《铸件成形原理 教学课件 ppt 作者 祖方遒 第5章 多相合金凝固》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铸件成形原理 教学课件 ppt 作者 祖方遒 第5章 多相合金凝固（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铸件成形原理,第5章 多相合金凝固,第5章 多相合金凝固,5.1 共晶组织的分类及特点 5.2 规则共晶的凝固 5.3 共晶与枝晶相的竞争生长 5.4 非小平面-小平面非规则共晶的一般特征及形成机制 5.5 灰口铸铁的非规则共晶结晶 5.6 Al-Si合金的非规则共晶结晶 5.7 包晶凝固,5.1 共晶组织的分类及特点,(1)第一类共晶 由粗糙-粗糙界面(非小平面-非小平面)两相组成的共晶为第一类共晶，通常的金属-金属及一些金属-金属间化合物共晶系统(如Al-Al2Cu及Al-Al3Ni)属于此类。 (2)第二类共晶 由粗糙-光滑界面(非小平面-小平面)两相组成的共晶为第二类共晶，金属-非金属
2、共晶及某些金属-金属间化合物共晶系统(图5-5所示的Mg-Mg2Sn)属于此类。 (3)第三类共晶 由光滑-光滑界面(小平面-小平面)两相组成的共晶为第三类共晶，非金属-非金属(两共晶组成物都具有光滑界面)共晶系统属于此类。,(1)第一类共晶,图5-2 Al-ANi棒状规则共晶,(1)第一类共晶,图5-2 Al-ANi棒状规则共晶 (上图为纵截面，下图为横截面),(2)第二类共晶,图5-3 Al-ACu层片状规则共晶,(2)第二类共晶,图5-4 初晶及共晶体(亚共晶Cu-Ag合金),(3)第三类共晶,图5-5 Mg-MSn非规则共晶,(3)第三类共晶,图5-7 四溴化碳-六氯乙烷,(3)第三类
3、共晶,图5-7 四溴化碳-六氯乙烷 (规则共晶体),5.2 规则共晶的凝固,5.2.1 层片状共晶组织的形核过程 5.2.2 层片状共晶组织的扩散耦合生长 5.2.3 层片状共晶组织生长的界面过冷度 5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则 5.2.5 棒状共晶生长,5.2.1 层片状共晶组织的形核过程,图5-8 球形共晶的形核与长,5.2.1 层片状共晶组织的形核过程,图5-9 层片状共晶搭桥式形核方,5.2.2 层片状共晶组织的扩散耦合生长,图5-10 层片状共晶生长时固-液界面前沿成分分布及扩散场示意,5.2.2 层片状共晶组织的扩散耦合生长,图5-12 共晶界面浓度与温,5.2.2
4、 层片状共晶组织的扩散耦合生长,图5-12 共晶界面浓度与温,5.2.3 层片状共晶组织生长的界面过冷度,1.扩散场成分引起的过冷度Tc 2.层片状共晶界面曲率效应,1.扩散场成分引起的过冷度Tc,Tc=Ce(1-K0)/2DL（1/m+1/m）R=KcR,2.层片状共晶界面曲率效应,下面重新回到固-液界面前沿的周期性浓度变化。由图5-12可见，对应于共晶生长界面的液相线温度T*L=，从相的某些区域的高于Te值，变化到及相中心区域的低于Te值，甚至低于界面实际温度T*q=的值。而由于热导率高及片层尺度小这两方面的原因，T*q=为常值，即规则共晶液-固界面为等温面。因此，过冷度的差值(图5-12
5、c中的阴影部分)必然由曲率过冷Tr来补偿以维持界面处的局部平衡，即 T=Tc+Tr=Te-T*q=常量,5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则,当较小时，共晶的生长受毛细作用的控制，即曲率过冷Tr的作用大于Tc；而当较大时，则扩散成为关键因素，Tc作用占主导。在T-关系曲线上存在一个极值点，在=e时共晶生长界面的温度最高，换言之，此时界面过冷度T为最小值。一般认为，对于规则共晶，共晶生长最可能发生在过冷度最小值处,此即共晶凝固理论中著名的最小过冷度准则，亦称为极值准则(Extremum Criterion)。根据这一准则，极值点对应的共晶片层间距趋于确定值e。,5.2.4 确定共晶片层间
6、距的最小过冷度准则,图5-13 层片状规则共晶生长中的界面过冷,5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则,图5-14 R增大对共晶片层间距的调整 a) 片层间距的调整示意图 b)R增大引起Pb-Sn合金片层间距减小的实际凝固组织照,5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则,图5-15 铅锡共晶界面过冷度与生长速度的关,5.2.4 确定共晶片层间距的最小过冷度准则,表5-1 不同合金共晶反应相关参数的参考值,5.2.5 棒状共晶生长,图5-17 第三组元的影响,5.2.5 棒状共晶生长,图5-17 第三组元的影响,5.3 共晶与枝晶相的竞争生长,5.2节以共晶成分点的合金为对象，主要介绍
7、了标准层片状及棒状规则共晶的生长过程及其规律。然而，实际应用的共晶系合金，即使为非小平面-非小平面的合金类型，无论是共晶成分还是非共晶成分，还可能出现各种各样与上述标准规则共晶完全不同的共晶生长方式及相应的组织形态。,5.3.1 共晶生长界面的失稳 5.3.2 偏离平衡相图的共晶共生区 5.3.3 离异生长及离异共晶,5.3 共晶与枝晶相的竞争生长,5.3.1 共晶生长界面的失稳,1.单相及两相两种类型的界面失稳 2.工艺因素GL/R和熔体对流对共晶界面失稳的影响,5.3.1 共晶生长界面的失稳,图5-18 共晶生长界面失稳类型所导致的两种结 a)仅一相失稳 b)两相同时失稳,1.单相及两相两
8、种类型的界面失稳,图5-20 Al-CuA树枝,1.单相及两相两种类型的界面失稳,图5-21 NiAl-Cr等轴共晶,1.单相及两相两种类型的界面失稳,图5-21 NiAl-Cr等轴共晶 (R=28m/s),2.工艺因素GL/R和熔体对流对共晶界面失稳的影响,图5-22 NiAl-Mo共晶组织因凝固速度加快失稳转为胞状共,2.工艺因素GL/R和熔体对流对共晶界面失稳的影响,图5-23 不同凝固速度下熔体对流效应对Al-22%Cu合金界面稳定性及组织的影,5.3.2 偏离平衡相图的共晶共生区,图5-24 伪共晶区及共晶共生区 a)对称型共生区 b)非对称型共生区,5.3.2 偏离平衡相图的共晶共
9、生区,图5-25 0情况下的共晶共生 a) 对称型共生区(非小平面-非小平面) b) 非对称型共生区(非小平面-小平面),5.3.3 离异生长及离异共晶,(1)由系统本身的原因 如果合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大，共晶成分的残留液体很少，类似于薄膜分布于枝晶之间。 (2)由另一相的形核困难所引起 合金偏离共晶成分，初晶相长得较大。,(1)由系统本身的原因,如果合金成分偏离共晶点很远，初晶相长得很大，共晶成分的残留液体很少，类似于薄膜分布于枝晶之间。,(2)由另一相的形核困难所引起,图5-26 两种离异共晶 a)晶间偏析型离异共晶 b)晕圈型离异共晶,(2)由另一相的形核困难所引起,图5
10、-27 灰铸铁石墨-奥氏体共晶团生长示意图,5.4 非小平面-小平面非规则共晶的一般特征及形成机制,1)共晶生长的液固界面不再为等温面，界面形态则成为参差不齐的非平面(如灰铸铁共晶团)。 2)共晶体中小平面相不规则分布，呈现出共晶间距的不均匀性，而且其平均间距远大于规则共晶中极值准则所对应的间距e。 3)生长界面过冷度比规则共晶的大。 4)由于生长过冷度大，在生长界面前的液相中可能形成新的共晶晶核。 5)共晶生长方式及最终形态会随着生长动力学条件而发生显著改变，如冷却条件、微量第三组元的存在等因素。,图5-28 不规则共晶中小平面相间距的调,5.4 非小平面-小平面非规则共晶的一般特征及形成机
11、制,图5-29 不规则共晶的生长机,5.4 非小平面-小平面非规则共晶的一般特征及形成机制,图5-30 定向凝固条件下共晶生长过程中小平面相的实际形 a)灰铸铁的共晶石墨 (R=0.138m/s) b) Al-Si合金中的共晶Si(R=0.278m/s) c) Al-Fe合金中的共晶AFe(R=0.278m/s),5.4 非小平面-小平面非规则共晶的一般特征及形成机制,5.5 灰口铸铁的非规则共晶结晶,5.5.1 奥氏体-石墨(-G)共晶的多种方式 5.5.2 灰铸铁的共晶(片状石墨+奥氏体)结晶 5.5.3 球墨铸铁的共晶(球状石墨+奥氏体)结晶,5.5.1 奥氏体-石墨(-G)共晶的多种方
12、式,图5-31 微量元素改变对灰口铸铁共晶生长方式及石墨形态的影,5.5.1 奥氏体-石墨(-G)共晶的多种方式,图5-32 不同共晶生长方式所形成的三类铸铁的典型金相组织及石墨形态 a)三类铸铁的典型金相组织(光学照片) b)三种石墨的空间形貌特征(SEM照片),5.5.2 灰铸铁的共晶(片状石墨+奥氏体)结晶,图5-33 石墨的晶体结构a)与灰铸铁片状石墨的旋转孪晶生长机制b),5.5.2 灰铸铁的共晶(片状石墨+奥氏体)结晶,图5-34 灰铸铁共晶团的片状石墨空间形,5.5.3 球墨铸铁的共晶(球状石墨+奥氏体)结晶,1.球墨铸铁凝固 2.石墨球化机理要点 3.球墨铸铁技术实践的相关重要
13、现象和规律,1.球墨铸铁凝固,图5-35 石墨球-奥氏体共晶(亚共晶球墨铸铁,1.球墨铸铁凝固,图5-36 球墨铸铁的石墨球-奥氏体共晶团生长示意图,1.球墨铸铁凝固,图5-37 亚共晶球墨铸铁中初生奥氏体及共晶团的形 a)初生奥氏体 b)共晶团,2.石墨球化机理要点,(1)石墨球化的热力学条件 对于高纯度铁液，或以Mg、Ce等球化元素进行过合适球化处理的工业铁液(球化元素强烈的脱氧脱硫作用)，铁液中S、O的含量很低。 (2)石墨球的结构与形核 无论石墨早期在铁液中独立生长还是后期在奥氏体中按离异共晶方式生长，要懂得石墨为什么以球状方式长大，即石墨球化机理，还需了解球状石墨的结构、形核与生长。
14、 (3)石墨球的生长方式 石墨为典型的小平面相，关于石墨球基面的微观生长方式主要有两种观点的假设，即图5-38c所示的螺旋位错台阶生长方式，以及台阶侧向生长方式(方向铺展)，凭借基面一层层的铺满而获得沿0001方向的长大。,(2)石墨球的结构与形核,图5-38 石墨球的形核、内部结构及生长 a)石墨球结构(由多个锥状石墨微晶构成) b)石墨球形核基 c)螺旋位错生长方式,(3)石墨球的生长方式,图5-39 受干扰发生畸变的石墨球,3.球墨铸铁技术实践的相关重要现象和规律,基于上述分析，不难理解涉及球墨铸铁生产技术实践中的一些重要现象和规律。例如，存在干扰元素的球墨铸铁铁液，或浇注前球墨铸铁铁液
15、放置时间过长而回硫(亦称为球化衰退)，凝固后容易出现不同形貌的变态石墨，即球化不良或球化率降低。再如，良好的孕育处理可以促进球墨铸铁的球化率及球化级别的提高，这是因为促进了石墨球异质形核，球数增多最终球径也相应减小，则生长过程中受干扰而发生畸变的几率降低。 同样道理，由于凝固冷却速度的差别，在其他条件相同的情况下，厚壁球墨铸铁铸件(或部位)的球化级别总是低于薄壁球墨铸铁铸件(或部位)，这意味着快速冷却的凝固条件有益于球状石墨的形成。,5.6 Al-Si合金的非规则共晶结晶,5.6.1 未变质Al-Si合金的共晶生长 5.6.2 变质元素对共晶硅生长方式的作用IIT机制 5.6.3 变质处理对A
16、l-Si共晶形核的作用限制形核机制 5.6.4 变质处理与Al-Si合金共晶结晶动力学 5.6.5 Al-Si合金熔体的表面张力与变质效果,5.6 Al-Si合金的非规则共晶结晶,图5-40 Al-Si共晶合金未变质与变质后的共晶硅形貌 a)、c)未经变质处理的光学显微镜及电镜照 b)、d)变质处理后的光学显微镜及电镜照,5.6.1 未变质Al-Si合金的共晶生长,图5-41 硅的晶体结构a)及其生长界面的凹角孪晶b),5.6.1 未变质Al-Si合金的共晶生长,图5-42 Al-Si共晶团自型壁生长及内生生 (未变质Al-12.6%Si凝固中液淬，放大21倍),5.6.2 变质元素对共晶硅生长方式的作用IIT机制,图5-43 变质后频繁分枝的纤维共晶硅a及其上高密度孪晶b,5.6.2 变质元素对共晶硅生长方式的作用IIT机制,图5-44 若干元素的原子半径比(r/)及其对硅的变质效果,5.6.2 变质元素对共晶硅生长
