第一章-快速凝固技术.pptx

第1章快速凝固技术;本章的学习目的与要求;前言;内容;（一）快速凝固发展的由来;铸造工艺、铸件的微观组织、结构和性能都会对后续加工的进行和最终产品的质量产生重要的甚至是决定性的影响

常规铸造中铸件的凝固时间一般很长，凝固过冷度很小。;合金凝固时的晶粒尺寸等微观组织与凝固冷速或过冷度直接相关，用常规铸造工艺生产的铸件不可避免产生一系列铸造缺陷：

容易形成粗大的树枝晶，并产生严重的晶内偏析与晶界偏析；

在较大的铸锭与铸件中，熔体先从相对温度较低、传热较快、与模壁接触的外层开始凝固并相应出现溶质分配，最后凝固的心部富含溶质元素与低熔点杂质元素，从而在较大尺度上出现宏观偏析。;采用常规铸造工艺还容易出现缩孔、疏松、气泡、热应力等铸造缺陷，它们也会对铸锭或铸件的性（特别是冲击性能）能产生有害影响；

合金元素含量高时（特别是比重小、粘度高、扩散能力差的合金元素）会降低熔体的流动性、充型能力和导热性，上述问题更严重。;要消除铸造合金存在的这些缺陷，核心是要提高形核凝固时的过冷度，从而提高凝固速度：

提高凝固传热速度—急冷凝固技术或熔体淬火技术；

提供近似均匀形核的条件—大过冷技术。;定义1：从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的凝固过程（105K/s）。

定义2：由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的凝固过程。

定义3：快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

;（1）细化凝固组织，使晶粒细化。

快速凝固合金的微观组织一般随着离冷却介质距离的增加，依次为等轴晶、柱状晶与树枝晶。;(c);快速凝固合金的晶粒尺寸很小，而且十分均匀，一般平均晶粒尺寸为μm左右，

快速凝固时过冷度较大，大大提高形核率；

极短的凝固时间又使晶粒不可能充分长大；

快速凝固晶态合金的晶粒尺寸明显减小的同时，相、有序畴等其它微观组织尺寸与常规铸态合金相比也有较大幅度的减小。

;（2）快速凝固可使合金成分均匀化，偏析减小。

凝固时间极短，??固时溶质分配很少，成分偏析也相应显著减小，合金的成分不均匀程度或偏析程度大大减小。;冷速（K/s）;;;（4）快速凝固使合金缺陷密度增加

与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密度有较大增加。

液态合金中原子的有序度低，点缺陷密度比固态金属高很多，快速凝固时大部分缺陷来不及析出而留在固态合金中；

由于凝固速度很高，晶体长大中也容易形成空位，因而快速凝固合金一般有很高的空位浓度。;合金在快速凝固过程中受到较大的热应力，空位聚集形成位错环，这些因素都使快速凝固合金中的位错密度比一般铸态合金增加很多。

此外，快速凝固合金的层错密度也很高。

这些特点对合金的溶质扩散，相变以及性能都会产生重要影响。

;（5）快速凝固使合金中形成新的亚稳相。

亚稳相是指在一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯自由能比稳定相或平衡相高的相，但亚稳相不会在任意小的能量起伏作用下自发转变成稳定相或其它亚稳相，而是必须在外界环境作用下经过热激活越过势垒才能转变成稳定相或其它亚稳相。

亚稳相的特点在于它既偏离稳定相又偏离不稳定相并能在一定的条件下较长时间保持不变。;金属材料中的许多亚稳相都具有稳定相所没有的优良微观组织结构和性能，只要在使用状态下不存在使亚稳相稳定化转变的热激活条件，就可以长期使用主要由亚稳相组成的材料;（1）力学性能

由于快速凝固组织尺寸细化、均匀化，晶界强化和韧化作用好，而且成分均匀、偏析减小、固溶度增大以及亚稳相产生，因而改善了合金的强度、韧性和延性。

（2）物理性能

快速凝固组织的微观组织结构特点，使它们具有一些常规铸态组织所没有的特殊物理性能。;快速凝固的条件

;用热传导方法获得高的凝固速率的条件是：

液体金属与铸型表面必须良好接触；

液体层必须很薄；

液体与铸型表面从开始接触至凝固完了时间要尽可能短。;1.2快速凝固的物理冶金基础;（一）定向凝固过程的传热;根据傅里叶导热定律知;将式（1-2）至式（1-4）带入式（1-1）则可求得凝固速度为：

;（二）体积凝固过程的传热;Q1，Q2，Q3可如下求出

式中，A为铸型与铸件的界面面积；q为界面热流密度；VC为冷却速度，为负值；VSV为体积凝固速度，；

V为铸件体积；△h为结晶潜热；??S、??L、??分别为固相密度、液相密度及平均密度；CS、CL分别为固相、液相的质量热容；

分别为固相体积分数和液相体积分