重慶理工大學(xué)材料成型第十一章

第十一章凝固缺陷及控制

凝固缺陷是金屬在冷卻凝固過程中極易出現(xiàn)的一類缺陷，它們以不同的類型和形態(tài)存在于固態(tài)金屬中，對金屬的性能產(chǎn)生不同程度的影響。本章主要介紹偏析、氣孔、夾雜、縮孔、縮松和裂紋等重要凝固缺陷的形成機理、影響因素及控制措施。第一節(jié)合金中的成分偏析

根據(jù)偏析范圍的不同，可將偏析分為：微觀偏析和宏觀偏析兩大類。微觀偏析是指微小范圍（約一個晶粒范圍）內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，按位置不同可分為晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。宏觀偏析是指凝固斷面上各部位的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象，按其表現(xiàn)形式可分為正常偏析、逆偏析、重力偏析等。第十一章凝固缺陷及控制一、微觀偏析（一）晶內(nèi)偏析:是在一個晶粒內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象，常產(chǎn)生于具有結(jié)晶溫度范圍、能夠形成固溶體的合金中。枝晶偏析：固溶體合金按樹枝晶方式生長時，先結(jié)晶的枝干與后結(jié)晶的分枝也存在著成分差異。這種在樹枝晶內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象又稱為枝晶偏析。晶內(nèi)偏析程度取決于合金相圖的形狀、偏析元素的擴散能力和冷卻條件。（1）合金相圖上液相線和固相線間隔越大，則先、后結(jié)晶部分的成分差別越大，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。。（2）偏析元素在固溶體中的擴散能力越小，晶內(nèi)偏析傾向就越大。如硅在鋼中的擴散能力大于磷，故硅的偏析程度小于磷。（3）在其他條件相同時，冷卻速度越大，則實際結(jié)晶溫度越低，原子擴散能力越小，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。但另一方面，隨著冷卻速度的增加，固溶體晶粒細化，晶內(nèi)偏析程度減輕。因此，冷卻速度的影響應(yīng)視具體情況而定。第十一章凝固缺陷及控制晶內(nèi)偏析程度:晶內(nèi)偏析的危害：使晶粒內(nèi)部成分不均勻，導(dǎo)致合金的力學(xué)性能降低，特別是塑性和韌性降低。（二）晶界偏析在合金凝固過程中，溶質(zhì)元素和非金屬夾雜物常富集于晶界，使晶界與晶內(nèi)的化學(xué)成分出現(xiàn)差異，這種成分不均勻現(xiàn)象稱為晶界偏析。晶界偏析的產(chǎn)生一般有兩種情況：（1）兩個晶粒并排生長，晶界平行于晶體生長方向。由于表面張力平衡條件的要求，在晶界與液相的接觸處出現(xiàn)凹槽，此處有利于溶質(zhì)原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析。第十一章凝固缺陷及控制（2）兩個晶粒相對生長，彼此相遇而形成晶界。胞狀偏析：固溶體合金凝固時，若成分過冷不大，會出現(xiàn)一種胞狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)由一系列平行的棒狀晶體組成，沿凝固方向長大，呈六方斷面。當(dāng)k0<1時，六方斷面的晶界處將富集溶質(zhì)元素。這種偏析又稱為胞狀偏析。實質(zhì)上，胞狀偏析屬于亞晶界偏析。晶界偏析的危害：晶界偏析比晶內(nèi)偏析的危害性更大，它既能降低合金的塑性和高溫性能，又能增加熱裂傾向，因此必須加以防止。晶界偏析的防止措施：生產(chǎn)中預(yù)防和消除晶界偏析的方法與晶內(nèi)偏析所采用的措施相同，即細化晶粒、均勻化退火。但對于氧化物和硫化物引起的晶界偏析，即使均勻化退火也無法消除，必須從減少合金中氧和硫的含量入手。第十一章凝固缺陷及控制

二、宏觀偏析（一）正常偏析:正常偏析的存在使鑄件性能不均勻，隨后的加工和處理也難以根本消除，故應(yīng)采取適當(dāng)措施加以控制。利用溶質(zhì)的正常偏析現(xiàn)象，可以對金屬進行精煉提純?！皡^(qū)熔法”就是利用正常偏析的規(guī)律發(fā)展起來的。（二）逆偏析：鑄件凝固后常出現(xiàn)與正常偏析相反的情況，即k0<1時，鑄件表面或底部含溶質(zhì)元素較多，而中心部位或上部含溶質(zhì)較少，這種現(xiàn)象稱為逆偏析。逆偏析的危害：逆偏析會降低鑄件的力學(xué)性能、氣密性和切削加工性能。逆偏析的形成特點：結(jié)晶溫度范圍寬的固溶體合金和粗大的樹枝晶易產(chǎn)生逆偏析，緩慢冷卻時逆偏析程度增加。若液態(tài)合金中溶解有較多的氣體，則在凝固過程中將促進逆偏析的形成。逆偏析的形成原因：在于結(jié)晶溫度范圍寬的固溶體型合金，在緩慢凝固時易形成粗大的樹枝晶，枝晶相互交錯，枝晶間富集著低熔點相，當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時，低熔點相將沿著樹枝晶間向外移動。逆偏析的防止措施：向合金中添加細化晶粒的元素，減少合金的含氣量，有助于減少或防止逆偏析的形成第十一章凝固缺陷及控制（三）V形偏析和逆V形偏析V

形偏析和逆V形偏析：常出現(xiàn)在大型鑄錠中，一般呈錐形，偏析帶中含有較高的碳以及硫和磷等雜質(zhì)。（四）帶狀偏析：常出現(xiàn)在鑄錠或厚壁鑄件中，有時是連續(xù)的，有時則是間斷的。帶狀偏析的形成特點是它總是和凝固的液-固界面相平行。帶狀偏析的形成機制：是由于固-液界面前沿液相中存在溶質(zhì)富集層且晶體生長速度發(fā)生變化的緣故。以單向凝固的合金（k0＜1）為例，當(dāng)晶體生長速度突然增大時，會出現(xiàn)溶質(zhì)富集帶（正偏析）；當(dāng)生長速度突然減小時，會出現(xiàn)溶質(zhì)貧乏帶（負偏析）。如果液相中溶質(zhì)能完全混合（即存在對流和攪拌），則生長速度的波動不會造成帶狀偏析。帶狀偏析的防止措施：溶質(zhì)的偏析系數(shù)越大，帶狀偏析越容易形成。減少溶質(zhì)的含量，采取孕育措施細化晶粒，加強固-液界面前的對流和攪拌，均有利于防止或減少帶狀偏析的形成。第十一章凝固缺陷及控制（五）重力偏析防止或減輕重力偏析的方法：（1）加快鑄件的冷卻速度，縮短合金處于液相的時間，使初生相來不及上浮或下沉。（2）加入能阻礙初晶沉浮的合金元素。（3）澆注前對液態(tài)合金充分?jǐn)嚢瑁⒈M量降低合金的澆注溫度和澆注速度。（六）區(qū)域偏析和層狀偏析區(qū)域偏析的危害：在應(yīng)力作用下，焊縫區(qū)域偏析極易產(chǎn)生縱向裂紋。層狀偏析：是由于熱的周期性作用而引起的一種化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。層狀偏析的危害：層狀偏析是不連續(xù)的具有一定寬度的鏈狀偏析帶，帶中常集中一些有害元素（碳、硫、磷等），并常常出現(xiàn)氣孔等缺陷；層狀偏析也會使焊縫的力學(xué)性能不均勻，抗腐蝕性能下降以及斷裂韌性降低等。

第十一章凝固缺陷及控制三、焊接熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻熔合區(qū)：位于焊縫和母材的交界處，是焊縫與母材之間的過渡區(qū)，其寬度決定于材料的液-固溫度范圍、被焊材料本身的熱物理性質(zhì)和組織狀態(tài)。第十一章凝固缺陷及控制第二節(jié)氣孔與夾雜

一、氣孔的分類及特征氣孔：存在于液態(tài)金屬中的氣體，若凝固前氣泡來不及排除，就會在金屬內(nèi)形成孔洞。這種因氣體分子聚集而產(chǎn)生的孔洞稱為氣孔。氣孔分類：金屬中的氣孔按氣體來源不同可分為：析出性氣孔、侵入性氣孔和反應(yīng)性氣孔；按氣體種類不同可分為氫氣孔、氮氣孔和一氧化碳氣孔等。1．析出性氣孔,析出性氣孔的特征：析出性氣孔通常分布在鑄件的整個斷面或某一局部區(qū)域，尤其在冒口附近和熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域分布比較密集。氣孔形狀有團球形、裂紋多角形、斷續(xù)裂紋狀或混合型。當(dāng)金屬含氣量較少時，呈裂紋狀；而含氣量較多時，氣孔較大，呈團球形。焊縫金屬產(chǎn)生的析出性氣孔：多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面。氫氣孔的斷面形狀如同螺釘狀，從焊縫表面上看呈喇叭口形，氣孔四周有光滑的內(nèi)壁。氮氣孔一般成堆出現(xiàn)，形似蜂窩。焊接鋁、鎂合金時，析出性氣孔（如氫氣孔）有時也會出現(xiàn)在焊縫內(nèi)部。第十一章凝固缺陷及控制

2．侵入性氣孔,侵入性氣孔特征：數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入的方向。3．反應(yīng)性氣孔,氣孔的危害：是鑄件或焊件最常見的缺陷之一。氣孔的存在不僅能減小金屬的有效承載面積，而且使局部造成應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源。一些形狀不規(guī)則的氣孔，則會增加缺口的敏感性，使金屬的強度下降和抗疲勞能力降低。二、氣體的析出氣體從金屬中析出有三種形式:（1）擴散逸出；（2）與金屬內(nèi)的某元素形成化合物；（3）以氣泡形式從液態(tài)金屬中逸出。氣體以擴散方式析出，只有在非常緩慢冷卻的條件下才能充分進行，實際生產(chǎn)條件下往往難以實現(xiàn)。氣泡的形成：氣體以氣泡形式析出的過程由三個相互聯(lián)系而又彼此不同的階段所組成，即氣泡的生核、長大和上浮。1．氣泡的生核,2．氣泡的長大氣泡長大需要滿足下列條件：3．氣泡的上浮氣泡形核后，經(jīng)短暫的長大過程，即脫離其依附的表面而上浮。氣泡脫離現(xiàn)成表面的過程如圖所示。第十一章凝固缺陷及控制三、氣孔的形成機理（一）析出性氣孔的形成機理無對流、攪拌作用，而固相中氣體溶質(zhì)的擴散忽略不計，則固-液界面前沿液相中氣體溶質(zhì)的分布可用下式來描述，即析出性氣孔的形成機理為：結(jié)晶前沿，特別是枝晶間的氣體溶質(zhì)聚集區(qū)中，氣體濃度將超過其飽和濃度，被枝晶封閉的液相內(nèi)則具有更大的過飽和濃度和析出壓力，而液固界面處氣體的濃度最高，并且存在其他溶質(zhì)的偏析，易產(chǎn)生非金屬夾雜物，當(dāng)枝晶間產(chǎn)生收縮時，該處極易析出氣泡，且氣泡很難排除，從而保留下來形成氣孔。第十一章凝固缺陷及控制

（二）侵入性氣孔的形成機理侵入性氣孔主要是由鑄型或砂芯在液態(tài)金屬高溫作用下產(chǎn)生的氣體侵入到液態(tài)金屬內(nèi)部形成的。氣孔的形成過程：可大致分為氣體侵入液態(tài)金屬和氣泡的形成與上浮兩個階段。氣泡形成的條件為：當(dāng)液態(tài)金屬的粘度增大時，氣體排出的阻力加大，形成侵入性氣孔的傾向也隨之增大。侵入性氣孔的特征：氣體在金屬已開始凝固時侵入液態(tài)金屬易形成梨形氣孔，氣孔較大的部分位于鑄件內(nèi)部，其細小部分位于鑄件表面。這是因為氣體侵入時鑄件表面金屬已凝固，不易流動，而內(nèi)部金屬溫度較高，流動性好，侵入的氣體容易隨著氣體壓力的增大而擴大，從而形成外小內(nèi)大的梨形。梨形尖端所指的方向即為氣體的侵入方向。（三）反應(yīng)性氣孔的形成機理：1．金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔；2．金屬與溶渣間的反應(yīng)性氣孔渣氣孔；3．液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔第十一章凝固缺陷及控制四、防止氣孔產(chǎn)生施（一）防止析出性氣施（1）消除氣體來源（2）采用合理的工藝（3）對液態(tài)金屬進行除氣處理金屬熔煉時常用的除氣方法有浮游去氣法和氧化去氣法。（4）阻止液態(tài)金屬內(nèi)氣體的析出提高金屬凝固時的冷卻速度和外壓，可有效阻止氣體的析出。如采用金屬型鑄造，密封加壓等方法，均可防止析出性氣孔的產(chǎn)生。（二）防止侵入性氣孔的措施（1）控制侵入氣體的來源嚴(yán)格控制型砂和芯砂中發(fā)氣物質(zhì)的含量和濕型的水分。（2）控制砂型的透氣性和緊實度砂型的透氣性越差、緊實度越高，侵入性氣孔的產(chǎn)生傾向越大。（3）提高砂型和砂芯的排氣能力鑄型上扎排氣孔幫助排氣，保持砂芯排氣孔的暢通，鑄件頂部設(shè)置出氣冒口。采用合理的澆注系統(tǒng)。第十一章凝固缺陷及控制（4）適當(dāng)提高澆注溫度提高澆注溫度可使侵入氣體有充足的時間排出。澆注時應(yīng)控制澆注高度和澆注速度，保證液態(tài)金屬平穩(wěn)的流動和充型。（5）提高液態(tài)金屬的熔煉質(zhì)量盡量降低鐵液中的硫含量，保證鐵液的流動性。防止液態(tài)金屬過分氧化，減小氣體排出的阻力。第十一章凝固缺陷及控制（三）防止反應(yīng)性氣孔的措施（1）采取烘干、除濕等措施，防止和減少氣體進入液態(tài)金屬。嚴(yán)格控制砂型水分和透氣性，避免鑄型返潮，重要鑄件可采用干型或表面烘干型，限制樹脂砂中樹脂的氮含量。（2）嚴(yán)格控制合金中強氧化性元素的含量。如球墨鑄鐵中的鎂及稀土元素，鋼中用于脫氧的鋁等，其用量要適當(dāng)。（3）適當(dāng)提高液態(tài)金屬的澆注溫度，盡量保證液態(tài)金屬平穩(wěn)進入鑄型，減少液態(tài)金屬的氧化。（4）合理組合保護氣體（或焊劑）與焊絲，以形成充分的脫氧條件，抑制反應(yīng)性氣孔的生成。如低碳鋼CO2焊時，采用含脫氧劑的H08Mn2SiA等可防止氣孔。（5）焊接時增大熱輸入和適當(dāng)預(yù)熱，可增大溶池的存在時間，降低反應(yīng)性氣孔傾向。第十一章凝固缺陷及控制

五、夾雜物的形施（一）夾雜物的分類：1．夾雜物的來源夾雜物；2．夾雜物的分類（1）按夾雜物化學(xué)成分，可分為：氧化物----FeO、MnO

、SiO2、Al2O3硫化物----FeS

、MnS

、Cu2S硅酸鹽----FeO.SiO2、Fe2SiO4、Mn2SiO4、FeO.Al2O3.SiO2。（2）按夾雜物形成時間，可分為初生夾雜物、次生夾雜物和二次氧化夾雜物。初生夾雜物：是在金屬熔煉及爐前處理過程中產(chǎn)生的次生夾雜物：是在金屬凝固過程中產(chǎn)生的二次氧化夾雜物：而在澆注過程中因氧化而產(chǎn)生的夾雜物稱為二次氧化夾雜物。第十一章凝固缺陷及控制（3）按夾雜物形狀，可分為球形、多面體、不規(guī)則多角形、條狀及薄板形、板形等。夾雜物的危害：夾雜物的存在破壞了金屬本體的連續(xù)性，使金屬的強度和塑性下降；尖角形夾雜物易引起應(yīng)力集中，顯著降低金屬的沖擊韌性和疲勞強度；易熔夾雜物（如鋼鐵中的FeS）分布于晶界，不僅降低強度且能引起熱裂。

（二）初生夾雜物1.初生夾雜物2．初生夾雜物的分布3．排除液態(tài)金屬中初生夾雜物的途徑第十一章凝固缺陷及控制（1）加熔劑在液態(tài)金屬表面覆蓋一層能吸收上浮夾雜物的熔劑（如鋁合金精煉時加入氯鹽），或加入能降低夾雜物密度或熔點的熔劑（如球墨鑄鐵加冰晶石），有利于夾雜物的排除。（2）過濾法使液態(tài)金屬通過過濾器以去除夾雜物。（3）排除和減少液態(tài)金屬中氣體的措施。（三）二次氧化夾雜物1．二次氧化夾雜物的形成；2．防止和減少二次氧化夾雜物的途徑（1）正確選擇合金成分，嚴(yán)格控制易氧化元素的含量。（2）采取合理的澆注系統(tǒng)及澆注工藝，保持液態(tài)金屬充型過程平穩(wěn)流動。（3）嚴(yán)格控制鑄型水分，防止鑄型內(nèi)產(chǎn)生氧化性氣氛。還可加入煤粉等碳質(zhì)材料，或采用涂料，以形成還原性氣氛。（4）在液態(tài)金屬表面加入熔劑，促使氧化物夾雜的排除，保護型內(nèi)金屬表面不被氧化。（5）對要求高的重要零件或易氧化的合金，可以在真空或保護性氣氛下澆注。（四）次生夾雜物（五）焊縫中的夾雜物第十一章凝固缺陷及控制第三節(jié)縮孔與縮松

一、金屬的收縮液態(tài)金屬從澆注溫度冷卻到常溫要經(jīng)歷三個階段（圖11-14），即液態(tài)收縮階段（I）、凝固收縮階段（II）和固態(tài)收縮階段（III）。在不同的階段，金屬具有不同的收縮特性。

第十一章凝固缺陷及控制（一）液態(tài)收縮（二）凝固收縮凝固收縮的表現(xiàn)形式分兩個階段：當(dāng)結(jié)晶尚少，未搭成骨架時，表現(xiàn)為液面下降；當(dāng)結(jié)晶較多并搭成完整骨架時，收縮的總體表現(xiàn)為三維尺寸減小即線收縮，在結(jié)晶骨架間殘留的液體則表現(xiàn)為液面下降。（三）固態(tài)收縮固態(tài)收縮：金屬在固相線以下發(fā)生的體收縮，稱為固態(tài)收縮。（四）鑄件的收縮鑄件收縮時，除了金屬本身的成分、溫度和相變外，還會受到外界阻力的影響。這些阻力包括熱阻力（鑄件溫度分布不均勻所致）、鑄型表面摩擦力和機械阻力（鑄型和型芯的阻礙作用）等。表面摩擦力和機械阻力均使鑄件收縮量減小。第十一章凝固缺陷及控制

二、縮孔與縮松的分類及特征鑄件在凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后凝固的部位出現(xiàn)孔洞。容積大而集中的孔洞稱為縮孔，細小而分散的孔洞稱為縮松。1．縮孔常出現(xiàn)于純金屬、共晶成分合金和結(jié)晶溫度范圍較窄的鑄造合金中，且多集中在鑄件的上部和最后凝固的部位。2．縮松按其形態(tài)分為宏觀縮松（簡稱縮松）和微觀縮松（顯微縮松）兩類。三、縮孔與縮松的形成機理（一）縮孔的形成（二）縮松的形成：形成縮松和縮孔的基本原因是相同的，即金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于固態(tài)收縮。但形成縮松的條件是金屬的結(jié)晶溫度范圍較寬，傾向于體積凝固或同時凝固方式。斷面厚度均勻的鑄件，如板狀或棒狀鑄件，在凝固后期不易得到外部液態(tài)金屬的補充，往往在軸線區(qū)域產(chǎn)生縮松，稱為軸線縮松。（三）鑄鐵鑄件的縮孔和縮松：灰鑄鐵和球墨鑄鐵在凝固過程中會析出石墨相而產(chǎn)生體積膨脹，因此其縮孔和縮松的形成比一般合金復(fù)雜。第十一章凝固缺陷及控制三、影響縮孔與縮松的因素及防止措施

（一）影響縮孔與縮松的因素1．影響縮孔與縮松大小的因素（1）金屬的性質(zhì)金屬的液態(tài)收縮系數(shù)αV

液和凝固收縮率εV

凝越大，縮孔及縮松容積越大。金屬的固態(tài)收縮系數(shù)αV

固越大，縮孔及縮松容積越小。（2）鑄型條件鑄型的激冷能力越大，縮孔及縮松容積就越小。因為鑄型激冷能力越大，越易造成邊澆注邊凝固的條件，使金屬的收縮在較大程度上被后注入的金屬液所補充，使實際發(fā)生收縮的液態(tài)金屬量減少。（3）澆注條件澆注溫度越高，金屬的液態(tài)收縮越大，則縮孔容積越大；澆注速度越緩慢，澆注時間越長，縮孔容積就越小。（4）鑄件尺寸鑄件壁厚越大，表面層凝固后，內(nèi)部的金屬液溫度就越高，液態(tài)收縮就越大，則縮孔及縮松的容積越大。（5）補縮壓力凝固過程中增加補縮壓力，可減少縮松而增加縮孔的容積。第十一章凝固缺陷及控制2．影響灰鑄鐵和球墨鑄鐵縮孔和縮松的因素（1）鑄鐵成分對于灰鑄鐵，隨碳當(dāng)量增加，共晶石墨的析出量增加，石墨化膨脹量增加，有利于消除縮孔和縮松。（2）凝固方式共晶成分灰鑄鐵以逐層方式凝固，傾向于形成集中縮孔。但是，共晶轉(zhuǎn)變的石墨化膨脹作用，能抵消甚至超過共晶液體的收縮，使鑄件不產(chǎn)生縮孔。（3）孕育處理球墨鑄鐵的碳當(dāng)量大于3.9％時，經(jīng)過充分孕育，在鑄型剛度足夠時，利用共晶石墨化膨脹作用，產(chǎn)生自補縮效果，可以獲得致密的鑄件。（4）鑄型剛度鑄鐵在共晶轉(zhuǎn)變發(fā)生石墨化膨脹時，型壁是否遷移，是影響縮孔容積的重要因素。第十一章凝固缺陷及控制（二）防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑縮孔和縮松可以通過凝固工藝原則的選擇（即順序凝固還是同時凝固）加以控制。1．順序凝固；2．同時凝固常在以下情況下采用。（1）碳硅含量高的灰鑄鐵，其體收縮較小甚至不收縮，合金本身不易產(chǎn)生縮孔和縮松。（2）結(jié)晶溫度范圍大，容易產(chǎn)生縮松的合金（如錫青銅），對氣密性要求不高時，可采用這一原則，以簡化工藝。（3）壁厚均勻的鑄件，尤其是均勻薄壁鑄件，傾向于同時凝固，消除縮松困難，應(yīng)采用同時凝固原則。（4）球墨鑄鐵件利用石墨化膨脹進行自補縮時，必須采用同時凝固原則。（5）某些適合采用順序凝固原則的鑄件，當(dāng)熱裂、變形成為主要矛盾時，可采用同時凝固原則。第十一章凝固缺陷及控制第十一章凝固缺陷及控制

3．控制縮孔和縮松的工藝措施調(diào)整液態(tài)金屬的澆注溫度和澆注速度，可以加強順序凝固或同時凝固。采用高溫慢澆工藝，能增加鑄件的縱向溫差，有利于實現(xiàn)順序凝固原則。通過多個內(nèi)澆道低溫快澆，可減小縱向溫差，有利于實現(xiàn)同時凝固原則。使用冒口、補貼和冷鐵是防止縮孔和縮松最有效的工藝措施。冒口一般設(shè)置在鑄件厚壁或熱節(jié)部位，其尺寸應(yīng)保證鑄件被補縮部位最后凝固，并能提供足夠的金屬液以滿足補縮的需要。此外，冒口與被補縮部位之間必須有補縮通道。冷鐵和補貼與冒口配合使用，可以造成人為的補縮通道及末端區(qū)，延長冒口的有效補縮距離。冷鐵還可以加速鑄鐵壁局部熱節(jié)的冷卻，實現(xiàn)同時凝固原則。加壓補縮法是防止產(chǎn)生顯微縮松的有效方法。，該法是將鑄件放在具有較高壓力的裝置中，使鑄件在壓力下凝固，以消除顯微縮松，獲得致密鑄件。加壓越早，壓力越高，補縮效果越好。對于致密度要求高而縮松傾向較大的鑄件，通常需采用加壓補縮方法。第十一章凝固缺陷及控制第四節(jié)應(yīng)力與變形一、應(yīng)力殘余應(yīng)力：在熱加工過程中，工件因經(jīng)歷了加熱和冷卻過程，其尺寸和形狀將發(fā)生變化。（一）應(yīng)力的形成按其形成原因可分為：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機械阻礙應(yīng)力。分析熱應(yīng)力的形成機制：（1）焊件熱應(yīng)力（2）鑄件熱應(yīng)力2．相變應(yīng)力：相變的時刻及相變程度不同，其內(nèi)部就可能產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。3．機械阻礙應(yīng)力（二）殘余應(yīng)力的分布在實際焊接結(jié)構(gòu)中，殘余應(yīng)力的分布非常復(fù)雜。但只要掌握一些簡單焊接接頭的殘余應(yīng)力分布規(guī)律，就可定性地分析具體結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布情況。為便于分析，把焊縫方向的應(yīng)力稱為縱向應(yīng)力（σx），垂直于焊縫方向的應(yīng)力稱為橫向應(yīng)力（σy）。下面簡要分析焊條電弧焊對接接頭中的殘余應(yīng)力分布情況。1．縱向殘余應(yīng)力的分布2．橫向殘余應(yīng)力的分布第十一章凝固缺陷及控制（三）控制應(yīng)力的措施1．合理設(shè)計結(jié)構(gòu)

2．合理選擇工藝3．消除殘余應(yīng)力消除殘余應(yīng)力的方法有熱處理、錘擊、振動和加載法等。（1）熱處理法熱處理法是消除殘余應(yīng)力最常用的方法。（2）加載法對于某些壓力容器、橋梁、船體結(jié)構(gòu)，可以采取加載的辦法來消除焊接應(yīng)力。（3）振動法將鑄件或焊件在共振條件下振動一定時間，以達到消除殘余應(yīng)力的目的。（4）錘擊法焊后采用手錘或風(fēng)槍等錘擊焊縫及近縫區(qū)，使之得到延展，以補償或抵消焊接時所產(chǎn)生的壓縮塑性變形，降低焊接殘余應(yīng)力。第十一章凝固缺陷及控制二、變形在熱加工過程中，工件的形狀和尺寸因加熱和冷卻而發(fā)生的變化稱為變形。變形不僅影響結(jié)構(gòu)的外形和裝配，而且還會影響結(jié)構(gòu)的承載能力，甚至導(dǎo)致事故的發(fā)生。（一）變形的種類：整體變形整體變形是指整個結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸發(fā)生的變化，包括收縮變形、彎曲變形和扭曲變形等2．局部變形指結(jié)構(gòu)的某些局部所發(fā)生的變形。（二）控制變形的措施1．結(jié)構(gòu)設(shè)計方面在焊接結(jié)構(gòu)中，要合理地選擇焊縫的尺寸和形式，盡量減少不必要的焊縫，盡可能使焊縫對稱或接近于截面的中性軸。

第十一章凝固缺陷及控制2．工藝方面：（1）反變形法根據(jù)構(gòu)件的變形情況，預(yù)先給出一個方向相反、大小相等的變形，用來抵消構(gòu)件在加工過程中產(chǎn)生的變形，使加工后的構(gòu)件符合設(shè)計要求。（2）剛性固定法該法是將焊件固定在夾具中進行焊接，以限制其變形。（3）采用合理的工藝采用線能量較小的焊接方法，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，也能有效防止或減小焊接變形。（4）焊接變形的矯正1）機械矯正2）火焰矯正第十一章凝固缺陷及控制第五節(jié)熱裂紋一、熱裂紋的分類及特征裂紋：在應(yīng)力與致脆因素的共同作用下，使材料的原子結(jié)合遭到破壞，在形成新界面時產(chǎn)生的縫隙稱為裂紋。金屬在加工和使用過程中，可能會出現(xiàn)各種各樣的裂紋，如熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋、層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋等。熱裂紋：金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時所產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象，微觀上具有沿晶開裂特征。熱裂紋的形式：凝固裂紋、液化裂紋和高溫失延裂紋等，其中最常見的是凝固裂紋。（1）凝固裂紋；（2）液化裂紋；（3）高溫失延裂紋宏觀可見的熱裂紋，其斷口均具有較明顯的氧化色彩，可作為初步判斷其是否為熱裂紋的判據(jù)。位于金屬內(nèi)部的熱裂紋因與外界隔絕，其氧化程度不如表面裂紋明顯。第十一章凝固缺陷及控制二、熱裂紋的形成機理（一）凝固裂紋的形成機理金屬在高溫下是否產(chǎn)生熱裂紋，主要決定于：（1）脆性溫度區(qū)TB的大小TB越大，收縮應(yīng)力的作用時間就越長，產(chǎn)生的應(yīng)變量越大，故形成熱裂紋的傾向越大。（2）TB內(nèi)金屬的塑性TB一定時，TB內(nèi)金屬的塑性δmin

越低，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。（3）TB內(nèi)的應(yīng)變增長率?ε/?T?ε/?T越大，越容易產(chǎn)生裂紋。上述三個方面既相互聯(lián)系和相互影響，又相對獨立。脆性溫度區(qū)的大小和金屬在脆性溫度區(qū)的塑性主要決定于化學(xué)成分、凝固條件、偏析程度、晶粒大小和方向等冶金因素；而應(yīng)變增長率主要決定于金屬的熱脹系數(shù)、焊件剛度、鑄件收縮阻力及溫度分布等力學(xué)因素。（二）液化裂紋的形成機理（三）高溫失延裂紋的形成機理：在固相線以下的高溫階段，金屬的變形方式主要是沿著晶界本身的面發(fā)生滑動。第十一章凝固缺陷及控制三、熱裂紋的影響因素?zé)崃鸭y的影響因素：冶金因素和工藝因素。冶金因素：指合金的化學(xué)成分及凝固組織的形態(tài)；工藝因素：包括工藝條件、結(jié)構(gòu)形式和拘束狀態(tài)等。（一）冶金因素的影響1．凝固溫度區(qū)的影響2．合金元素和雜質(zhì)的影響

合金元素尤其是易形成低熔點共晶的雜質(zhì)是影響熱裂紋產(chǎn)生的重要因素。

硫和磷：在各種鋼中都會增加熱裂紋傾向。它們既能增大凝固溫度區(qū)間，又能與其他元素形成多種低熔點共晶，使合金在凝固過程中極易形成液態(tài)薄膜。第十一章凝固缺陷及控制碳：在鋼中是影響熱裂紋的主要元素，并能加劇硫﹑磷及其他元素的有害作用。錳：具有脫硫作用，可將FeS置換成MnS，同時也能改善硫化物的形態(tài)，使薄膜狀改變?yōu)榍驙?，從而提高金屬的抗裂性。硅：是δ相形成元素，?yīng)有利于消除凝固裂紋，但wSi＞0.4％時，容易形成硅酸鹽夾雜，增加裂紋傾向。4．凝固組織形態(tài)的影響晶粒的大小﹑形態(tài)和方向及析出的初生相對抗裂性都有很大影響。晶粒越粗大，方向性越明顯，產(chǎn)生熱裂紋的傾向就越大。第十一章凝固缺陷及控制（二）工藝因素對熱裂紋的影響工藝因素不僅影響金屬的應(yīng)變增長率，還會影響雜質(zhì)的偏析和組織狀態(tài)等，從而影響熱裂紋的產(chǎn)生傾向。1．工藝條件的影響（1）焊接參數(shù)焊接電流、電弧電壓和焊接速度等參數(shù)影響（2）澆注條件澆注溫度應(yīng)根據(jù)鑄件的壁厚來選擇2．結(jié)構(gòu)形式的影響不同形式的接頭對裂紋傾向的影響。3．拘束度或拘束應(yīng)力的影響焊接接頭的拘束度或剛度越大，則應(yīng)變增長率越大，產(chǎn)生熱裂紋的傾向越大。第十一章凝固缺陷及控制四、防止熱裂紋的措施可從冶金和工藝兩個方面采取措施，防止熱裂紋的產(chǎn)生。（一）冶金措施1．限制有害雜質(zhì)嚴(yán)格控制鋼材或焊縫中硫、磷等有害雜質(zhì)的含量，合金元素含量越高，對硫、磷的限制越要嚴(yán)格。2．微合金化和變質(zhì)處理在碳鋼、合金鋼和相應(yīng)的焊縫中加入某些合金元素，如釩、鈦、鈮、鋯、硼、稀土等元素，以細化晶粒，減少非金屬夾雜，改善夾雜物的形態(tài)和分布。3．改進鑄鋼的脫氧工藝，提高脫氧效果，以減少晶界的氧化物夾雜，達到減少熱裂傾向之目的。4．改善金屬組織焊接18-8型不銹鋼時，通過調(diào)整母材或焊接材料的成分，使焊縫金屬獲得γ＋δ的雙相組織（δ相的體積分?jǐn)?shù)一般控制在5％左右），既能提高其抗裂性，又能提高抗腐蝕性能。5．利用“愈合”作用對于某些熱裂傾向較大的材料（如高強鋁合金），可有意增多焊縫中易熔共晶的數(shù)量，使之具有愈合裂紋的作用。但此法會降低接頭性能，故應(yīng)適當(dāng)控制。第十一章凝固缺陷及控制（二）工藝措施1．焊接工藝措施（1）適當(dāng)降低熱輸入，避免熔池過熱。熱輸入較大時，易形成粗大的柱狀晶，增加偏析程度，同時晶界上低熔點共晶熔化較嚴(yán)重，焊接應(yīng)力也較大。因此凝固裂紋和液化裂紋形成傾向大。（2）針對不同的焊接方法和接頭型式，合理調(diào)整焊接工藝參數(shù)，獲得合適的焊縫成形系數(shù)。適當(dāng)增加成形系數(shù)，使低熔點共晶聚集在焊縫上部，與焊縫收縮應(yīng)力成一定角度，有利于防止凝固裂紋的產(chǎn)生。（3）焊縫凹進部位過熱嚴(yán)重，易形成液化裂紋，凹度d（圖11-58）越大，裂紋傾向越大?？刂瓢级仁筪＜1mm，可減少液化裂紋傾向。（4）在接頭設(shè)計和裝焊順序