材料成形理论基础4章2016版

1、第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则一、温度场一、温度场 数学解析方法数学解析方法p数学模型的建立数学模型的建立p 求解求解几何条件几何条件边界条件边界条件初始条件初始条件第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则 半无限大铸件在铸型中冷却半无限大铸件在铸型中冷却 温度分布温度分布 a)砂型砂型 b)金属型金属型a)b)第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝

2、固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则数值计算法数值计算法l对数学模型进行离散对数学模型进行离散l连续的变化过程转化为离散的数值点连续的变化过程转化为离散的数值点有限差分有限差分有限元有限元第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则试验法试验法 Al-42.4Zn合金温度合金温度-时间曲线时间曲线 铸件断面上的温度场铸件断面上的温度场第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则温度场的影响因素温度场的影响因

3、素 金属的导温系数金属的导温系数 结晶潜热结晶潜热 金属的凝固温度金属的凝固温度p 金属性质的影响金属性质的影响p 铸型性质的影响铸型性质的影响 铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数 铸型的预热温度铸型的预热温度p 浇注条件的影响浇注条件的影响 铸件的壁厚铸件的壁厚 铸件的形状铸件的形状 浇注温度浇注温度p 铸件结构的影响铸件结构的影响第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则二、凝固方式二、凝固方式 铸件凝固动态曲线铸件凝固动态曲线【x/R-t 】坐标上坐标上液相边界液相边界固相边界固相边界应用应用 厚大断面

4、球铁厚大断面球铁1. 凝固动态曲线凝固动态曲线第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固区域结构凝固区域结构p 液液-固部分固部分 倾出边界倾出边界p 固固-液部分液部分 补缩边界补缩边界 凝固区结构示意图p 固相区固相区p 液相区液相区第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固方式及影响因素凝固方式及影响因素 逐层凝固方式逐层凝固方式 体积凝固方式体积凝固方式 中间凝固方式中间凝固方式取决于凝固区域的宽

5、度取决于凝固区域的宽度第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则 逐层凝固方式逐层凝固方式l 纯金属纯金属l 共晶合金共晶合金l 合金结晶温度合金结晶温度范围很小或温度范围很小或温度梯度很大梯度很大 逐层凝固方式逐层凝固方式a) 纯金属或共晶合金成分 b)合金结晶温度范围很小或温度梯度很大第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则 体积凝固方式体积凝固方式a)温度梯度较小 b)凝固温度区间大 体积凝固（糊状凝固体

6、积凝固（糊状凝固）n 温度梯度较平坦温度梯度较平坦n 合金的结晶温度范围很宽合金的结晶温度范围很宽凝固的某一段时间凝固的某一段时间内，其凝固区域很内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个宽，甚至贯穿整个铸件断面铸件断面第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则 中间凝固方式 中间凝固方式中间凝固方式n合金的结晶温度范围较窄合金的结晶温度范围较窄n 温度梯度较大温度梯度较大n 凝固区域介于前二者之间凝固区域介于前二者之间第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式

7、及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则金属凝固方式与金属化学成分及外部冷却条件的关系金属凝固方式与金属化学成分及外部冷却条件的关系p 合金结晶温度范围的影响合金结晶温度范围的影响p 温度梯度的影响温度梯度的影响第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则一、窄结晶温度范围的合金一、窄结晶温度范围的合金n纯金属和共晶合金纯金属和共晶合金逐层凝固方式逐层凝固方式激冷晶激冷晶垂直于型壁的柱状晶垂直于型壁的柱状晶凝固前沿凝固前沿纯金属铸件的凝固过程纯金属铸件的凝固过程金属的凝固方式与铸件质量的关系金属的凝固方式

8、与铸件质量的关系第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则一、窄结晶温度范围的合金一、窄结晶温度范围的合金n窄结晶温度范围的合金窄结晶温度范围的合金逐层凝固方式逐层凝固方式凝固前沿不是平滑的凝固前沿不是平滑的锯齿形锯齿形 窄结晶温度范围合金的凝固过程第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则 逐层凝固方式的缩孔特点逐层凝固方式的缩孔特点得到液体的补充得到液体的补充产生分散性缩松的倾向性小产生分散性缩松的倾向性小在

9、最后凝固的部位产生集中缩孔在最后凝固的部位产生集中缩孔 热裂倾向性小热裂倾向性小 充型能力好充型能力好第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则一、宽结晶温度范围的合金一、宽结晶温度范围的合金p形成小晶体，布满整个凝固区域形成小晶体，布满整个凝固区域p过冷度小，数量少过冷度小，数量少p形成树枝发达的粗大等轴晶形成树枝发达的粗大等轴晶 宽结晶温度范围合金的凝固过程形成分散的缩孔，缩松形成分散的缩孔，缩松 热裂倾向性大热裂倾向性大 高温强度低高温强度低 充型能力差充型能力差第四章第四章液态金属充型与宏观凝固

10、组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则 体积凝固方式的缩松形成分散的缩孔，缩松形成分散的缩孔，缩松 热裂倾向性大热裂倾向性大 高温强度低高温强度低 充型能力差充型能力差第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.1 凝固温度场、凝固方式及实现原则凝固温度场、凝固方式及实现原则三、中等结晶温度范围的合金三、中等结晶温度范围的合金l 中碳钢中碳钢 l 高锰钢高锰钢l 一部分黄铜一部分黄铜l 白口铁白口铁 中等结晶温度范围合金的凝固过程补缩特性介于窄结晶温度和宽温度范补缩特性介于窄结晶温度和宽温度范围合金之间围合

11、金之间凝固初期凝固初期 凝固方式近于窄凝固方式近于窄结晶温度范围的合金结晶温度范围的合金一定时间后一定时间后 凝固方式近似宽温凝固方式近似宽温度范围的合金度范围的合金第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.2 凝固过程中的流动现象凝固过程中的流动现象一、浇注和凝固过程中的液体流动一、浇注和凝固过程中的液体流动第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.2 凝固过程中的流动现象凝固过程中的流动现象一、浇注和凝固过程中的液体流动一、浇注和凝固过程中的液体流动p 强烈冲刷浇道和铸型的型壁强烈冲刷浇道和铸型的型壁p 型腔内液体中的自然对流型腔内液

12、体中的自然对流 温度差温度差 密度差密度差 温度起伏温度起伏 p 凝固收缩、液体收缩及重力等引起液凝固收缩、液体收缩及重力等引起液体在枝晶间的流动体在枝晶间的流动 液体中的自然对流液体中的自然对流l 上部晶体的沉积上部晶体的沉积l 已凝固层晶体的脱落已凝固层晶体的脱落l 分枝的熔断及晶体的增殖分枝的熔断及晶体的增殖第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.2 凝固过程中的流动现象凝固过程中的流动现象二、液体流动对铸件结晶过程的影响二、液体流动对铸件结晶过程的影响p 顶部晶体的沉积顶部晶体的沉积 顶部凝固层脱落或分枝下沉成为以后的晶核顶部凝固层脱落或分枝下沉成为以后的

13、晶核 a) 铸型示意图 b)铸件宏观组织第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.2 凝固过程中的流动现象凝固过程中的流动现象二、液体流动对铸件结晶过程的影响二、液体流动对铸件结晶过程的影响p 型壁上晶体的脱落型壁上晶体的脱落 a) 型壁晶体的脱落 b)晶体增殖过程 型壁晶体缩颈型壁晶体缩颈冲刷作用下及温度冲刷作用下及温度起伏下熔断或脱落起伏下熔断或脱落晶体增殖晶体增殖一个晶体碎化成几部一个晶体碎化成几部分，各自生长分，各自生长ab第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成p液体对型壁的冲刷

14、液体对型壁的冲刷Macrograhps of castings produced by different pouring techniquesa) poured in the center of the gauze and b) poured between the mould wall and the gauze第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.2 凝固过程中的流动现象凝固过程中的流动现象二、液体流动对铸件结晶过程的影响二、液体流动对铸件结晶过程的影响p 枝晶分枝的熔断脱落枝晶分枝的熔断脱落 分枝出现缩颈分枝出现缩颈温度起伏下熔断或温度起伏下熔断或脱落脱

15、落 枝晶分枝枝晶分枝“缩颈缩颈 ”的形成的形成a)b)c)分枝缩颈形成示意图分枝缩颈形成示意图 d)环已烷枝晶环已烷枝晶 流体流动及其所引起的晶体或流体流动及其所引起的晶体或分枝的脱落，沉积和晶体增殖分枝的脱落，沉积和晶体增殖将大大增大流体中的有效晶核，将大大增大流体中的有效晶核，促进等轴晶的获得促进等轴晶的获得l 增加磁场增加磁场l 消除液体金属内部的消除液体金属内部的对流对流和和 温度起伏温度起伏第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成铸态组织铸态组织p 铸件的晶粒组织铸件的晶粒组织 晶粒的形状晶粒的形状 晶粒的

16、尺寸晶粒的尺寸 晶粒的取向晶粒的取向 晶体的完整性晶体的完整性p 铸件中元素的分布铸件中元素的分布 偏析偏析 夹杂物夹杂物第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成 a)全部柱状晶全部柱状晶 b)表面细等轴晶表面细等轴晶+内部柱状晶内部柱状晶 c)表面细等轴晶表面细等轴晶+内部柱状晶内部柱状晶+中心等轴晶中心等轴晶 d)全部细等轴晶全部细等轴晶p 表面细晶区的形成表面细晶区的形成 p 内部柱状晶内部柱状晶p 中心等轴晶中心等轴晶 a b c d第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏

17、观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成 铸锭第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成表面细晶区的形成表面细晶区的形成特点：特点： 无方向性细等轴晶无方向性细等轴晶形成机理形成机理p 早期理论早期理论 表面激冷作用表面激冷作用(Chill Zone) 激冷区大量形核形成表面细等轴晶激冷区大量形核形成表面细等轴晶p 后来的研究后来的研究 液体的流动对表面细等轴晶的形成起决定作用液体的流动对表面细等轴晶的形成起决定作用 无对流时，即使冷却速度很大也不会出现表面细晶区无对流时，即使冷却速度很大也不会出现表面细晶区 形成稳

18、定的凝固层，晶体不易脱落形成稳定的凝固层，晶体不易脱落表面细晶区大小的影响因素表面细晶区大小的影响因素p 浇注温度浇注温度 p 铸型温度铸型温度p 铸型导热能力铸型导热能力p合金生核能力合金生核能力p合金成分合金成分 全部柱状晶全部柱状晶第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成内部柱状晶区的形成内部柱状晶区的形成实质：表面层区晶体向内单向延伸生长，具有方向性。实质：表面层区晶体向内单向延伸生长，具有方向性。形成机理形成机理p 对流减弱对流减弱 凝固层晶体脱落减少凝固层晶体脱落减少p 结晶潜热的析出使界面前温度升高结晶

19、潜热的析出使界面前温度升高 p 温度梯度较大，成分过冷区小温度梯度较大，成分过冷区小p 表面细晶区的晶体转为单向延伸生长表面细晶区的晶体转为单向延伸生长p 生长方式生长方式 择优生长择优生长柱状区形成的影响因素柱状区形成的影响因素p 固体的导热系数固体的导热系数 p 液体的导热系数液体的导热系数p 浇注温度浇注温度p 合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围p 流体流动的抑制流体流动的抑制p 合金中有效质点的多少合金中有效质点的多少 穿穿 晶晶穿晶的形成穿晶的形成l 界面前沿成分过冷小界面前沿成分过冷小l 没有新的晶核形成没有新的晶核形成第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固

20、组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成中心等轴晶区的形成实质：液体内部的独立生核和长大实质：液体内部的独立生核和长大形成机理形成机理p 成分过冷理论成分过冷理论 过冷熔体非自发生核理论过冷熔体非自发生核理论 1954年 Winegrand and Chalmers 提出提出 溶质再分配溶质再分配 成分过冷成分过冷 过冷度大于非自发生核所需过冷过冷度大于非自发生核所需过冷 生核长大生核长大第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成成分过冷的局限性成分过冷的局限性 很难解释非匀质生核所

21、需的微小过冷度为什么迟到柱状晶区已很难解释非匀质生核所需的微小过冷度为什么迟到柱状晶区已 充分长大以后才能生核充分长大以后才能生核 无法解释有关内部等轴晶形成的试验现象无法解释有关内部等轴晶形成的试验现象第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成中心等轴晶区的形成形成机理形成机理p 激冷等轴晶型壁脱落与游离理论激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 1963年年 Chalmers 提出提出 浇注过程及凝固初期激冷等轴晶自型壁脱落浇注过程及凝固初期激冷等轴晶自型壁脱落与游离促进等轴晶的形成与游离促进等轴晶的形成

22、浇注过程中浇注过程中 浇注系统和型壁处形成大量晶核浇注系统和型壁处形成大量晶核 等轴晶从型壁脱落随浇注液流分布整个铸件等轴晶从型壁脱落随浇注液流分布整个铸件 少量熔化，大部分留下来成为等轴晶的晶核少量熔化，大部分留下来成为等轴晶的晶核 浇注过程种激冷晶的游离浇注过程种激冷晶的游离第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成中心等轴晶区的形成 浇注完毕凝固的开始阶段在型壁处形成的晶体浇注完毕凝固的开始阶段在型壁处形成的晶体由于密度差引起对流由于密度差引起对流 使型壁处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部使型壁

23、处产生的晶体脱落且游离到铸件的内部 a)晶体密度比熔体小的情况 b)晶体密度比熔体大的情况l 纯金属几乎得不到等轴晶纯金属几乎得不到等轴晶l 合金浓度越大，越不容易得到柱状晶合金浓度越大，越不容易得到柱状晶而是等轴晶而是等轴晶第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 型壁上晶体的脱落型壁上晶体的脱落 a) 型壁晶体的脱落 b)晶体增殖过程 型壁晶体缩颈型壁晶体缩颈冲刷作用下及温度起伏冲刷作用下及温度起伏下熔断或脱落下熔断或脱落晶体增殖晶体增殖一个晶体碎化成几部一个晶体碎化成几部分，各自生长分，各自生长ab第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织

24、4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成中心等轴晶区的形成形成机理形成机理p 枝晶熔断及结晶雨理论枝晶熔断及结晶雨理论 Jackson等人提出 生长着的柱状晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等生长着的柱状晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖导致了内部等轴晶的形成轴晶的形成 Southin and Rosenhain 液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶区前方的液体中，下落过程中发生熔断和增殖过程中发生熔断和增殖。 第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组

25、织特征与形成宏观凝固组织特征与形成中心等轴晶区的形成中心等轴晶区的形成 研究的焦点研究的焦点p 等轴晶晶核的来源等轴晶晶核的来源p 等轴晶区的具体形成过程等轴晶区的具体形成过程 每种理论都有自己的试验根据每种理论都有自己的试验根据 都有其局限性都有其局限性 l 上述机理都是存在的上述机理都是存在的l 它们的相对作用取决于凝固的实际条件它们的相对作用取决于凝固的实际条件l 一种条件下某种机理或几种机理起主导作用一种条件下某种机理或几种机理起主导作用 第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成铸件结晶组织对铸件性能的影响铸

26、件结晶组织对铸件性能的影响p 表面细晶区表面细晶区 较薄较薄 对铸件的性能影响较小对铸件的性能影响较小p 柱状晶柱状晶 择优生长的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小择优生长的细长晶体，比较粗大，晶界面积较小 柱状晶排列位向一致，具有明显的方向性柱状晶排列位向一致，具有明显的方向性 在柱状晶与柱状晶在柱状晶与柱状晶 柱状晶与等轴晶的交界处形成性能的弱面柱状晶与等轴晶的交界处形成性能的弱面 易形成热裂易形成热裂 l 通常情况下铸件不希望获得粗大的柱状晶通常情况下铸件不希望获得粗大的柱状晶l 特殊条件下采用特殊条件下采用定向凝固技术定向凝固技术获得全部单向获得全部单向排列的排列的柱状晶组织柱状晶组织，

27、提高铸件的性能和可靠性，提高铸件的性能和可靠性第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成铸件结晶组织对铸件性能的影响铸件结晶组织对铸件性能的影响p 内部等轴晶内部等轴晶 晶粒位向各不相同晶粒位向各不相同 晶界面积大晶界面积大 偏析元素、非金属夹杂物和气体偏析元素、非金属夹杂物和气体的分布分散的分布分散 等轴晶彼此嵌合等轴晶彼此嵌合 结合比较牢固结合比较牢固 性能比较均匀性能比较均匀 没有方向性没有方向性 l 等轴晶发达等轴晶发达,显微缩松多显微缩松多l 凝固组织不够致密凝固组织不够致密l 性能降低性能降低细细 化化 等

28、等 轴轴 晶晶第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成 获得细等轴晶的措施获得细等轴晶的措施等轴晶组织的获得及细化等轴晶组织的获得及细化第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成 浇注方式对铸件组织的影响加强液体在浇注和加强液体在浇注和凝固期间的流动凝固期间的流动p利用液体对型利用液体对型壁的冲刷壁的冲刷第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成加强液体在浇注和加强液

29、体在浇注和凝固期间的流动凝固期间的流动p利用液体对型利用液体对型壁的冲刷壁的冲刷实验所用模具示意图实验所用模具示意图Schematic diagram of mold usedMacrograhps of castings produced by different pouring techniquesa) Poured in the center of the gauze and b) poured between the mould wall and the gauze第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成增大

30、冷却速度及降低浇注温度增大冷却速度及降低浇注温度 提高铸型的冷却能力提高铸型的冷却能力不同冷却速度的显微组织（浇注温度，左：不同冷却速度的显微组织（浇注温度，左：720，右：，右：605，(AZ91 alloy)从下至上的显微组织对应于从下至上的显微组织对应于1、2、3和和4点）点）.Differnent microstructures with varied cooling rates( Pouring temperature, Left: 720 and right: 605, from the bottom to the top corresponding to 1,2,3 and 4

31、points measured)8040401010105501234第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成增大冷却速度及降低浇注温度增大冷却速度及降低浇注温度 提高铸型的冷却能力提高铸型的冷却能力冷却速度对晶粒尺寸的影响 Grain size as a function of cooling rate0100200300400500 4321 605 oC 720 oC8040401010105501234第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织

32、特征与形成增大冷却速度及降低浇注温度增大冷却速度及降低浇注温度 提高铸型的冷却能力（改变铸型的预热温度提高铸型的冷却能力（改变铸型的预热温度）模具预热温度对宏观晶粒尺寸影响模具预热温度对宏观晶粒尺寸影响(浇注温度浇注温度625)Effect of preheated temperature of mold on macrostructure of A356 alloy cast at 625(a) 100 (b) 300 (c) 500 (d) 550 (e) 6001002003004005006000200400600800100012001400 625oC 650oCGrain siz

33、e as a function of preheat temperature of mould第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成用旋转磁场使金属液体转动用旋转磁场使金属液体转动 利用电磁场控制晶粒组织 pure Al 单相合金单相合金 固溶体的初生相固溶体的初生相l 共晶合金不适合共晶合金不适合p 旋转磁场中的液体切割磁力线旋转磁场中的液体切割磁力线p 旋转的液体不断冲刷铸型和凝固层旋转的液体不断冲刷铸型和凝固层p 铸件的不同部位获得不同的组织铸件的不同部位获得不同的组织第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液

34、态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成 金属液流经震动的浇注槽或浇口杯金属液流经震动的浇注槽或浇口杯p 金属遇到温度较低的浇口槽或浇口杯，形成固相或凝固层金属遇到温度较低的浇口槽或浇口杯，形成固相或凝固层p 震动有利于晶体的脱落震动有利于晶体的脱落 用偏心轮使铸型产生惯性震动用偏心轮使铸型产生惯性震动 使铸型变速或不断改变方向使铸型变速或不断改变方向第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 p孕育处理孕育处理 在浇注之前或浇注过程中向液体金属添加少量物质以达到细化晶粒、改在浇注之前或浇注过程中向液体金属添加少量物质以达到细化晶粒、

35、改善宏观组织目的的一种工艺方法善宏观组织目的的一种工艺方法4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成p 孕育孕育（Inoculaiton )p 变质变质 (modification)孕育作用机理孕育作用机理 外加晶核外加晶核 浇注时向金属液流中加入与欲细化相具有共格对应关系的高熔浇注时向金属液流中加入与欲细化相具有共格对应关系的高熔点点 物质或同类金属的碎片物质或同类金属的碎片 作为有效质点促进非自发生核作为有效质点促进非自发生核第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成孕育作用机理孕育作用机理 采用生核剂采

36、用生核剂p 少量能与熔体中某元素组成稳定的化合物，少量能与熔体中某元素组成稳定的化合物， 此化合物与欲细化相此化合物与欲细化相 具有界面共格对应、促进非自发生核具有界面共格对应、促进非自发生核p 少量能在液体中造成很大富集区，迫使结晶相提前弥散析出少量能在液体中造成很大富集区，迫使结晶相提前弥散析出孕育衰退现象孕育衰退现象 时间推移时间推移 孕育作用很快减弱以致消失孕育作用很快减弱以致消失第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成孕育作用机理孕育作用机理 采用强成分过冷元素采用强成分过冷元素p 熔点低熔点低p 显著降低

37、合金的液相线温度显著降低合金的液相线温度p 原子半径大原子半径大p 在金属中固溶量很小在金属中固溶量很小p 阻碍晶体的生长阻碍晶体的生长p 形成较大的成分过冷促进生核形成较大的成分过冷促进生核p 促进分枝形成缩颈，易于熔断脱落促进分枝形成缩颈，易于熔断脱落 1)1 (TTkkmCooTashis第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.3 宏观凝固组织特征与形成宏观凝固组织特征与形成铸件晶粒的局部细化铸件晶粒的局部细化 采用机械、物理的方法加强铸件局部的液体运动采用机械、物理的方法加强铸件局部的液体运动 表面细化表面细化 在铸型或熔模铸造的蜡模表面涂刷含有生核剂的涂

38、料，能使该铸在铸型或熔模铸造的蜡模表面涂刷含有生核剂的涂料，能使该铸件的表面层内晶粒细化，提高其疲劳强度。件的表面层内晶粒细化，提高其疲劳强度。l Ni基和基和Co基合金熔模铸造基合金熔模铸造l 高合金钢高合金钢 40%Fe3O4 20%TiC第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 Al合金晶粒细化合金晶粒细化 晶粒细化剂晶粒细化剂 1. Al-Ti 2. Al-Ti-B 3. Al-Ti-C 4. Al-Ti-B-Re 5. Al-Ti-Sr 6. Al-Ti-Be 晶粒细化机理晶粒细化机理包晶理论包晶理论粒子理论粒子理论-Al晶体增殖理论晶体增殖理论包晶残骸理论包

39、晶残骸理论双形核理论等双形核理论等这些理论都企图解释这些理论都企图解释铝合金晶粒细化机理，铝合金晶粒细化机理，但是迄今为止，没有但是迄今为止，没有一种理论能完全解释一种理论能完全解释所有的晶粒细化现象所有的晶粒细化现象 第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 Mg合金晶粒细化合金晶粒细化p 航空航空 油泵壳体油泵壳体 机匣机匣 机匣主壳体机匣主壳体 滑油泵隔板滑油泵隔板 滑油泵隔盖滑油泵隔盖 p 汽车汽车 60多个汽车零件采用镁合金，座椅骨架、仪表盘、转向盘多个汽车零件采用镁合金，座椅骨架、仪表盘、转向盘 和转向柱、轮圈、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳和转向柱、轮圈

40、、发动机气缸盖、变速器壳、离合器壳 每年以每年以15%增加增加p 移动电话、笔记本电脑外壳、精密仪器、照相机、麦克、移动电话、笔记本电脑外壳、精密仪器、照相机、麦克、 耳机、耳机、CD机外壳及电视等家电的装饰件等机外壳及电视等家电的装饰件等 第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 Mg合金晶粒细化合金晶粒细化 Mg-Zr binary phase diagram p 不含铝的镁合金不含铝的镁合金 （Mg-Zn,Mg-RE,Mg-Ca)采用采用Zr晶粒细化晶粒细化 -Mg: : =0.32nm,=0.32nm, c=0.512nmc=0.512nm -Zr : : =0

41、.323nm,c=0.514nm=0.323nm,c=0.514nm 两者具有良好的共格关系，两者具有良好的共格关系， -Zr能成为能成为 Mg的结晶核心，的结晶核心，镁液中形成的大量的镁液中形成的大量的-Zr弥散弥散质点使晶粒显著细化质点使晶粒显著细化Zr 以以Mg-Zr中间合金的方式加入中间合金的方式加入镁合金未变质处理晶粒粗大镁合金未变质处理晶粒粗大第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 p含铝镁合金含铝镁合金 过热处理和碳素材料添加过热处理和碳素材料添加过热处理过热处理(superheating) 加热到液相线以上加热到液相线以上250-300，过热，过热10

42、mins10mins，然后以大于，然后以大于100/min100/min的速度快冷到浇注温度进行浇注。的速度快冷到浇注温度进行浇注。 过热处理晶粒细化机理尚不清楚过热处理晶粒细化机理尚不清楚缺点缺点过热温度高过热温度高在钢坩埚中镁液与铁发生反应，铁渗透到镁合金中在钢坩埚中镁液与铁发生反应，铁渗透到镁合金中降低镁合金的耐蚀性降低镁合金的耐蚀性第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 合金成分的影响合金成分的影响 Mg-Al合金合金，高含铝量（，高含铝量（8%）比低含铝量的合金过热晶）比低含铝量的合金过热晶 粒细化效果更好粒细化效果更好 Fe和和Mn的影响的影响 含含Fe和

43、和Mn效果明显效果明显少量少量Si利于过热晶粒细化，利于过热晶粒细化，Be、Zr、Ti不利于晶粒细化不利于晶粒细化第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 加碳变质法加碳变质法 加入一定量的加入一定量的MgCO3、 CaCO3、C2Cl6等含碳的化合物，高温下分解等含碳的化合物，高温下分解还原出碳，碳与铝生成大量弥散分布的还原出碳，碳与铝生成大量弥散分布的Al4C3。 Al3C4与与-Mg同属密排六同属密排六方晶格，晶格常数与方晶格，晶格常数与-Mg仅差仅差4%，作为外来晶核，使基体晶粒细化。，作为外来晶核，使基体晶粒细化。 MgCO3=MgO+CO2 C2Cl6= C

44、2Cl4+ Cl2 CO2+2Mg=2MgO+C C2Cl4+4Mg=4MgCl+2C 3C+4Al=Al4C3 3C+4Al=Al4C3第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.4 特种条件下凝固状态与组织控制机理特种条件下凝固状态与组织控制机理特种条件下凝固特种条件下凝固p 快速凝固快速凝固p 定向凝固定向凝固p 半固态半固态p 外场外场与传统的铸件（铸锭）凝固不同的条件与传统的铸件（铸锭）凝固不同的条件第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.4 特种条件下凝固状态与组织控制机理特种条件下凝固状态与组织控制机理p 快速凝固快速凝固

45、常规凝固的缺点常规凝固的缺点 组织上：组织上： 组织粗大，组织粗大， 偏析严重，偏析严重， 缩孔，缩松，应力缩孔，缩松，应力 成分设计上成分设计上: : 受到限制受到限制 性能上：低性能上：低 原因：冷却速度低（原因：冷却速度低（10102 2K/sK/s）第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 4.4 特种条件下凝固状态与组织控制机理特种条件下凝固状态与组织控制机理p 快速凝固快速凝固快速凝固的定义快速凝固的定义快速凝固技术：快速凝固技术： 是指从液相到固相的相变过程进行的非常快，从而获得普通是指从液相到固相的相变过程进行的非常快，从而获得普通铸件或铸锭无法获得的成

46、分、相结构和显微结构的过程。铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程。 快速凝固过程偏离了平衡凝固状态，不但可以克服传统铸快速凝固过程偏离了平衡凝固状态，不但可以克服传统铸造过程中的偏析、缩孔、疏松等缺陷，而且在获得新的微观组造过程中的偏析、缩孔、疏松等缺陷，而且在获得新的微观组织结构和优异性能合金方面，具有巨大潜力。织结构和优异性能合金方面，具有巨大潜力。 快速凝固合金已经广泛应用于航空、航天、核工业、快速凝固合金已经广泛应用于航空、航天、核工业、机械、电子等许多重要部门机械、电子等许多重要部门。第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 快速凝固的特征快速凝固

47、的特征p 偏析形成倾向减小偏析形成倾向减小 无论溶质分配系数无论溶质分配系数 K1还是还是K1，实际溶质分配系数总是随着，实际溶质分配系数总是随着 凝固速率的增大向凝固速率的增大向1趋近。趋近。p 非平衡相的形成非平衡相的形成 平衡相被抑制，析出非平衡的亚稳定相平衡相被抑制，析出非平衡的亚稳定相p 细化凝固组织细化凝固组织 形核速率的增大而使晶粒细化，晶粒尺寸减小，获得微晶、纳米晶形核速率的增大而使晶粒细化，晶粒尺寸减小，获得微晶、纳米晶p 微观凝固组织的变化微观凝固组织的变化 绝对稳定的凝固条件下，可获得无偏析的凝固组织；相同的成分在不同的绝对稳定的凝固条件下，可获得无偏析的凝固组织；相同的

48、成分在不同的 冷却条件下可获得不同的组织冷却条件下可获得不同的组织p 非晶态的形成非晶态的形成 特殊的力学性能及物理性能特殊的力学性能及物理性能 冷却速度/(K/S)受化学成分及工艺因素的影响常规显微组织熔体改善的显微组织新型显微组织粗大的树枝晶、共晶及其它显微组织 细化的树枝晶、共晶及其它显微组织扩大的固溶极限，超细晶粒，无偏析或少偏析，亚稳相直至非晶态组织及成分的均匀性100102104106108第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 1952年年Falkenhagen的工作的工作1950年许年许Turnbull的工作的工作(熔滴弥散法熔滴弥散法)1960年年D

49、uwez著名实验，学科的诞生著名实验，学科的诞生6070年代：非晶态功能材料年代：非晶态功能材料 （Pond和陈鹤寿）和陈鹤寿）70 80年代：晶态结构与功能材料年代：晶态结构与功能材料80年代中叶：准晶的出现年代中叶：准晶的出现 (陈鹤寿陈鹤寿)90年代：大块非晶的发展年代：大块非晶的发展 （井上，张涛，（井上，张涛，Johnsonm）本世纪初开始：微晶、非晶、纳米材料本世纪初开始：微晶、非晶、纳米材料快速凝固发展史第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 快速凝固分类快速凝固分类 主要包括两大类，主要包括两大类，急冷凝固法急冷凝固法与与深过冷法深过冷法急冷凝固法急冷

50、凝固法（模冷、雾化、表面熔化与沉积）（模冷、雾化、表面熔化与沉积） 单辊法、双辊法、熔体旋转法、气体雾化法、水雾化单辊法、双辊法、熔体旋转法、气体雾化法、水雾化法、离心雾化法、喷射沉积法、激光或电子束表面处理法、离心雾化法、喷射沉积法、激光或电子束表面处理技术等。技术等。( (通过铸型的导热能力，增大热流的导出速率通过铸型的导热能力，增大热流的导出速率可使凝固界面快速推进，实现快速凝固）可使凝固界面快速推进，实现快速凝固）深过冷法深过冷法 大致可以分为两类，（大致可以分为两类，（1 1）熔滴弥散法，即在细小熔）熔滴弥散法，即在细小熔滴中获得大凝固过冷度的方法，包括乳化法、落管法、滴中获得大凝固

51、过冷度的方法，包括乳化法、落管法、熔滴熔滴- -基底法等；（基底法等；（2 2）较大体积熔体中获得大的凝固过）较大体积熔体中获得大的凝固过冷度，包括玻璃体包裹法、电磁悬浮熔炼法等。冷度，包括玻璃体包裹法、电磁悬浮熔炼法等。第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 1 1细粉细粉2 2气体气体3 3气源气源4 4合金液合金液5 5真空感应加热器真空感应加热器6 6喷嘴喷嘴7 7雾化室雾化室8 8收集室收集室9 9粉末粉末第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 （1 1）快速凝固粉末材料具有的基本特征：快速凝固粉末材料具有的基本特征：细小的亚结构（

52、枝晶与包晶）细小的亚结构（枝晶与包晶）极大的溶质过饱和度极大的溶质过饱和度小的晶粒尺寸小的晶粒尺寸（2 2）粉末材料快速凝固技术的关键粉末材料快速凝固技术的关键首先，要使液态金属克服界面张力而分散成微小的颗首先，要使液态金属克服界面张力而分散成微小的颗 粒（即雾化技术）；粒（即雾化技术）；其次，在保证材料尽可能不发生氧化、污染的条件下其次，在保证材料尽可能不发生氧化、污染的条件下 获得尽可能大的冷却速率。获得尽可能大的冷却速率。 粉末尺寸和凝固速率粉末尺寸和凝固速率是标志粉末材料快速凝固技术是标志粉末材料快速凝固技术水平的主要指标。水平的主要指标。第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属

53、充型与宏观凝固组织 离心雾化法离心雾化法旋转电极雾化法旋转电极雾化法1-1-真空计真空计 2-2-传送带传送带 3-3-电动机电动机4-4-电刷电刷 5-5-电极电极 6-6-送料送料7-7-旋转器旋转器8-8-粉末收集室粉末收集室9-9-钨电极钨电极工作原理工作原理： 将合金首先预制将合金首先预制成棒状电极，在预制成棒状电极，在预制电极高速旋转的同时，采用电极高速旋转的同时，采用等离子束或电弧使其端部熔等离子束或电弧使其端部熔化，熔化的合金液膜在离心化，熔化的合金液膜在离心力的作用下，立即被高速抛力的作用下，立即被高速抛出发生雾化出发生雾化。p 优点优点粉末纯净度高粉末纯净度高粉末为球体，尺

54、寸均匀粉末为球体，尺寸均匀材料无污染材料无污染p 不足之处不足之处生产效率低生产效率低设备及运行成本高设备及运行成本高粉末尺寸大粉末尺寸大第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 雾化基本原理：雾化基本原理： 将熔融的合金液浇将熔融的合金液浇注在高速旋转的圆杯或注在高速旋转的圆杯或圆盘中，在离心力的作圆盘中，在离心力的作用下被高速抛出而发生用下被高速抛出而发生雾化。雾化。 图图c c是将杯的侧壁用是将杯的侧壁用多孔网代替，利用网的多孔网代替，利用网的分散作用进行合金液的分散作用进行合金液的雾化雾化旋转圆杯旋转圆杯/盘法盘法a a 旋转圆盘旋转圆盘 b b 旋转圆杯旋转圆

55、杯 c c 旋转多孔杯旋转多孔杯第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 美国美国DuwezDuwez于于19601960年首次采年首次采用溅射法获得快速凝固组织，开用溅射法获得快速凝固组织，开始了快速凝固研究的历史。始了快速凝固研究的历史。溅射法的快凝原理：溅射法的快凝原理： 母合金在石英管种感应熔化，母合金在石英管种感应熔化，高压室突然通入高压气流，高、高压室突然通入高压气流，高、低压室产生冲击波，熔体被分离低压室产生冲击波，熔体被分离成细小液滴，以每秒几百米的速成细小液滴，以每秒几百米的速度喷射到铜模凝固成箔片。度喷射到铜模凝固成箔片。 凝固冷速高达凝固冷速高达1

56、0109 9K/sK/s。溅射法示意图溅射法示意图1.1.高压室高压室 2.2.聚酯薄膜聚酯薄膜 3.3.感应感应线圈线圈 4.4.低压室低压室 5.5.铜模铜模第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 进入进入7070年代，薄膜材料快速凝固年代，薄膜材料快速凝固技术得到迅速发展，并实现了连续批技术得到迅速发展，并实现了连续批量生产。量生产。 主要包括主要包括单辊法、双辊法、溢流单辊法、双辊法、溢流法、甩出法等。法、甩出法等。第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 单辊法（单辊法（single roller)single roller)又称熔体

57、旋转法（又称熔体旋转法（Melt Melt spinning)spinning)。 a a、b b的区别在于熔体的喷的区别在于熔体的喷嘴到单辊的距离不同。嘴到单辊的距离不同。 前者是合金液通过喷枪射前者是合金液通过喷枪射到高速旋转的激冷辊上，形到高速旋转的激冷辊上，形成薄膜并快速凝固。成薄膜并快速凝固。 后者在单辊与喷嘴之间形后者在单辊与喷嘴之间形成一个熔池，熔池对合金液成一个熔池，熔池对合金液的流出有缓冲作用因而获得的流出有缓冲作用因而获得更均匀的薄膜。更均匀的薄膜。a a 自由喷射甩出法自由喷射甩出法 b b 平面流动铸造法平面流动铸造法1-1-激冷辊激冷辊 2-2-感应加热炉感应加热炉

58、3-3-排气阀排气阀 4-4-压力表压力表 5-5-带材带材 6-6-喷嘴喷嘴 7-7-合金液合金液 8-8-激冷基底（单辊表面）激冷基底（单辊表面）第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 基本原理：基本原理： 将熔融合金液喷将熔融合金液喷射到两个反相高速旋射到两个反相高速旋转的轧辊之间，并实转的轧辊之间，并实现快速凝固。现快速凝固。双辊法快速凝固技术双辊法快速凝固技术1-带材 2-合金液流 3-加热炉4-坩锅 5-漏出孔 6-双辊第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 双辊法快速凝固技术双辊法快速凝固技术p 优点：优点：双面冷却，获得带材其

59、两面的表面质量相同并且均匀双面冷却，获得带材其两面的表面质量相同并且均匀p 不足之处：不足之处： 存在类似于单辊法的各种工艺问题，其工艺过程控制存在类似于单辊法的各种工艺问题，其工艺过程控制的难度甚至更大。理论上双辊法的冷速应大于单辊法，的难度甚至更大。理论上双辊法的冷速应大于单辊法，但工程实际并非如此但工程实际并非如此两个轧辊的平行度对带材的质量影响很大两个轧辊的平行度对带材的质量影响很大只能制备毫米甚至更厚的带材，而单辊法可制备数十到只能制备毫米甚至更厚的带材，而单辊法可制备数十到100100 m m的薄带的薄带第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 基本原理：基

60、本原理： 利用特制的坩利用特制的坩锅与激冷单辊的配锅与激冷单辊的配合，使合金液从坩合，使合金液从坩锅的特定形状的边锅的特定形状的边沿溢出，并由高速沿溢出，并由高速旋转的单辊拉成薄旋转的单辊拉成薄膜，获得快速凝固带材。膜，获得快速凝固带材。 溢流法实际上是单辊法快速凝固技术的一种改进。溢流法实际上是单辊法快速凝固技术的一种改进。溢流法快速凝固溢流法快速凝固第四章第四章液态金属充型与宏观凝固组织液态金属充型与宏观凝固组织 与单辊法相比，具有以下特点：与单辊法相比，具有以下特点：采用坩锅边沿溢出的方式取代喷嘴的喷射方式，采用坩锅边沿溢出的方式取代喷嘴的喷射方式，因而不存在喷射的紊流，流动更加平稳，利