材料凝固理論-盧一平.ppt

1、2020/7/14,Solidification of Metals,材料凝固理論盧一平材料學院鑄造工程研究中心,第二章 材料凝固理論,主要內容： 材料凝固概述 凝固的熱力學基礎 形核 生長 溶質再分配 共晶合金的凝固 金屬及合金的凝固方式 凝固成形的應用,材料成形技術基礎,第一節(jié) 材料凝固概述,一、凝固成形的基本問題和發(fā)展概況,1、基本問題：,凝固組織的形成與控制,鑄造缺陷的防止與控制,鑄件尺寸精度與表面粗糙度控制,控制鑄件的凝固組織是凝固成形中的一個基本問題。目前已建立了許多控制組織的方法，如孕育、動態(tài)結晶、定向凝固等。,典型代表就是定向凝固技術、快速凝固技術和復合材料的獲得。此外，還有半

2、固態(tài)金屬鑄造成形技術等。,二、凝固過程中材料的物理性質 與晶體結構的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結構改變 發(fā)生溶質再分配,大多數(shù)材料在經(jīng)歷液固轉變時，其體積將縮小35，原子的平均間距減小11.7，導致缺陷形成的主要原因之一。因此鑄造時為了防止縮松，都加了冒口，球墨鑄鐵件鑄造時需要冒口嗎？,二、凝固過程中材料的物理性質 與晶體結構的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結構改變 發(fā)生溶質再分配,材料發(fā)生液固轉變后，其外形將保持容器的形狀，這就是鑄造古老而又年輕的工藝手段。,二、凝固過程中材料的物理性質 與晶體結構的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生

3、凝固潛熱 晶體結構改變 發(fā)生溶質再分配,表示一個體系的紊亂程度，熵值越大，體系越紊亂。當材料發(fā)生液固轉變時，熵值將減小，說明固體比液體的結構更“整齊”。,二、凝固過程中材料的物理性質 與晶體結構的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結構改變 發(fā)生溶質再分配,亞共晶Al-Si合金冷卻曲線,二、凝固過程中材料的物理性質 與晶體結構的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結構改變 發(fā)生溶質再分配,1200時液態(tài)金屬原子的狀態(tài),1500時液態(tài)金屬原子的狀態(tài),二、凝固過程中材料的物理性質 與晶體結構的變化 體積改變 外形改變 熵值改變 產(chǎn)生凝固潛熱 晶體結構改變 發(fā)生溶

4、質再分配,凝固過程的溶質再分配,第四節(jié) 生長,一、固液界面結構,粗糙界面：微觀粗糙、宏觀光滑； 將生長成為光滑的樹枝； 大部分金屬屬于此類,光滑界面：微觀光滑、宏觀粗糙； 將生長成為有棱角的晶體； 非金屬、類金屬（Bi、Sb、Si）屬于此類,粗糙界面,粗糙界面,光滑界面,光滑界面,為光滑界面。這個判據(jù)僅僅對純元素 近平衡凝固條件下有效。（epL),界面形態(tài)被稱之,自由能均最小，此時的,這兩種情況下，,的空位均被原子占據(jù)。,，或幾乎所有,很多空位未被原子占據(jù),面上有,的兩端處，這意味著界,和,于,接近,的最小值在,時，,）當,1,0,2,2,x,G,S,D,a,三、生長速度,一、溶質再分配與平衡

5、分配系數(shù) 溶質平衡分配系數(shù) 為恒溫下固相溶質濃度 與液相溶質濃度 達到平衡時的比值，二元合金中的 可由平衡狀態(tài)圖的液相線與固相線給出，即：,二、非平衡凝固時的溶質再分配 假定凝固的任意時刻，固液界面處于局部平衡狀態(tài)，則有：,第五節(jié) 溶質再分配,三、成份過冷判據(jù),成分過冷：由溶質再分配導致界面前沿平衡溫度發(fā)生變化而引起的過冷。 實質呢？ 什么叫過冷？,合金凝固時的成分過冷 a)二元平衡相圖 b)界面前沿液相溶質富集帶c)穩(wěn)定界面d)非穩(wěn)定界面,在固液界面附近，運用Fick擴散定律和平衡溫度梯度與液相斜率的關系，可以推導出成分過冷判據(jù)：,從上式可以看出，結晶溫度間隔越大，成分過冷傾向越大，平界面越

6、容易破壞，擴散系數(shù)越小，平界面越容易失穩(wěn)。,鋁合金隨成分過冷度的增加，凝固界面形態(tài)的演變過程 a)平界面b)痘點狀界面c)狹長胞狀界面d)不規(guī)則胞狀界面e)六角形胞晶f)樹枝晶,四、成份過冷與晶體生長形態(tài),凝固界面形態(tài)分為：平界面、胞狀界面、和樹枝界面 當合金成分一致時，隨 值的減少，晶體形態(tài)由平面晶向胞狀晶向胞狀樹枝晶、柱狀樹枝和等軸樹枝晶轉變。,和 對晶體形態(tài)的影響,“成分過冷”與固液界面形貌,胞狀晶轉變?yōu)榘麪顦渲?五、微觀偏析,偏析：金屬凝固過程中發(fā)生化學成分不均勻的現(xiàn)象 偏析程度用偏析比來表示：,微觀偏析可造成材料本身的沖擊韌性、塑性及耐腐蝕性降低,有兩種情況：,晶界與晶體生長方向平

7、行，晶界出現(xiàn)凹槽，溶質富集程度高，如圖a； 兩個晶粒相對生長，相遇前將溶質排出到剩余液相中，使最后凝固部分富含溶質，如圖b。,六、宏觀偏析,宏觀偏析通常指整個鑄錠或鑄件在大于晶粒尺度的大范圍內產(chǎn)生的成分不均勻的現(xiàn)象 1、正常偏析：對于 1的合金，外層的一定范圍內溶質含量分布由外向內逐漸降低 3、密度偏析：由于重力作用產(chǎn)生的化學成分不均勻的現(xiàn)象。,第六節(jié) 共晶合金的凝固,共晶型合金分為規(guī)則共晶和非規(guī)則共晶。 規(guī)則共晶由金屬金屬組成，屬非小平面-非小平面共晶； 非規(guī)則共晶由金屬非金屬組成，屬非小平面小平面共晶。(Bi，Sb呢？） 按生長方式分為三種（JAP）,不同的合金系中，共晶結晶的方式可分為共

8、生生長和離異生長兩種。實際上，同一種共晶合金，在不同凝固速度下凝固組織的演化非常復雜，遠不止這兩種情況。（Chine Science，,對共生生長，結晶時后析出相依附于領先相表面析出，形成具有兩相共生界面的雙相核心，隨后由界面前沿兩相間的橫向擴散作用，互相為對方提供生長所需組元，以此協(xié)同生長。,共生生長需要兩個基本條件：,兩相生長能力接近，且析出相要容易在先析出相上形核和長大。 兩組元在界面前沿的橫向傳輸要能保證兩相等速生長的需要。,由于實際凝固過程中動力學條件的限制，實際共生區(qū)與前示平衡相圖上的共生區(qū)會有一定差異。通常要小一些，或是不對稱。,對稱形 非對稱形,離異生長是指共晶合金兩相生長時，

9、沒有共同的生長界面，兩相分離并以不同生長速率而結晶。 離異共晶體可分為晶間偏析型和領先相呈球團型兩類。還有各自獨立形核生長型，混合型等。（mater lett）,晶間偏析型合金成分偏離共晶點很遠，初生相長得很大且很多時，發(fā)生共晶反應，而另一相在初生相上繼續(xù)長出，最終所得組織如圖示。,領先相呈球團型是由于領先相為熔點高的金屬，且生長界面為各向異性，此時領先相成球團形態(tài)，其他相圍繞其表面生長，形成“暈圈”。,不完整暈圈的共生生長 封閉暈圈的離異生長,第七節(jié) 金屬及合金的凝固方式 一、凝固方式與質量的關系：,金屬或合金在鑄型中凝固時,可以分為液相區(qū)、固相區(qū)和固液兩相區(qū)。,金屬或合金凝固分區(qū)示意圖,固

10、液兩相區(qū)較窄時，呈現(xiàn)強烈的得逐層凝固特點；固液兩相區(qū)較寬時，液相補縮困難，逐層凝固特征不明顯。,固液兩相區(qū)寬度對液相補縮的影響 a)固液兩相區(qū)寬度較窄b)固液兩相區(qū)寬度較寬,二、凝固動態(tài)曲線與凝固方式,在凝固件橫斷面處設置溫度傳感器測定冷卻曲線，即溫度-時間曲線。據(jù)不同斷面的冷卻曲線，結合該合金的相圖，便可以繪出凝固件斷面液相線-固相線與凝固時間的關系-凝固動態(tài)曲線。 由凝固動態(tài)曲線可以看出合金在凝固件中的凝固方式。 (China science E),鑄件凝固動態(tài)曲線的繪制 a)鑄件斷面的溫度-時間曲線b)凝固動態(tài)曲線c)某時刻的凝固狀,三、凝固方式的影響因素：,凝固方式一般由合金固液相線溫

11、度間隔和凝固件斷面溫度梯度兩個因素決定。 凝固溫度間隔大的合金傾向于糊狀凝固；反之傾向于逐層凝固,逐層凝固,糊狀凝固,第八節(jié) 凝固成形的應用一、鑄造生產(chǎn)過程中的凝固控制,1、充型能力控制 充型能力：液態(tài)金屬充滿型腔，獲得形完 整、輪廓清晰鑄件的能力。 影響因素：金屬金屬性質方面、鑄型性質 方面、澆鑄條件方面和鑄件結 構方面。,2、收縮控制：,鑄件在冷卻過程中體積縮小的現(xiàn)象叫收縮。 收縮可分成三個階段：液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮。 液態(tài)收縮：從澆注溫度降低到凝固開始的溫度時，發(fā)生的體積收縮； 凝固收縮：合金再凝固階段的體積收縮； 固態(tài)收縮：固態(tài)合金因溫度降低發(fā)生的體積收縮。 液態(tài)收縮、凝固收縮

12、是引起縮孔、縮松的主要原因，而固態(tài)收縮是產(chǎn)生鑄造應力、變形和裂紋的主要原因。,合金的收縮量用體收縮率和線收縮率來表示，其定義為：,V0，V1合金在溫度為T0，T1時的體積； l0，l1合金在溫度為T0，T1時的長度； av，al合金在T0T1溫度范圍的體膨脹系數(shù)和線膨脹系數(shù)。,鑄件凝固后，由于合金的收縮，在最后凝固部位會出現(xiàn)孔洞。,體積大而集中的孔洞稱為縮孔； 細小而分散的空洞稱為縮松。,以逐層凝固的圓柱體鑄件為例，縮孔的形成過程如圖：,鑄件的縮松：,縮松是鑄件以糊狀凝固方式凝固時，最后凝固的區(qū)域沒能得到液態(tài)合金的補充造成的分散、細小的顯微縮孔 根據(jù)分布形態(tài)，縮松分為宏觀縮松和微觀縮松兩類 宏

13、觀縮松：指用肉眼或放大鏡可以看到的細小孔洞，通常出現(xiàn)在縮孔的下方 微縮縮松：是指分布在枝晶間的微小孔洞，在顯微鏡下才能看到。,縮孔、縮松的存在都會使鑄件受力的有效截面積減小，使鑄件強度降低。在生產(chǎn)中應盡量防止或減少縮孔、縮松。 可以利用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施，并結合運用順序凝固或同時凝固的工藝原則來實現(xiàn)。,3、應力控制,鑄件冷卻時因各部分冷卻速度不同，造成在同一時刻各部分的收縮量不同，彼此相互制約的結果就產(chǎn)生了應力。,按應力形成原因分類： 熱應力 鑄件在冷卻過程中，由于各部分冷卻速度不一致，造成收縮量不一致，彼此制約的結果，所形成的應力； 相變應力 鑄件冷卻過程中發(fā)生固態(tài)相變的時間不一致，

14、體積和長度變化的時間也不一致，彼此制約，形成的應力； 機械應力 鑄件冷卻收縮過程中，線收縮受到機械阻礙而產(chǎn)生的應力。,4、 凝固組織控制,鑄件宏觀組織一般可能存在三個不同的晶區(qū)：,表面細晶粒區(qū)：靠近型壁的外殼層，有紊亂排列的細小等軸晶組成； 柱狀晶區(qū)：由自外向內沿著熱流方向彼此排列的柱狀晶所組成； 內部等軸晶區(qū)：由紊亂排列的粗大等軸晶組成。,鑄件典型的幾種組織,三個晶區(qū)形成的簡單過程是： 金屬液澆入鑄型后，先在溫度低的型壁上形核與生長，同時又從其上脫落與游移，從而在型壁附近沉積成細小晶粒，構成表面細晶粒區(qū)； 表層細晶層形成后，液體對流強度大大減弱，固液界面前沿晶體在與型壁垂直的單向熱流作用下，向中心延伸，形成柱狀晶區(qū)； 在柱狀晶生長過程中，液體內部也將可能出現(xiàn)過冷，形成新的等軸晶，或從別處遷移過來的游離晶生長成新的等軸晶，最終形成內部等軸晶區(qū)。,由于等軸晶性能均勻穩(wěn)定，沒有方向性，故其是生產(chǎn)中優(yōu)先選擇的宏觀組織形態(tài)。 工藝上常采取的工藝措施有以下4條：（1）適當降低澆注溫度；（2）合理運用鑄型的激冷作用；（3）孕育處理；（4）動態(tài)晶粒細化。,（1）適當降低澆注溫