金屬遺傳學(xué)課件

鑄造金屬遺傳學(xué)山東大學(xué)邊秀房一、鑄造過(guò)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(guò)程早在20年代，法國(guó)學(xué)者Levi首次提出了金屬的遺傳性問(wèn)題，指出：在化學(xué)成分及鑄造條件完全相同的情況廠，鑄鐵的機(jī)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(lái)解釋。當(dāng)時(shí)他提出這樣一種假設(shè)，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(méi)有足夠的時(shí)間充分溶解，長(zhǎng)時(shí)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(xì)小的石墨雖易于溶解．但即使重復(fù)熔煉，仍以細(xì)小顆粒存在。30年代初，隨著機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展，前蘇聯(lián)的研究者們對(duì)金屬的遺傳性研究倍感興趣。60年代，許多前蘇聯(lián)學(xué)者開(kāi)始了有色合金組織遺傳性方面的研究。70年代，法國(guó)冶金學(xué)家Margerie指出：將鑄件的某些性能與加入熔爐內(nèi)的原材料聯(lián)系起來(lái)，這就是所謂的”遺傳效應(yīng)”，并發(fā)現(xiàn)鑄鐵鑄造生產(chǎn)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(jié)構(gòu)對(duì)固體組織的遺傳作用近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，冶金工作者注意到只有將鑄鐵過(guò)熱到一定溫度才能保證鑄件的質(zhì)量，但對(duì)具體的過(guò)熱溫度及其對(duì)鑄件內(nèi)在質(zhì)量的影響機(jī)制一直是一個(gè)學(xué)術(shù)爭(zhēng)論焦點(diǎn)。E.E.T系統(tǒng)研究了共晶成分鑄鐵的液體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及其與固體組織、實(shí)用性能之間的聯(lián)系，揭示了鑄鐵遺傳性的本質(zhì)。在t1溫度以下，鑄鐵熔體由微觀多相結(jié)構(gòu)組成。在t1到t2溫度范圍內(nèi)，熔體的表面張力隨溫度的提高而增大，說(shuō)明在該階段熔體微觀不均勻性結(jié)構(gòu)的存在和均勻性程度的不斷提高。在t2

溫度，熔體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，這與熔體碳化物的破壞有密切關(guān)系。這種熔體的結(jié)構(gòu)、表面張力隨熱歷史的變化可簡(jiǎn)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(guān)系。結(jié)合圖1.4和圖1.3可以看出：溫度超過(guò)t2時(shí)，鑄鐵熔體具有較強(qiáng)的脫碳作用，這就是熔煉溫度與石墨形態(tài)的關(guān)系以及鑄鐵遺傳性的實(shí)質(zhì)。1．3鋁基合金的液體結(jié)構(gòu)對(duì)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(dāng)合金加熱到圖中虛線溫度以上時(shí)，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(zhuǎn)變對(duì)固體組織的遺傳作用常見(jiàn)的合金狀態(tài)圖中，液相線上方無(wú)任何定義的線段。通過(guò)大量的差熱分析及電阻率測(cè)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?yàn)椤爱惓^(qū)”。合金熔體加熱至該異常區(qū)溫度范圍內(nèi)，存在熱效應(yīng)及電阻率的突變；過(guò)共晶Pb—Sb合金中初晶Sb明顯細(xì)化，抗拉強(qiáng)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(guò)程中的不可逆變化有關(guān)，而且更重要的是取決于金屬熔體結(jié)構(gòu)的不可逆變化。將合金加熱到某一臨界溫度以上的過(guò)熱會(huì)帶來(lái)熔體結(jié)構(gòu)的不可逆變化，這種變化在絕大多數(shù)情況下對(duì)鑄件或鑄錠的組織產(chǎn)生有利影響。二、金屬遺傳性的物理化學(xué)基礎(chǔ)金屬的遺傳性是鑄造過(guò)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(chǎn)品的整個(gè)鑄造加工過(guò)程中，根據(jù)人們對(duì)金屬組織遺傳性問(wèn)題的綜合研究結(jié)果，可把鑄造過(guò)程中的遺傳性通過(guò)這樣一條相互聯(lián)系的鏈來(lái)表示，如圖2．1所示。金屬的遺傳性是一個(gè)有機(jī)的整體，通常可以化分為三個(gè)階段：遺傳信息的儲(chǔ)存，遺傳信息的傳遞和遺傳信息的表現(xiàn)。2．1元素的性質(zhì)和濃度對(duì)合金性能的遺傳影響2．2一些元素的濃度對(duì)合全性能的遺傳影響2．3遺傳性的熱力學(xué)分析2.4金屬遺傳機(jī)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(jīng)歷了一個(gè)物理化學(xué)過(guò)程后的產(chǎn)品。在熔煉工藝過(guò)程中，金屬爐料、熔體與爐襯、坩堝與爐內(nèi)氣氛、起精煉和變質(zhì)處理作用的各種添加劑、鑄造和結(jié)晶條件等，都會(huì)對(duì)金屬遺傳件產(chǎn)生較大的影響。主要影響條件3.1爐料儲(chǔ)存時(shí)間3.2熔化速度3.3熔體保溫溫度及時(shí)間3.4澆注和結(jié)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(xì)化鋁及其合金組織、改善其加工工藝性能，提高鋁制品質(zhì)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(duì)鋁及其合金的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的遺傳效應(yīng)；另外，該中間合金在制備過(guò)程中，組織形成也與金屬的遺傳性有關(guān)。4.1熔煉條件對(duì)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(xì)化效果的組織遺傳效應(yīng)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(duì)鋁合金的組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的遺傳效應(yīng)。為便于分析，首先從簡(jiǎn)單的A1Ti中間合金開(kāi)始分析。五、鋁合金變質(zhì)過(guò)程的組織遺傳效應(yīng)A1TiB中間合金作為鋁及其合金用晶粒細(xì)化劑，主要起細(xì)化作用的是該合金中TiB2、TiAl3、A1B2等晶體顆粒。細(xì)化作用的實(shí)質(zhì)是影響金屬的形核過(guò)程。它們?cè)谥虚g合金中所處的形態(tài)、大小、分布及其能量和表面狀態(tài)對(duì)所處理的合金有直接的遺傳效應(yīng)。5.1A1Sr中間合金變形組織的遺傳效應(yīng)

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(xì)小的條狀簇為共晶相(A1+A14Sr)。圖5.1(b)是這種合金經(jīng)鍛壓變形處理后的SEM照片。經(jīng)變形處理后，板條狀A(yù)14Sr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(zhì)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(duì)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(zhì)效果，明顯要比加入末變形處理含鍶量為0.1％的變質(zhì)效果好，珊瑚狀共晶硅枝細(xì)而彎曲且分枝多。5．2A1Sr中間合金激冷組織的遺傳效應(yīng)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(yīng)用

所謂液態(tài)金屬的熱速處理(在俄文文獻(xiàn)中稱TCO或TBO)，就是在金屬或合金熔煉時(shí)，把液體過(guò)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(jìn)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(chǎn)品的性能，顯著改善鑄錠和鑄件的質(zhì)量。7.1熱速處理的理論依據(jù)1.金屬或合金由固態(tài)向液態(tài)的轉(zhuǎn)變，不會(huì)引起近程有序結(jié)構(gòu)的重新組合。

2．液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是微觀不均勻的，它是由成分和結(jié)構(gòu)不同的游動(dòng)的原子集團(tuán)與它們之間的各種組元原子呈紊亂分布的無(wú)序帶所組成。在集團(tuán)內(nèi)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(gòu)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。4.盡管金屬熔體中的許多動(dòng)力學(xué)過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程有較大的進(jìn)行速度，但在它們中發(fā)生的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變速度與其相比是相當(dāng)?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(shí)，確定過(guò)程進(jìn)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(yīng)用7.4熱速處理工藝在其它合金材料中的應(yīng)用7.4.1鑄鐵材料

7.4.2鎳基耐熱合金對(duì)鎳基耐熱合金熔體結(jié)構(gòu)和物性的實(shí)驗(yàn)研究，也證實(shí)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(guān)系曲線有類似