2铸造合金及其熔炼课件.pptx

1 铸 造 合 金Casting Alloys 2010秋季学期(五周，20学时) 周二 1-2节正心楼514 周四 1-2节正心楼514 任课教师：苏彦庆，李新中 2 0 绪论 1 铸铁基础知识 2 铸铁的熔炼及熔体处理 3 铸造钛合金 4 铸造镁合金 5 铸造铜合金 6 铸造铝合金 7 铸造高温合金和金属间化合物 课程内容 3 1 铸铁基础知识（2） 1-4、灰口铸铁的一次结晶 灰口铸铁从液态转变成固态的一次结晶过程，包括初析和共晶两个阶段。当铸铁的成分为亚共晶时，在发生共晶反应转变之前先结晶出初生奥氏体，当合金成分为过共晶时，在发生共晶转变之前先结晶出初生石墨。本节讨论初生奥氏体、初生石墨、奥氏体-石墨共晶的生长。 4 一、奥氏体的结晶 初生奥氏体树枝晶对铸铁的组织和力学性能有显著影响，他在灰铸铁中的作用与钢筋在钢筋混凝土中的作用相似，能起到骨架的加强作用，并能阻止裂纹的扩展。 （一）结晶过程热力学 初生奥氏体结晶的自由能的变化如图1-7，当亚共晶铁液（成分X）过冷至液相线BC’以下，例如温度T1时，在碳的质量分数为X的亚共晶铁液中开始结晶出初生奥氏体。在此温度时，铁液中铁原子浓度(1-X)比平衡值(1-Xa)偏高（偏离度Xa-X），而成分为X的铁液的自由能要比成分为Xa的铁液和成分为Xb的奥氏体所组成的两相平衡混合体高出ΔG，这就是初生奥氏体结晶的热力学驱动力。 5 初生奥氏体结晶的自由能的变化如图1-7，当亚共晶铁液（成分X）过冷至液相线BC’以下，例如温度T1时，在碳的质量分数为X的亚共晶铁液中开始结晶出初生奥氏体。在此温度时，铁液中铁原子浓度(1-X)比平衡值(1-Xa)偏高（偏离度Xa-X），而成分为X的铁液的自由能要比成分为Xa的铁液和成分为Xb的奥氏体所组成的两相平衡混合体高出ΔG，这就是初生奥氏体结晶的热力学驱动力。 （一）结晶过程热力学 图1-7 亚共晶铸铁中析出初生 奥氏体时的自由能变化 6 奥氏体的析出导致剩余铁液的增碳，增碳过程首先是在奥氏体的表面附近进行。此处铁液成分接近于平衡成分Xa，而在较远区域的铁液则仍维持原成分X。这种浓度差使得碳原子由奥氏体晶体表面附近向远处扩散，这样使得奥氏体的析出过程得以继续进行。在温度保持不变的条件下，奥氏体的析出将一直维持到全部铁液成分达到Xa为止。进一步降低温度至T2，则将析出成分为Xd的奥氏体，而在不断降温的过程中析出的奥氏体成分将是变化的（含碳量由低变高），形成枝晶内偏析。 7 奥氏体具有面心立方结构，他在结晶过程中常发展成为树枝状分叉形态，产生枝晶叉的机理是： 奥氏体为面心立方晶体，原子密排面为（111）面，当奥氏体直接从熔体中形核、成长时，只有密排面生长，其表面能最小，析出的奥氏体才稳定，由原子密排面{111}构成了晶体外形是八面体。八面体的生长方向是八面体的轴线，即[001]方向，由于八面体尖端的快速生长，形成了奥氏体的一次枝晶，之后又形成二次枝晶、三次枝晶等，都是互相垂直并按[001]方向生长的晶体。理想状态下枝晶是对称的，但实际上由于枝晶前沿溶质分布的不均匀以及枝晶前对流的存在或温度场的不对称，使枝晶失去对称性。 （二）初生奥氏体的形态 8 纯金属结晶枝晶形貌 9 Ni-Cu合金实验获得枝晶形态 Ni-Cu理想溶液枝晶生长模拟 定向凝固时枝晶形貌 10 图1-8 亚共晶白口铸铁组织中的奥氏体 11 （三）初生奥氏体枝晶中的成分偏析 奥氏体枝晶中的化学成分不均匀是由凝固过程决定的。按照相图，先析出的奥氏体碳含量较低，在逐渐长大的以后的各层奥氏体中的碳含量沿图1-7中的bdE’变化，碳含量逐渐升高，形成芯状组织。 除碳之外，其他合金元素在奥氏体中的分布也存在不均匀现象。 与碳亲和力小的元素（与碳相斥，如Al、Si、Ni、Cu、Co）的分布规律与碳的分布规律相反，即先形成的奥氏体芯部这类元素含量高，形成所谓的“反偏析”， 而与碳亲和力高的元素（白口化元素Mn、Cr、W、Mo、V）与碳一起在枝晶间富集，形成正偏析。 X [C] [C] C0 kC0 C0/k X [M] kM0 M0 M0/k 图1-9 界面成分分布及枝晶成分分布图 12 （四）影响初生奥氏体枝晶数量及粗细的因素 铸铁中奥氏体枝晶数量直接影响作为坚固骨架数量的多少。在平衡凝固条件下，奥氏体枝晶的质量可利用杠杆定律计算，但在非平衡条件下，需要用实验方法（定量金相）测定奥氏体数量。 非平衡凝固时，即使碳当量高达4.7%（共晶碳当量=4.26%），铸态组织中仍有初生奥氏体。快冷，过冷度大，共晶点向右下方偏移。 合金元素的影响：S粗化奥氏体枝晶，Ti和V细化枝晶。 增加冷却速度，奥氏体数量增加，还可以细化奥氏体枝晶。扩散控制下的生长受过冷度的影响很大。 13 初析奥氏体数量