材料成形原理第5章

1、第第5章章 铸件凝固组织的形成与控制铸件凝固组织的形成与控制 5-1 5-1 铸件宏观凝固组织的特征及形成机理铸件宏观凝固组织的特征及形成机理 铸件的宏观凝固组织铸件的宏观凝固组织 三个晶区三个晶区 ：表面细晶粒区表面细晶粒区：紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，紧靠型壁的外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成，仅几个晶粒厚仅几个晶粒厚柱状晶区柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成由自外向内沿着热流方向彼此平行排列的柱状晶所组成 内部等轴晶区内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶所组成由紊乱排列的粗大等轴晶所组成 晶区数目晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的以及柱状晶区

2、和等轴晶区的相对宽度相对宽度随随合金性质合金性质和具体和具体凝固条件凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱而变化，在一定条件下，可获得完全由柱状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：完全柱状晶完全柱状晶完全等轴晶完全等轴晶 1.1.表面细晶粒区的形成表面细晶粒区的形成二、铸件宏观凝固组织的形成机理二、铸件宏观凝固组织的形成机理 铸型壁附近熔体受到铸型壁附近熔体受到强烈的激冷强烈的激冷作用而大量形核，形成无作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶激冷晶”。 细化程度取决于细化程度取决于 型壁散热条件型壁散热条件所

3、决定的所决定的过冷度和凝固区域的宽度过冷度和凝固区域的宽度。 型壁附近熔体内大量的型壁附近熔体内大量的非均匀形核非均匀形核 各种形式的各种形式的晶粒游离晶粒游离 前提：抑制铸件形成前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层稳定的凝固壳层 凝固壳层凝固壳层界面处晶粒单向散热界面处晶粒单向散热晶粒逆热流方向择优生晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶长而形成柱状晶 返回目录返回目录 2.柱状晶区的形成柱状晶区的形成 稳定凝固壳层稳定凝固壳层产生产生柱状晶区柱状晶区开始开始 内部等轴晶区内部等轴晶区形成形成柱状晶区柱状晶区结束结束 柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素素综合综

4、合作用结果。作用结果。 生长方式：生长方式：择优生长择优生长柱状晶择优生长柱状晶择优生长返回目录返回目录各枝晶主干方向互不相同，主各枝晶主干方向互不相同，主干与热流方向相平行的枝晶干与热流方向相平行的枝晶生长生长迅速迅速，优先向内伸展并，优先向内伸展并抑制抑制相邻相邻枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不枝晶的生长。逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组利的晶体过程中发展成柱状晶组织。织。竞争淘汰竞争淘汰离开型壁的距离越远，取向不离开型壁的距离越远，取向不利的晶体被淘汰得就越多，柱状利的晶体被淘汰得就越多，柱状晶的方向就越集中，同时晶粒的晶的方向就越集中，同时晶粒的平均尺寸也就越大。平均尺寸也就越

5、大。3.内部等轴晶区的形成内部等轴晶区的形成 熔体内部晶核自由生长的结果熔体内部晶核自由生长的结果 等轴晶晶核来源等轴晶晶核来源（1）过冷熔体直接形核理论：）过冷熔体直接形核理论：溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核匀形核（2）激冷晶游离理论）激冷晶游离理论 ：浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论：）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论：（4）“结晶雨结晶雨”游离理论游离理论液

6、面晶粒沉降。液面晶粒沉降。（2）激冷晶游离理论）激冷晶游离理论因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶因浇温低，浇注中形成的激冷游离晶凝固初期形成凝固初期形成的激冷游离晶的激冷游离晶非均质形核的激冷游离晶非均质形核的激冷游离晶（3）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论）型壁晶粒脱落和枝晶熔断、游离理论图图 型壁晶粒脱落示意图型壁晶粒脱落示意图型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和型壁晶体或柱状枝晶在凝固界面前方的熔断、游离和增殖增殖理论基点为溶质再分配。理论基点为溶质再分配。 图图 枝晶分枝枝晶分枝“缩颈缩颈”的形成的形成b) c)为二、三次分枝时缩颈形成过程示意图。为二、三次分枝时缩颈形成过程示

7、意图。V为生长方向。为生长方向。d)环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈环乙烷的枝晶，可见分枝缩颈 溶质浓度再分配溶质浓度再分配界面前沿液态金属凝固点降低界面前沿液态金属凝固点降低实际过冷度减小。实际过冷度减小。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。晶体晶体根部根部紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，生长受到强烈抑制。生长受到强烈抑制。远离根部远离根部，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀化，面临较大的过冷，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀

8、化，面临较大的过冷，其生长速度要快得多。其生长速度要快得多。故在晶体生长过程中将产生根部故在晶体生长过程中将产生根部“缩颈缩颈”现象，生成头大根小的晶粒。现象，生成头大根小的晶粒。熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离 枝干生长枝干生长侧面溶质偏析层阻碍侧面的生长，偶然产生的凸出部分突破此层，侧面溶质偏析层阻碍侧面的生长，偶然产生的凸出部分突破此层，进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。进入较大的成分过冷区内，长出较粗大的分枝，从而在分枝根部留下缩颈。晶粒增殖晶粒增殖: 处于自由状

9、态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在液流中漂移处于自由状态下的游离晶一般具有树枝晶结构，在液流中漂移时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度波动和浓度波动的冲击时不断通过不同的温度区域和浓度区域，受到温度波动和浓度波动的冲击表面反复局部熔化和反复生长表面反复局部熔化和反复生长分枝根部缩颈可能断开而破碎成几部分分枝根部缩颈可能断开而破碎成几部分在低温下各自生长为新的游离晶。在低温下各自生长为新的游离晶。 液态金属流动的作用：液态金属流动的作用：液态金属的流动形式液态金属的流动形式浇注过程中的流动浇注过程中的流动 凝固期间的对流凝固期间的对流 自然对流自然对流强迫对流强迫对流铸型和液面处温度低、

10、密度大而下沉铸型和液面处温度低、密度大而下沉 中心部分温度较高、密度小而上浮中心部分温度较高、密度小而上浮 溶质再分配引起界面前沿液体成分和密度的变化 游离晶体和液态金属之间密度差异 浇注过程中的注入动量浇注过程中的注入动量 、电磁搅拌、机械搅拌电磁搅拌、机械搅拌 液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用液态金属流动对铸件结晶中晶粒游离过程的作用主要是通过影响其主要是通过影响其传热和传质传热和传质过程而实现的：过程而实现的： （1）传热方面：液态金属的流动）传热方面：液态金属的流动加速其过热热量的散失加速其过热热量的散失，使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于使全部液态金属在浇注后的瞬间（小于3

11、0s）从浇注温度）从浇注温度下降到凝固温度。下降到凝固温度。 （2）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致）传质方面：液态金属流动的最大作用在于导致游离游离晶粒的漂移和堆积晶粒的漂移和堆积，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。，并使各种晶粒游离现象得以不断进行。 同时改变界面前沿的同时改变界面前沿的溶质分布状态溶质分布状态，加速流体宏观成分的，加速流体宏观成分的均匀化。均匀化。 （4）“结晶雨结晶雨”游离理论游离理论 液面处形成的晶粒液面处形成的晶粒+顶部凝固层脱落的分顶部凝固层脱落的分枝枝密度比液体大密度比液体大下沉下沉产生晶粒游离。产生晶粒游离。 多发生在大型铸锭的凝固过程中多发生在大型铸

12、锭的凝固过程中 铸件中三晶区的形成铸件中三晶区的形成相互联系、彼此制约相互联系、彼此制约 稳定凝固壳层稳定凝固壳层的产生决定着表面细晶粒区向柱状的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是则是中心等轴晶区中心等轴晶区的形成。的形成。 晶区的形成和转变是晶区的形成和转变是过冷熔体独立形核能力过冷熔体独立形核能力和各和各种形式种形式晶粒游离、漂移与沉积的程度晶粒游离、漂移与沉积的程度这两个基本这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细。对大小和晶粒的粗细。

13、返回目录返回目录5-2 5-2 铸件宏观凝固组织的控制铸件宏观凝固组织的控制 1.铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例比例以及以及晶粒的晶粒的大小大小。 （1）柱状晶：）柱状晶：生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，不能充分发展，分枝少分枝少，结晶后显微缩松等，结晶后显微缩松等晶间杂质少晶间杂质少

14、，组组织致密织致密。但柱状晶比较但柱状晶比较粗大，晶界面积小，粗大，晶界面积小，排列位向一致，其性能具有排列位向一致，其性能具有明显的明显的方向性方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体多的第二相杂质气体 ，将导致铸件，将导致铸件热裂热裂。 （2）等轴晶：）等轴晶：晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性性能均匀而稳定，没有方向性。枝晶比较发达，枝晶比较发达，显微缩松较多显微缩松较多，凝固后组织不够致密。，凝固后组

15、织不够致密。细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。各项性能。晶粒越细综合性能越好晶粒越细综合性能越好。对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭，希望得到较多的柱状晶柱状晶，增加其致密度；，增加其致密度；对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多的甚至是全部的甚至是全部细小的等轴晶细小的等轴晶组织；组织；对于高温下工作的零件，通过对于高温下工作的零件，通过单向结晶单向结晶消除横向晶界，防止消除横向晶界，防止晶界降

16、低蠕变抗力。晶界降低蠕变抗力。等轴晶组织的获得和细化等轴晶组织的获得和细化 强化非均匀形核强化非均匀形核 促进晶粒游离促进晶粒游离 抑制柱状晶区抑制柱状晶区2、铸件宏观组织的控制途径和措施、铸件宏观组织的控制途径和措施 （1）加入强生核剂）加入强生核剂孕育处理孕育处理孕育孕育向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。化晶粒、改善组织之目的的一种方法。Inoculation（变质（变质加入少量物质通过元素的选择性分布而改变晶体加入少量物质通过元素的选择性分布而改变晶体的生长形貌，如球化或细化。的生长形貌，如球化或细化

17、。Modification） A.形核剂形核剂 ：a）直接作为外加晶核）直接作为外加晶核 b）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核能与液相中某些元素组成较稳定的化合物能与液相中某些元素组成较稳定的化合物 通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出B.强成分过冷元素强成分过冷元素：通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部通过在生长界面前沿的富集而使晶粒根部和树枝晶分枝根部产生细弱缩颈，从而产生细弱缩颈，从而促进晶粒的游离促进晶粒的游离。强化熔体内部的强化熔体内部的非均匀形核非均匀形

18、核，孕育剂富集孕育剂富集抑制晶体生长抑制晶体生长 时间效应时间效应 : 孕育期孕育期孕育衰退孕育衰退 （2） 控制浇注条件控制浇注条件 低的低的浇注温度浇注温度。熔体的过热度较小，与浇道内。熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有利。利。 合适的浇注工艺。合适的浇注工艺。强化液流冲刷强化液流冲刷型壁能扩大并型壁能扩大并细化等轴晶区。细化等轴晶区。(a)中心顶注法中心顶注法 （b)靠近型壁（靠近型壁（6孔）顶注法孔）顶注法 图图 不同浇注工艺铸

19、锭的宏观组织不同浇注工艺铸锭的宏观组织（3）铸型性质和铸件结构）铸型性质和铸件结构薄壁薄壁铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，容易铸件：激冷使整个断面同时产生较大的过冷，容易获得细等轴晶。获得细等轴晶。型壁较厚型壁较厚或或导热性较差导热性较差的铸件，等轴晶区的形成主要依的铸件，等轴晶区的形成主要依靠各种形式的晶粒游离。靠各种形式的晶粒游离。 a.铸型激冷能力的影响：如金属型、石墨型铸型激冷能力的影响：如金属型、石墨型b.铸型表面的粗糙度铸型表面的粗糙度 （4） 动态晶粒细化动态晶粒细化熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流对流。 （晶粒或枝晶脱落、破碎、游

20、离、增殖）（晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖） 振动振动机械振动、电磁振动、音频或超声波振动机械振动、电磁振动、音频或超声波振动 搅拌搅拌机械、电磁搅拌机械、电磁搅拌 旋转振荡旋转振荡 周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度 晶粒平均直径/mm 3 2 10 5 0 1 振幅/(in10-3) 0 15 20 振动对晶粒大小的影响（lin=2.54cm）图图 利用旋转磁场控制利用旋转磁场控制晶粒组织晶粒组织柱状晶区（未加磁场）柱状晶区（未加磁场）细等轴晶区（加磁场）细等轴晶区（加磁场）返回目录返回目录5-3 气孔与夹杂 1.析出性气孔析出性气孔 在冷却及凝固过

21、程中，在冷却及凝固过程中，因气体溶解度下降，析出气因气体溶解度下降，析出气体，来不及从液面排出而形体，来不及从液面排出而形成气孔。成气孔。含含氢氢量量2.反应性气孔反应性气孔金属液铸型之间、金属液金属液铸型之间、金属液内部发生化学反应所产生的内部发生化学反应所产生的气孔气孔一、气孔铸件中气孔的形成示意图铸件中气孔的形成示意图溶质分布方程：溶质分布方程： 01( )1exp()LLkvCxCxkD液相中气体浓度超过某饱和气体浓度液相中气体浓度超过某饱和气体浓度SL时，才析出气泡，则产生过饱和浓度区时，才析出气泡，则产生过饱和浓度区X（x=x，CL=SL）：）： 01ln1LLDkxvSkC （2

22、）长大条件： 气体内部各气体分压总和外界压力内部压力 p气=pH2+pN2+pO2+pH2O外界压力 pn=pa+pM+p pa 为大气压 pM金属静压力H p 表面压力的附加压力 p=2/r 即： p气pa+ H 2/r r p 难长大难长大 异质形核异质形核 r p 利于长大利于长大（3）上浮上浮条件：条件： 气泡脱离现成表面而上浮气泡脱离现成表面而上浮 取决于液、气、固三者间的表面张力取决于液、气、固三者间的表面张力 气泡与现成表面的润湿角气泡与现成表面的润湿角gg, 22, 1, 1cos(a) 90 长大到颈缩后才能脱离长大到颈缩后才能脱离 动力学动力学条件：条件： 取决于：取决于：

23、 上浮速度上浮速度ve与凝固速度与凝固速度R 当当ve pa+ H 2/r2.反应性气孔形成机理反应性气孔形成机理（1）金属液与铸型（芯）反应性气孔）金属液与铸型（芯）反应性气孔 （皮下气孔）（皮下气孔）原因：铸型水分高、透气性低；原因：铸型水分高、透气性低； 合金中有易氧化成分；熔点较高的合金（钢、铁、铜）合金中有易氧化成分；熔点较高的合金（钢、铁、铜） 一定中等壁厚范围内。一定中等壁厚范围内。机理：氢气说机理：氢气说 氮气说氮气说有树脂粘结剂时有树脂粘结剂时 CO说说1）渣气孔）渣气孔例例 钢中钢中 CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成不溶，但氧或氧化物与碳反应形成CO（FeO）+C = C

24、O+Fe（MnO）+C = CO+Mn（SiO2）+2C = 2CO+ Si（Cu2O）+2H = 2Cu+H2O (气气)（2）金属液内反应性气孔）金属液内反应性气孔2）金属液中元素间反应性气孔）金属液中元素间反应性气孔碳氧反应气孔碳氧反应气孔水蒸气反应气孔水蒸气反应气孔碳氢反应气孔碳氢反应气孔1、危害、危害 有效工作断面有效工作断面 b 应力集中应力集中 裂纹裂纹 疏松疏松 气密性气密性 耐蚀性耐蚀性2、防止措施、防止措施 针对形成原因针对形成原因 3析出性气孔的防止析出性气孔的防止以下主要因素影响析出性气孔的形成：以下主要因素影响析出性气孔的形成：金属液原始含气量金属液原始含气量C C0

25、 0 C0含量愈高，含量愈高，CL、x和和t都将增都将增大，大，C0高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡。高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡。C0不高时，不高时，就依附缩孔较迟析出。就依附缩孔较迟析出。冷却速度冷却速度 冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易封闭液相，凝固速度封闭液相，凝固速度v愈大，则愈大，则x和和t愈小，气体来不及扩愈小，气体来不及扩散，因而气孔不易形成。散，因而气孔不易形成。合金成分合金成分 影响原始含气量影响原始含气量C0 ，决定分配系数决定分配系数k和扩散和扩散系数系数DL以及合金收缩大小及凝固区域。以及合金收缩大小及凝固区域。气体

26、性质气体性质 氢比氮的扩散速度快氢比氮的扩散速度快 可从以下途径来防止或减少它的产生。可从以下途径来防止或减少它的产生。1减少金属液的原始含气量减少金属液的原始含气量C0减少金属液的吸气量减少金属液的吸气量 尽量减少或防止气体进入金属内。尽量减少或防止气体进入金属内。对金属液采取除气处理对金属液采取除气处理 （a a）浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体，浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体，使溶解的气体进入气泡而排除；使溶解的气体进入气泡而排除；（b b）采用真空去气；采用真空去气；（c c）氧化去气，对能溶解氧的金属液（如铜液），可先氧化去气，对能溶解氧的金属液（如铜液），可先

27、吹氧去氢，然后再脱氧；吹氧去氢，然后再脱氧；（d d）冷凝除气法，即缓慢冷到凝固温度，然后迅速加热冷凝除气法，即缓慢冷到凝固温度，然后迅速加热至浇注温度。至浇注温度。 2阻止气体析出阻止气体析出阻止浇入铸型内的金属液析出气体的方法有：阻止浇入铸型内的金属液析出气体的方法有：提高铸件冷却速度提高铸件冷却速度 对易产生析出性气孔的铝合金尽量采用金属型铸造。对易产生析出性气孔的铝合金尽量采用金属型铸造。提高铸件凝固时的外压提高铸件凝固时的外压 这可以有效阻止气体的析出。如将浇注的铝合金铸型放在这可以有效阻止气体的析出。如将浇注的铝合金铸型放在通入通入46大气压的压缩空气的压力宝中凝固大气压的压缩空气

28、的压力宝中凝固, ,可有效地减少可有效地减少或消除铝合金铸件中的气孔。或消除铝合金铸件中的气孔。 二二 夹杂物夹杂物1、来源：、来源： 内生夹杂内生夹杂：熔化与凝固过程冶金反应产物：熔化与凝固过程冶金反应产物 脱脱O P S 产物产物 N2 、 O2 、 P 溶解溶解 偏析偏析 形成第二相形成第二相 外来夹杂外来夹杂： 熔炉耐火材料熔炉耐火材料 、造型材料、造型材料按形成时间先后：初生夹杂物按形成时间先后：初生夹杂物 次生夹杂物次生夹杂物 二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物决定于夹杂物的决定于夹杂物的 成分、性能、形状、大小、数量、分布成分、性能、形状、大小、数量、分布=硬脆硬脆k 球形球形 影响影

29、响；针状、尖角；针状、尖角 影响影响（应力集中）（应力集中）事物的另一方面：事物的另一方面： 高熔点、细小颗粒高熔点、细小颗粒 好的作用好的作用 非自发形核核心非自发形核核心 细化细化 沉淀强化沉淀强化N化物弥散化物弥散 新学科的产生新学科的产生 MMC，人为的加入高性能陶瓷相人为的加入高性能陶瓷相2、危害、危害： 连续性，均匀性破坏连续性，均匀性破坏力学性能力学性能 致密性致密性 耐蚀性能耐蚀性能 红脆红脆 热裂（低熔点相）热裂（低熔点相） 裂纹源裂纹源钢中钢中MnS夹杂物引起的裂纹源及扩张过程夹杂物引起的裂纹源及扩张过程a)原始状态原始状态 b)受力后产生裂纹受力后产生裂纹 c)d)裂纹继

30、续扩展裂纹继续扩展 浇注前的熔炼及熔体处理中，冶金反应产生。浇注前的熔炼及熔体处理中，冶金反应产生。 夹杂物容易聚合、长大夹杂物容易聚合、长大 防止措施：防止措施： （1）加溶剂）加溶剂吸收夹杂吸收夹杂 （2）除气处理时也可将夹杂物携带上浮排出）除气处理时也可将夹杂物携带上浮排出 （3）过滤法）过滤法3、初生夹杂物的形成及防止措施、初生夹杂物的形成及防止措施4、二次氧化夹杂物的形成及防止措施、二次氧化夹杂物的形成及防止措施（1）形成）形成浇注及填充铸型的过程中氧化形成浇注及填充铸型的过程中氧化形成（2）防止）防止合理的浇注工艺及浇冒口系统，合理的浇注工艺及浇冒口系统，平稳充型平稳充型 控制金属

31、液的易氧化元素控制金属液的易氧化元素 铸型内铸型内造造还原型气氛还原型气氛5、次生夹杂物、次生夹杂物凝固过程中，溶质再分配，溶质富集，偏晶结晶析出夹杂物凝固过程中，溶质再分配，溶质富集，偏晶结晶析出夹杂物例如：例如：Fe中富集中富集Mn和和S时：时：图图 夹杂物粘附晶体示意图夹杂物粘附晶体示意图 （a)粘附后粘附后 （b)粘附前粘附前粘附发生的条件：粘附发生的条件：LcLiic图图 偏析夹杂物被粘附陷入晶内示意图偏析夹杂物被粘附陷入晶内示意图夹杂物被排斥推入液相示意图夹杂物被排斥推入液相示意图131323231212sinsinsin晶界残留较多夹杂物时的形状：晶界残留较多夹杂物时的形状：12

32、1122cos132312120132312不同二面角晶间夹杂物的形状示意图不同二面角晶间夹杂物的形状示意图121122cos5-4 5-4 缩孔与缩松的形成原理缩孔与缩松的形成原理 1、收缩的基本概念、收缩的基本概念 铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少。减少。体收缩体收缩金属从液态到常温（室温）的体积改变量金属从液态到常温（室温）的体积改变量 )(1 1001TTVVv线收缩线收缩金属在固态时从高温到常温（室温）的线尺金属在固态时从高温到常温（室温）的线尺寸改变量寸改变量 )(1 1001TTLLL%100)(%100/ )(1001

33、0TTVVVvv%100)(%100/ )(10010TTLLLLL体收缩率：体收缩率：线收缩率：线收缩率：1、液态收缩：、液态收缩：%100)(LTTvv浇液液2、凝固收缩：、凝固收缩：3、固态收缩：、固态收缩：%100)(S室固固TTvv%100)(S室TTLL2、铸钢的收缩、铸钢的收缩图图 碳钢的比容与温度和含碳量的关系碳钢的比容与温度和含碳量的关系10.35C；20.25%C；30.8%C（1）液态）液态（2）凝固）凝固（3）固态收缩）固态收缩a.珠光体转变前收缩珠光体转变前收缩b.共析转变期的膨胀共析转变期的膨胀c.珠光体转变后收缩珠光体转变后收缩珠后珠前固vVvv3、铸铁的收缩、铸

34、铁的收缩图图 铸铁的收缩过程曲线铸铁的收缩过程曲线1白口铸铁；白口铸铁；2灰铸铁灰铸铁610)3090(Cv液(1)液态收缩液态收缩（2）凝固收缩：）凝固收缩：状态改变温度降低状态改变温度降低)(L)()(TTSLvSLvv浇凝析出析出1石墨，体积增大石墨，体积增大2凝凝灰铸铁灰铸铁凝固收缩凝固收缩与碳当量的关系与碳当量的关系（3）铸铁的）铸铁的固体收缩固体收缩曲线曲线 图图 Fe-C合金的自由线收缩曲线合金的自由线收缩曲线1碳钢；碳钢；2白口铁；白口铁；3灰铸铁；灰铸铁；4球墨铸铁球墨铸铁缩孔缩孔：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充凝固体积收缩，得不到液态金属的补充 逐层凝逐层凝固时固时 通

35、过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位形成部位形成集中集中缩孔。缩孔。缩松缩松：糊状凝固糊状凝固糊状区、液固共存糊状区、液固共存液体流动困难液体流动困难晶间树枝间得不到补充晶间树枝间得不到补充 分散的小缩孔分散的小缩孔危害：危害： 机械性能、机械性能、 气密性、耐蚀性、锻造裂纹气密性、耐蚀性、锻造裂纹铸件中缩孔的形成示意图铸件中缩孔的形成示意图 Al-4.5%Cu合金中的显微缩松合金中的显微缩松a.含气量高的显微缩松与球形孔洞；含气量高的显微缩松与球形孔洞；b.树枝间的显微缩松树枝间的显微缩松图图 铸铁共晶石墨长大特点示意图铸铁共晶石墨长大特点示

36、意图灰铸铁灰铸铁“自补缩能力自补缩能力”球墨铸铁球墨铸铁膨胀力大膨胀力大若铸型移动若铸型移动缩松倾向大缩松倾向大 若铸型刚性大若铸型刚性大自补缩自补缩图图 灰铁与球铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线灰铁与球铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线灰铸铁灰铸铁“自补缩能力自补缩能力”球墨铸铁球墨铸铁膨胀力大膨胀力大若铸型移动若铸型移动缩松倾向大缩松倾向大 若铸型刚性大若铸型刚性大自补缩自补缩产生缩孔、缩松产生缩孔、缩松因素与控制：因素与控制：收缩必然性收缩必然性缩孔或缩松缩孔或缩松取决于凝固方式（层、糊）取决于凝固方式（层、糊）影响凝固方式因素：影响凝固方式因素： 成分、温度梯度成分、温度梯度影响缩孔和缩松大小的因素

37、：影响缩孔和缩松大小的因素：金属的性质；铸型条件金属的性质；铸型条件(激冷能力激冷能力) 浇注条件；铸件尺寸浇注条件；铸件尺寸缩孔防止缩孔防止：合理设计浇冒口系统：合理设计浇冒口系统 缩孔于浇冒口中。缩孔于浇冒口中。缩松防止缩松防止：无法通过浇冒口消除。：无法通过浇冒口消除。T 枝晶发达枝晶发达 缩松缩松 防止措施防止措施成分选择成分选择 浇冒口设计（缩孔）定向凝固和同时凝固浇冒口设计（缩孔）定向凝固和同时凝固高压下浇注与凝固（缩松）高压下浇注与凝固（缩松）急冷急冷减少糊状（缩松），如冷铁减少糊状（缩松），如冷铁定向凝固方式示意图定向凝固方式示意图均匀壁厚铸件定向凝固过程均匀壁厚铸件定向凝固过

38、程图图 扩展角对补缩困难区的影响扩展角对补缩困难区的影响冷铁对缩孔位置的影响冷铁对缩孔位置的影响 （顺序凝固）（顺序凝固）冷铁造成冷铁造成同时凝固同时凝固方式示意图方式示意图（四）加压补缩（四）加压补缩压力下凝固压力下凝固 （压力釜，挤压铸造，高压铸造）（压力釜，挤压铸造，高压铸造） 微观偏析-短程偏析，是不平衡凝固造的； 微观偏析-晶粒内部或晶界等微区内成分不均匀现象。 1 枝晶偏析 2 晶界偏析1.微观偏析5-5化学成分的偏析（1）枝晶偏析a. 机理 结晶时冷速较大，扩散来不及，先结晶富高熔点组元，导致树枝晶内部成分不均匀.b. 影响因素 合金相图的形状：垂直、水平距离大偏析严重，垂直比水

39、平影响更大（结晶温度低扩散慢） 原子的扩散能力：扩散能力差，更易偏析（1）枝晶偏析b. 影响因素 凝固时的冷却条件：冷速越大，过冷越大，开始结晶温度越低，扩散能力越小；冷速很大，液相中的扩散也受到抑制，发生无扩散结晶，偏析程度反而减小。 合金元素：C促S、P偏析；焊 接比铸造偏析程度小，可能与焊接冷速很大，液相中的扩散受到抑制有关.（2）晶界偏析 在树枝晶体之间（晶粒与晶 粒之间）最后凝固部分（即 晶界区）积累了更多的低熔 点组元和杂质元素 晶界偏析的程度比晶内偏析 更为严重，有时在晶界上还 会出现一些不平衡的第二 相，如低熔点共晶体 产生的原因与枝晶偏析相同 塑性和韧性降低、增加热裂 倾向、降低耐腐蚀性能等 （3）微观偏析的消除措施 固相线下100200长时间扩散退 火（均匀化） 热轧或热锻也可改善 宏观偏析为长程偏析，是发生于区域