固方式及影响因素凝固方式及影响因素 逐层凝固和糊状凝固逐层凝固和糊状凝固 2-7 2-7 金属及合金的凝

6、固方式金属及合金的凝固方式 SS S+LS+L L TL TS T 逐层凝固逐层凝固糊状凝固糊状凝固 SSS+L TL TS T 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 5. 凝固方式与质量的关系凝固方式与质量的关系 凝固范围凝固范围凝固范围窄凝固范围窄凝固范围宽凝固范围宽 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

7、、 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 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 三、三、铸造生产过程中的铸造生产过程中的凝凝 固收缩控制固收缩控制 1.1.收缩的基本概念：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。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。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。用体收缩率体收缩：金属由液态到常

8、温的体积改变量。用体收缩率 来表示。来表示。 线收缩：金属固态线尺寸改变量。用线收缩率来表示。线收缩：金属固态线尺寸改变量。用线收缩率来表示。 %100)(%100 0 0 0 lV l V TT V VV %100)(%100 0 0 0 ll l l TT l ll 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 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铸造合金的收缩过程示意 nm m n 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 对逐层凝固的合金：对逐层凝固的合金：液态收缩液态收缩+凝固收缩凝固收缩-固态收缩是固态收缩是

9、产生缩孔的基本原因。产生缩孔的基本原因。 对糊状凝固的合金：对糊状凝固的合金：凝固收缩是形成缩松的主要原因。凝固收缩是形成缩松的主要原因。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 2.2.铸件的收缩：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自由收缩：仅受到金属表面与铸型表面摩擦力阻碍 的收缩。的收缩。 受阻收缩：受到热阻力和机械阻力的收缩。受阻收缩：受到热阻力和机械阻力的收缩。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 3.3.铸件的缩孔铸件的缩孔 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

10、中的孔洞。件最后凝固处形成的容积大而集中的孔洞。 危害：降低强度（减危害：降低强度（减 少有效受力面积，产少有效受力面积，产 生应力集中），导致生应力集中），导致 承压铸件渗漏。承压铸件渗漏。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 缩孔的形成：缩孔的形成： 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 影响缩孔体积的因素：影响缩孔体积的因素： 合金的液态收缩大合金的液态收缩大 缩孔体积大缩孔体积大 合金的固态收缩大合金的固态收缩大 缩孔体积大缩孔体积大 浇注速度慢浇注速度慢 缩孔体积小缩孔体积小 铸型激冷能力大铸型激冷能力大 缩孔体积小缩孔体积小 铸件厚铸件厚 缩孔体积大缩孔体积大 浇注温

11、度高浇注温度高 缩孔体积大缩孔体积大 热导率、凝固温度范围大热导率、凝固温度范围大 缩孔体积小缩孔体积小 铸型刚度大铸型刚度大 缩孔体积小缩孔体积小 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 缩孔位置的确定：缩孔位置的确定： a）凝固等温线法）凝固等温线法 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 冷铁冷铁冷铁冷铁 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 b） 内切圆法内切圆法 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 c）计算机凝固过程预测法）计算机凝固过程预测法 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 4.4.铸件的缩松铸件的缩松 缩松是铸件最后凝固的区域没能得到液态合金的补

12、缩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。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：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。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整个截面，也很难

13、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缺陷对待，除非一些对致密性和力学性能要求很高的 铸件。铸件。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 倾向于逐层凝固的合金，倾向于逐层凝固的合金， 如纯金属、共晶成分的合金如纯金属、共晶成分的合金 或结晶温度范围窄的合金，或结晶温度范围窄的合金， 形成缩孔的倾向大，不易形形成缩孔的倾向大，不易形 成缩松；而另一些倾向于糊成缩松；而另一些倾向于糊 状凝固的合金如结晶温度范状凝固的合金如结晶温度范 围宽的合金，产生缩孔的倾围宽的合金，产生缩孔的倾 向小，却极易产生缩松。因向小，却极易产生缩松。因 此，缩孔和缩松可在一

14、定范此，缩孔和缩松可在一定范 围内互相转化。围内互相转化。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 5. 防止铸件产生缩孔缩松的途径：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 的方法的方法 优点：能较好发挥冒口优点：能较好发挥冒口 的补缩作用的补缩作用 缺点：易发生热裂、应缺点：易发生热裂、应 力和变形，加冒口、冷铁力和变

15、形，加冒口、冷铁 或补贴，使工艺较复杂或补贴，使工艺较复杂 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 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，劳优点：热裂、应力和变形趋势小，工艺出品率高，劳 动量小动量小 缺点：铸件中心易出现缩松，铸件不致密缺点：铸件中心易出现缩松，铸件不致密 温度温度 距浇口距离距浇口距离 0 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 b）防止缩孔、缩松的工艺措施）防止缩孔、缩松的工艺措施 合理确定浇注系统及浇注工艺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

16、凝固的趋势。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浇口尽可能靠近冒口或使金属液通过冒口再进入铸 件。件。 浇注位置要适当（顶注、底注、中注式）。浇注位置要适当（顶注、底注、中注式）。 采用回转铸型浇注方法。采用回转铸型浇注方法。 合理选择浇注温度和浇注速度。合理选择浇注温度和浇注速度。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 1 2慢浇慢浇 3快浇快浇 4 1 2慢浇慢浇 3快浇快浇 4 温度温度 高度高度 0 冒口冒口 铸件铸件 浇注位置对缩孔、缩松的影响浇注位置对缩孔、缩松的影响 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 浇注位置浇注

17、位置 凝固位置凝固位置 回转铸型法示意图回转铸型法示意图 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 应用冒口应用冒口 其作用：补缩、出气、浮渣、观察其作用：补缩、出气、浮渣、观察 冒口冒口 铸件型腔铸件型腔 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 应用补贴应用补贴 造成一定的温度梯度，形成顺序凝固趋势造成一定的温度梯度，形成顺序凝固趋势 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 应用激冷物应用激冷物 4与冒口配合，加强与冒口配合，加强 顺序凝固趋势。顺序凝固趋势。 4局部加快热节冷却局部加快热节冷却 速度。速度。 4细化基体组织。细化基体组织。 冒口冒口 2-82-8 凝固成形的应用凝

18、固成形的应用 四、四、铸造生产过程中铸造生产过程中凝固应力控制凝固应力控制 1.1.铸造应力及其分类：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。积或尺寸变化而产生的应力。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 铸造应力的分类：铸造应力的分类： 热应力热应力 相变应力相变应力 机械阻碍应力机械阻碍应力 临时应力临时应力 残余应力残余应力 按应力形成的原因分类：按应力形成的原因分类： 按应力存在时间长短分类：按应力存在时间长短分类： 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 按应力

19、形成原因分类：按应力形成原因分类： 热应力热应力 铸件在冷却过程中，由于各部分冷铸件在冷却过程中，由于各部分冷 却速度不一致，造成收缩量不一致，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。彼此制约的结果，所形成的应力。 相变应力相变应力 铸件冷却过程中发生固态相变的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。也不一致，彼此制约，形成的应力。 机械应力机械应力 铸件冷却收缩过程中，线收缩受铸件冷却收缩过程中，线收缩受 到机械阻碍而产生的应力。到机械阻碍而产生的应力。 2-82-8 凝固成形的应

20、用凝固成形的应用 按应力存在的时间分类：按应力存在的时间分类： 临时应力临时应力 - - 在产生的应力原因被消除后，在产生的应力原因被消除后， 即消失的应力。这类应力有机即消失的应力。这类应力有机 械阻碍应力。械阻碍应力。 残余应力残余应力 - - 产生应力的原因消除后，仍残产生应力的原因消除后，仍残 留下来的应力。这类应力有热留下来的应力。这类应力有热 应力和相变应力。应力和相变应力。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 2.2.铸造应力对铸件质量的影响铸造应力对铸件质量的影响 危害：危害： 残余应力方向与零件工作应力方向一致，导致正常工残余应力方向与零件工作应力方向一致，导致正常工

21、 作条件下产生裂纹，甚至断裂。作条件下产生裂纹，甚至断裂。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 残余应力超过材料的屈服强度，导致零件变形，残余应力超过材料的屈服强度，导致零件变形， 而成为废品。而成为废品。 f Y 0 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 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。造后直接断裂，成为废品。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 残余应力作用于工作在腐蚀介质中的零件，导残余应力作用于工作在腐蚀介质中的零件，导 致应力腐蚀。致应力腐蚀。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 优点

22、：优点： 残余压应力可减小零件工作时的残余压应力可减小零件工作时的 拉应力产生预应力，增加两个铸件间拉应力产生预应力，增加两个铸件间 的配合强度。的配合强度。 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 3. 3. 铸造应力分析铸造应力分析 a a）热应力的形成：）热应力的形成： 以厚薄杆为例进行分析。以厚薄杆为例进行分析。 假设条件：假设条件： 杆的起始冷却温度为杆的起始冷却温度为T Ti i，最后冷却温度为，最后冷却温度为T Te e= =00 杆冷却过程无相变，无机械阻碍杆冷却过程无相变，无机械阻碍 弹塑性转变临界温度为弹塑性转变临界温度为T Tk k 杆杆I I、IIII间无热交换间无

23、热交换 I II 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 热应力形成机理图解热应力形成机理图解 “厚拉薄压厚拉薄压”原则原则 I Tk T Ti 0 IIIII TI TII 塑性状态塑性状态 弹性状态弹性状态 1 2 3 III 0 l l3=1 0 IIIIIII II 实际长度实际长度 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 b b）相变应力的形成：）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？）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

24、于临界温度合金相变温度低于临界温度T Tk k时，才有可能产生相变时，才有可能产生相变 应力。应力。 热应力热应力相变应力相变应力 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 c c）机械阻碍应力的形成：）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。生冷裂缺陷。 收缩方向收缩方向收缩方向收缩方向 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 三类应力作用方向表三类应力作用方向表 铸件部位铸件部位热应力热应力相变应力相变应力机械阻碍应力机械阻碍应力 薄处（外部）薄处（外部） -+ 厚处（内部）厚处（内部） +-+ 各种铸造应力作用方向各种铸造应力作用方向 2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 4.4.减少和消除残留应力的方法减少和消除残留应力的方法 a)a) 减小铸件冷却过程中各部分的温差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，管内通压在铸件厚壁部分附近型砂中埋设钢管