材料成型第二章

1、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2. 晶粒游离说晶粒游离说 过冷熔体存活晶核过冷熔体存活晶核,型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖型壁晶粒脱落、枝晶熔断和增殖,液面晶粒沉积（结晶雨）。液面晶粒沉积（结晶雨）。结晶雨的证明：大野笃结晶雨的证明：大野笃美的实验美的实验2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式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

2、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3. 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

3、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

4、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

5、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 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式细晶铸造和普通铸造涡轮抗拉性能的比较细晶铸造和普通铸造涡轮抗拉性能的比较K418B合金细晶铸造合金细晶铸造 K418B合金普通铸造合金普通铸造2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式细晶铸造和普通涡轮低周疲劳性能的比较a) 450 b) 6502-7 2-7 金属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

6、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二、凝固方式控制二、凝固方式控制2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式1. 热分析法热分析法 测量各点温度测量各点温度- -时间曲线时间曲线9801 2 3 4 5 62-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式时间时间温度温度0TL凝固开始点凝固

7、开始点凝固结束点凝固结束点TS2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式2. 凝固温度场凝固温度场SSS+LS+LLTLTST在铸件断面温度的分布在铸件断面温度的分布某时刻温度分布情况某时刻温度分布情况问题：问题：不同时刻的温度分布如何表不同时刻的温度分布如何表示？能否用一张图表示清楚？示？能否用一张图表示清楚？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. 凝固动态曲线凝固动态曲线2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式4. 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 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固

8、方式SSS+LS+LLTLTST逐层凝固逐层凝固糊状凝固糊状凝固SSS+LTLTST2-7 2-7 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式从四个方面分析（作业）从四个方面分析（作业）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、黄铜铝铜合金、铝镁合金、镁合

9、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

10、属固态线尺寸改变量。用线收缩率来表示。%100)(%100000lVlVTTVVV%100)(%100000llllTTlll2-82-8 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nmmn2-82-8 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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、、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

16、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

17、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02-82-8 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

18、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 12慢浇慢浇3快浇快浇412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

19、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

20、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，由于各部分冷却铸件在冷却过程中，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。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时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间不一致，体积和长度变化的

21、时间也不一致，彼此制约，形成的应力。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，线收缩受到铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍而产生的应力。机械阻碍而产生的应力。2-82-8 凝固成形的应用凝固成形的应用 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

22、-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 Y02-82-8 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

23、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：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

24、 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间无热交换间无热交换III2-82-8 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ITkTTi0IIIIITITII塑性状态塑性状态弹性状态弹性状态 1 2 3III 0ll3=10IIIIIII 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

25、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