凝固缺陷与控制.ppt

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1、1,第十一章 凝固缺陷与控制,第十一章 凝固缺陷与控制,2,液态金属,体积收缩,变形缩孔缩松,热裂纹冷裂纹,气体元素杂质元素,化合物,夹渣,气泡,气孔,过饱和析出,降温凝固,受拘束,应力,滞留,成分偏析,非平衡凝固,低熔点共晶,3,第一节 合金中的成分偏析第二节 气孔与夹杂第三节 缩孔与缩松,第四节 应力第五节 热裂纹第六节 冷裂纹,4,11-1 合金中的成分偏析,5,合金的成分偏析,6,合金的成分偏析,一、微观偏析微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为：1、晶内偏析是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。固

2、溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异，又称为枝晶偏析。2、晶界偏析在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降低合金的塑性与高温性能，又增加热裂纹倾向。晶粒并排生长，晶界平行于晶体生长方向，晶界与液相的接触处存在凹槽，溶质原子在此处富集，凝固后就形成了晶界偏析。,7,合金中的成分偏析,晶粒相对生长，在对合处彼此相遇。晶粒结晶时所排出的溶质（k01）和其他杂质元素在固-液界面前沿富积，在最后凝固的晶界对合部位将含有较多的溶质和其他低熔点物质，造成晶界偏析

3、。3.微观偏析的影响因素与消除措施 偏析程度的影响因素合金液、固相线间隔（宽）偏析元素的扩散能力（弱）冷却条件（快）,8,合金中的成分偏析,二、宏观偏析宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括：正常偏析 逆偏析 V形偏析和逆V形偏析 带状偏析与层状偏析 重力偏析,9,合金中的成分偏析,焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固-液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，焊缝极易产生纵向裂纹。,10,合金中的成分偏析,逆偏析的形成原因在于结晶温度范围宽的固溶体型合金，在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集

4、着低熔点相，当铸件产生体收缩时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。,11,合金中的成分偏析,带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。焊缝凝固中的层状偏析与带状偏析机理相同。,12,气孔与夹杂,气体在金属中的含量超过其溶解度，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡来不及排除，就会在金属内形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。一、气孔的分类及形成机理1、析出性气孔液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出

5、的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现偏析。一般最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于平均浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。,13,气孔与夹杂,气体的析出过程 高温下溶解在液态金属中气体的析出方式有：扩散析出；形成化合物析出；聚集成气泡析出。,14,气孔与夹杂,析出性气孔的特征 析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等温度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状；而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。焊缝金属产生的析出性气孔多数出现在焊缝表面。氢气孔的断面形状

6、如同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔一般成堆出现，形似蜂窝。,15,气孔与夹杂,2、侵入性气孔将液态金属浇入砂型时，砂型或砂芯在金属液的高温作用下会产生大量气体，随着温度的升高和气体量的增加，金属-铸型界面处气体的压力不断增大。当界面上局部气体的压力高于外界阻力时，气体就会侵入液态金属，在型壁上形成气泡。气泡形成后将脱离型壁，浮入型腔液态金属中。当气泡来不及上浮逸出时，就会在金属中形成侵入性气孔。3、反应性气孔 液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的气孔。金属与铸型间的反应性气孔 与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于液态金属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型

7、气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。Fe+H2O FeO+H2 含氮树脂砂分解 N2 金属(或铸型)中的 C 氧化 CO,16,气孔与夹杂,金属与溶渣间的反应性气孔 当液态金属中含有混入的熔渣（FeO）时，会和液态金属（或铸型）中的 C 反应：(FeO)+C Fe+CO 当采用石灰石砂型时，若砂粒进入钢液会发生：CaCO3 CaO+CO CO2+Fe FeO+CO 熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有白色的 CaO 与 FeO 残渣，所以又称为渣气孔。,17,气孔与夹杂,液态金属内元素间的反应性气孔（1）碳-氧反应性气孔 溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成CO气泡，凝固时来不及浮出

8、的气泡形成 CO 气孔。铸件中的 CO 气孔多呈蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的 CO 气孔为沿结晶方向的条虫状。（2）氢-氧反应性气孔 溶解在液态金属中的O和H 反应生成 H2O气泡，产生水气孔。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。（3）碳-氢反应性气孔 铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的H和C时，将生成甲烷（CH4）气孔。,18,气孔与夹杂,二、防止气孔产生的措施a.减少氢的来源。化学方法或机械办法清理焊丝或工件表面氧化膜。b.合理选择规范参数。钨极氩弧焊选较大焊接电流和较快焊速。熔化极气体保护焊时选较低焊速并提高焊接线能量有利于减少气孔。c.采用氩气中加少量CO2或O2的熔化极混合气

9、体保护焊。d.对厚的工件适当预热。,19,气孔与夹杂,三、夹杂物的形成及防止措施1、夹杂物的来源及分类自身杂质(1)炉料中的杂质(2)焊材、母材中的杂质 反应产物(1)熔炼过程反应产物(2)与周围介质（气、固、液态）间的反应产物,20,气孔与夹杂,夹杂物的分类按夹杂物化学成分 氧化物 硫化物 硅酸盐 按夹杂物形成时间 初生夹杂物 次生夹杂物 二次氧化夹杂物 按夹杂物形状 球形 多面体 不规则多角形 条状,21,气孔与夹杂,夹杂物对金属性能的影响夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降；尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲劳强度；易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂；促进

10、气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核；在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。,22,气孔与夹杂,2、铸件中的夹杂物初生夹杂物 在金属熔炼过程中及炉前处理时形成，经历偏晶析出和聚合长大两个阶段。(1)夹杂物的偏晶析出在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时，从液态金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低：L1(T0)L2+AmBn(2)夹杂物的聚合长大 夹杂物从液相中析出时尺寸很小(仅有几个微米)，数 量却很多（数量级可达 108 个/cm3）。由于对流或密度差 上浮或下沉，发生高频率的碰撞和机械粘连。夹杂物粗 化后运动速度加快，以更高的速

11、度与其他夹杂物碰撞、聚合长大。熔点较低的夹杂物会重新熔化，尺寸大、密 度小的夹杂物则会浮到液态金属表面。,23,气孔与夹杂,二次氧化夹杂物 液态金属与大气或氧化性气体接触时，会很快氧化形成氧化薄膜。在浇注及充型过程中，表面氧化膜会被卷入液态金属内部，而此时液体的温度下降较快，卷入的氧化物在凝固前来不及上浮到表面，便在金属中形成二次氧化夹杂物。这类夹杂物常出现在铸件上表面、型芯下表面或死角处。次生夹杂物 次生夹杂物是指合金凝固过程中，由于偏析，溶质元素及杂质元素将富集于枝晶间尚未凝固的液相内，处于过饱和状态而发生偏晶反应：L1L2，析出非金属夹杂物。由于夹杂物是从偏析液相中产生的，因此又称为偏析

12、夹杂物。,24,气孔与夹杂,3、焊缝中的夹杂物 焊缝中的氮化物夹杂多在焊接保护不良时出现，对于低碳钢和低合金钢，主要的氮化物是Fe4N，在时效过程中过饱和析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。焊缝中的硫化物夹杂主要有MnS和FeS两种。FeS通常沿晶界析出，并与Fe或FeO形成低熔点共晶。低碳钢焊缝存在的氧化物夹杂主要是SiO2、MnO、TiO2和Al2O3等，一般以硅酸盐的形式存在。防止焊缝产生夹杂物的措施正确地选择原材料（包括母材和焊接材料），母材、焊丝中的夹杂物应尽量少，焊条、焊剂应具有良好的脱氧、脱硫效果；注意工艺操作，如选择合适的工艺参数；适当摆动焊条以便于熔渣浮出；加强熔池保护，防

13、止空气侵入；多层焊时清除前一道焊缝的熔渣等。,25,11-3 缩孔与缩松,26,冷却,凝固,体积收缩,缩 孔缩 松应力变形,热裂纹冷裂纹,27,第三节 缩孔与缩松,一、金属的收缩 二、缩孔与缩松的分类及特征 三、缩孔与缩松的形成机理四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施,28,液态收缩阶段凝固收缩阶段固态收缩阶段,三个阶段,一、金属的收缩,29,图11-14 二元合金收缩过程示意图a）合金相图 b）有一定结晶温度范围的合金 c）恒温凝固的合金,液态收缩,凝固收缩,固相收缩,30,31,金属从浇注温度冷却到室温所产生的体收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和，即:V总V液V凝V固 其中，液态收缩和凝

14、固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。,32,二、缩孔与缩松的分类及特征,缩孔 缩松,33,a）明缩孔 b）凹角缩孔 c）芯面缩孔 d）内部缩孔,34,缩 孔 特 点,常出现于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围较窄的以层状凝固方式凝固的铸造合金中；多集中在铸件的上部和最后凝固的部位；铸件厚壁处、两壁相交处及内浇口附近等凝固较晚或凝固缓慢的部位（称为热节），也常出现缩孔；缩孔尺寸较大，形状不规则，表面不光滑。,35,缩 松 的 特 点,缩松多出现于结晶温度范围较宽的合金中；显微缩松一般出现在枝晶间和分枝之间；常分布在缩孔附近或铸件厚壁的中心部位；,36,A,B,m,n,？凝固,？凝固,层状凝固,

15、体积凝固,37,TL,TL,TS,TS,G,G,体积凝固,层状凝固,树枝晶,胞状晶,缩松,缩孔,38,39,铸件热节处的缩孔与缩松,40,三、缩孔与缩松的形成机理,缩孔的形成 缩松的形成,41,缩 孔 的 形 成 机 理,纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔。,42,铸件中缩孔形成过程示意图,43,缩松的形成 的形成机理,结晶温度范围较宽的合金，一般按照体积凝固的方式凝固，凝固区内的小晶体很容易发展成为发达的树枝晶。当固相达到一定数

16、量形成晶体骨架时，尚未凝固的液态金属便被分割成一个个互不相通的小熔池。在随后的冷却过程中，小熔池内的液体将发生液态收缩和凝固收缩，已凝固的金属则发生固态收缩。由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其固态收缩，两者之差引起的细小孔洞又得不到外部液体的补充，便在相应部位形成了分散性的细小缩孔，即缩松。,44,四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施,（一）影响缩孔与缩松的因素（二）防止铸件产生缩孔和缩松的途径,45,（一）影响缩孔与缩松的因素,金属的性质；铸型的冷却能力；浇注温度与浇注速度；铸件尺寸；补缩能力。,46,（二）防止铸件产生缩孔和缩松的途径,顺序凝固 同时凝固 使用冒口、补贴和冷铁,47,

17、顺序凝固方式示意图,48,同时凝固方式示意图,距离,纵向温度分布曲线,温度,49,11-4 热裂纹,50,热裂纹,在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹。金属在加工和使用过程中，可能会出现各种裂纹，如热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹等。裂纹是可以引发灾难性事故的、危害最大的一类缺陷。一、热裂纹的分类及特征1、凝固裂纹金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。其形成与凝固末期晶间存在的液膜有关，断口具有沿晶间液膜分离的特征。裂纹无金属光泽，有明显的氧化色彩。,51,热裂纹,液化裂纹的形成机理 液化裂

18、纹是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，一般认为是由于热影响区或多层焊层间金属奥氏体晶界上的低熔点共晶，在焊接高温下发生重新熔化，使金属的塑性和强度急剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。,52,热裂纹,高温失延裂纹的形成机理在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。当沿晶界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致裂纹。空穴开裂理论认为晶界滑动和晶界迁移同时发生，两者共同作用可形成晶界台阶，进而形成空穴并发展成微裂纹。,53,热裂纹,二、热裂纹的形成机理,54,热裂纹,三、热裂纹的影响因素及

19、防止措施（一）影响热裂纹倾向的冶金因素1.凝固温度区的影响凝固温度区增大 脆性温度区范围增大 凝固裂纹的倾向增大,55,热裂纹,2.合金元素和杂质元素的影响合金元素尤其是易形成低熔点共晶的杂质元素是影响热裂纹产生的重要因素。硫和磷是钢中最有害的杂质元素，在各种钢中都会增加热裂纹倾向。它们既能增大凝固温度区间，与其他元素形成多种低熔点共晶，又是钢中极易偏析的元素。Ni、C 与 Mn 的影响,56,热裂纹,合金元素对热裂纹的影响已建立了一些定量判据，如热裂纹敏感系数 HCS、临界应变增长率 CST 等。碳在钢中是影响热裂纹的主要元素，并能加剧硫磷及其他元素的有害作用。碳能明显增加结晶温度区间，并且

20、随着碳含量的增加，初生相可由相转为相。由于硫和磷在相中的溶解度比在相中低很多，如果初生相为相，则析出的硫和磷就会富集于晶界，从而增加凝固裂纹倾向。,57,热裂纹,3凝固组织形态的影响 晶粒的大小形态和方向及析出的初生相对抗裂性都有很大影响。晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹的倾向就越大。金属中加入某些合金元素（如Ti、Mo、V、Nb等）使晶粒细化，既可破坏液态薄膜的连续性，又可打乱枝晶的方向性，从而提高金属的抗裂性。,58,热裂纹,（二）工艺因素对热裂纹的影响（三）防止热裂纹的措施以上两类因素中，哪些因素可以进行控制呢？总体来看：冶金因素的影响在铸造工艺过程中比较容易实现控制，而在焊接工艺过

21、程中只能通过对焊材与焊接工艺参 数选择来限制热裂纹。,59,热裂纹,接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算，如平板对接接头：由公式可见：刚性大（弹性模量 E 大或板厚 大）或拘束距离 L 小的焊接结构，拘束度与拘束应力高，裂纹倾向大。,60,冷裂纹,冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷却到较低温度时产生的裂纹。这类裂纹是中碳钢、高碳钢、低合金高强钢、工具钢、钛合金及铸铁等材料成形加工时或使用过程中极易出现的一类工艺缺陷，对结构的安全使用破坏极大。一、冷裂纹的分类及特征按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类：1.延迟裂纹 这类裂纹是在氢、钢材淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的，形成温度

22、一般在 Ms 以下 200 至室温范围，由于氢的作用而具有明显的延迟特征，故又称为氢致裂纹。裂纹的产生存在着潜伏期（几小时、几天甚至更长）、缓慢扩展期和突然开裂三个连续过程。由于能量的释放，常可听到较清晰的开裂声音（可用声发射仪来监测），常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。,61,冷裂纹,2.淬硬脆化裂纹 某些淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到Ms 至室温时，因发生马氏体相变而脆化，在拘束应力作用下即可产生开裂。这种裂纹又称为淬火裂纹，其产生与氢的关系不大，基本无延迟现象，成形加工后常立即出现。这类裂纹常出现在具有强烈淬硬倾向的高（中）碳钢、高强度合金钢、工具钢的焊件中。3.低塑性脆

23、化裂纹它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹。这种裂纹通常也无延迟现象，常发生在铸铁或硬质合金构件的成形加工中。如灰口铸铁在400以下基本无塑性，焊接裂纹倾向很大,62,冷裂纹,按加工方法分类，可分为：铸造冷裂纹铸造冷裂纹是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于材料强度极限而引起的开裂。这类裂纹总是发生在冷却过程中承受较高拉应力的部位，特别是应力集中部位。壁厚不均匀、形状复杂的大型铸件容易产生冷裂纹。焊接冷裂纹 焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹：,63,冷裂纹,二、冷裂纹的影响因素实际低合金高强钢接头中产生

24、的冷裂纹是三大因素综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起主要作用，其余的起辅助作用。三大影响因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏感性。其中最常用的关系式为：式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；H是熔敷金属扩散氢含量（mL/100g）；R是拘束度（N.mm-2)；是工件厚度（mm）；Pcm是钢材合金元素的碳当量。,64,冷裂纹,（一）接头中扩散氢的含量与分布因焊接冷却速度很快，高温下溶入液态金属中的氢来不及逸出，以过饱和状态保留在已凝固的焊缝中。由于 H 的尺寸很小，可以在金属晶格点阵中自由扩散，焊后接头中尚未来得及扩散出去的氢称为残留扩散氢 HR。焊后 HR 在浓度差的作用下将自

25、发地向焊缝周围的焊接热影响区扩散。焊接冷却过程中，当温度足够高时，HR 能很快从金属内部扩散逸出，不会引起裂纹；当温度很低时，氢的扩散将受到抑制，也不会导致开裂。只有在一定温度范围（100100）时，HR才会起致裂作用，这一温度范围称为延迟裂纹的敏感温度区间。HR在接头中的含量与焊接工艺过程有关，酸性焊条施焊后熔敷金属中HR可达 10ml/100g 以上，碱性焊条可控制在 4ml/100g 以下。,65,冷裂纹,HR 在接头中的分布状况取决于氢在接头中的扩散行为，后者服从以下规律：相变诱导扩散 氢在奥氏体(-Fe)中的溶解度较大，扩散系数较小；而在铁素体(-Fe)中的溶解度较小，扩散系数较大。

26、因此，当金属自高温冷却发生 AF相变时，氢就会由转变后的铁素体向尚未转变的奥氏体中扩散，导致氢在某些部位产生聚集。,66,冷裂纹,“应力诱导扩散”氢在金属中有向三向拉伸应力区扩散的趋势。在应力集中或缺口部位常会产生氢的局部聚集，使该处最早达到氢的临界含量。应力梯度越大，氢扩散的驱动力就越大，亦即应力对氢的诱导扩散作用越大。（二）钢材的淬硬倾向淬硬倾向是钢材产生冷裂纹的又一重要因素。钢材的淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。其原因在于淬硬倾向大的钢材，易形成硬脆的马氏体组织和高密度的晶格缺陷（如空位和位错等），这些晶格缺陷在应力作用下会发生移动和聚集，当其浓度达到临界值时，就会形成裂纹源，并进一步扩展

27、成宏观裂纹。钢材的碳当量反映了化学成分对硬化程度的影响，据此可以判断钢材的冷裂倾向大小。钢材的碳当量越大，其淬硬倾向和冷裂倾向越大。,67,冷裂纹,（三）接头中的拘束应力状态 如前所述，焊接接头存在拘束应力。拉伸拘束应力是引起冷裂纹的直接原因，并且还会加剧氢的有害作用。接头的拘束度与拘束应力大小，可近似地用经验公式计算，如平板对接接头(如上图)：由公式可见：刚性大（弹性模量 E 大或板厚 大）或拘束距离 L 小的焊接结构，拘束度与拘束应力高，裂纹倾向大。,68,冷裂纹,三、延迟裂纹的形成机理热应力在缺陷（裂纹源）前沿形成三向应力区，诱使氢向其内扩散、聚集使内压力增大。由于微裂纹的形成与裂纹的扩展与 HR的扩散、聚集速度有关，所以有延迟断裂特征。产生裂纹之前的潜伏期的长短与裂纹区的应力大小有关。拉应力越小，启裂所需临界氢的浓度越高，潜伏期(延迟时间)就越长。,69,冷裂纹,四、冷裂纹的控制对于结构钢焊接冷裂纹的控制，总的原则是控制冷裂纹形成的三大要素，即降低扩散氢的含量、改善接头组织和减小拘束应力。焊接中常用的措施是合理选用焊接材料以及严格控制焊接工艺，必要时采用焊前预热与后热消氢处理。,70,谢谢大家,71,表11-2 亚共晶铸铁的液态收缩率V液,72,表11-4 亚共晶铸铁的凝固体收缩率V凝,