6第六章 合金和金属的凝固基本理论.ppt

引言 多数金属制品的生产都需要经历熔炼和铸造两个工艺过程。熔炼是为了获得符合要求的液态金属。铸造是将液态金属注入铸模中使之凝固成一定形状，尺寸的固态金属件或金属锭。 结晶：液态金属转变为固态金属晶体的过程。结晶是铸锭，铸件，金属焊接生产的主要过程。是材料制备的最主要工艺。 广义结晶定义：聚集态，晶态，非晶态—晶体的过程。 第一节 纯金属凝固的基本过程 一、过冷现象 金属加热熔化—缓慢冷却至室温,冷却过程中温度与时间关系如下曲线.该种分析方法称为热分析法. 曲线有一段下凹曲线,最低点温度为Ts,是开始结晶温度.凝固时放出潜热,开始放热超过环境散失热量,曲线上升,随潜热与散失热平衡,出现水平阶段,后期放热慢于散热,曲线下降.表明结晶开始慢，随后加快，潜热迅速增加，出现水平线段。 过冷:金属开始凝固温度Ts,低于其熔点Tm的现象. ΔT(过冷度)=Tm-Ts,Tm为熔点。 不同金属以及不同冷却条件，其凝固的过冷度是不同的。 金属中纯度越高，无杂质，ΔT越大。冷却速度越大，过冷度也越大。采取特殊手段，可使金属的最大过冷度增加。象使液态金属细化成液滴可使过冷度增加。如下表： 二、纯金属凝固的基体过程 下图图示了基本过程 液态金属冷却到某一温度，停留一段时间，形成一 批很小的晶体，这样的小晶体称为晶核 晶核不断长大，一直到液体耗尽,各晶粒相互接触. ?形核率:单位时间内,单位体积液体金属中形成的晶核数N. 单位为I/Cm-3s-1. ?生长率:单位时间内,晶核增长的线长度U,单位是cm.s-1. ?晶粒:各晶粒长大至互相接触后形成的外形不规则的小晶体. 结晶过程中单位体积内晶粒数目越多,凝固后晶粒数目也越多,晶粒越细小.反之,晶粒数就越少,晶粒就越粗大. 采取适当措施,只许一个晶核长大,凝固完成后为一个单一晶体----单晶体. 金属在一般条件下凝固得到的都是多晶体. 结晶初期生成的微小晶体与液相间的平衡温度低于大晶体与液相的平衡温度,即小晶体熔点低于大晶体的熔点.而通常的金属熔点和大晶体(平面条件)相对立. 结晶过程中结晶量与温度,时间的关系如下图:某一过冷度下,结晶要在某一定时间τ0内才能觉察出来。τ0为孕育期，τ0后结晶数量越来越快，到达约50%后，结晶量又缓慢增加，过冷度越大，τ0越小，整个结晶完毕所需的时间越短 三、钢锭结晶 1,结晶组织 大体积液态金属结晶的实例,整个截面存在着相当大的温度梯度. ♂结晶的过冷度不可能很大 ♂结晶由模壁开始，逐渐向中心发展，是一个不均匀结晶过程 ♂铸锭部分不同，组织也不均匀，典型组织如下图。 微细的等轴晶体—周边 一层柱状晶体 粗大等轴晶体—中心 微细等轴晶体---激冷层。浇注温度—铸模表面温度差大；散热速度快---锭模金属的热传导性能；形核剂的效能---模壁及金属内部杂质。 柱晶区：起源于模壁上形核的某些晶体。垂直于模壁方向的散热速度最快，晶体就逆着传热最快的反方向以很大的速度向液体内伸展，形成柱状，与液体金属之间界面有低熔点夹杂，它们是脆的；晶体长大速度各向异性，立方晶系中，100方向长速最大，恰好垂直于模壁的100方向的晶体生长速度最快，发展成为柱状晶。 两个相互垂直方向生长的柱晶相遇，会形成柱晶间，是杂质、气泡收缩的富集地区，是铸锭脆弱的结合面。一般要设法减少铸锭中的柱状晶。浇注温度升高，可使柱状晶得到发展。(金属纯度高，铸锭截面小，冷却能力强，浇注温度较高，柱状晶一直可发展到锭心形成穿晶) 中心等轴区：后期凝固过程减慢，锭模与凝固层出现间隙，传热速度慢，温度梯度逐渐平坦，中心液体各处形核长大形成等轴晶。(悬浮细小等轴枝晶，根部溶解，冲刷折断的微细枝晶可作为晶核同时长大) 2，铸锭体缺陷 体积变化，通常体积收缩，少数体积膨胀 铸锭中产生收缩孔，分为五类：缩管，均匀收缩，缩穴，分散缩孔，表面疏松(表面最后凝固，或有气体疏松) 气泡：一是脱溶出气泡，二是化学反应气泡 　1，气泡长大速度比界面生长速度快，则长大上浮. 2，气泡长大速度和界面生长速度相当则呈蜂窝状气泡 3，气泡长大速度比界面生长速度慢，则成内部气泡 气泡来不及上浮则形成皮下气泡 夹杂物：与金属基体成分、结构都不同的颗粒 外来夹杂物：浇注时的耐火材料和未完全熔化的合金料。 内生夹杂物：液体冷却过程中形成的，(氧化物，氮化物，硅酸盐等)在晶界、亚晶界，枝晶间隙偏聚的形成的夹杂。 四、凝固应用 1，定向凝固：使铸件从一端开始凝固，从一端逐步向另一端发展，柱状晶涡轮叶片。柱状晶方向性能好，工作时该方向受力大。快速逐步凝固晶粒细化，枝晶间距小 2，单晶体制备 单晶体是由一个晶粒构成的晶体。如硅单晶，锗单晶。一般晶