材料成型理論基礎(chǔ)課件 成形原理52

Shrinkageholesandshrinkageporosity

華中科技大學(xué)呂書(shū)林§5-4縮孔與縮松的形成原理第五章鑄件凝固組織的形成與控制1圖5-14二元合金收縮過(guò)程示意圖（a）合金相圖一、金屬的收縮——鑄件在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)冷卻過(guò)程中發(fā)生的體積減少。2危害：引起縮孔、縮松、應(yīng)力、變形、熱裂、冷裂等缺陷。溫度o（b）共晶合金（c）寬結(jié)晶溫度范圍合金液態(tài)收縮階段(Ⅰ)、凝固收縮階段(Ⅱ)和固態(tài)收縮階段(Ⅲ)。1.液態(tài)收縮：3——液態(tài)金屬?gòu)臐沧囟萒澆冷卻到液相線溫度TL產(chǎn)生的體收縮（體積改變量）。表現(xiàn)形式：金屬液面降低，用液態(tài)體收縮率εV液表示：液態(tài)收縮系數(shù)αV液、液相線溫度TL主要取決于合金成分。鑄鐵含碳量wc與αV液：碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc(%)2.02.53.03.54.0εV液(T澆=1400℃)(%)0.61.42.33.44.6εV液(T澆-TL=100℃)(%)1.51.71.82.02.1表5-4亞共晶鑄鐵的εV液2.凝固收縮：4——金屬?gòu)囊合嗑€冷卻到固相線所產(chǎn)生的體收縮。表現(xiàn)形式：金屬液面降低，或液面降低+三維尺寸減小。

純金屬、共晶的凝固收縮僅由相變引起（固定的數(shù)值），與溫度無(wú)關(guān)；寬凝固區(qū)間合金的凝固收縮包括相變和溫度降低兩部分：例一：鑄鋼的凝固收縮鋼因?yàn)闋顟B(tài)改變引起的體積收縮為一固定值，而碳含量增大時(shí)，其結(jié)晶溫度范圍變寬，由溫度降低引起的體收縮增大。5表5-5

碳鋼的凝固收縮率εV凝碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc(%)0.100.250.350.450.70凝固收縮率εV凝(%)2.02.53.04.35.3例二：鑄鐵的凝固收縮鑄鐵在凝固后期共晶轉(zhuǎn)變時(shí)，石墨的析出膨脹使體收縮得到一定的補(bǔ)償。析出1％石墨，體積增大2％。圖鑄鐵的收縮過(guò)程曲線：1－白口鑄鐵；2－灰鑄鐵6表5-6亞共晶鑄鐵的凝固收縮率εV凝碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc(%)2.02.53.03.54.0凝固收縮率εV凝(%)白口鑄鐵5.14.64.23.73.3灰鑄鐵4.32.81.4-0.1-1.5灰鑄鐵凝固收縮與碳當(dāng)量的關(guān)系73.固態(tài)收縮：——金屬在固相線以下發(fā)生的體收縮。表現(xiàn)形式：三維尺寸同時(shí)縮小，常用線收縮表示：一般情況下：

當(dāng)合金有固態(tài)相變發(fā)生時(shí)，線收縮率將突變。如：碳鋼和鑄鐵在共析轉(zhuǎn)變時(shí)因產(chǎn)物體積增加而膨脹。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wc(%)0.080.140.350.450.550.60線收縮率εL(%)2.472.462.42.352.312.18表5-7碳鋼的線收縮率與碳含量的關(guān)系8鑄鐵的固態(tài)收縮曲線鑄鐵固態(tài)收縮：a.珠光體轉(zhuǎn)變前收縮b.共析轉(zhuǎn)變期的膨脹c.珠光體轉(zhuǎn)變后收縮9

鑄件收縮時(shí)還會(huì)受到外界阻力的影響：熱阻力（鑄件溫度分布不均勻所致）、鑄型表面摩擦力和機(jī)械阻力（鑄型和型芯的阻礙作用）等。4.鑄件的收縮：這些阻力可以忽略不計(jì)時(shí)，稱為自由收縮；否則受阻收縮。圖Fe-C合金的自由固態(tài)收縮（線收縮）曲線1－碳鋼；2－白口鐵；3－灰鑄鐵；4－球墨鑄鐵鑄件在凝固過(guò)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(xì)小而分散的孔洞稱為縮松。1.縮孔（Shrinkagehole）縮孔特征：尺寸較大，形狀不規(guī)則，表面不光滑，有枝晶脈絡(luò)狀凸起。分類(lèi)：內(nèi)縮孔和外縮孔。二、縮孔與縮松的分類(lèi)及特征10a)明縮孔b)凹角縮孔c)芯面縮孔d)內(nèi)部縮孔常出現(xiàn)于純金屬、共晶成分合金、結(jié)晶溫度范圍較窄合金中。在鑄件熱節(jié)處（厚壁處、兩壁相交處、內(nèi)澆口附近等凝固較晚或凝固緩慢的部位）。2.縮松（Porosity）分類(lèi)：宏觀縮松（簡(jiǎn)稱縮松）和微觀縮松（顯微縮松）。分布：多出現(xiàn)于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金中，常分布在鑄

件壁的軸線區(qū)域、縮孔附近或鑄件厚壁的中心部位。11鑄件熱節(jié)處的縮孔與縮松形成條件：鑄件由表及里的層狀凝固。三、縮孔與縮松的形成機(jī)理12圖5-18鑄件中縮孔的形成示意圖

形成原因：液態(tài)收縮+凝固收縮>固態(tài)收縮。1.縮孔13Al-4.5%Cu合金中的顯微縮松a.含氣量高的顯微縮松與球形孔洞；b.樹(shù)枝間的顯微縮松

形成過(guò)程：糊狀凝固→糊狀區(qū)、液固共存（枝晶）→液體流動(dòng)困難→晶間樹(shù)枝間得不到補(bǔ)充→分散的小縮孔。2.縮松形成原因：液態(tài)收縮+凝固收縮>固態(tài)收縮。鑄鐵的凝固與收縮特點(diǎn)——共晶石墨的生長(zhǎng)有關(guān)14灰鑄鐵——“自補(bǔ)縮能力”球墨鑄鐵——膨脹力大——若鑄型遷移——縮松傾向大

圖5-19灰鑄鐵和球墨鑄鐵共晶石墨長(zhǎng)大示意圖(a)片狀石墨長(zhǎng)大；(b)球狀石墨長(zhǎng)大球墨鑄鐵共晶團(tuán)內(nèi)的間隙——顯微縮松；球墨鑄鐵共晶團(tuán)間的間隙——宏觀縮松。15圖灰鐵與球鐵在濕砂型中澆注的膨脹曲線產(chǎn)生縮孔、縮松因素與控制：收縮必然性→縮孔或縮松→取決于凝固方式（層、糊）。四、影響縮孔與縮松的因素及防止措施16危害：力學(xué)性能、氣密性、耐蝕性、鍛造裂紋。影響凝固方式因素：成分、溫度梯度。影響縮孔和縮松大小的因素：金屬的性質(zhì)（收縮系數(shù)）；鑄型條件（激冷能力大→邊澆邊縮）；澆注條件（T澆-TL）；鑄件尺寸（壁厚大→凝固不同步）。1.影響因素（1）成分選擇：凝固區(qū)間大小172.防止措施縮孔防止：合理設(shè)計(jì)澆冒口系統(tǒng)→縮孔于澆冒口中?？s松防止：無(wú)法通過(guò)澆冒口消除→改變凝固條件。（2）順序凝固（澆冒口設(shè)計(jì)）18順序凝固方式示意圖順序凝固：使鑄件按照距離冒口的遠(yuǎn)近，由遠(yuǎn)及近朝著冒口方向凝固，冒口最后凝固，縮孔集中于冒口中。19圖5-21均勻壁厚鑄件順序凝固過(guò)程示意圖順序凝固的鑄件存在“楔形”補(bǔ)縮通道（擴(kuò)張角φ）。20圖5-22擴(kuò)展角對(duì)補(bǔ)縮困難區(qū)的影響

固液兩相區(qū)越寬，擴(kuò)張角越小，補(bǔ)縮困難區(qū)越長(zhǎng)→縮松。擴(kuò)張角φ

“補(bǔ)縮困難區(qū)μ”（3）同時(shí)凝固（熱節(jié)處設(shè)冷鐵）21冷鐵造成同時(shí)凝固方式示意圖冷鐵對(duì)縮孔位置的影響同時(shí)凝固：

采取工藝措施保證鑄件各部分之間沒(méi)有溫差或溫差盡量小，使各部分同時(shí)凝固。（非傳統(tǒng)工藝越來(lái)越成為常見(jiàn)工藝、技術(shù)！）22圖冒口及工藝補(bǔ)貼(a)無(wú)補(bǔ)貼，(b)金屬補(bǔ)貼，(c)加熱補(bǔ)貼，(d)發(fā)熱補(bǔ)貼（4）其他工藝措施壓力下凝固（壓力釜，擠壓鑄造，高壓鑄造）

補(bǔ)貼工藝§5-5化學(xué)成分的偏析偏析：液態(tài)合金在凝固過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。分類(lèi)：微觀偏析和宏觀偏析；微觀偏析：晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。宏觀偏析：正常偏析，逆偏析，重力偏析等。正偏析和負(fù)偏析。一、微觀偏析1.晶內(nèi)偏析：在一個(gè)晶粒內(nèi)出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象。偏析程度取決于合金相圖的形狀、偏析元素的擴(kuò)散能力、冷卻條件。

合金相圖上液、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。偏析元素在固溶體中的擴(kuò)散能力越小，晶內(nèi)偏析傾向越大。在其他條件相同時(shí)，冷卻速度越快，則實(shí)際結(jié)晶溫度越低，原子擴(kuò)

散能力越小，晶內(nèi)偏析越嚴(yán)重。232.晶界偏析

原因：在晶粒與晶粒之間最后凝固部分（即晶界區(qū)）積累了更多的低熔點(diǎn)組元和雜質(zhì)元素。24晶界偏析形成示意圖胞狀偏析時(shí)溶質(zhì)分布示意圖——晶界與晶內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。

防止：細(xì)化晶粒、均勻化退火（與晶內(nèi)偏析一樣）。二、宏觀偏析1.正常偏析特點(diǎn)：鑄件由外向內(nèi)凝固，外層純度高、溶質(zhì)含量低，內(nèi)部溶質(zhì)含量高、雜質(zhì)集中。25單向凝固時(shí)的溶質(zhì)分布曲線bcda.平衡凝固b.固無(wú)擴(kuò)散，液擴(kuò)散c.固無(wú)擴(kuò)散，液完全混合d.固有限擴(kuò)散，液部分混合原因：冷速較慢，低熔點(diǎn)組元充分向內(nèi)部聚集。

危害：鑄件性能不均勻（但可借此對(duì)金屬提純）。

防止：擴(kuò)散退火無(wú)效，提高冷速有效，如：降低澆注溫度、加速鑄件凝固。2.逆偏析

特點(diǎn)：與正常偏析情況相反，即k<1時(shí)，溶質(zhì)元素在鑄件表面或底部含較多，而中心部位或上部溶質(zhì)較少。

原因：結(jié)晶溫度范圍寬的固溶體合金，緩慢冷卻時(shí)，易形成粗大的樹(shù)枝晶，枝晶相互交錯(cuò)，枝晶間富集著低溶點(diǎn)相，當(dāng)鑄件產(chǎn)生體收縮時(shí)，低溶點(diǎn)相擠壓后將沿著樹(shù)枝晶間向外移動(dòng)，產(chǎn)生逆偏析。26Al-4.7Cu合金的逆偏析（Al2Cu相被排擠）3.V形偏析和逆V形偏析27鑄錠產(chǎn)生V形偏析、逆V形偏析部位示意圖

原因：型壁或凝固界面晶粒脫落。型壁或凝固界面晶粒脫落沉淀堆積堆積層中央收縮下沉，與上部分離產(chǎn)生V型裂紋富溶質(zhì)液相填充側(cè)方晶體受拉，產(chǎn)生逆V型裂紋V型偏析逆V型偏析4.帶狀偏析特點(diǎn)：帶狀偏析總是平行于凝固的固-液界面。5.重力偏析

由于重力作用而出現(xiàn)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。

如：互不相容的液相之間存在密度差時(shí)。28原因：固/液界面前沿溶質(zhì)富集，晶體生長(zhǎng)速度突變?！?-6變形與裂紋

一、鑄件應(yīng)力

鑄件或者鑄件某部位由于凝固帶來(lái)的尺寸變化受阻不能自由進(jìn)行時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力、變形或裂紋（冷裂、熱裂）。熱裂區(qū)：有效結(jié)晶溫度間隔內(nèi)的某一溫度區(qū)間(無(wú)殘留應(yīng)力)變形區(qū)：固相線以下某一溫度范圍(塑性變形，應(yīng)力松弛)

應(yīng)力區(qū)：在塑性與彈性轉(zhuǎn)變的臨界溫度以下(有彈變，保持應(yīng)力)

應(yīng)力分類(lèi)：熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力。鑄造應(yīng)力：凡鑄件冷卻過(guò)程中尺寸變化受阻，產(chǎn)生的應(yīng)力，

但多指殘余應(yīng)力，為三種應(yīng)力的矢量和。鑄件應(yīng)力的危害——變形、裂紋。29降溫二、鑄件的變形和冷裂1.變形

30圖5-30鑄件的變形

(a)T形梁，(b)雷達(dá)罩，(c)槽形件，(d)軸承罩2.冷裂

原因：鑄造應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限時(shí)產(chǎn)生的裂紋。

特點(diǎn)：冷裂的斷口表面有金屬光澤或呈輕度氧化色，裂紋走向平滑，

裂紋是穿晶粒而非沿晶界發(fā)生。3.鑄造應(yīng)力、變形和冷裂的預(yù)防與消除（1）鑄造應(yīng)力的防止與消除使鑄件冷卻均勻，減小各部分溫差；改善鑄型及型芯退讓性，減少鑄件收縮阻力。（2）

變形和冷裂的防止與消除①反變形措施②設(shè)置防變形的“拉筋”③采用早打箱并立即入爐緩冷的方法④用澆注系統(tǒng)調(diào)整鑄件的溫度場(chǎng)31使鑄件中鑄造應(yīng)力增大，或者使材料的強(qiáng)度、塑性及韌性降低的因素，都會(huì)使裂紋傾向增加。三、熱裂

1.熱裂的形態(tài)熱裂（Hotcrack）是鑄件處于高溫狀態(tài)時(shí)形成的裂縫類(lèi)缺陷。特點(diǎn)：熱裂的外形不規(guī)則，彎彎曲曲，深淺不一，有時(shí)還有