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1、合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节第一节 铸件的宏观组织铸件的宏观组织第二节第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成表面激冷区及柱状晶区的形成第三节第三节 内部等轴晶的形成机理内部等轴晶的形成机理第四节第四节 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制第五节第五节 焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工
2、程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第一节第一节第一节第一节 铸件的宏观组织铸件的宏观组织铸件的宏观组织铸件的宏观组织u激冷晶区的晶激冷晶区的晶粒细小粒细小;u柱状晶区的晶柱状晶区的晶粒垂直于型壁排粒垂直于型壁排列，且平行于热列，且平行于热流方向流方向.u内部等轴晶区内部等轴晶区的晶粒较为粗大的晶粒较为粗大;表层急冷晶区表层急冷晶区中间柱状晶区中间柱状晶区内部等轴晶区内部等轴晶区合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图5-2 几种不同类型的铸件宏观组织示
3、意图几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有）三个晶区都有;（d）只有等轴晶）只有等轴晶 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性大多数工业应用情况下，希望铸件宏观组织获得各向同性的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长的等轴细晶粒组织。为此，应创造条件抑制晶体的柱状长大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。大，而促使内部等轴晶的形成和等轴晶细化。就断
4、裂而论，裂纹最易沿晶界扩展就断裂而论，裂纹最易沿晶界扩展(特别是存在着溶质及特别是存在着溶质及杂质偏析时杂质偏析时)。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，。柱状晶相碰的地带溶质及杂质聚积严重，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，造成强度、塑性、韧性在柱状晶的横向方向大幅度下降，对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。对热裂敏感，腐蚀介质中易成为集中的腐蚀通道。u柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝和螺旋浆叶片等这些强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件
5、反而更具优点。固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。u如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的形成机理。此有必要学习各晶区组织的形成机理。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第二节第二节第二节第二节 表面激冷区及柱状晶区的形成表面激冷区及柱状晶区的形成表面激冷区及柱状晶区的形成表面激冷区及柱状晶区的形成一、一、 表面激冷区的形成表面激冷区的形成二、二、 柱状晶区的形成柱状晶区的形成合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥
6、工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、表面激冷区的形成一、表面激冷区的形成型壁附近熔体由于受到强烈的型壁附近熔体由于受到强烈的激冷激冷作用，产生很大的过冷度而作用，产生很大的过冷度而大量非均质生核大量非均质生核,各种形式的各种形式的晶粒晶粒游离游离也是形成表面细等轴晶的也是形成表面细等轴晶的“晶晶核核”来源。这些晶核在过冷熔体中来源。这些晶核在过冷熔体中采取枝晶方式生长，由于其结晶采取枝晶方式生长，由于其结晶潜热既可从型壁导出，也可向过潜热既可从型壁导出，也可向过冷熔体中散失，从而形成了冷熔体中散失，从而形成了无方无方向性向性的表
7、面细等轴晶组织。的表面细等轴晶组织。 一旦型壁附近的晶粒互相连结而一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成构成稳定的凝固壳层稳定的凝固壳层，凝固将转为，凝固将转为柱状晶区由外向内的生长，表面激柱状晶区由外向内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细晶的凝固壳层形成得越早，表面细晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。表面激冷区也就越窄。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、柱状晶区的形成二、柱状晶区
8、的形成稳定的凝固壳层一旦形成，柱稳定的凝固壳层一旦形成，柱状晶就直接由表面细等轴晶凝状晶就直接由表面细等轴晶凝固层某些晶粒为基底向内生长，固层某些晶粒为基底向内生长，发展成由外向内生长的柱状晶发展成由外向内生长的柱状晶区。枝晶主干取向与热流方向区。枝晶主干取向与热流方向平行的枝晶生长迅速平行的枝晶生长迅速。柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶区的存在与否及宽窄程因此柱状晶区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使得内部结果。如果在凝固初
9、期就使得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。制柱状晶的形成。柱状晶生长过程的动态演示柱状晶生长过程的动态演示铝锭截面组织铝锭截面组织合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理铸铸型型液液态态金金属属合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第三节第三节第三节第三节 内部等轴晶的形成机理内部等轴晶的形成机理内部等轴晶的形成机理内部等轴晶的形成机理一、一、“成分过冷成分
10、过冷”理论理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论三、三、 枝晶熔断及结晶雨理论枝晶熔断及结晶雨理论四、单个等轴晶形成过程的动态演示四、单个等轴晶形成过程的动态演示 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、一、“成分过冷成分过冷”理论理论该理论认为，随着凝固层向内推移，该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯固相散热能力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷来越富集，
11、从而使界面前方成分过冷逐渐增大。逐渐增大。当成分过冷大到足以发生当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。形成。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理a)7500C水淬水淬,摇动摇动b)在坩埚中置一不锈钢筛网在坩埚中置一不锈钢筛网大野笃美的实验大野笃美的实验等轴晶等轴晶不锈钢筛网不锈钢筛网等轴晶等轴晶合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、激冷等轴晶
12、型壁脱落与游离理论二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论在浇注的过程中及凝固的在浇注的过程中及凝固的初期激冷初期激冷,等轴晶自型壁等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形脱落与游离促使等轴晶形成成,浇注温度低可以使浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴柱状晶区变窄而扩大等轴晶区晶区。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶为什么纯金属几乎得不到等轴晶而溶质浓度大的合金容易得到等轴晶呢质浓度大的合金容易
13、得到等轴晶呢? a) 晶体密度比熔体小的情况晶体密度比熔体小的情况; b) 晶体密度比熔体大的情况晶体密度比熔体大的情况合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图5-6 晶体与型壁交会处产生晶体与型壁交会处产生“脖颈脖颈”促使晶体发生脱落而游促使晶体发生脱落而游离离 溶质的偏析溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处容易使晶体在与型壁的交会处产生产生“脖颈脖颈”，具有，具有“脖颈脖颈”的晶的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固壳凝固壳, 另一方面，在浇注过
14、另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易程和凝固初期存在的对流容易冲断冲断“脖颈脖颈”，使晶体脱落并游离出去。，使晶体脱落并游离出去。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理图图5-7 游离晶体的生长、局部熔化与增殖游离晶体的生长、局部熔化与增殖合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、三、 枝晶熔断及结晶雨理论枝晶熔断及结晶雨理论生长着的生长着的柱状枝晶柱状枝晶在凝固界面前方的在凝固界面前方的熔断
15、熔断、游离游离和和增殖增殖导致了导致了内部等轴晶内部等轴晶晶核的形成，晶核的形成，称为称为“枝晶熔断枝晶熔断”理论。理论。液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积液面冷却产生的晶粒下雨似地沉积到柱状晶到柱状晶区前方的液体中，下落过程中也发生区前方的液体中，下落过程中也发生熔断熔断和和增殖增殖，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要，是铸锭凝固时内部等轴晶晶核的主要来源，称为来源，称为“结晶雨结晶雨”理论。理论。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理四、单个等轴晶形成过程的动态演示四、单个等轴晶形成过程的动态演示各
16、向同性，多方向生长各向同性，多方向生长各向异性，四向生长各向异性，四向生长各向异性，六向生长各向异性，六向生长各向异性，双核生长各向异性，双核生长合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第四节第四节第四节第四节 铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制铸件宏观结晶组织的控制思路思路:晶区的形成和转变乃是晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力过冷熔体独立生核的能力和和各种形式各种形式晶粒游离晶粒游离、增殖增殖或或重熔重熔的程度这两个基本条件综的程度这两个基本条件综合作用的
17、结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就合作用的结果，铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细就是由这个结果所决定的。凡能是由这个结果所决定的。凡能强化熔体独立生核强化熔体独立生核，促进晶促进晶粒游离粒游离，以及，以及有助于游离晶的残存与增殖有助于游离晶的残存与增殖的各种因素都将的各种因素都将抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，抑制柱状晶区的形成和发展，从而扩大等轴晶区的范围，并细化等轴晶组织。并细化等轴晶组织。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 一、合理地控制浇注工艺和冷却条件一
18、、合理地控制浇注工艺和冷却条件 二、孕育与变质处理二、孕育与变质处理 三、动力学细化三、动力学细化 四、连铸（连轧）工艺四、连铸（连轧）工艺 五、小结五、小结合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合理的浇注工艺合理的浇注工艺浇注温度浇注温度浇注方式浇注方式合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属晶的有效措施。但过低的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。的流动性，导致浇不足和冷隔等缺
19、陷的产生。 通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不用，能有效地促进细等轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应的缺陷。生相应的缺陷。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理铸型中间浇注铸型中间浇注 单孔上注单孔上注 沿型壁六孔浇注沿型壁六孔浇注 图图5-8 不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织不同浇注方法引起不同的铸件凝固组织 合
20、肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理低温铸造低温铸造水流冷却的斜板浇注方法水流冷却的斜板浇注方法 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理冷却条件的控制冷却条件的控制控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进控制冷却条件的目的是形成宽的凝固区域和获得大的过冷，从而促进熔体生核和晶粒游离。熔体生核和晶粒游离。小的温度梯度小的温度梯度GL和和高的高的凝固速度凝固速度R可以可以满足以上要求。
21、但就铸型的冷却能力而言，满足以上要求。但就铸型的冷却能力而言，除薄壁铸件外，这二除薄壁铸件外，这二者不可兼得者不可兼得。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。对薄壁铸件，可采用高蓄热、快热传导能力的铸型。 对对厚厚壁壁铸铸件件，一一般般采采用用冷冷却却能能力力小小的的铸铸型型以以确确保保等等轴轴晶晶的的形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。形成，再辅以其他晶粒细化措施以得到满意的效果。悬浮浇注法可同时满足小的悬浮浇注法可同时满足小的GL与高的与高的R的要求。的要求。 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形
22、基本原理材料成形基本原理悬浮浇注法是在浇注悬浮浇注法是在浇注过程过程中中将一定量的将一定量的固态金属颗粒加入固态金属颗粒加入到金属液中到金属液中，从而，从而改变金属液凝固过程，改变金属液凝固过程，达到细化组织、减小达到细化组织、减小偏析、减小铸造应力偏析、减小铸造应力的目的的一种工艺方的目的的一种工艺方法。法。悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统悬浮浇注用涡流导入法的浇注系统料斗料斗离心集液包离心集液包直浇道直浇道合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理悬浮浇注法的特点悬浮浇注法的特点1)显著细化铸件组织
23、，提高力学性能，改善铸件厚大断面显著细化铸件组织，提高力学性能，改善铸件厚大断面力学性能均匀性；力学性能均匀性；2)减小凝固收缩，使冒口减小减小凝固收缩，使冒口减小1535%；3)减少缩松，提高铸件致密性；减少缩松，提高铸件致密性；4)减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；减小铸造应力，减小铸件热裂倾向；5)改善宏观偏析；改善宏观偏析；6)提高凝固速度，改善铸型受热状况；提高凝固速度，改善铸型受热状况；7)可以实现浇注过程合金化。可以实现浇注过程合金化。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、孕育与变
24、质处理二、孕育与变质处理孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。质以达到细化晶粒、改善宏观组织目的的一种工艺方法。孕育孕育(Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质（以细化晶粒；而变质（Modification）则是改变晶体的生）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和相的结晶形貌上有着
25、重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的则是孕育方法。细化中采用的则是孕育方法。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理孕育剂作用机理的两类观点孕育剂作用机理的两类观点孕育主要起非孕育主要起非自发形核作用自发形核作用u通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶通过在生长界面前沿的成分富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。分枝根部产生缩颈，促进枝晶熔断和游离而细化晶粒。孕育剂含有直接作为非自发生核的物质孕育剂含有直接作为非自发生核的物质 孕育剂能与液相中某
26、些元素孕育剂能与液相中某些元素反应反应生成较稳定的生成较稳定的化合物化合物而产生非自发生核而产生非自发生核在液相中造成很大的在液相中造成很大的微区富集微区富集而迫使结晶相提而迫使结晶相提前弥散析出而生核前弥散析出而生核 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合金种类合金种类孕育剂主要组元孕育剂主要组元加入量加入量 wt %加入方法加入方法碳钢及合金钢碳钢及合金钢Ti0.10.2铁合金铁合金V0.060.30B0.0050.01铸铁铸铁Si-Fe，Ca, Ba, Sr0.11.0，与与Si-Fe复合
27、复合铁合金铁合金铝合金铝合金Ti, Zr , Ti+B, Ti+C Ti:0.15; Zr:0.2；复合复合:Ti 0.01B或或C 0.05;Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中间合金中间合金过共晶过共晶Al-Si合金合金P0.02Al-P，Cu-P，Fe-P中间合金中间合金铜合金铜合金Zr, Zr+B, Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.020.04纯金属或中间合金纯金属或中间合金镍基高温合金镍基高温合金WC, NbC碳化物粉末碳化物粉末表表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况合金常用孕育剂的主要元素情况 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程
28、学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理Fe-C-Cr高碳钢试样，浇注温度为高碳钢试样，浇注温度为1560，试样直径为，试样直径为30mm。试样用。试样用50%HCl热蚀，观察其低倍组织，采用网格计点法确定柱状晶和等轴晶比例，热蚀，观察其低倍组织，采用网格计点法确定柱状晶和等轴晶比例，采用截距法测定晶粒尺寸参数采用截距法测定晶粒尺寸参数。(上海宝钢研究院上海宝钢研究院)a低碳低碳b中碳中碳d表面涂敷石墨的表面涂敷石墨的Fe-C合金形核剂合金形核剂e不加形核剂不加形核剂c高碳高碳合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“
29、十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理铝合金铸棒（直径铝合金铸棒（直径6英寸）英寸）的横截面组织的横截面组织加入变质剂之后的横加入变质剂之后的横截面组织截面组织合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理(a) A型片状型片状; (b) A型片状型片状; (c) D型片状型片状; (d) 珊瑚状珊瑚状; (e) 蠕虫状蠕虫状; (f) 球状球状; (g) 开花状开花状（厚大件）（厚大件）铸铸铁铁试样中随稀土试样中随稀土变质添加量的提高石墨变质添加量的提高石墨形态形态的转变的转变( (洛阳
30、工学院材料工程系洛阳工学院材料工程系 )合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理孕育衰退孕育衰退（孕育效果逐渐减弱）（孕育效果逐渐减弱）孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。孕育剂加入合金液后要经历一个孕育期和衰退期。在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与在孕育期内，作为孕育剂的中间合金的某些组分完成熔化过程，或与合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合合金液反应生成化合物，起细化作用的异质固相颗粒均匀分布并与合金液充分润湿，逐渐达到最佳细化效果。随合
31、金熔化温度和孕育剂种金液充分润湿，逐渐达到最佳细化效果。随合金熔化温度和孕育剂种类的不同，达到最佳细化效果所需要的时间也不同。类的不同，达到最佳细化效果所需要的时间也不同。几乎所有的孕育剂在孕育处理后期都会出现孕育衰退现象，因此孕育几乎所有的孕育剂在孕育处理后期都会出现孕育衰退现象，因此孕育效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。效果不仅取决于孕育剂的本身，而且也与孕育处理工艺密切相关。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合理确定孕育工艺合理确定孕育工艺u孕育剂的粒度也要根据处
32、理温度、被处理合金液量和具体的孕育剂的粒度也要根据处理温度、被处理合金液量和具体的处理方法来选择。处理方法来选择。 低温处理：处理温度越高，孕育衰退越快液流孕育法后期（瞬间）孕育方法：型内孕育法涂料中含孕育剂铸件表层晶粒局部细化合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、动力学细化三、动力学细化1 1铸型振动铸型振动2 2超声波振动超声波振动3 3液相搅拌液相搅拌4 4流变铸造流变铸造合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本
33、原理材料成形基本原理1铸型振动铸型振动在凝固过程中振动铸型可在凝固过程中振动铸型可使液相使液相和固相发生相对运动和固相发生相对运动，导致，导致枝晶枝晶破碎破碎形成结晶核心。形成结晶核心。离心铸造离心铸造时时若周期改变旋转方向可获得细小若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相等轴晶，说明液相和固相发生相对运动所起的细化晶粒作用。对运动所起的细化晶粒作用。振动还可引起振动还可引起局部的温度起伏局部的温度起伏，有利于枝晶熔断有利于枝晶熔断。振动铸型可振动铸型可促使促使“晶雨晶雨”的形成的形成。立式离心铸造机合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教
34、育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2超声波振动超声波振动超声波振动可在液相中产生空超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补充，液体流崩溃时，液体迅速补充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温当压力增加时凝固的合金熔点温度也要增加，从而提高了凝固过度也要增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。粒细化。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形
35、基本原理材料成形基本原理过共晶硅（过共晶硅（36%Si）的微观组织）的微观组织 ( (上海大学学院上海大学学院 )(b)经过超声处理的铝合金经过超声处理的铝合金(a)原始铝合金原始铝合金合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3液相搅拌液相搅拌 采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的采用机械搅拌、电磁搅拌或气泡搅拌均可造成液相相对固相的运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。运动，引起枝晶的折断、破碎与增殖，达到细化晶粒的目的。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业
36、大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 采用电磁搅拌还可以起到去采用电磁搅拌还可以起到去除铸件中夹杂物、消除皮下气泡、除铸件中夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析的作用。减轻中心偏析的作用。电磁铸造的基本原理电磁铸造的基本原理铝合金电磁铸造装置铝合金电磁铸造装置两种铸造方法凝固组织比较两种铸造方法凝固组织比较电磁铸造电磁铸造金属型铸造金属型铸造 连铸过程采用电磁搅拌的主要连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮下气泡、减去除夹杂物、消除皮下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴轻中心
37、偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质量要求较高时，电磁搅及浇铸质量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。拌技术便成为首选。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理4流变铸造流变铸造流变铸造又称半固态铸造，流变铸造又称半固态铸造，这种方法是当液体金属凝固达这种方法是当液体金属凝固达5060时，在氩气保护下时，在氩气保护下进行高速搅拌，使金属成为半进行高速搅拌，使金属成为半固态浆液，将半固态浆液凝固固态浆液，将半固态浆液凝固成坯料或挤压至铸型凝固成形。成坯
38、料或挤压至铸型凝固成形。其固态晶体随搅拌转速的增加其固态晶体随搅拌转速的增加趋于细小而圆整，机械性能显趋于细小而圆整，机械性能显著提高。著提高。 这种细小圆整的半固态这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有较好的流金属浆液由于具有较好的流动性而容易成形。因为它的动性而容易成形。因为它的温度远低于液相线温度，所温度远低于液相线温度，所以对于黑色金属的压铸件来以对于黑色金属的压铸件来说，能大大减轻金属对模具说，能大大减轻金属对模具的热冲击，提高压铸模具的的热冲击，提高压铸模具的寿命，扩大黑色金属压铸的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。应用范围。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工
39、程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理 普通压铸树枝晶组织普通压铸树枝晶组织 半固态压铸非枝晶组织半固态压铸非枝晶组织半固态镁合金半固态镁合金（Mg-9%Al合金）合金）流变压铸成形技术流变压铸成形技术合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理ZGX系列真空连铸炉利用中频感应加热熔系列真空连铸炉利用中频感应加热熔化金属。化金属。炉内有一只螺旋型管式线圈，当线炉内有一只螺旋型管式线圈，当线圈通以中频电流时产生交变磁场，在石墨坩埚圈通以中频电流时产生交变磁场，在石墨
40、坩埚中感应出电势，产生高密度环形电流，使金属中感应出电势，产生高密度环形电流，使金属炉料被间接加热、熔化，由坩埚下部的导流管炉料被间接加热、熔化，由坩埚下部的导流管流出，通过水冷结晶器逐渐固化。由于结晶器流出，通过水冷结晶器逐渐固化。由于结晶器的急冷使金属晶粒细密且规则排列，由炉外的的急冷使金属晶粒细密且规则排列，由炉外的引锭机构引出，从而连续得到特质形状的棒料引锭机构引出，从而连续得到特质形状的棒料或板料。或板料。用于熔化低电阻率的金属及其高级精密合用于熔化低电阻率的金属及其高级精密合金，如：金、银、铜、铝、青铜等，在真空条金，如：金、银、铜、铝、青铜等，在真空条件下或充惰性气体情况下进行熔
41、炼和拉铸。件下或充惰性气体情况下进行熔炼和拉铸。ZGX系列真空连铸炉连续定向凝固铸造法连续定向凝固铸造法鞍钢板材连铸机鞍钢板材连铸机连铸连轧工艺连铸连轧工艺合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理半固态连铸技术半固态连铸技术半固态连铸是半固态加工与现代连铸技术相结合的产物。它与普通连半固态连铸是半固态加工与现代连铸技术相结合的产物。它与普通连铸的根本区别在于金属熔体进入结晶器时的状态不同。在普通连铸中，铸的根本区别在于金属熔体进入结晶器时的状态不同。在普通连铸中，金属液以全液态进入结晶器。而在半固态
42、连铸过程中，金属熔体以固液金属液以全液态进入结晶器。而在半固态连铸过程中，金属熔体以固液两相共存的状态进入结晶器，其中的固相为非枝晶粒状组织。两相共存的状态进入结晶器，其中的固相为非枝晶粒状组织。半固态连铸的主要工艺流程半固态连铸的主要工艺流程为金属冶炼为金属冶炼半固态浆料的制半固态浆料的制备备拉坯。其技术关键一是连拉坯。其技术关键一是连续冷却搅拌条件下非枝晶粒状续冷却搅拌条件下非枝晶粒状固相的形成与控制，二是含有固相的形成与控制，二是含有非枝晶粒状固相的半固态浆料非枝晶粒状固相的半固态浆料的充型。的充型。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五
43、”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理例：解释如下实验结果例：解释如下实验结果工业圆柱状纯铝锭，按下表中的不同工艺条件下凝固。工业圆柱状纯铝锭，按下表中的不同工艺条件下凝固。试样号试样号1234*56*浇注温度（浇注温度（）700700700700800800铸型材料铸型材料砂模砂模铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁铸铁铸型壁厚（铸型壁厚（mm）10103101010注：注：4#：铸型：铸型500预热，预热，6#：加：加0.20.3%钛粉（变质剂）
44、钛粉（变质剂）凝固后制取铸锭横断面与轴截面宏观金相试样。凝固后制取铸锭横断面与轴截面宏观金相试样。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理实实验验结结果果 10mm10mm厚铸铁模具厚铸铁模具,800,800浇铸浇铸 10mm10mm厚铸铁模具厚铸铁模具,800,800浇铸，加钛粉浇铸，加钛粉 10mm10mm厚铸铁模具厚铸铁模具,700,700浇铸浇铸 10mm10mm砂型模砂型模,700,700浇铸浇铸 10mm10mm厚铸铁模具厚铸铁模具(500(500预热预热)+700)+700浇铸浇铸3m
45、m 3mm 铸铁模具铸铁模具, ,700 700 浇铸浇铸 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第五节第五节第五节第五节 焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制焊接熔池凝固及控制 一、熔池凝固条件一、熔池凝固条件二、熔池结晶特征二、熔池结晶特征三、熔池结晶组织的细化三、熔池结晶组织的细化合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理一、熔池凝固条件一、熔池凝固条件体积小、冷速快体积小、冷速快
46、 温差大、过热度高温差大、过热度高 动态凝固过程动态凝固过程 液态金属对流激烈液态金属对流激烈 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1.熔池金属的体积小，冷却速度快熔池金属的体积小，冷却速度快在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有在一般电弧焊条件下，熔池的体积最大也只有30cm3，重量不超过重量不超过100g;周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常周围被冷态金属所包围，所以熔池的冷却速度很大，通常可达可达4100/s，远高于一般铸件的冷却速度，远高于一般铸件的冷却速度;由于冷却快，
47、温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发由于冷却快，温度梯度大，致使焊缝中柱状晶得到充分发展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的展。这也是造成高碳、高合金钢以及铸铁材料焊接性差的主要原因之一。主要原因之一。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2.温差大、过热温度高温差大、过热温度高熔池金属中不同区域因加热与冷却速度很快，熔池金属中不同区域因加热与冷却速度很快，熔池中心熔池中心和边缘存在较大的温度梯度和边缘存在较大的温度梯度，例如，对于电弧焊接低碳钢，例如，对于电弧焊接低碳钢或低合金钢，
48、熔池中心温度高达或低合金钢，熔池中心温度高达21002300，而熔，而熔池后部表面温度只有池后部表面温度只有1600左右，熔池平均温度为左右，熔池平均温度为1700100。由于过热温度高，由于过热温度高，非自发形核的原始质点数大为减少非自发形核的原始质点数大为减少，这，这也促使焊缝柱状晶的发展。也促使焊缝柱状晶的发展。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3.动态凝固过程动态凝固过程处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔融的处于热源移动方向前端的母材不断熔化，连同过渡到熔池中的熔
49、融的焊接材料一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随着热源的离去，焊接材料一起在电弧吹力作用下，对流至熔池后部。随着热源的离去，熔池后部的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池后部的液态金属立即开始凝固。因此，凝固过程是连续进行并随熔池前进。熔池前进。图图5-11 熔池的运动状态下结晶熔池的运动状态下结晶合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理4.液态金属对流激烈液态金属对流激烈熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械熔池中存在许多复杂的作用力，如电弧的机械力、气流吹力、电磁力，以及
50、液态金属中密度差，力、气流吹力、电磁力，以及液态金属中密度差，使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部使熔池金属产生强烈的搅拌和对流，在熔池上部其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底其方向一般从熔池头部向尾部流动，而在熔池底部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池部的流动方向与之正好相反，这一点有利于熔池金属成分分布的均匀化与纯净化。金属成分分布的均匀化与纯净化。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理二、熔池结晶特征二、熔池结晶特征 联生结晶联生结晶 柱状晶生长方向与速度的变化柱状晶生长方
51、向与速度的变化 熔池凝固组织形态的多样性熔池凝固组织形态的多样性 合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理1.联生结晶联生结晶在熔池中存在两种现成固相表面：在熔池中存在两种现成固相表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在正常情况下所起作用不大）；（在正常情况下所起作用不大）；另一种就是熔池边界未熔母材晶粒另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个表表面，非自发形核就依附在这个表面，在较小的过冷度下以柱状晶的面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长
52、，称为联生结形态向焊缝中心生长，称为联生结晶晶(也称外延生长也称外延生长)。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理2.柱状晶生长方向与速度的变化柱状晶生长方向与速度的变化典型的焊接熔池形状像不标典型的焊接熔池形状像不标准的半椭球。熔池的形状和准的半椭球。熔池的形状和大小，受母材的热物理性质、大小，受母材的热物理性质、尺寸和焊接方法以及工艺参尺寸和焊接方法以及工艺参数等因素的影响。焊接速度数等因素的影响。焊接速度增大增大,L增加增加,Bmax减小减小.20#双面埋弧焊接头横截面双面埋弧焊接头横截面合
53、肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中在熔合区上晶粒开始成长的瞬时（图中 H 和和F点）点）, 晶粒生长线速度晶粒生长线速度R为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（为零，即焊缝边缘的生长速度最慢。而在热源移动后面的焊缝中心（D点），晶粒生长速度点），晶粒生长速度R与焊接速度与焊接速度相等，生长最快。一般情况下，由相等，生长最快。一般情况下，由于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不断地改变，因此晶粒生于等温线是弯曲的，其曲线上各点的法线方向不
54、断地改变，因此晶粒生长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。长的有利方向也随之变化，形成了特有的弯曲柱状晶的形态。 俯视图俯视图焊缝纵向截面焊缝纵向截面合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合最后结晶的低熔点夹杂物易被推移到焊缝中心区域，形成脆弱的结合面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。面，因此垂直于焊缝中心线的柱状晶，易导致纵向热裂纹的产生。焊接速度快焊接速度快 焊接速度慢焊接速度慢合肥工业大学材料科学
55、与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理3.熔池凝固组织形态的多样性熔池凝固组织形态的多样性在熔池两侧翼边界，由于结晶速度在熔池两侧翼边界，由于结晶速度R非常小，温度梯度非常小，温度梯度G较大，较大，G/R则则很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。很大，成分过冷接近于零，满足平面晶生长的条件。随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时随着凝固界面远离熔合区边界向焊缝中心推进时, 结晶速度结晶速度R逐渐增大，而温度逐渐增大，而温度梯度梯度G减小减小, G/R 逐步减小，成分过冷逐渐增大，平面生长将转为胞状生长；逐
56、步减小，成分过冷逐渐增大，平面生长将转为胞状生长；随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理三、熔池结晶组织的细化三、熔池结晶组织的细化通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面1变质处理变质处理通过焊接材料向熔池加入一定量的合
57、金元素通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如如B、Mo、V、Ti、Nb等等),作为熔池中非自发晶核的质点作为熔池中非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。从而使焊缝晶粒细化。2振动结晶振动结晶采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。向，达到细化晶粒的目的。振动除了可以使焊缝晶粒细化，还可以降低焊振动除了可以使焊缝晶粒细化，还可以降低焊接热应力及焊接残余应力。振动还可以使气泡、杂质容易上浮，提高接头接热应力及焊接残余应力。振动还可以使气泡、杂质容易上浮，提高接头质量。质量。振动方式主要有机械振动、超声振动和
58、电磁搅拌。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁搅拌。3焊接工艺焊接工艺采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方法是法是小线能量小线能量、多层焊多层焊和和锤击焊道表面锤击焊道表面等。等。合肥工业大学材料科学与工程学院制作合肥工业大学材料科学与工程学院制作普通高等教育“十一五”国家级规划教材材料成形基本原理材料成形基本原理第第五五章章习习题题1.孕育剂与变质剂对金属凝固组织的作用机理有何不同？孕育剂与变质剂对金属凝固组织的作用机理有何不同？2.简述控制铝硅合金凝固组织的方法。简述控制铝硅合金凝固组织的方法。3.试述焊接熔池的凝固特点及焊缝宏观组织特征。试述焊接熔池的凝固特点及焊缝宏观组织特征。
