金屬遺傳學課件

鑄造金屬遺傳學山東大學邊秀房一、鑄造過程中遺傳現(xiàn)象的基本概念1．1金屬遺傳現(xiàn)象研究發(fā)展過程早在20年代，法國學者Levi首次提出了金屬的遺傳性問題，指出：在化學成分及鑄造條件完全相同的情況廠，鑄鐵的機械性能有很大差異，這種現(xiàn)象只能用鑄鐵中存在遺傳性這一概念來解釋。當時他提出這樣一種假設，即原料生鐵中粗大的片狀石墨在某種條件下保留至鐵液中，沒有足夠的時間充分溶解，長時間維持其凝固狀態(tài)，最后仍以大的顆粒存在于已凝固的固體中。而細小的石墨雖易于溶解．但即使重復熔煉，仍以細小顆粒存在。30年代初，隨著機械制造行業(yè)的發(fā)展，前蘇聯(lián)的研究者們對金屬的遺傳性研究倍感興趣。60年代，許多前蘇聯(lián)學者開始了有色合金組織遺傳性方面的研究。70年代，法國冶金學家Margerie指出：將鑄件的某些性能與加入熔爐內的原材料聯(lián)系起來，這就是所謂的”遺傳效應”，并發(fā)現(xiàn)鑄鐵鑄造生產中的某些缺陷，如白口、熱裂與收縮傾向、氣孔等都具有遺傳性。1．2共晶鑄鐵的液體結構對固體組織的遺傳作用近半個世紀以來，冶金工作者注意到只有將鑄鐵過熱到一定溫度才能保證鑄件的質量，但對具體的過熱溫度及其對鑄件內在質量的影響機制一直是一個學術爭論焦點。E.E.T系統(tǒng)研究了共晶成分鑄鐵的液體結構、物理性質及其與固體組織、實用性能之間的聯(lián)系，揭示了鑄鐵遺傳性的本質。在t1溫度以下，鑄鐵熔體由微觀多相結構組成。在t1到t2溫度范圍內，熔體的表面張力隨溫度的提高而增大，說明在該階段熔體微觀不均勻性結構的存在和均勻性程度的不斷提高。在t2

溫度，熔體結構發(fā)生明顯變化，這與熔體碳化物的破壞有密切關系。這種熔體的結構、表面張力隨熱歷史的變化可簡要的用圖1.3表示。圖1.4為鑄鐵熔體加熱溫度與石墨形態(tài)的關系。結合圖1.4和圖1.3可以看出：溫度超過t2時，鑄鐵熔體具有較強的脫碳作用，這就是熔煉溫度與石墨形態(tài)的關系以及鑄鐵遺傳性的實質。1．3鋁基合金的液體結構對固體組織的遺傳作用圖1.5給出了A1—Si、A1一Ce、A1—Mn、A1—Sn合金二元狀態(tài)圖上膠狀粒子的亞穩(wěn)定溫度范圍。研究發(fā)現(xiàn)，當合金加熱到圖中虛線溫度以上時，在相同的凝固條件下，固體組織發(fā)生明顯變化。l.4Pb—Sb合金液相轉變對固體組織的遺傳作用常見的合金狀態(tài)圖中，液相線上方無任何定義的線段。通過大量的差熱分析及電阻率測試發(fā)現(xiàn)，二元Pb—Sb合金狀態(tài)圖液相線上方有兩條未定義的曲線(圖1.6)。研究者們稱這兩條曲線間的區(qū)域為“異常區(qū)”。合金熔體加熱至該異常區(qū)溫度范圍內，存在熱效應及電阻率的突變；過共晶Pb—Sb合金中初晶Sb明顯細化，抗拉強度提高20％以上。1．5Sn—Pb合金熔體中的微觀不均勻現(xiàn)象金屬的遺傳性不僅與金屬中的非金屬夾雜物、氣體和其他金屬間化合物在熔煉過程中的不可逆變化有關，而且更重要的是取決于金屬熔體結構的不可逆變化。將合金加熱到某一臨界溫度以上的過熱會帶來熔體結構的不可逆變化，這種變化在絕大多數(shù)情況下對鑄件或鑄錠的組織產生有利影響。二、金屬遺傳性的物理化學基礎金屬的遺傳性是鑄造過程中普遍存在的客觀規(guī)律。在從金屬爐料到鑄件或鑄錠產品的整個鑄造加工過程中，根據人們對金屬組織遺傳性問題的綜合研究結果，可把鑄造過程中的遺傳性通過這樣一條相互聯(lián)系的鏈來表示，如圖2．1所示。金屬的遺傳性是一個有機的整體，通?？梢曰譃槿齻€階段：遺傳信息的儲存，遺傳信息的傳遞和遺傳信息的表現(xiàn)。2．1元素的性質和濃度對合金性能的遺傳影響2．2一些元素的濃度對合全性能的遺傳影響2．3遺傳性的熱力學分析2.4金屬遺傳機制研究三、爐料組織遺傳的工藝條件

鑄件和鑄錠是金屬爐料和合金經歷了一個物理化學過程后的產品。在熔煉工藝過程中，金屬爐料、熔體與爐襯、坩堝與爐內氣氛、起精煉和變質處理作用的各種添加劑、鑄造和結晶條件等，都會對金屬遺傳件產生較大的影響。主要影響條件3.1爐料儲存時間3.2熔化速度3.3熔體保溫溫度及時間3.4澆注和結晶條件3.5爐料加入順序四、AlTiB中間合金的遺傳性

AlTiB中間合金是—種用于微細化鋁及其合金組織、改善其加工工藝性能，提高鋁制品質量的持殊爐料；出于A1TiB中間合金組織形態(tài)不同，在加入Ti、B量相同的情況下，對鋁及其合金的組織結構產生明顯的遺傳效應；另外，該中間合金在制備過程中，組織形成也與金屬的遺傳性有關。4.1熔煉條件對AlTiB中間合金組織的遺傳影響4.2原料與AlTiB中間合金組織間遺傳規(guī)律的研究4.3AlTiB中間合金組織的遺傳與變異及變形處理4.3AlTiB中間合金組織的遺傳與變異及變形處理4.4AlTiB中間合金細化效果的組織遺傳效應TiAl3化合物是A1Ti中間合金中的主要形核相，也是A1TiB中間合金中的重要形核相。因此，A1Ti(B)中間合金中的TiAl3化合物形態(tài)和分布將對鋁合金的組織產生強烈的遺傳效應。為便于分析，首先從簡單的A1Ti中間合金開始分析。五、鋁合金變質過程的組織遺傳效應A1TiB中間合金作為鋁及其合金用晶粒細化劑，主要起細化作用的是該合金中TiB2、TiAl3、A1B2等晶體顆粒。細化作用的實質是影響金屬的形核過程。它們在中間合金中所處的形態(tài)、大小、分布及其能量和表面狀態(tài)對所處理的合金有直接的遺傳效應。5.1A1Sr中間合金變形組織的遺傳效應

圖5.1(a)為Al—5％Sr中間合金錠料SFM照片，圖中所示的板片狀化合物是A14Sr相，基體上細小的條狀簇為共晶相(A1+A14Sr)。圖5.1(b)是這種合金經鍛壓變形處理后的SEM照片。經變形處理后，板條狀A14Sr相被打碎成塊狀或粒狀，且分布比較均勻。圖5.3a為共晶Al—12.1％Si合金未變質的金相組織，b，c分別為加入含鍶量為0.1％的錠料，和加入含鍶量0.05％的變形處理后中間合金的A1—12.1％Si金相組織SEM照片。對比圖5.3b、c可以看出，Al—12.1％Si共晶合金加入含鍶量為0.06％變形處理的中間合金的變質效果，明顯要比加入末變形處理含鍶量為0.1％的變質效果好，珊瑚狀共晶硅枝細而彎曲且分枝多。5．2A1Sr中間合金激冷組織的遺傳效應六、鑄造缺陷的遺傳性6.1鋁硅合金中氣孔的遺傳性6．2鑄鐵縮松的遺傳性七、液態(tài)金屬的熱速處理理論及其應用

所謂液態(tài)金屬的熱速處理(在俄文文獻中稱TCO或TBO)，就是在金屬或合金熔煉時，把液體過熱到液相線以上一定溫度(通常是液相線以上250一350℃)，然后再迅速冷卻到澆注溫度進行澆注的鑄造工藝。其目的是為了充分發(fā)揮材料的潛力，提高金屬或合金產品的性能，顯著改善鑄錠和鑄件的質量。7.1熱速處理的理論依據1.金屬或合金由固態(tài)向液態(tài)的轉變，不會引起近程有序結構的重新組合。

2．液態(tài)金屬的結構是微觀不均勻的，它是由成分和結構不同的游動的原子集團與它們之間的各種組元原子呈紊亂分布的無序帶所組成。在集團內部，原子的排列和組合與原有的固體相似。3．在液態(tài)金屬及其合金中，如同固體中相類似，存在著同素異構的結構轉變。4.盡管金屬熔體中的許多動力學過程和擴散過程有較大的進行速度，但在它們中發(fā)生的結構轉變速度與其相比是相當?shù)偷摹?．在固(原始爐料)一液(熔體)一固(固體金屬)之間存在著不可忽視的遺傳聯(lián)系。6．在制訂金屬和合金的熔煉工藝時，確定過程進行的最合適的溫度具有重要意義。7．2液體金屬熱速處理的工藝條件7.3熱速處理在有色合金熔制中的應用7.4熱速處理工藝在其它合金材料中的應用7.4.1鑄鐵材料

7.4.2鎳基耐熱合金對鎳基耐熱合金熔體結構和物性的實驗研究，也證實了凝固前熔體中存在著不平衡性，鎳基合金的電阻率和表面張力與溫度的關系曲線有類似