材料加工原理ppt课件

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1、8-4 铸件的凝固方式 铸铸件凝固件凝固件凝固件凝固过过程中，除程中，除程中，除程中，除纯纯金属和共晶成分合金属和共晶成分合金属和共晶成分合金属和共晶成分合金外，断面上普通都金外，断面上普通都金外，断面上普通都金外，断面上普通都存在三个区域：存在三个区域：存在三个区域：存在三个区域：凝固区凝固区凝固区凝固区液相区液相区固相区固相区部分形状部分形状部分形状部分形状图图固相区固相区固相区固相区凝固区凝固区凝固区凝固区液相区液相区液相区液相区一、铸件凝固区域及其构造 a. 右右边的晶体已的晶体已连成骨架，但液成骨架，但液体体还能在其能在其间挪挪动，为限制迁移限制迁移带 b. 左左边的已接近固相温度，

2、固相的已接近固相温度，固相占占绝大部分，骨架之大部分，骨架之间的少量液体的少量液体被分割成互被分割成互补沟通的小沟通的小“熔池，熔池，为显微迁移微迁移带宽结晶温度范围内合金的凝固区域液固部分：液相占优势固液部分：固相占优势1)液固部分凝固的晶体处于悬浮形状而未连成一片，固相可以自在挪动,为宏观迁移带。2)固液部分铸件凝固方式普通分为三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。1、逐层凝固纯金属或共晶成分合金的凝固方式 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等于零，断面上的固体和液体由一条界限明晰地分开，随着温度的下降，固体层不断加厚，逐渐到达铸件中心，此为“逐层凝固方式。二、铸件的凝

3、固方式及其影响要素逐层凝固方式特点：无凝固区或凝固区很窄凝固动态曲线上的两相边境的纵向间距很小或是无条件重合。 a恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金 b结晶温度范围很窄或断面温度梯度很大2、体积凝固铸件断面温度场较平坦或结晶范围较宽的合金 假设合金的结晶温度范围很宽，或因铸件铸件断面温度场较平坦，铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而外表温度高于固相温度，这种情况为“体积凝固方式，或称为“糊状凝固方式。体积凝固方式糊状凝固方式特点：a铸件断面温度平坦b结晶温度范围很宽凝固动态曲线上的两相边境纵向间距很大3、中间凝固结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金 假设合金的结晶

4、范围较窄，或因铸件断面的温度梯度较大，铸件断面上的凝固区域介于前两者之间时，属于“中间凝固方式。 中间凝固方式特点：凝固初期似逐层凝固凝固后期似糊状凝固 a结晶温度范围较窄 b铸件断面的温度梯度较大1. 1.以二元共晶相图为例阐明以二元共晶相图为例阐明 1. 1. 逐逐层凝固凝固 3. 3. 糊状凝固糊状凝固 2. 2. 中中间凝固凝固 合金的合金的合金的合金的结结晶温度范晶温度范晶温度范晶温度范围围愈小，凝固区域愈窄，愈愈小，凝固区域愈窄，愈愈小，凝固区域愈窄，愈愈小，凝固区域愈窄，愈倾倾向于逐向于逐向于逐向于逐层层凝固凝固凝固凝固 。表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液表

5、层中心St铸件温度液相线固凝固区影响铸件凝固方式的要素合金的结晶温度范围以以碳碳钢钢为为例例阐阐明明 2、铸件的温度梯度的影响 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。假设铸件内外层之间的温度差由小变大，那么其对应的凝固区由宽变窄 。梯度很大的温度场，可以使宽结晶温度范围的合金按中间凝固方式凝固(加高碳钢在金属型中凝固)，甚至按逐层凝固方式凝固。很平坦的温度场，可以使窄结晶温度范围的合金按体积凝固方式凝固。所以，温度梯度是凝固方式的重要调理要素。工业纯铝99%Al在砂型和金属型中铸造时所测得的温度场所凝固动态曲线 将它在砂型中的凝固动态曲线与上图中低碳钢的相

6、应曲线比较那么可看到，虽然工业纯铝的结晶温度范围为6度，比低碳钢的22度小得多，但是低碳钢为逐层凝固方式，而工业纯铝却已体积凝固方式进展凝固。其缘由是铝的凝固温度低、结晶潜热和导热系数大，铸件断面的温度场平坦。图2-16 工业纯铝铸件断面的温度场a和凝固动态曲线图b综上上, ,铸件的凝固方式由件的凝固方式由结晶温度范晶温度范围和温度和温度梯度共同决梯度共同决议： 趋于体于体积凝固凝固趋于逐于逐层凝固凝固根据近代凝固实际，又把工业上常用的金属的凝固方式分成两大类：外生凝固和内生凝固外生凝固：特点：凝固层从金属液-铸型界面向中心推进。分类：宏观光滑界面的凝固理想的平滑界面宏观粗糙界面的凝固S-L界

7、面呈割裂的锯齿状枝晶状海绵状凝固网状构造机制：宏观S-L界面延续，界面推进方向与传热方向相反。 热量经过固相向环境散失。凝固速率取决于传热速率形貌：等轴晶内生凝固：特点：既可以在界面凝固，也可在金属液内部进展。分类：糊状凝固外表和中心凝固速率相差不大形壳凝固外表凝固速率中心机制：宏观S-L界面分散，界面推进方向与传热方向一样。 热量经过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。形貌：等轴晶1 1、窄、窄结结晶温度范晶温度范围围的合金的合金 金属金属浇入入铸型后，首先型后，首先在型壁在型壁处过冷，构成激冷冷，构成激冷层，然后按柱状晶的情然后按柱状晶的情势严密生密生长，固相界面前沿，固相界面前沿

8、为平面推平面推进的方式的方式. .包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金纯金属共晶类合金窄结晶温度范围合金工业用铜工业用锌工业用锡共晶成分合金近共晶成分合金低碳钢锡青铜结晶温度范围小的黄铜三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响 由于凝固前沿直接与液由于凝固前沿直接与液由于凝固前沿直接与液由于凝固前沿直接与液态态金属接触，当金属接触，当金属接触，当金属接触，当液液液液态态凝固成凝固成凝固成凝固成为为固固固固态态而而而而发发生体生体生体生体积积收收收收缩时缩时，可以不断地得到液体的可以不断地得到液体的可以不断地得到液体的可以不断地得到液体的补补充，所以：充，所以：充，所以：充，所以：1

9、1 1 1产产生分散生分散生分散生分散缩缩松的松的松的松的倾倾向小，而是在向小，而是在向小，而是在向小，而是在铸铸件件件件最后凝固部位留下集中最后凝固部位留下集中最后凝固部位留下集中最后凝固部位留下集中缩缩孔，孔，孔，孔，设设置冒口置冒口置冒口置冒口易消除，因此其合金的易消除，因此其合金的易消除，因此其合金的易消除，因此其合金的补缩补缩特性良好；特性良好；特性良好；特性良好；2 2 2 2这类这类合金合金合金合金铸铸件在凝固件在凝固件在凝固件在凝固过过程中当收程中当收程中当收程中当收缩缩受受受受阻而阻而阻而阻而产产生晶生晶生晶生晶间间裂裂裂裂纹时纹时，也容易得到金属，也容易得到金属，也容易得到

10、金属，也容易得到金属液的充填，使裂液的充填，使裂液的充填，使裂液的充填，使裂纹纹愈合，所以愈合，所以愈合，所以愈合，所以铸铸件的件的件的件的热热裂裂裂裂倾倾向小。向小。向小。向小。3 3 3 3假假假假设这类设这类合金在充型合金在充型合金在充型合金在充型过过程中程中程中程中发发生凝固生凝固生凝固生凝固时时，也具有，也具有，也具有，也具有较较好的充型才干。好的充型才干。好的充型才干。好的充型才干。( 一一 ) 缩孔的构成缩孔的构成 ( 一一 ) 缩孔的构成缩孔的构成 ( 一一 ) 缩孔的构成缩孔的构成 ( 一一 ) 缩孔的构成缩孔的构成 ( 一一 ) 缩孔的构成缩孔的构成 ( 一一 ) 缩孔的构

11、成缩孔的构成 铸件产生集中缩孔的根本缘由铸件产生集中缩孔的根本缘由 金属的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩金属的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩 ; 产产生集中缩孔的条件是铸件由表及里逐层凝固。缩孔普通生集中缩孔的条件是铸件由表及里逐层凝固。缩孔普通集中在铸件顶部或最后凝固的部位集中在铸件顶部或最后凝固的部位 , 假设在这些部位设假设在这些部位设置冒口置冒口 , 缩孔将被移入冒口中。缩孔将被移入冒口中。 ( 一一 ) 缩孔的构成缩孔的构成 2 2、宽结宽结晶温度范晶温度范围围的合金的合金铝、镁合金铜合金铁碳合金铝铜合金铝镁合金镁合金锡青铜铝青铜结晶温度范围大黄铜高碳钢球墨铸铁 这类这类合金

12、合金铸铸件的件的凝固区域凝固区域宽宽，液，液态态金金属的属的过过冷很小，容易冷很小，容易开展开展为树为树枝枝兴兴隆的粗隆的粗大等大等轴轴晶晶组织组织。 在凝固区域中接近固相前沿先构成一批晶粒周围产生溶质富集，停顿生长，在富集区的后面又构成一批小晶粒，这样下去很快布满整个凝固区域，由于结晶温度区间大，过冷度小，构成的晶粒数目少，所以构成粗大的等轴晶。粗大的等轴晶比较早地连成晶体骨架，将尚未凝固的液体分割成小的互不沟通的熔池，最后在铸件中构成微小缩松。同时热裂倾向性也大，充型才干也差。宽结晶范围的合金结晶过程： 在凝固区域中接近固相前沿先构成一批晶粒周围产生溶质富集，停顿生长，在富集区的后面又构成

13、一批小晶粒，这样下去很快布满整个凝固区域，由于结晶温度区间大，过冷度小，构成的晶粒数目少，所以构成粗大的等轴晶。粗大的等轴晶比较早地连成晶体骨架，将尚未凝固的液体分割成小的互不沟通的熔池，最后在铸件中构成微小缩松。同时热裂倾向性也大，充型才干也差。( 二 ) 缩松的构成 ( 二 ) 缩松的构成 ( 二 ) 缩松的构成 ( 二 ) 缩松的构成 2 2由于粗大的等轴晶比较早的两成晶体骨架，而粗大的等轴由于粗大的等轴晶比较早的两成晶体骨架，而粗大的等轴晶的高温强度低，当晶间因收缩出现裂纹时，又得不到液态金晶的高温强度低，当晶间因收缩出现裂纹时，又得不到液态金属的及时填充使之愈合，故铸件产生热裂的倾向

14、大；属的及时填充使之愈合，故铸件产生热裂的倾向大；1 1 1 1当粗大的等当粗大的等当粗大的等当粗大的等轴轴晶相互晶相互晶相互晶相互衔衔接以后，便将尚未凝固的液接以后，便将尚未凝固的液接以后，便将尚未凝固的液接以后，便将尚未凝固的液态态金属金属金属金属分割成一个个互不沟通的溶池，最后在分割成一个个互不沟通的溶池，最后在分割成一个个互不沟通的溶池，最后在分割成一个个互不沟通的溶池，最后在铸铸件中构成分散性的件中构成分散性的件中构成分散性的件中构成分散性的缩缩松。采用普通冒口消除松。采用普通冒口消除松。采用普通冒口消除松。采用普通冒口消除缩缩松是很困松是很困松是很困松是很困难难的，往往采用其它措施

15、，的，往往采用其它措施，的，往往采用其它措施，的，往往采用其它措施，如添加冒口的如添加冒口的如添加冒口的如添加冒口的补缩压补缩压力，加速冷却等力，加速冷却等力，加速冷却等力，加速冷却等. . . .3假设这类合金在充填过程中发生凝固，其充型才干也很差。 应该指出，合金的补缩特性和充型性能是一致的，不仅与凝固方式亲密相关，还受初生晶形状的影响。1 1液相液相液相液相边边境境境境 2 2初生晶析初生晶析初生晶析初生晶析出出出出终终了了了了边边境境境境 3 3固相固相固相固相边边境境境境 4 4倾倾出出出出边边境境境境亚亚共晶共晶共晶共晶铝铝硅合金硅合金硅合金硅合金过过共晶共晶共晶共晶铝铝硅合金硅合

16、金硅合金硅合金四、四、 灰铸铁和球墨铸铁的凝固灰铸铁和球墨铸铁的凝固 亚共晶灰铸铁和球墨铸铁凝固的共同特点：亚共晶灰铸铁和球墨铸铁凝固的共同特点：初初生生奥奥氏氏体体枝枝晶晶能能迅迅速速布布满满铸铸件件的的整整个个断断面面 , 而而且且奥奥氏氏体体枝枝晶晶具具有有很很大大的的连连成成骨骨架架的的才才干干。因因此此 ,这这两两种种铸铸铁铁都都有有产产生生缩缩松松的的能能够够性性。但但是是 ,由由于于它它们们的的共共晶晶凝凝固固方方式式和和石石墨墨长长大大的的机机理理不不同同 , 产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。产生缩孔和缩松的倾向性有很大差别。 液体液体 灰灰铸铸铁铁共共晶晶团团中中的的片片状

17、状石石墨墨 , , 与与枝枝晶晶间间的的共共晶晶液液体体直直接接接接触触，因因此此片片状状石石墨墨长长大大时时所所产产生生的的体体积积膨膨胀胀大大部部分分作作用用在在所所接接触触的的晶晶间间液液体体上上, ,迫迫使使它它们们经经过过枝枝晶晶间间的的通通道道去去充充填填奥奥氏氏体体枝枝晶晶间间因因液液态态收收缩缩和和凝凝固固收收缩缩所所产产生生的的小小孔孔洞洞 , , 从从而而大大大大降降低低了了灰灰铸铸铁铁产产生生缩缩松松的的严严重重程程度度。这这就就是是灰灰铸铸铁铁的的所所谓谓“自自补补缩缩才干才干 液体液体液体液体液体液体液体液体液体液体 球球墨墨铸铸铁铁在在凝凝固固中中后后期期, ,石石

18、墨墨球球长长大大到到一一定定程程度度后后 , , 周周围围构构成成奥奥氏氏体体外外壳壳 , , 碳碳原原子子经经过过奥奥氏氏体体外外壳壳分分散散到到共共晶晶团团中中使使石石墨墨球球长长大大。当当共共晶晶团团长长大大到到相相互互接接触触后后 , , 石石墨墨化化膨膨胀胀所所产产生生的的膨膨胀胀力力 , , 只只需需一一小小部部分分作作用用在在晶晶间间液液体体上上 。而而大大部部分分作作用用在在相相邻邻的的共共晶晶团团上上或或奥奥氏体枝晶上氏体枝晶上 , , 趋向于把它们挤开。趋向于把它们挤开。 因因此此, ,球球墨墨铸铸铁铁的的缩缩前前膨膨胀胀比比灰灰铸铸铁铁大大得得多多随随着着石石墨墨球球的的

19、长长大大, ,共共晶晶团团之之间间的的间间隙隙逐逐渐渐扩扩展展, , 并并使使铸铸件件普普遍遍膨膨胀胀共共晶晶团团之之间间的的间间隙隙就就是是球球墨墨铸铸铁铁的的显显微微缩缩松松, ,而而共共晶晶团团集集团团之之间间的的问问隙隙那那么么构构成成铸铸件件的的( (宏宏观观) )缩缩松松。所所以以, ,球球墨墨铸铸铁铁产产生生缩缩松的倾向性很大。松的倾向性很大。 假假设设铸铸件件厚厚大大, ,球球墨墨铸铸铁铁的的缩缩前前膨膨胀胀也也会会导导致致铸铸件件产产生生缩缩孔孔。假假设设铸铸型型刚刚度度足足够够大大, ,石石墨墨化化的膨胀力有能够将缩松压合。的膨胀力有能够将缩松压合。在在这这种种情情况况下下, ,球球墨墨铸铸铁铁也也可可看看作作具具有有 自自补补缩缩 才干。才干。