液態(tài)金屬的凝固

1、1金屬結(jié)晶及組織控制 高玉來(lái)高玉來(lái)Tel: 56332144(O)Email: 日新樓日新樓402室室Oct. 8, 2011高玉來(lái)：金屬結(jié)晶及組織控制高玉來(lái)：金屬結(jié)晶及組織控制2第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固 第一節(jié) 概述第二節(jié) 凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)和液態(tài)金屬的凝固方式第三節(jié) 凝固方式與鑄坯宏觀組織第四節(jié) 焊接過(guò)程中的凝固問(wèn)題高玉來(lái)：金屬結(jié)晶及組織控制高玉來(lái)：金屬結(jié)晶及組織控制3第一節(jié)：概述第一節(jié)：概述 基本概念： 合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過(guò)程，稱為一次結(jié)晶或凝固。 一次結(jié)晶和“凝固”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)雖然指的是同一個(gè)狀態(tài)變化過(guò)程，但它們的含意是有區(qū)別的。一次結(jié)晶是從物理化學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，研究液態(tài)金

2、屬的生核、長(zhǎng)大、結(jié)晶組織的形成規(guī)律。而凝固則是從傳熱學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，研究鑄件和鑄型的傳熱過(guò)程、鑄件斷面上凝固區(qū)域的變化規(guī)律、凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系、凝固缺陷形成機(jī)制等。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固4凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 金屬凝固過(guò)程由于是在高溫下進(jìn)行，金屬又是不透明的，因此研究起來(lái)比較困難。目前金屬凝固過(guò)程的研究方法主要有：(1)傾出法： 最古老、最簡(jiǎn)單。美國(guó)人Briggs最早使用。方法：在金屬凝固過(guò)程的不同時(shí)刻，將未凝固的金屬液傾出，觀察已凝固部分的厚度和形貌等。優(yōu)點(diǎn)：可直接得到凝固速度、固-液界面形貌方面的信息，操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：僅在凝固初期有效，對(duì)于寬結(jié)晶溫度

3、范圍的合金，游離枝晶將一起倒出，使結(jié)果有誤差。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固5凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 (2) 數(shù)學(xué)解析法： 始于20年代，德國(guó)H.Groher提出。理論根據(jù)：壓力恒定時(shí)，金屬狀態(tài)是溫度的函數(shù)。方法：建立數(shù)學(xué)解析式直接求解。是用數(shù)值計(jì)算法分析熱流傳遞規(guī)律，預(yù)測(cè)凝固過(guò)程。優(yōu)點(diǎn)：能得出溫度場(chǎng)、凝固區(qū)域及變化規(guī)律。缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜，只對(duì)形狀簡(jiǎn)單的鑄坯有效；需要做大量假設(shè)，影響其精確性；需要有關(guān)熱物性參數(shù)；難以直觀反映固-液界面的形貌。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固6凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 (3) 數(shù)值模擬法：方法：將數(shù)學(xué)解析方程離散為差

4、分方程，進(jìn)行求解。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的普及而發(fā)展較快。優(yōu)點(diǎn)：能得出溫度場(chǎng)、凝固區(qū)域及其變化規(guī)律。相對(duì)于數(shù)學(xué)解析法，可解更復(fù)雜的函數(shù)式。缺點(diǎn)：需要做大量假設(shè)，影響其精確性。需要有關(guān)熱物性參數(shù)。難以直觀反映固-液界面形貌第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固7凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 (4) 多點(diǎn)熱分析法凝固曲線法： 代表性工作是50年代Rudde做的。 方法：實(shí)測(cè)不同部位鑄坯溫度隨時(shí)間變化的曲線，據(jù)此得到凝固動(dòng)態(tài)曲線、溫度場(chǎng)等。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)果可靠。 缺點(diǎn)：不能反映固-液界面組織、界面形貌。有些情況下實(shí)測(cè)困難。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固8凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究

5、方法 (5) X-射線衍射法： 方法：用X-射線直接觀察、記錄凝固過(guò)程。 優(yōu)點(diǎn)：將不透明的金屬透視，可直接觀察其形貌。 缺點(diǎn)：只有固、液兩相對(duì)X-射線的減弱系數(shù)有較大差別時(shí)才有效。對(duì)金屬厚度有限制。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固9凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 (6) 激冷法（液淬法）： 方法：將多個(gè)一定尺寸的試樣，隔一定時(shí)間淬入水中，然后在金相顯微鏡下觀察其凝固組織 。 優(yōu)點(diǎn)：既可得到某一時(shí)刻凝固區(qū)域的大小，又可得到組織、界面形貌。 缺點(diǎn)：固相在液淬時(shí)也會(huì)發(fā)生異常相變。在液淬過(guò)程中，凝固還在進(jìn)行。不能研究大體積金屬的凝固過(guò)程。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固10凝

6、固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 (7) 模擬物質(zhì)法： 方法：用蛋白質(zhì)、鹽溶液等模擬金屬凝固過(guò)程，直接觀察。 優(yōu)點(diǎn)：信息量大，研究方便。 缺點(diǎn)：模擬物質(zhì)是否能全面真實(shí)反映金屬凝固過(guò)程還需要認(rèn)證。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固11凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 (8) 彩色金相法： 方法：利用凝固層推進(jìn)過(guò)程中位置不同，成分也不同的特點(diǎn)，用彩色金相對(duì)已經(jīng)凝固的合金做特種處理，可得到其凝固過(guò)程的動(dòng)態(tài)描述。 優(yōu)點(diǎn)：可視形貌 。 缺點(diǎn)：由于找不到合適的處理方法，不總是有效。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固12凝固過(guò)程的研究方法凝固過(guò)程的研究方法 以上方法雖能應(yīng)用于凝固過(guò)程的

7、研究，但都存在著某些缺陷，使它們的應(yīng)用受到了限制。因此，這些方法都有待于不斷地完善或相互有機(jī)的結(jié)合，使之能更真實(shí)地反映凝固的狀態(tài)。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固13數(shù)學(xué)解析法數(shù)學(xué)解析法(Mathematical analysis method) 運(yùn)用數(shù)學(xué)方法研究鑄件和鑄型的傳熱，主要是利用傳熱學(xué)原理，建立表征凝固過(guò)程傳熱特征的各物理量之間的方程式，即鑄件和鑄型的溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型并加以求解。 凝固是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到傳熱、傳質(zhì)、相變等各種復(fù)雜的初始和邊界條件。要建立一個(gè)符合實(shí)際情況的微分方程式很困難，即使建立了微分方程式也未必能夠求解。因此，用數(shù)學(xué)分析法研究凝固過(guò)程時(shí)，必須對(duì)

8、過(guò)程進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固14數(shù)學(xué)解析法數(shù)學(xué)解析法(mathematical analysis method) 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固15 16數(shù)值模擬法數(shù)值模擬法(numerical stimulation method) 計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為解決數(shù)值計(jì)算法計(jì)算量大的問(wèn)題提供了有力的工具。因此近十年來(lái)，凝固過(guò)程的數(shù)值模擬有了很大的進(jìn)展。金屬凝固過(guò)程傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)的偶合模擬，已經(jīng)能夠作為預(yù)測(cè)和控制鑄件質(zhì)量的依據(jù)。 導(dǎo)熱微分方程的數(shù)值解法主要有有限差分法(finite difference method)、有限單元法(finite elemen

9、t method)、邊界元法(boundary element method) 等，這些方法各有特點(diǎn)。以有限差分法為例，介紹如下：第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固17數(shù)值模擬法數(shù)值模擬法(numerical stimulation method) 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固18數(shù)值模擬法數(shù)值模擬法(numerical stimulation method) 在實(shí)際計(jì)算中，涉及時(shí)間步長(zhǎng)和空間步長(zhǎng)x的確定、初始條件的確定、邊界條件的處理以及結(jié)晶潛熱的處理等，因此實(shí)際問(wèn)題要復(fù)雜得多。但是，數(shù)值模擬方法在凝固過(guò)程的研究中應(yīng)用十分廣泛，已經(jīng)逐步被認(rèn)可。 第四章第四章 液態(tài)金屬的

10、凝固液態(tài)金屬的凝固19溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)法溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)法(measurement of temperature field) 鑄件溫度場(chǎng)實(shí)測(cè)法的示意圖如圖4-4所示。將一組熱電偶的熱端固定在型腔中的不同位置，利用多點(diǎn)自動(dòng)記錄電子電位計(jì)作為溫度測(cè)量和記錄裝置，即可記錄自金屬液注入型腔起至任意時(shí)刻鑄件斷面上各測(cè)溫點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線(圖4-5a)。根據(jù)該曲線可繪制出鑄件斷面上不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)（圖4-5b）和鑄件的凝固動(dòng)態(tài)曲線。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固20溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)法溫度場(chǎng)的實(shí)測(cè)法(measurement of temperature field) 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬

11、的凝固21第二節(jié)：凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)和液態(tài)金屬的凝固方式第二節(jié)：凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)和液態(tài)金屬的凝固方式 圖4-6為凝固動(dòng)態(tài)曲線，它是根據(jù)直接測(cè)量的溫度時(shí)間曲線繪制的。首先在圖4-6a上給出合金的液相線和固相線溫度，把二直線與溫度時(shí)間相交的各點(diǎn)分別標(biāo)注在圖4-6b的(x / R ，)坐標(biāo)系上，再將各點(diǎn)連接起來(lái)，即得凝固動(dòng)態(tài)曲線?？v坐標(biāo)x是鑄件表面向中心方向的距離，R是鑄件壁厚之半或圓柱體和球體的半徑。由于凝固是從鑄件壁兩側(cè)同時(shí)向中心進(jìn)行，所以當(dāng)x / R=1時(shí)表示已凝固至鑄件中心。圖4-6c為根據(jù)凝固動(dòng)態(tài)曲線繪制的自測(cè)溫度開(kāi)始后2分20秒的凝固狀況。根據(jù)凝固動(dòng)態(tài)曲線可以獲得任一時(shí)刻的凝固狀態(tài)。 第四章第

12、四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固22凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu) 鑄件在凝固過(guò)程中，除純金屬和共晶成分合金外，斷面上一般都存在三個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)，凝固區(qū)和液相區(qū)。鑄件的質(zhì)量與凝固區(qū)域有密切的關(guān)系。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固23凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu) 圖圖4-74-7是凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖，其中凝固區(qū)是凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)示意圖，其中凝固區(qū)域由傾出邊界和補(bǔ)縮邊界又分割成三個(gè)區(qū)域由傾出邊界和補(bǔ)縮邊界又分割成三個(gè)區(qū)域。域。 區(qū)（從液相邊界到傾出邊界）。這個(gè)區(qū)區(qū)（從液相邊界到傾出邊界）。這個(gè)區(qū)的特征為固相處于懸浮狀態(tài)而未連成一片的特征為固相處于懸浮狀態(tài)而未連成一片，液相可以自由移動(dòng)，用

13、傾出法做試驗(yàn)時(shí)，液相可以自由移動(dòng)，用傾出法做試驗(yàn)時(shí)，固體能夠隨液態(tài)金屬一起被傾出。，固體能夠隨液態(tài)金屬一起被傾出。區(qū)（從傾出邊界到補(bǔ)縮邊界），這個(gè)區(qū)區(qū)（從傾出邊界到補(bǔ)縮邊界），這個(gè)區(qū)的特征為固相已經(jīng)連成骨架，但液相還能的特征為固相已經(jīng)連成骨架，但液相還能在固相骨架間自由移動(dòng)，這時(shí)某一部位的在固相骨架間自由移動(dòng)，這時(shí)某一部位的體積收縮能夠得到其它部位液體的補(bǔ)充，體積收縮能夠得到其它部位液體的補(bǔ)充，而不至于產(chǎn)生縮孔或縮松。而不至于產(chǎn)生縮孔或縮松。區(qū)（從補(bǔ)縮邊界到固相邊界）這個(gè)區(qū)的區(qū)（從補(bǔ)縮邊界到固相邊界）這個(gè)區(qū)的特征為固相不但連成骨架而且已經(jīng)充分長(zhǎng)特征為固相不但連成骨架而且已經(jīng)充分長(zhǎng)大，存在于固相

14、間隙中的少量液體被分割大，存在于固相間隙中的少量液體被分割成一個(gè)個(gè)互不溝通的小成一個(gè)個(gè)互不溝通的小“溶池溶池”。這時(shí)液。這時(shí)液體再發(fā)生凝固收縮，不能得到其它液體的體再發(fā)生凝固收縮，不能得到其它液體的補(bǔ)縮。補(bǔ)縮。 根據(jù)以上的分析可以看出，對(duì)鑄坯質(zhì)量根據(jù)以上的分析可以看出，對(duì)鑄坯質(zhì)量影響最大的是影響最大的是區(qū)的寬度?？梢酝茢嗄虆^(qū)的寬度。可以推斷凝固區(qū)域越寬，則區(qū)域越寬，則區(qū)的寬度也就越寬。區(qū)的寬度也就越寬。24凝固方式凝固方式 一般將金屬的凝固方式分為三種類型；逐層凝固方式一般將金屬的凝固方式分為三種類型；逐層凝固方式(skin-forming solidification)(skin-form

15、ing solidification)，體積凝固方式，體積凝固方式(volume (volume solidification)solidification)或稱糊狀凝固方式或稱糊狀凝固方式(mushy solidification)(mushy solidification)和和中間凝固方式中間凝固方式(middle solidification)(middle solidification)。凝固方式取決與凝固。凝固方式取決與凝固區(qū)域的寬度區(qū)域的寬度, ,而凝固區(qū)域的寬度取決于合金的結(jié)晶溫度范圍和冷而凝固區(qū)域的寬度取決于合金的結(jié)晶溫度范圍和冷卻強(qiáng)度。卻強(qiáng)度。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液

16、態(tài)金屬的凝固25逐層凝固方式逐層凝固方式 圖圖4 48a8a為恒溫下結(jié)晶的純金為恒溫下結(jié)晶的純金屬或共晶成分合金某瞬間的凝屬或共晶成分合金某瞬間的凝固情況。固情況。t tc c是結(jié)晶溫度，是結(jié)晶溫度，T1T1和和T2 T2 是鑄件斷面上兩個(gè)不同時(shí)是鑄件斷面上兩個(gè)不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)。從圖中可觀察到刻的溫度場(chǎng)。從圖中可觀察到，恒溫下結(jié)晶的金屬，在凝固，恒溫下結(jié)晶的金屬，在凝固過(guò)程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)過(guò)程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱恪嗝嫔系墓腆w和域?qū)挾葹榱?。斷面上的固體和液體由一條界線（凝固前沿）液體由一條界線（凝固前沿）清楚地分開(kāi)。隨著溫度的下降清楚地分開(kāi)。隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，逐

17、步達(dá)到，固體層不斷加厚，逐步達(dá)到鑄件中心。這種情況為逐層凝鑄件中心。這種情況為逐層凝固方式。固方式。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固26體積凝固方式體積凝固方式 如果因鑄件斷面溫度如果因鑄件斷面溫度場(chǎng)較平坦（圖場(chǎng)較平坦（圖4 49a9a），），或合金的結(jié)晶溫度范圍很或合金的結(jié)晶溫度范圍很寬（圖寬（圖4 49b9b），鑄件凝），鑄件凝固的某一段時(shí)間內(nèi)，其凝固的某一段時(shí)間內(nèi)，其凝固區(qū)域幾乎貫穿整個(gè)鑄件固區(qū)域幾乎貫穿整個(gè)鑄件斷面時(shí)，則在凝固區(qū)域里斷面時(shí)，則在凝固區(qū)域里既有已結(jié)晶的晶體，也有既有已結(jié)晶的晶體，也有未凝固的液體，這種情況未凝固的液體，這種情況為體積凝固方式或稱糊狀為體積凝固方

18、式或稱糊狀凝固方式。凝固方式。 27中間凝固方式中間凝固方式 如果合金的結(jié)晶溫度如果合金的結(jié)晶溫度范圍較窄（圖范圍較窄（圖4 410 a10 a），或者鑄件斷面溫度梯度，或者鑄件斷面溫度梯度較大（圖較大（圖4 410 b10 b），鑄），鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾燃嗝嫔系哪虆^(qū)域?qū)挾冉橛谇皟烧咧g時(shí)，稱中介于前兩者之間時(shí)，稱中間凝固方式。間凝固方式。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固28凝固方式凝固方式 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固29第三節(jié)第三節(jié) 凝固方式與鑄件宏觀組織凝固方式與鑄件宏觀組織 從凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)分析可知，鑄件的致密性從凝固區(qū)域的結(jié)構(gòu)分析可知，鑄件的致密性

19、和健全性與合金的凝固方式密切相關(guān)，而影響凝和健全性與合金的凝固方式密切相關(guān)，而影響凝固方式的因素為結(jié)晶溫度范圍和鑄件斷面的溫度固方式的因素為結(jié)晶溫度范圍和鑄件斷面的溫度梯度。梯度。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固30化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系 化學(xué)成分決定了合金結(jié)晶的溫度范圍。純金屬和共晶成分化學(xué)成分決定了合金結(jié)晶的溫度范圍。純金屬和共晶成分合金在凝固時(shí)，由于結(jié)晶溫度范圍是零，因此沒(méi)有液固共存的合金在凝固時(shí)，由于結(jié)晶溫度范圍是零，因此沒(méi)有液固共存的凝固區(qū)，以逐層方式凝固，其凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸。凝固區(qū)，以逐層方式凝固，其凝固前

20、沿直接與液態(tài)金屬接觸。當(dāng)液態(tài)凝固成為固體而發(fā)生體積收縮時(shí)，可以不斷地得到液體當(dāng)液態(tài)凝固成為固體而發(fā)生體積收縮時(shí)，可以不斷地得到液體的補(bǔ)充，所以產(chǎn)生分散性縮松的傾向性很小，而是在鑄件最后的補(bǔ)充，所以產(chǎn)生分散性縮松的傾向性很小，而是在鑄件最后凝固的部位留下集中縮孔，如圖凝固的部位留下集中縮孔，如圖4 41212。由于集中縮孔容易消除。由于集中縮孔容易消除，一般認(rèn)為這類合金的補(bǔ)縮性良好。在板狀或棒狀鑄件會(huì)出現(xiàn)，一般認(rèn)為這類合金的補(bǔ)縮性良好。在板狀或棒狀鑄件會(huì)出現(xiàn)中心線縮孔。這類鑄件在凝固過(guò)程中，當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間中心線縮孔。這類鑄件在凝固過(guò)程中，當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時(shí)，也容易得到金屬液的填充，

21、使裂紋愈合。裂紋時(shí)，也容易得到金屬液的填充，使裂紋愈合。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固31化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固32化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系 寬結(jié)晶溫度范圍的合金，凝固區(qū)域?qū)?，散熱條件差，容易寬結(jié)晶溫度范圍的合金，凝固區(qū)域?qū)挘釛l件差，容易發(fā)展成為樹枝晶發(fā)達(dá)的粗大等軸枝晶組織。當(dāng)粗大的等軸枝晶發(fā)展成為樹枝晶發(fā)達(dá)的粗大等軸枝晶組織。當(dāng)粗大的等軸枝晶相互連接以后相互連接以后( (固相約為固相約為7070) )，將使凝固的液態(tài)金屬分割為

22、一，將使凝固的液態(tài)金屬分割為一個(gè)個(gè)互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮孔個(gè)個(gè)互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮孔 ，即縮，即縮松，如圖松，如圖4 41313所示。對(duì)于這類鑄件采用普通冒口消除其縮松是所示。對(duì)于這類鑄件采用普通冒口消除其縮松是很難的，而往往需要采取其它輔助措施，以增加鑄件的致密性很難的，而往往需要采取其它輔助措施，以增加鑄件的致密性。由于粗大的等軸晶比較早的連成骨架，在鑄件中產(chǎn)生熱裂的。由于粗大的等軸晶比較早的連成骨架，在鑄件中產(chǎn)生熱裂的傾向性很大。這是因?yàn)?，等軸晶越粗大，高溫強(qiáng)度就越低；此傾向性很大。這是因?yàn)?，等軸晶越粗大，高溫強(qiáng)度就越低；此外當(dāng)晶間出現(xiàn)裂紋時(shí)，也

23、得不到液態(tài)金屬的充填使之愈合。如外當(dāng)晶間出現(xiàn)裂紋時(shí)，也得不到液態(tài)金屬的充填使之愈合。如果這類合金在充填過(guò)程中發(fā)生凝固時(shí)，其充型性能也很差。果這類合金在充填過(guò)程中發(fā)生凝固時(shí)，其充型性能也很差。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固33化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系化學(xué)成分、結(jié)晶溫度范圍與鑄件質(zhì)量的關(guān)系 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固34外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關(guān)系外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關(guān)系 由于合金成分是根據(jù)其性能、價(jià)格、使用條件等由于合金成分是根據(jù)其性能、價(jià)格、使用條件等因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過(guò)程中因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過(guò)程中，要

24、改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工，要改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工藝，或者說(shuō)可以通過(guò)外部條件來(lái)調(diào)整合金的凝固方式藝，或者說(shuō)可以通過(guò)外部條件來(lái)調(diào)整合金的凝固方式。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固35外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關(guān)系外部冷卻條件與鑄件質(zhì)量的關(guān)系 由于合金成分是根據(jù)其性能、價(jià)格、使用條件等由于合金成分是根據(jù)其性能、價(jià)格、使用條件等因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過(guò)程中因素確定的，一般不能隨意改變。在材料加工過(guò)程中，要改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工，要改變合金的凝固方式，調(diào)節(jié)空間較大的是加工工藝，或者說(shuō)可以通過(guò)外部條件來(lái)調(diào)整合金的凝固方

25、式藝，或者說(shuō)可以通過(guò)外部條件來(lái)調(diào)整合金的凝固方式。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固36鑄件在非金屬型中冷卻鑄件在非金屬型中冷卻 非金屬型（一般指砂型）的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬鑄件的導(dǎo)熱系非金屬型（一般指砂型）的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，即數(shù)小得多，即 2 / 112 / 112 / 1 1。非金屬鑄件在金屬型中冷卻時(shí)，由于鑄件。非金屬鑄件在金屬型中冷卻時(shí)，由于鑄件的導(dǎo)熱系數(shù)小，其內(nèi)部熱量不能及時(shí)傳遞至外表面，所以冷的導(dǎo)熱系數(shù)小，其內(nèi)部熱量不能及時(shí)傳遞至外表面，所以冷卻緩慢，斷面上的溫差很大。相反，由于金屬型的導(dǎo)熱系數(shù)卻緩慢，斷面上的溫差很大。相反，由于金屬型的導(dǎo)熱系數(shù)很大，其斷面

26、上的溫差則很小。很大，其斷面上的溫差則很小。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固42非金屬在金屬型中冷卻非金屬在金屬型中冷卻 在這種情況下，鑄件和鑄型斷面上的溫在這種情況下，鑄件和鑄型斷面上的溫度分布如圖度分布如圖4-174-17所示。熔模精密鑄造中用金所示。熔模精密鑄造中用金屬壓型壓制蠟?zāi)?，在金屬型中制造塑料制品屬壓型壓制蠟?zāi)?，在金屬型中制造塑料制品，就屬于這種情況。這種類型的熱交換特點(diǎn)，就屬于這種情況。這種類型的熱交換特點(diǎn)是，中間層和金屬鑄型斷面上的溫差很小，是，中間層和金屬鑄型斷面上的溫差很小，可以忽略不計(jì)。傳熱過(guò)程主要取決于非金屬可以忽略不計(jì)。傳熱過(guò)程主要取決于非金屬鑄件本身的

27、熱物理性質(zhì)。鑄件本身的熱物理性質(zhì)。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固43鑄件凝固過(guò)程影響因素鑄件凝固過(guò)程影響因素 通過(guò)對(duì)上述四種不同類型鑄造條件的分析，可以看出通過(guò)對(duì)上述四種不同類型鑄造條件的分析，可以看出，“鑄件鑄件中間層中間層鑄型鑄型”系統(tǒng)中各組元的熱阻對(duì)系統(tǒng)的系統(tǒng)中各組元的熱阻對(duì)系統(tǒng)的溫度分布影響極大，而熱阻最大的組元是傳熱過(guò)程中的決溫度分布影響極大，而熱阻最大的組元是傳熱過(guò)程中的決定性因素。因此，利用該因素控制鑄件的凝固是最有效的定性因素。因此，利用該因素控制鑄件的凝固是最有效的。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固44第四節(jié)第四節(jié) 焊接過(guò)程中的凝固問(wèn)題焊接過(guò)程中的凝

28、固問(wèn)題 焊接是在極短的時(shí)間內(nèi)使金屬局部熔化和凝固而形成焊接是在極短的時(shí)間內(nèi)使金屬局部熔化和凝固而形成接合的一種加工技術(shù)。焊接既包括熔化過(guò)程，也包括凝固接合的一種加工技術(shù)。焊接既包括熔化過(guò)程，也包括凝固過(guò)程。因此，有人把焊接過(guò)程形象地稱為過(guò)程。因此，有人把焊接過(guò)程形象地稱為“小熔池冶金，小熔池冶金，小熔池凝固小熔池凝固”。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固45第四節(jié)第四節(jié) 焊接過(guò)程中的凝固問(wèn)題焊接過(guò)程中的凝固問(wèn)題 焊接的凝固規(guī)律與其它凝固過(guò)程大體相同，也常出現(xiàn)化學(xué)焊接的凝固規(guī)律與其它凝固過(guò)程大體相同，也常出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻、氣孔、夾雜以及熱裂等缺陷，但又有其獨(dú)特的凝成分不均勻、氣孔、夾

29、雜以及熱裂等缺陷，但又有其獨(dú)特的凝固特點(diǎn)：熔池的體積小，冷卻速度大；熔池中的液體金屬固特點(diǎn)：熔池的體積小，冷卻速度大；熔池中的液體金屬處于高的過(guò)熱狀態(tài)，過(guò)熱溫度可高達(dá)處于高的過(guò)熱狀態(tài)，過(guò)熱溫度可高達(dá)250-550250-550。熔池在運(yùn)動(dòng)。熔池在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下結(jié)晶。焊接熔池周圍的母材金屬對(duì)于熔池金屬起著狀態(tài)下結(jié)晶。焊接熔池周圍的母材金屬對(duì)于熔池金屬起著“模壁模壁”作用，作用，“模壁模壁”的尺寸和形狀決定了溫度場(chǎng)的特性。研的尺寸和形狀決定了溫度場(chǎng)的特性。研究焊縫的凝固規(guī)律是提高焊縫金屬性能的有效方法，已成為重究焊縫的凝固規(guī)律是提高焊縫金屬性能的有效方法，已成為重要的課題。要的課題。 第四章第四章 液

30、態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固46焊接過(guò)程中的溫度變化焊接過(guò)程中的溫度變化 焊接過(guò)程中的溫度分布對(duì)焊縫金屬的組織影響很大，它是焊接過(guò)程中的溫度分布對(duì)焊縫金屬的組織影響很大，它是研究焊接過(guò)程凝固規(guī)律的基礎(chǔ)。研究焊接過(guò)程凝固規(guī)律的基礎(chǔ)。 焊接過(guò)程中的熱交換有兩個(gè)重要的特征：一是熱作用的集焊接過(guò)程中的熱交換有兩個(gè)重要的特征：一是熱作用的集中性，即焊接熱源集中作用于焊體接口的部位；二是熱作用的中性，即焊接熱源集中作用于焊體接口的部位；二是熱作用的瞬時(shí)性，也就是說(shuō)，焊接熱源始終以一定速度運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)焊瞬時(shí)性，也就是說(shuō)，焊接熱源始終以一定速度運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)焊接某一點(diǎn)的熱作用是瞬時(shí)的。為了方便分析焊接區(qū)域的溫度分

31、接某一點(diǎn)的熱作用是瞬時(shí)的。為了方便分析焊接區(qū)域的溫度分布，假設(shè)焊接的是單長(zhǎng)焊道，熱源為等速運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)熱源，這可布，假設(shè)焊接的是單長(zhǎng)焊道，熱源為等速運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)熱源，這可以歸納為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，即等溫線僅取決于熱源的位置，而以歸納為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題，即等溫線僅取決于熱源的位置，而與熱源運(yùn)動(dòng)的時(shí)間無(wú)關(guān)。與熱源運(yùn)動(dòng)的時(shí)間無(wú)關(guān)。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固47焊縫金屬的外生凝固焊縫金屬的外生凝固 焊接熔池中液態(tài)金屬有大的過(guò)熱度和冷卻速度，同時(shí)熔池焊接熔池中液態(tài)金屬有大的過(guò)熱度和冷卻速度，同時(shí)熔池邊緣和中心之間有大的溫度梯度。近代凝固理論告訴我們，這邊緣和中心之間有大的溫度梯度。近代凝固理論告訴

32、我們，這些特征都表明，焊縫金屬的凝固方式為外生凝固，結(jié)晶是從熔些特征都表明，焊縫金屬的凝固方式為外生凝固，結(jié)晶是從熔池邊界開(kāi)始，沿著與熱流相反的方向向熔池中心生長(zhǎng)的。實(shí)驗(yàn)池邊界開(kāi)始，沿著與熱流相反的方向向熔池中心生長(zhǎng)的。實(shí)驗(yàn)證明，焊接熔池的凝固過(guò)程確實(shí)是從熔池邊界開(kāi)始的，奧氏體證明，焊接熔池的凝固過(guò)程確實(shí)是從熔池邊界開(kāi)始的，奧氏體鋼的焊縫金屬組織呈樹狀晶，而且看起來(lái)好象是由母材晶粒外鋼的焊縫金屬組織呈樹狀晶，而且看起來(lái)好象是由母材晶粒外延生長(zhǎng)而成的，母材和焊縫之間存在明顯的晶界面。延生長(zhǎng)而成的，母材和焊縫之間存在明顯的晶界面。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固48焊縫金屬的外生凝固焊

33、縫金屬的外生凝固 在焊接過(guò)程中，鄰近焊縫金屬的母材由于受到電弧的加熱在焊接過(guò)程中，鄰近焊縫金屬的母材由于受到電弧的加熱，距熔合線不同距離的點(diǎn)將經(jīng)歷不同程度的急熱以及隨后不同，距熔合線不同距離的點(diǎn)將經(jīng)歷不同程度的急熱以及隨后不同程度的急冷過(guò)程。這種過(guò)程叫做焊接熱循環(huán)。在焊接熱循環(huán)作程度的急冷過(guò)程。這種過(guò)程叫做焊接熱循環(huán)。在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫附近母材金屬的組織及性能會(huì)發(fā)生變化，焊縫邊界用下，焊縫附近母材金屬的組織及性能會(huì)發(fā)生變化，焊縫邊界的母材晶粒容易因過(guò)熱而粗化，因而焊縫樹狀晶也將隨之粗化的母材晶粒容易因過(guò)熱而粗化，因而焊縫樹狀晶也將隨之粗化。實(shí)際生產(chǎn)中往往用調(diào)整焊接線能量的方法控制焊接熱循

34、環(huán)，。實(shí)際生產(chǎn)中往往用調(diào)整焊接線能量的方法控制焊接熱循環(huán)，使過(guò)熱度減少，以防止母材的晶粒粗化。這是獲得較細(xì)小晶粒使過(guò)熱度減少，以防止母材的晶粒粗化。這是獲得較細(xì)小晶粒焊縫的最有效的途徑。在不預(yù)熱的情況下，增大焊接速度焊縫的最有效的途徑。在不預(yù)熱的情況下，增大焊接速度v v以降以降低焊接線能量低焊接線能量E E，可以達(dá)到細(xì)化凝固組織的目的。，可以達(dá)到細(xì)化凝固組織的目的。 第四章第四章 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固49焊縫柱狀樹枝晶的生長(zhǎng)焊縫柱狀樹枝晶的生長(zhǎng) 外生凝固方式?jīng)Q定了熔池邊界焊縫金屬外延生長(zhǎng)的晶體為柱外生凝固方式?jīng)Q定了熔池邊界焊縫金屬外延生長(zhǎng)的晶體為柱狀晶。該晶體生成后繼續(xù)向熔池中心生長(zhǎng)

35、。在母材上生成的晶體狀晶。該晶體生成后繼續(xù)向熔池中心生長(zhǎng)。在母材上生成的晶體，與相鄰的晶體在金屬液中競(jìng)相成長(zhǎng)，如圖，與相鄰的晶體在金屬液中競(jìng)相成長(zhǎng)，如圖4-194-19所示。由于晶體所示。由于晶體生長(zhǎng)速度具有異向性，例如面心立方和體心立方的金屬（如生長(zhǎng)速度具有異向性，例如面心立方和體心立方的金屬（如Al, Al, Cu, FeCu, Fe等）其晶體長(zhǎng)大的優(yōu)先方向是等）其晶體長(zhǎng)大的優(yōu)先方向是。如果晶體的這些方向。如果晶體的這些方向和熱流方向相平行，則這些晶體將得到發(fā)展。因?yàn)樵谶@些方向上和熱流方向相平行，則這些晶體將得到發(fā)展。因?yàn)樵谶@些方向上具有最大的生長(zhǎng)速度。因而這些與熱流方向相平行的晶體由于抑

36、具有最大的生長(zhǎng)速度。因而這些與熱流方向相平行的晶體由于抑制了相鄰晶體的成長(zhǎng)而優(yōu)先長(zhǎng)大。在晶體的成長(zhǎng)過(guò)程中，越是接制了相鄰晶體的成長(zhǎng)而優(yōu)先長(zhǎng)大。在晶體的成長(zhǎng)過(guò)程中，越是接近熱流方向的晶體，越易成長(zhǎng)，而其它晶體的成長(zhǎng)則被抑制。這近熱流方向的晶體，越易成長(zhǎng)，而其它晶體的成長(zhǎng)則被抑制。這種現(xiàn)象就是焊縫中柱狀種現(xiàn)象就是焊縫中柱狀樹枝晶的擇優(yōu)成長(zhǎng)。樹枝晶的擇優(yōu)成長(zhǎng)。 50焊縫柱狀樹枝晶的生長(zhǎng)焊縫柱狀樹枝晶的生長(zhǎng) 由于熔池的凝固是在運(yùn)動(dòng)狀由于熔池的凝固是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，因此柱狀晶的成長(zhǎng)態(tài)下進(jìn)行的，因此柱狀晶的成長(zhǎng)方向還同熔池的形狀和焊接速度方向還同熔池的形狀和焊接速度有密切的關(guān)系。如圖有密切的關(guān)系。如圖4-204-20所示，所示，在一般焊接速度下，焊縫柱狀晶在一般焊接速度下，焊縫柱狀晶是朝向焊縫中心并朝焊接方向傾是朝向焊縫中心并朝焊接方向傾斜的，因而表現(xiàn)為彎曲的形態(tài)（斜的，因而表現(xiàn)為彎曲的形態(tài)（見(jiàn)圖見(jiàn)圖4-20a4-20a）；而在高速焊接條）；而在高速焊接條件下，柱狀晶的成長(zhǎng)方向垂直于件下，柱狀晶的成長(zhǎng)方向垂直于焊縫中心，呈所謂的對(duì)向生長(zhǎng)形焊縫中心，呈所謂的對(duì)向生長(zhǎng)形態(tài)（見(jiàn)圖態(tài)（見(jiàn)圖4-20b4-20b）。）。 51焊縫柱狀樹枝晶的生長(zhǎng)焊縫柱狀樹枝晶的生長(zhǎng) 當(dāng)柱狀晶主軸的成長(zhǎng)方向垂當(dāng)