液态金属的凝固.ppt

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1、1,金属结晶及组织控制,高玉来Tel:56332144(O)Email:日新楼402室Oct.8,2011,高玉来：金属结晶及组织控制,2,第四章 液态金属的凝固,第一节 概述第二节 凝固区域的结构和液态金属的凝固方式第三节凝固方式与铸坯宏观组织第四节 焊接过程中的凝固问题,高玉来：金属结晶及组织控制,3,第一节：概述,基本概念：合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶或凝固。一次结晶和“凝固”这两个术语虽然指的是同一个状态变化过程，但它们的含意是有区别的。一次结晶是从物理化学观点出发，研究液态金属的生核、长大、结晶组织的形成规律。而凝固则是从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过程、铸件断面

2、上凝固区域的变化规律、凝固方式与铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。,第四章 液态金属的凝固,4,凝固过程的研究方法,金属凝固过程由于是在高温下进行，金属又是不透明的，因此研究起来比较困难。目前金属凝固过程的研究方法主要有：(1)倾出法：最古老、最简单。美国人Briggs最早使用。方法：在金属凝固过程的不同时刻，将未凝固的金属液倾出，观察已凝固部分的厚度和形貌等。优点：可直接得到凝固速度、固-液界面形貌方面的信息，操作简单。缺点：仅在凝固初期有效，对于宽结晶温度范围的合金，游离枝晶将一起倒出，使结果有误差。,第四章 液态金属的凝固,5,凝固过程的研究方法,(2)数学解析法：始于20年代，德国H

3、.Groher提出。理论根据：压力恒定时，金属状态是温度的函数。方法：建立数学解析式直接求解。是用数值计算法分析热流传递规律，预测凝固过程。优点：能得出温度场、凝固区域及变化规律。缺点：计算复杂，只对形状简单的铸坯有效；需要做大量假设，影响其精确性；需要有关热物性参数；难以直观反映固-液界面的形貌。,第四章 液态金属的凝固,6,凝固过程的研究方法,(3)数值模拟法：方法：将数学解析方程离散为差分方程，进行求解。近年来随着计算机的普及而发展较快。优点：能得出温度场、凝固区域及其变化规律。相对于数学解析法，可解更复杂的函数式。缺点：需要做大量假设，影响其精确性。需要有关热物性参数。难以直观反映固-

4、液界面形貌,第四章 液态金属的凝固,7,凝固过程的研究方法,(4)多点热分析法凝固曲线法：代表性工作是50年代Rudde做的。方法：实测不同部位铸坯温度随时间变化的曲线，据此得到凝固动态曲线、温度场等。优点：结果可靠。缺点：不能反映固-液界面组织、界面形貌。有些情况下实测困难。,第四章 液态金属的凝固,8,凝固过程的研究方法,(5)X-射线衍射法：方法：用X-射线直接观察、记录凝固过程。优点：将不透明的金属透视，可直接观察其形貌。缺点：只有固、液两相对X-射线的减弱系数有较大差别时才有效。对金属厚度有限制。,第四章 液态金属的凝固,9,凝固过程的研究方法,(6)激冷法（液淬法）：方法：将多个一

5、定尺寸的试样，隔一定时间淬入水中，然后在金相显微镜下观察其凝固组织。优点：既可得到某一时刻凝固区域的大小，又可得到组织、界面形貌。缺点：固相在液淬时也会发生异常相变。在液淬过程中，凝固还在进行。不能研究大体积金属的凝固过程。,第四章 液态金属的凝固,10,凝固过程的研究方法,(7)模拟物质法：方法：用蛋白质、盐溶液等模拟金属凝固过程，直接观察。优点：信息量大，研究方便。缺点：模拟物质是否能全面真实反映金属凝固过程还需要认证。,第四章 液态金属的凝固,11,凝固过程的研究方法,(8)彩色金相法：方法：利用凝固层推进过程中位置不同，成分也不同的特点，用彩色金相对已经凝固的合金做特种处理，可得到其凝

6、固过程的动态描述。优点：可视形貌。缺点：由于找不到合适的处理方法，不总是有效。,第四章 液态金属的凝固,12,凝固过程的研究方法,以上方法虽能应用于凝固过程的研究，但都存在着某些缺陷，使它们的应用受到了限制。因此，这些方法都有待于不断地完善或相互有机的结合，使之能更真实地反映凝固的状态。,第四章 液态金属的凝固,13,数学解析法(Mathematical analysis method),运用数学方法研究铸件和铸型的传热，主要是利用传热学原理，建立表征凝固过程传热特征的各物理量之间的方程式，即铸件和铸型的温度场数学模型并加以求解。凝固是一个相当复杂的过程，涉及到传热、传质、相变等各种复杂的初始

7、和边界条件。要建立一个符合实际情况的微分方程式很困难，即使建立了微分方程式也未必能够求解。因此，用数学分析法研究凝固过程时，必须对过程进行合理的简化。,第四章 液态金属的凝固,14,数学解析法(mathematical analysis method),第四章 液态金属的凝固,15,16,数值模拟法(numerical stimulation method),计算机的出现为解决数值计算法计算量大的问题提供了有力的工具。因此近十年来，凝固过程的数值模拟有了很大的进展。金属凝固过程传热、传质及流动的偶合模拟，已经能够作为预测和控制铸件质量的依据。导热微分方程的数值解法主要有有限差分法(finite

8、 difference method)、有限单元法(finite element method)、边界元法(boundary element method)等，这些方法各有特点。以有限差分法为例，介绍如下：,第四章 液态金属的凝固,17,数值模拟法(numerical stimulation method),第四章 液态金属的凝固,18,数值模拟法(numerical stimulation method),在实际计算中，涉及时间步长和空间步长x的确定、初始条件的确定、边界条件的处理以及结晶潜热的处理等，因此实际问题要复杂得多。但是，数值模拟方法在凝固过程的研究中应用十分广泛，已经逐步被认可。

9、,第四章 液态金属的凝固,19,温度场的实测法(measurement of temperature field),铸件温度场实测法的示意图如图4-4所示。将一组热电偶的热端固定在型腔中的不同位置，利用多点自动记录电子电位计作为温度测量和记录装置，即可记录自金属液注入型腔起至任意时刻铸件断面上各测温点的温度-时间曲线(图4-5a)。根据该曲线可绘制出铸件断面上不同时刻的温度场（图4-5b）和铸件的凝固动态曲线。,第四章 液态金属的凝固,20,温度场的实测法(measurement of temperature field),第四章 液态金属的凝固,21,第二节：凝固区域的结构和液态金属的凝固方

10、式,图4-6为凝固动态曲线，它是根据直接测量的温度时间曲线绘制的。首先在图4-6a上给出合金的液相线和固相线温度，把二直线与温度时间相交的各点分别标注在图4-6b的(x/R，)坐标系上，再将各点连接起来，即得凝固动态曲线。纵坐标x是铸件表面向中心方向的距离，R是铸件壁厚之半或圆柱体和球体的半径。由于凝固是从铸件壁两侧同时向中心进行，所以当x/R=1时表示已凝固至铸件中心。图4-6c为根据凝固动态曲线绘制的自测温度开始后2分20秒的凝固状况。根据凝固动态曲线可以获得任一时刻的凝固状态。,第四章 液态金属的凝固,22,凝固区域的结构,铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般都存在三个

11、区域，即固相区，凝固区和液相区。铸件的质量与凝固区域有密切的关系。,第四章 液态金属的凝固,23,凝固区域的结构,图4-7是凝固区域结构示意图，其中凝固区域由倾出边界和补缩边界又分割成三个区域。区（从液相边界到倾出边界）。这个区的特征为固相处于悬浮状态而未连成一片，液相可以自由移动，用倾出法做试验时，固体能够随液态金属一起被倾出。区（从倾出边界到补缩边界），这个区的特征为固相已经连成骨架，但液相还能在固相骨架间自由移动，这时某一部位的体积收缩能够得到其它部位液体的补充，而不至于产生缩孔或缩松。区（从补缩边界到固相边界）这个区的特征为固相不但连成骨架而且已经充分长大，存在于固相间隙中的少量液体被

12、分割成一个个互不沟通的小“溶池”。这时液体再发生凝固收缩，不能得到其它液体的补缩。根据以上的分析可以看出，对铸坯质量影响最大的是区的宽度。可以推断凝固区域越宽，则区的宽度也就越宽。,24,凝固方式,一般将金属的凝固方式分为三种类型；逐层凝固方式(skin-forming solidification)，体积凝固方式(volume solidification)或称糊状凝固方式(mushy solidification)和中间凝固方式(middle solidification)。凝固方式取决与凝固区域的宽度,而凝固区域的宽度取决于合金的结晶温度范围和冷却强度。,第四章 液态金属的凝固,25,逐

13、层凝固方式,图48a为恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金某瞬间的凝固情况。tc是结晶温度，T1和T2 是铸件断面上两个不同时刻的温度场。从图中可观察到，恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度为零。断面上的固体和液体由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心。这种情况为逐层凝固方式。,第四章 液态金属的凝固,26,体积凝固方式,如果因铸件断面温度场较平坦（图49a），或合金的结晶温度范围很宽（图49b），铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域几乎贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的液体，这种情况为体积凝固方式或称糊状

14、凝固方式。,27,中间凝固方式,如果合金的结晶温度范围较窄（图410 a），或者铸件断面温度梯度较大（图410 b），铸件断面上的凝固区域宽度介于前两者之间时，称中间凝固方式。,第四章 液态金属的凝固,28,凝固方式,第四章 液态金属的凝固,29,第三节 凝固方式与铸件宏观组织,从凝固区域的结构分析可知，铸件的致密性和健全性与合金的凝固方式密切相关，而影响凝固方式的因素为结晶温度范围和铸件断面的温度梯度。,第四章 液态金属的凝固,30,化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系,化学成分决定了合金结晶的温度范围。纯金属和共晶成分合金在凝固时，由于结晶温度范围是零，因此没有液固共存的凝固区，以逐层方

15、式凝固，其凝固前沿直接与液态金属接触。当液态凝固成为固体而发生体积收缩时，可以不断地得到液体的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小，而是在铸件最后凝固的部位留下集中缩孔，如图412。由于集中缩孔容易消除，一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状铸件会出现中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中，当收缩受阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属液的填充，使裂纹愈合。,第四章 液态金属的凝固,31,化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系,第四章 液态金属的凝固,32,化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系,宽结晶温度范围的合金，凝固区域宽，散热条件差，容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。当粗大的等轴枝晶

16、相互连接以后(固相约为70)，将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩孔，即缩松，如图413所示。对于这类铸件采用普通冒口消除其缩松是很难的，而往往需要采取其它辅助措施，以增加铸件的致密性。由于粗大的等轴晶比较早的连成骨架，在铸件中产生热裂的倾向性很大。这是因为，等轴晶越粗大，高温强度就越低；此外当晶间出现裂纹时，也得不到液态金属的充填使之愈合。如果这类合金在充填过程中发生凝固时，其充型性能也很差。,第四章 液态金属的凝固,33,化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系,第四章 液态金属的凝固,34,外部冷却条件与铸件质量的关系,由于合金成分是根据其性能、价格、使

17、用条件等因素确定的，一般不能随意改变。在材料加工过程中，要改变合金的凝固方式，调节空间较大的是加工工艺，或者说可以通过外部条件来调整合金的凝固方式。,第四章 液态金属的凝固,35,外部冷却条件与铸件质量的关系,由于合金成分是根据其性能、价格、使用条件等因素确定的，一般不能随意改变。在材料加工过程中，要改变合金的凝固方式，调节空间较大的是加工工艺，或者说可以通过外部条件来调整合金的凝固方式。,第四章 液态金属的凝固,36,铸件在非金属型中冷却,非金属型（一般指砂型）的导热系数比金属铸件的导热系数小得多，即 2/11。铸件在非金属型中凝固冷却时，由于铸型的导热系数小，所以铸件冷却缓慢，其断面上的温

18、差很小。由于同样理由，铸型内表面被铸件加热至很高的温度，而其外表面仍处于较低的温度，断面上的温差很大。,第四章 液态金属的凝固,37,铸件在非金属型中冷却,在这种情况下，铸件和铸型断面上的温度分布如图4-14所示。可见，铸件和中间层断面上的温差与铸型的温差相比较，是相当小的，可以忽略不计。因此可以认为，在整个热传导过程中，铸件断面上的温度分布可以看作是均匀的，铸型内表面的温度接近铸件的温度。所以，砂型铸造时，砂型本身的热物理性质是决定整个系统热交换过程的主要因素，亦即铸件的冷却强度主要取决与铸型的热物理参数。,第四章 液态金属的凝固,38,铸件在金属型中冷却,(1)当铸件的冷却和铸型的加热都不

19、十分激烈时，铸件、中间层和铸型断面上的温度分布如图4-15所示。可见，在“铸件中间层铸型”系统中，大部分温度降在中间层上。当金属型的工作表面涂有较厚的涂料时，就属于这种情况。这种类型的传热特点是，铸件断面上的温差1t和铸型断面上的温差2t与中间层的温差3t相比，显得很小，可以忽略不计。所以，可以认为，铸件和铸型断面上的温度分布实际上是均匀的，传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。,第四章 液态金属的凝固,39,铸件在金属型中冷却,(2)铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，铸件和铸型断面上的温度分布如图4-16所示。可见，铸件和铸型断面上都有很大的温度降。当金属型的涂料层很薄时，就属于这种传热情况。

20、这种类型的传热特点是，中间层断面的温差3t与铸件和铸型的温差相比较显得很小，可以忽略不计。因此，可以认为，铸型内表面温度和铸件表面温度相同，传热过程取决与铸件和铸型的热物理量。,第四章 液态金属的凝固,40,铸件在金属型中冷却,上述两种情况说明，金属型铸造完全可以用改变涂料层厚度或其热物理性质的方法来控制铸件的冷却强度。在实际生产中，铸铁件的金属型铸造就是利用涂料或衬料防止铸件产生白口。金属型铸造铝合金铸件时，经常在冒口用的涂料中加入一定比例的石棉粉，增加热阻，以提高冒口的补缩效果。,第四章 液态金属的凝固,41,非金属在金属型中冷却,非金属铸件的导热系数比金属型的导热系数小得多，即2/1 1

21、。非金属铸件在金属型中冷却时，由于铸件的导热系数小，其内部热量不能及时传递至外表面，所以冷却缓慢，断面上的温差很大。相反，由于金属型的导热系数很大，其断面上的温差则很小。,第四章 液态金属的凝固,42,非金属在金属型中冷却,在这种情况下，铸件和铸型断面上的温度分布如图4-17所示。熔模精密铸造中用金属压型压制蜡模，在金属型中制造塑料制品，就属于这种情况。这种类型的热交换特点是，中间层和金属铸型断面上的温差很小，可以忽略不计。传热过程主要取决于非金属铸件本身的热物理性质。,第四章 液态金属的凝固,43,铸件凝固过程影响因素,通过对上述四种不同类型铸造条件的分析，可以看出，“铸件中间层铸型”系统中

22、各组元的热阻对系统的温度分布影响极大，而热阻最大的组元是传热过程中的决定性因素。因此，利用该因素控制铸件的凝固是最有效的。,第四章 液态金属的凝固,44,第四节 焊接过程中的凝固问题,焊接是在极短的时间内使金属局部熔化和凝固而形成接合的一种加工技术。焊接既包括熔化过程，也包括凝固过程。因此，有人把焊接过程形象地称为“小熔池冶金，小熔池凝固”。,第四章 液态金属的凝固,45,第四节 焊接过程中的凝固问题,焊接的凝固规律与其它凝固过程大体相同，也常出现化学成分不均匀、气孔、夹杂以及热裂等缺陷，但又有其独特的凝固特点：熔池的体积小，冷却速度大；熔池中的液体金属处于高的过热状态，过热温度可高达250-

23、550。熔池在运动状态下结晶。焊接熔池周围的母材金属对于熔池金属起着“模壁”作用，“模壁”的尺寸和形状决定了温度场的特性。研究焊缝的凝固规律是提高焊缝金属性能的有效方法，已成为重要的课题。,第四章 液态金属的凝固,46,焊接过程中的温度变化,焊接过程中的温度分布对焊缝金属的组织影响很大，它是研究焊接过程凝固规律的基础。焊接过程中的热交换有两个重要的特征：一是热作用的集中性，即焊接热源集中作用于焊体接口的部位；二是热作用的瞬时性，也就是说，焊接热源始终以一定速度运动，因此对焊接某一点的热作用是瞬时的。为了方便分析焊接区域的温度分布，假设焊接的是单长焊道，热源为等速运动的点热源，这可以归纳为准稳态

24、传热问题，即等温线仅取决于热源的位置，而与热源运动的时间无关。,第四章 液态金属的凝固,47,焊缝金属的外生凝固,焊接熔池中液态金属有大的过热度和冷却速度，同时熔池边缘和中心之间有大的温度梯度。近代凝固理论告诉我们，这些特征都表明，焊缝金属的凝固方式为外生凝固，结晶是从熔池边界开始，沿着与热流相反的方向向熔池中心生长的。实验证明，焊接熔池的凝固过程确实是从熔池边界开始的，奥氏体钢的焊缝金属组织呈树状晶，而且看起来好象是由母材晶粒外延生长而成的，母材和焊缝之间存在明显的晶界面。,第四章 液态金属的凝固,48,焊缝金属的外生凝固,在焊接过程中，邻近焊缝金属的母材由于受到电弧的加热，距熔合线不同距离

25、的点将经历不同程度的急热以及随后不同程度的急冷过程。这种过程叫做焊接热循环。在焊接热循环作用下，焊缝附近母材金属的组织及性能会发生变化，焊缝边界的母材晶粒容易因过热而粗化，因而焊缝树状晶也将随之粗化。实际生产中往往用调整焊接线能量的方法控制焊接热循环，使过热度减少，以防止母材的晶粒粗化。这是获得较细小晶粒焊缝的最有效的途径。在不预热的情况下，增大焊接速度v以降低焊接线能量E，可以达到细化凝固组织的目的。,第四章 液态金属的凝固,49,焊缝柱状树枝晶的生长,外生凝固方式决定了熔池边界焊缝金属外延生长的晶体为柱状晶。该晶体生成后继续向熔池中心生长。在母材上生成的晶体，与相邻的晶体在金属液中竞相成长

26、，如图4-19所示。由于晶体生长速度具有异向性，例如面心立方和体心立方的金属（如Al,Cu,Fe等）其晶体长大的优先方向是。如果晶体的这些方向和热流方向相平行，则这些晶体将得到发展。因为在这些方向上具有最大的生长速度。因而这些与热流方向相平行的晶体由于抑制了相邻晶体的成长而优先长大。在晶体的成长过程中，越是接近热流方向的晶体，越易成长，而其它晶体的成长则被抑制。这种现象就是焊缝中柱状树枝晶的择优成长。,50,焊缝柱状树枝晶的生长,由于熔池的凝固是在运动状态下进行的，因此柱状晶的成长方向还同熔池的形状和焊接速度有密切的关系。如图4-20所示，在一般焊接速度下，焊缝柱状晶是朝向焊缝中心并朝焊接方向

27、倾斜的，因而表现为弯曲的形态（见图4-20a）；而在高速焊接条件下，柱状晶的成长方向垂直于焊缝中心，呈所谓的对向生长形态（见图4-20b）。,51,焊缝柱状树枝晶的生长,当柱状晶主轴的成长方向垂直于焊缝的中心线时，易形成脆弱的结合面。因此，当采用快速自动焊时，焊缝中心常常出现纵向裂纹，这一点当焊接奥氏体钢和铝合金时应特别注意。,52,多层焊接焊缝金属的凝固,上述焊缝柱状树枝晶是在单层焊的焊道内形成的，而在多层焊接中情况则有所不同。例如钢在多层焊接时，由于前层焊道被稍后焊接的焊层再次加热，一部分柱状晶组织受到反复“热处理”（相当于正火或回火），因而可能变成微细的组织。这有利于提高焊缝金属的延伸率

28、和韧性，特别是采用短段（每层焊缝长度为50400mm）多层焊对改善焊缝金属和热影响区金属的组织显得更为有效。,第四章 液态金属的凝固,53,焊缝组织的控制,焊缝柱状树枝晶通常在金属材料的焊接部位较为发达，它明显地影响该部位的机械性能，使冲击韧性大为降低。因此，控制焊缝组织对晶粒细化，获得细等轴晶，具有重大意义。但是，焊缝金属外生凝固过程使母材晶粒外延生长，减少了“模壁”晶体的游离机会，因而不利于获得等轴晶。为了在焊缝部位生成等轴晶，就要为溶池边界上的晶体游离创造条件，为此必须对母材进行充分的预热以抑制基体晶体的生长。然后，再采用变质处理和振动结晶等方法，这样能更有效地控制焊缝组织，获得细等轴晶。,第四章 液态金属的凝固,54,课后思考题,（1）试分析铸件在砂型、金属型、保温铸型中凝固时的传热过程，并讨论在上述几种情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。（2）焊缝的凝固过程有何特点，如何采取措施提高焊缝质量？,第四章 液态金属的凝固,