2钢液凝固的基本理论幻灯片.ppt

* * * * * * * * 图11-3 单向凝固时铸棒内溶质的分布 a－平衡凝固 b－液相只有扩散 c－液相完全混合 d－液相部分混合 正常偏析随着溶质偏析系数|1-k0|的增大而增大。但对于偏析系数较大的合金，当溶质含量较高时，合金倾向于体积凝固，偏析反而减轻。 偏析使铸件性能不均匀，也难以通过热处理消除，但可以利用溶质的正常偏析现象对金属进行提纯精炼。 焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固-液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，焊缝极易产生纵向裂纹。 图11-6 快速焊时焊缝的区域偏析 电弧位置 逆偏析的成因在于结晶温度范围宽的固溶体合金，在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。 Al-4.7Cu 合金铸件的逆偏析 图11-5 铸锭产生V形和逆V形 偏析部位示意图 收缩孔 正偏析 逆V偏析 V偏析 负偏析 由于密度的差异，先凝固部分结晶沉淀，在铸锭的下半部形成低于平均成分的负偏析区，上部则形成高于平均成分的正偏析区。 当铸锭中央部分在凝固下沉时，侧面向斜下方产生拉应力，在其上部形成逆V形裂缝，并被富含溶质的液相所填充，最终形成逆V形偏析带。 带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。 带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。 焊缝凝固中的层状偏析与带状偏析机理相同。 图11-7 焊缝的层状偏析 a) 焊条电弧焊 b) 电子束焊 层状偏析 a） b） 偏析产生的原因 偏析的影响因素及控制措施 气体的形成和排出 钢液在浇注过程中，由于气体在钢液中的溶解度随钢液温度的降低而下降，并臣在由液体凝固成固体时，溶解度会陡降，所以氢、氮、氧都会在这个过程中富集和析出。 对于镇静钢来说，一方面由于强脱氧剂对碳氧反应的抑制作用；另一方面因为氮结合成了氮化物，在一船情况下，它的析出压力小于钢液的静压力，使之难于单独拆出。所以，凝固过程中析出的气体主要溶解于钢液的是氢。氢的含量W(H))大于等于1％，它的析出压力就能超过钢液静压力，而以气泡的形式析出。这时的氮可以进入氢的气泡一同排出。 根据冶炼时脱氧程序的不同，钢可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。 镇静钢为完全脱氧的钢。通常注成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金钢一般都是镇静钢 。 脱氧不完全的碳素钢。一般用锰铁和少量铝脱氧后，钢水中还留有高于碳氧平衡的氧量，与碳反应放出一氧化碳气体。因此，在浇注时钢水在钢锭模内呈沸腾现象，故称为沸腾钢。 对于沸腾钢而言．析出的气体主要是[cI与[o]在凝固前沿进行富集并发生反应而产生的大量的co气泡，其次是氢和氮。 在结晶过程中，当气体的上升速度大于树枝品的生长速度时，气体能顺利排出；反之，气体则会留在树枝晶间形成气孔。因此，沸腾钢要控制气体的析出才能得到良好的钢锭结构，而镇静钢则要杜绝结晶时气体的析出。 钢中的氮与氧一般生成化合物如Feo、AlN等，并多半析出在晶粒界面上，使钢的力学性能变坏，出现所谓的“老化”、“时效”现象。氢在固态钢中析出时会造成“白点”缺陷，对此可利用其原于半径小，扩散速度大的特点，通过缓冷或退火的方法来排除，以减轻由氢带来的危害。 从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸会缩减的现象为收缩，收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原因。 铸造合金从浇注到铸型开始到冷却至室温，经历了三个收缩阶段： （1）??液态收缩 液态合金从浇注温度冷却到液相线温度之间的收缩为液态收缩。其表现为铸型内液态合金的液面下降。 2）凝固收缩 从液相线温度到固相线温度之间的收缩为凝固收缩。共晶成分的合金或纯金属，是在恒温下结晶，凝固收缩较小。而有一定结晶温度范围的合金，随其结晶温度范围的增大，凝固收缩增大。 以上两个阶段的收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 （3）?固态收缩 自固相线温度至室温间的收缩为固态收缩。 总之，以上三个阶段收缩之和为铸造合金总收缩。由于液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积的缩减，常用体收缩率，即单位体积的收缩量来表示。而合金的固态收缩主要表现铸件各方向上尺寸的缩小