材料凝固理论-卢一平.ppt

1、2020/7/14,Solidification of Metals,材料凝固理论卢一平材料学院铸造工程研究中心,第二章 材料凝固理论,主要内容： 材料凝固概述 凝固的热力学基础 形核 生长 溶质再分配 共晶合金的凝固 金属及合金的凝固方式 凝固成形的应用,材料成形技术基础,第一节 材料凝固概述,一、凝固成形的基本问题和发展概况,1、基本问题：,凝固组织的形成与控制,铸造缺陷的防止与控制,铸件尺寸精度与表面粗糙度控制,控制铸件的凝固组织是凝固成形中的一个基本问题。目前已建立了许多控制组织的方法，如孕育、动态结晶、定向凝固等。,典型代表就是定向凝固技术、快速凝固技术和复合材料的获得。此外，还有半

2、固态金属铸造成形技术等。,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,大多数材料在经历液固转变时，其体积将缩小35，原子的平均间距减小11.7，导致缺陷形成的主要原因之一。因此铸造时为了防止缩松，都加了冒口，球墨铸铁件铸造时需要冒口吗？,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,材料发生液固转变后，其外形将保持容器的形状，这就是铸造古老而又年轻的工艺手段。,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生

3、凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,表示一个体系的紊乱程度，熵值越大，体系越紊乱。当材料发生液固转变时，熵值将减小，说明固体比液体的结构更“整齐”。,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,亚共晶Al-Si合金冷却曲线,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,1200时液态金属原子的状态,1500时液态金属原子的状态,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶

4、质再分配,凝固过程的溶质再分配,第四节 生长,一、固液界面结构,粗糙界面：微观粗糙、宏观光滑； 将生长成为光滑的树枝； 大部分金属属于此类,光滑界面：微观光滑、宏观粗糙； 将生长成为有棱角的晶体； 非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此类,粗糙界面,粗糙界面,光滑界面,光滑界面,为光滑界面。这个判据仅仅对纯元素 近平衡凝固条件下有效。（epL),界面形态被称之,自由能均最小，此时的,这两种情况下，,的空位均被原子占据。,，或几乎所有,很多空位未被原子占据,面上有,的两端处，这意味着界,和,于,接近,的最小值在,时，,）当,1,0,2,2,x,G,S,D,a,三、生长速度,一、溶质再分配与平衡

5、分配系数 溶质平衡分配系数 为恒温下固相溶质浓度 与液相溶质浓度 达到平衡时的比值，二元合金中的 可由平衡状态图的液相线与固相线给出，即：,二、非平衡凝固时的溶质再分配 假定凝固的任意时刻，固液界面处于局部平衡状态，则有：,第五节 溶质再分配,三、成份过冷判据,成分过冷：由溶质再分配导致界面前沿平衡温度发生变化而引起的过冷。 实质呢？ 什么叫过冷？,合金凝固时的成分过冷 a)二元平衡相图 b)界面前沿液相溶质富集带c)稳定界面d)非稳定界面,在固液界面附近，运用Fick扩散定律和平衡温度梯度与液相斜率的关系，可以推导出成分过冷判据：,从上式可以看出，结晶温度间隔越大，成分过冷倾向越大，平界面越

6、容易破坏，扩散系数越小，平界面越容易失稳。,铝合金随成分过冷度的增加，凝固界面形态的演变过程 a)平界面b)痘点状界面c)狭长胞状界面d)不规则胞状界面e)六角形胞晶f)树枝晶,四、成份过冷与晶体生长形态,凝固界面形态分为：平界面、胞状界面、和树枝界面 当合金成分一致时，随 值的减少，晶体形态由平面晶向胞状晶向胞状树枝晶、柱状树枝和等轴树枝晶转变。,和 对晶体形态的影响,“成分过冷”与固液界面形貌,胞状晶转变为胞状树枝晶,五、微观偏析,偏析：金属凝固过程中发生化学成分不均匀的现象 偏析程度用偏析比来表示：,微观偏析可造成材料本身的冲击韧性、塑性及耐腐蚀性降低,有两种情况：,晶界与晶体生长方向平

7、行，晶界出现凹槽，溶质富集程度高，如图a； 两个晶粒相对生长，相遇前将溶质排出到剩余液相中，使最后凝固部分富含溶质，如图b。,六、宏观偏析,宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀的现象 1、正常偏析：对于 1的合金，外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低 3、密度偏析：由于重力作用产生的化学成分不均匀的现象。,第六节 共晶合金的凝固,共晶型合金分为规则共晶和非规则共晶。 规则共晶由金属金属组成，属非小平面-非小平面共晶； 非规则共晶由金属非金属组成，属非小平面小平面共晶。(Bi，Sb呢？） 按生长方式分为三种（JAP）,不同的合金系中，共晶结晶的方式可分为共

8、生生长和离异生长两种。实际上，同一种共晶合金，在不同凝固速度下凝固组织的演化非常复杂，远不止这两种情况。（Chine Science，,对共生生长，结晶时后析出相依附于领先相表面析出，形成具有两相共生界面的双相核心，随后由界面前沿两相间的横向扩散作用，互相为对方提供生长所需组元，以此协同生长。,共生生长需要两个基本条件：,两相生长能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和长大。 两组元在界面前沿的横向传输要能保证两相等速生长的需要。,由于实际凝固过程中动力学条件的限制，实际共生区与前示平衡相图上的共生区会有一定差异。通常要小一些，或是不对称。,对称形 非对称形,离异生长是指共晶合金两相生长时，

9、没有共同的生长界面，两相分离并以不同生长速率而结晶。 离异共晶体可分为晶间偏析型和领先相呈球团型两类。还有各自独立形核生长型，混合型等。（mater lett）,晶间偏析型合金成分偏离共晶点很远，初生相长得很大且很多时，发生共晶反应，而另一相在初生相上继续长出，最终所得组织如图示。,领先相呈球团型是由于领先相为熔点高的金属，且生长界面为各向异性，此时领先相成球团形态，其他相围绕其表面生长，形成“晕圈”。,不完整晕圈的共生生长 封闭晕圈的离异生长,第七节 金属及合金的凝固方式 一、凝固方式与质量的关系：,金属或合金在铸型中凝固时,可以分为液相区、固相区和固液两相区。,金属或合金凝固分区示意图,固

10、液两相区较窄时，呈现强烈的得逐层凝固特点；固液两相区较宽时，液相补缩困难，逐层凝固特征不明显。,固液两相区宽度对液相补缩的影响 a)固液两相区宽度较窄b)固液两相区宽度较宽,二、凝固动态曲线与凝固方式,在凝固件横断面处设置温度传感器测定冷却曲线，即温度-时间曲线。据不同断面的冷却曲线，结合该合金的相图，便可以绘出凝固件断面液相线-固相线与凝固时间的关系-凝固动态曲线。 由凝固动态曲线可以看出合金在凝固件中的凝固方式。 (China science E),铸件凝固动态曲线的绘制 a)铸件断面的温度-时间曲线b)凝固动态曲线c)某时刻的凝固状,三、凝固方式的影响因素：,凝固方式一般由合金固液相线温

11、度间隔和凝固件断面温度梯度两个因素决定。 凝固温度间隔大的合金倾向于糊状凝固；反之倾向于逐层凝固,逐层凝固,糊状凝固,第八节 凝固成形的应用一、铸造生产过程中的凝固控制,1、充型能力控制 充型能力：液态金属充满型腔，获得形完 整、轮廓清晰铸件的能力。 影响因素：金属金属性质方面、铸型性质 方面、浇铸条件方面和铸件结 构方面。,2、收缩控制：,铸件在冷却过程中体积缩小的现象叫收缩。 收缩可分成三个阶段：液态收缩、凝固收缩、固态收缩。 液态收缩：从浇注温度降低到凝固开始的温度时，发生的体积收缩； 凝固收缩：合金再凝固阶段的体积收缩； 固态收缩：固态合金因温度降低发生的体积收缩。 液态收缩、凝固收缩

12、是引起缩孔、缩松的主要原因，而固态收缩是产生铸造应力、变形和裂纹的主要原因。,合金的收缩量用体收缩率和线收缩率来表示，其定义为：,V0，V1合金在温度为T0，T1时的体积； l0，l1合金在温度为T0，T1时的长度； av，al合金在T0T1温度范围的体膨胀系数和线膨胀系数。,铸件凝固后，由于合金的收缩，在最后凝固部位会出现孔洞。,体积大而集中的孔洞称为缩孔； 细小而分散的空洞称为缩松。,以逐层凝固的圆柱体铸件为例，缩孔的形成过程如图：,铸件的缩松：,缩松是铸件以糊状凝固方式凝固时，最后凝固的区域没能得到液态合金的补充造成的分散、细小的显微缩孔 根据分布形态，缩松分为宏观缩松和微观缩松两类 宏

13、观缩松：指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞，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，在显微镜下才能看到。,缩孔、缩松的存在都会使铸件受力的有效截面积减小，使铸件强度降低。在生产中应尽量防止或减少缩孔、缩松。 可以利用冒口、冷铁和补贴等工艺措施，并结合运用顺序凝固或同时凝固的工艺原则来实现。,3、应力控制,铸件冷却时因各部分冷却速度不同，造成在同一时刻各部分的收缩量不同，彼此相互制约的结果就产生了应力。,按应力形成原因分类： 热应力 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，彼此制约的结果，所形成的应力； 相变应力 铸件冷却过程中发生固态相变的时间不一致，

14、体积和长度变化的时间也不一致，彼此制约，形成的应力； 机械应力 铸件冷却收缩过程中，线收缩受到机械阻碍而产生的应力。,4、 凝固组织控制,铸件宏观组织一般可能存在三个不同的晶区：,表面细晶粒区：靠近型壁的外壳层，有紊乱排列的细小等轴晶组成； 柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此排列的柱状晶所组成； 内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶组成。,铸件典型的几种组织,三个晶区形成的简单过程是： 金属液浇入铸型后，先在温度低的型壁上形核与生长，同时又从其上脱落与游移，从而在型壁附近沉积成细小晶粒，构成表面细晶粒区； 表层细晶层形成后，液体对流强度大大减弱，固液界面前沿晶体在与型壁垂直的单向热流作用下，向中心延伸，形成柱状晶区； 在柱状晶生长过程中，液体内部也将可能出现过冷，形成新的等轴晶，或从别处迁移过来的游离晶生长成新的等轴晶，最终形成内部等轴晶区。,由于等轴晶性能均匀稳定，没有方向性，故其是生产中优先选择的宏观组织形态。 工艺上常采取的工艺措施有以下4条：（1）适当降低浇注温度；（2）合理运用铸型的激冷作用；（3）孕育处理；（4）动态晶粒细化。,（1）适当降低浇注温