第九章凝固缺陷

第九章凝固缺陷1、 在实际生产条件下，铸件的凝固是非平衡结晶过程，试分析溶质扩散系数D与s温度扩散率a在枝晶偏析形成的作用。答：C*二kC(1-f)k°Ts0 1+ak0a二D茫2 a单位cm3S，此a为系数元量纲。主要是D,DJ-C*「偏析严重。s s sa:a分vo(冷却速度)；aTtVTt偏析严重；oaTTtvTTt偏析逐渐减弱，因此S3 ;oaTTTtTTTt无枝晶偏析；oa:热扩散率(或导热系数)2、 能否把枝晶偏析看成正常偏析，它与宏观正常偏析在形成过程上有何异同？答：(1)对一个枝晶来讲，枝晶偏析是由于溶质再分配造成的，属正常偏析。(2)宏观正常偏析发生在逐层凝固时，由于溶质再分配造成的。枝晶偏析：由于非平衡结晶造成枝晶各部分的成分不均匀，此时结晶以枝晶方式生长的。3、 试分析枝晶间液体的流动对枝晶偏析程度的影响？答：枝晶间液体的流动对枝晶偏析程度的影响：从微观角度来讲，在枝晶间的流动：从热端f冷端：使冷端枝间偏析减弱;从冷端f热端:使热端枝间偏析严重;4、 计算Al—Cu4%合金铸锭在砂型中凝固时共晶体所占比例，并绘制出等浓度线的示意图。答：C*二Cfk0tL0L铸造合金熔炼：P228/图10-20C*二C*二33.2L33.2二4f0.17-1L092-0・83帆-歸叶-矿-101157k———0.170 33.2有8%的共晶体，等浓度线分别见P158/图6-2。f—0.08有8%的共晶体，等浓度线分别见P158/图6-2。L5、宏观正常偏析形成的条件是什么？为什么在实际生产中宏观正常偏析并不多见？答：宏观正常偏析的条件：逐层凝固时的单向凝固时。实际生产中单向凝固的情况较少。6、根据式（6-6）计算Al—Cu4%合金和Al—Cu1%合金铸件表面层同的平均含量，从计算结果分析逆偏析的形成过程。答：（1）C—4%0C$-Akc(1-f)心)gdf$ 0 0o $vg=vg=(1-0)(1--)u表面层-—0 g—1-00—0.057C—f10.17x4(1-f)(0.17-1)(1-0.057)df$0$$—J10.68(1-f)-0.88df0$$—0.68x1 (1-f)-0.88+111-0.88+1$—-5.67(1—-5.67(1-f)s0.121—5.670(^2)C°=1% 取0—0.057哼1哼1-f)00.12$.121—1.420逆偏析形成过程：P1667、试分析铸件凝固方式与产生宏观偏析的关系及采用离心铸造生产的铸件易产生带状偏析的原因？答：逐层凝固：正常偏析。

糊状凝固：枝晶间存在流动，不易产生正偏析、负偏析、比重偏析、带状偏析。离心铸造：机械振动：破坏凝固前沿溶质富集区，使溶质富集区周期地形成。层流凝固：边流边凝，溶质到达不到最后凝固阶段。8、以Cu—Zn30%和Cu—Sn10%两种合金生产铸件，哪种合金形成第二相的可能性大？哪种合金的逆偏析倾向性大？答：Cu—Sn相图（合金熔炼P246）135C*二25.5 k= =0.53l o25.525.5=10xf0.53—1n2.55=25.5=10xf0.53—1TOC\o"1-5"\h\zL L-lgfL041=—0.86nf-lgfL0.47 lCu—Zn相图（P256）325C*二37.5Lk=—C*二37.5L37.5二30f0.87-1n—0.13lgf=L L Lnf=0.18=18%LCu—Zn第二相可能性大;Cu—Zn第二相可能性大;Cu—Sn逆偏析倾向较大;Cu—Zn：1084.5—903 ’“m=— =—4.84Zn 37.5AT=—me(1—k)：:k=4.84x30x(1—0.87)0.87=21.7°C000Cu—Sn：Sn1084.5Sn1084.5—799255AT=—me(1—kk=11.20x10x(1—0.53)0.53=99.3C000■9、试分析常见气体以不同形态存在时，对铸件质量的影响。答：热力学方面:温度和压力（总体分压）S=k0Pexne2RT)sTAH>0时 TT STAH<0时 TT SI金属蒸汽压（实际是通过影响分压）。合金影响a、对活泼系数的影响 fAJt【％H]Thb、 生成化合物的影响（是属于热力学还是动力学？）C、对金属蒸汽压及气体分压的影响AltPTtSTH2MgtPTtSJ蒸汽复合气体：受对方浓度的影响动力学因素：合金对金属表面膜的影响：致密与疏松；金属与气体作用时间；10、试从相变理论讨论气体的生核、生长过程，并阐述衬底的湿润能力对气泡生核和脱离的影响？答:从相变理论:在凝固过程中由于溶质再分配造成了局部金属液含气量c>s，xL则析出气体，此气体的析出是一个相变过程，和金属液析出金属晶体一样，同样要有生核、成长过程。若完全以纯气泡的形式生核时，J—O生核率几乎为0，就以借助于金属液中的异相提供衬底而生核，生核就需能量。生核后要生长，其条件：P>Pn 0P=P+P+P+ nH2N2O20角的影响：0TtE 易生核0/（＜90。），易于脱离衬底而上浮11、在潮湿地区或雨季，铝合金、钢合金铸件因产生析出性气孔缺陷而大量报废,试分析其原因及防止措施。答：潮湿地区或雨季，HO较多，造成金属液与HO接触。222HOo2HT+OTHo2（HIt溶解到金属液中，所以在金属凝2222固过程中析出H，造成气孔。2防止途径：（1） 减少金属液的原始含气量Cna、减少各种气体的来源；b控制熔炼温度；c、采用真空熔炼（2） 对金属液除气处理a、浮游去气b、真空去气c、氧化去气d、冷凝除气（3） 防止气体析出a、提高铸件冷却速度b、提高金属液凝固时的外压/12、 汽缸盖（HT200）因存在气孔而泄露，用电子探针检查发现气孔避AlSiMnCa等元素含量较高，试判断该气孔的性质和产生途径。答：反应性H气孔。AlSiMnCa等强氧化性元素，Mt+HO二（AlO、SiO、、、、、）+HT2 2 3 2 2HtIh］，溶解到金属液中。213、 铸件中的皮下气孔有哪些共同特点？说明为什么？皮下气孔形成过程分哪几个阶段？在每个阶段哪些因素起主导作用？答：（1）形成的共同特点P185形状：球状裂纹多为长条状垂直于铸造表面；位置：皮下1~3mm；（2）说明:与铸型反应时根本原因，但与原始C0有关；溶质扩散到一定阶段，随枝晶生长时析出；浇注层助于吸收[N][H]的因素，使皮下气孔f（如浇注温度高）。（3）皮下气孔的形成阶段及主导因素：界面处反应：金属氧化，铸型燃烧热分解等，铸型成分；气体被吸收、扩散：扩散原子（数量温度等）；随结晶析出长大：结晶速度（溶质再分配）。14、 试分析金属中气体与杂质的关系。答：（1） 气体是夹杂物来源：氧化物、氮化物包括溶入金属中的[O][N]及脱氧时产生的，凝固过程中析出的低熔点的共晶及化合物。即：以化合物形式存在的气体则为非金属夹杂物。（2） 气体可以带出夹杂物：去气处理时，使气体大量浮出可带出夹杂物。（3） 夹杂物作为气泡生核衬底：析出性气孔渣气孔。（4）夹杂物也可形成气体：[FeO]+lc]^[Fe]+COT，对皮下气孔，形成夹杂物同时产生气体,Mt+HOtMtO+HT2 nm 2金属液表面逸出气体，减少0的分压，减少氧化夹杂物。15、 试述浇注前和浇注过程中形成的非金属夹杂物在生产过程中有何异同？其成分和组成有何异同？答：浇注前：夹杂物的生成过程是化学反应的平衡移动问题成分和组成：多种形式：液态、固态，简单、复杂氧化物、硫化物。浇注时：时间短，氧通过扩散发生反应，未达平衡。成分和组成：简单氧化物。16、 证明m，＞m时，发生化学反应。AF=AF0+RTlgJ=-RTInK+RTInJ=-RTln—+RTIn丄m m'=RTln—

xlMt1+ylo]=MtOXyaxay mMtoaxayMt（实际）0（实际）m'm'>m时，AF<0，发生氧化反应。17、缩孔和缩松的形成原因和形成条件，以及防止措施有何异同?形成原因条件防止措施缩孔£+£>£V液 V凝 V固逐层凝固顺序凝固：浇注系统、位置；冒口、冷铁；加压、悬浮铸造；缩松£+£>£V液 V凝 V固糊状凝固同上显微缩松£+£>£V液 V凝 V固均存在2bP+P>P+ +Ps g a r H主要：加压补缩、热节静压机械振动、电磁场、离心力等。措施不同：仅为防止缩松可采用同时凝固，但可能出现缩松。18、宏观缩松和显微缩松在形态、分布特征和形成过程上有何区别？与气体析出相伴生成的显微缩松的形成条件是什么？对铸件质量有和影响？如何防止和消除显微缩松？答：宏观缩松：形态：铸件内部比较密集的小孔洞，可见到枝晶末梢。分布：冒口下、浇口根部、厚大热节中心、铸件轴线处。形成过程：凝固区域较宽，倾向于糊状凝固方式时，固液态收缩和凝固收缩到形成的细小孔洞分散且得不到外部金属液的补充而造成的（枝晶分隔后的熔池）。显微缩松:形态：与微观气孔很难区分，且经常同时发生的，显微镜下才能观察到。分布：晶间和分枝之间，各种金属铸件或多或少都存在。形成过程：枝间或分枝间液体收缩得不到补充。与气体伴生的条件：P+P>P+亙+PgsarH对铸件质量影响：1）降低铸件力学性能，尤其冲击韧性、延伸率M2） 降低铸件的气密性和物理化学性能3） —般铸件常常不作为缺陷防止和消除：在高压下浇注和凝固，机械振动、电磁场离心力、减少气体、控制晶粒大小。19、 顺序凝固与逐层凝固，同时凝固与体积凝固之间有何区别和联系？举例说明。顺序凝固、»人为创造的凝固条件、方向。同时凝固丿逐层凝固,»合金本身性能所决定。糊状凝固丄20、 试分析Zn—Al28%合金在砂型中铸造易产生底部缩孔的原因。答：Zn—Al28%Zn： 7.13g/cm3 熔点：419.5°C；Al： 2.7g/cm3 熔点：660.23C；Zn在底部且后凝固21、 球铁铸件表面容易形成微缩孔，这种微缩孔是表面气体析出压力低于大气压力造成的，试结合球铁凝固特点分析该缺陷产生过程。答：球铁件表面出现微缩孔，因其糊状凝固特征，到凝固后期，表面仍不形成硬壳，在晶间最后凝固处收缩得不到补缩，若此处同时存在气体而小于大气压的话，在大气压力的作用下，使此处凹入。22、 w二0.35%碳钢的£ =1.6%，过热120C，其总体积收缩率是多少？c V液w=0.35%碳钢的凝固收缩率为£ =3.0%线收缩率£=2.4%c V凝 L河北科技大学材料科学与工程学院答：£ =1.6% £ =3.0%V液V凝£=3£=3X2.4%=7.2%£=(1.6+3.0+7.2)%=11.8%V固LVBut£>£+£V固 V液 V凝23、试分析热裂与偏析以及与缩孔之间的关系:答：偏析与热裂（1） 一般来讲，偏析促进热裂，因偏析液会形成低熔点共晶物以液膜形式存在晶界，而产生热裂。（2） 若偏析液能形成高熔点固相夹杂，存在晶界，可以强化晶界使热脆区变小，不易热裂。（3） 当低熔点存在偏析液较多时，可愈合裂纹，减轻热裂。热裂与缩孔（1） 在铸件厚大部分产生集中缩孔时，此处易产生热裂，因此处为厚大部位,集中变形较大。（2） 若铸件不产生集中缩孔而产生分散缩孔即缩松时，说明ATf较大，即ATB较大，所以热裂倾向大24、晶间液膜的形态对形成热裂纹有何影响？共晶成分的合金在凝固后期也有液膜存在，为什么产生热裂的倾向小？合金中存在能生成低熔点物质的元素，增大合金的热裂倾向性，但合金在凝固末期存在一定量的液体又可防止热裂，试分析之。答:（1）晶间液膜的形态对形成热裂纹的影响c=2ccos—SSSL 29ccos—=―s^2 2csl9:液体双边角，0。〜180°液膜从铺展液膜到球状不铺展而变化，热裂倾向逐渐减轻。①0=0°时，枝晶间的液体铺展成液膜，其界面张力将两侧的固体枝晶吸附在一起。液膜的结合力很低，合金呈脆性，很小的应力就能使晶间断裂，形成裂纹。②晶间残存少量以弧形式存在的液体，此时，在外力作用下，液体汇聚部位产生应力集中，当应力大于合金此时刻的强度时，形成微裂纹。共晶成分因AT较小，不易热裂；R凝固温度低，收缩量小；树枝晶不发达，晶间液体易流动。存在一定量的液体可愈合热裂纹。25、 一种简单的鉴定合金由于收缩受阻产生热裂的装置如下图所示。试说明法兰盘距离越长而不产生热裂的合金，其抗裂性越大。答：法兰盘间距L越长，线收缩量％*L越大，应力则大，若不裂，则说明高温时强度咼，不易热裂。26、 试分析灰铸铁件比碳钢件残余应力小的原因。Ge<e/、灰铁碳钢答：\2lx<a/、灰铁碳钢(3丸<九灰铁碳钢27、 工形铸件和T型铸件的铸造工艺相同时，哪种铸件残余应力大？哪种铸件易产生挠曲变形，为什么？并讨论防止措施。答：I：残余应力大，对称结构，不易变形而松弛应力。T:饶曲变形，两杆粗细不同，产生应力，但结构不对称，易变形而松弛应力。防止措施：包括应力，①合金E小、a小；②铸型，减小温度或减小b2;③浇注温度高。变形：除以上措施，还可以在工艺上米取以下措施。①加大铸型刚度②控制和时间③反变形措施。28、 简述焊接裂纹的种类及其特征和产生的原因。答：按产生裂纹的本质来分，焊接裂纹可分为五大类：(1)热裂纹，踏实在高温下产生的，特征是沿原奥氏体晶界开裂。热裂纹又河北科技大学材料科学与工程学院分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹等三类。再热裂纹，厚板焊接结构，并采用含有某些沉淀强化合金元素的钢材，在进行消除应力热处理或在一定温度下服役的过程中，在焊接热影响区粗晶部位发生的裂纹称为再热裂纹。多发生的低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金的焊接热影响区粗晶部位。再热裂纹的敏感温度，视钢种的不同约550〜650°C。冷裂纹，它是焊后冷至较低温度下产生的，主要发生在低合金钢、中合金钢、中碳和高碳钢的焊接热影响区。冷裂纹按被焊钢种和结构的不同又分为延迟裂纹、淬火裂纹和低塑性脆化裂纹。层状撕裂，轧制钢材的内部存在不同程度的分层夹杂物；在焊接时产生的垂直轧制方向的应力，致使热影响区附近或稍近的地方产生呈诒阶”形的层状开裂，并可穿晶扩展。它属于低温开裂，一般低合金钢，撕裂的温度不超过400C；常发生在厚壁结构的T型接头、十字接头和角接头，是一种难以修复的失效类型。应力腐蚀裂纹，是容器、管道等在腐蚀介质和拉伸应力的共同作用下(包括工作应力和残余应力)产生一种延迟破坏的现象。形态如同枯干的树枝,从表面向深处发展，大多属于晶间断裂性质，少数也有穿晶断裂。从端口来看，为典型的脆性断口。29、 分析液态薄膜的成因及其对产生热裂纹的影响。答:在焊缝金属凝固结晶的后期,低熔点共晶被排挤在柱状晶体交遇的中心部位,形成一种所谓“液态薄膜”，此时由于收缩而受到了拉伸应力，这时焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带。产生结晶裂纹的原因，在于焊缝中存在液态薄膜和在焊缝凝固过程中受到拉伸应力共同作用的结果，液态薄膜式产生结晶裂纹的内因。30、 什么是脆性温度区间？在脆性温度区间内为什么金属的塑性很低？答：熔池结晶进入固液阶段后，由于液态金属少，在拉伸应力作用下所产生的微小缝隙都无法填充，只要稍有拉伸应力存在就有产生裂纹的可能，故把这个阶段叫做“脆性温度区”。在脆性温度区间内，焊缝金属抵抗结晶裂纹的能力较弱，所以在此阶段焊缝金属稍有变形就易产生裂纹，所以金属的塑性很低。河北科技大学材料科学与工程学院31、 液化裂纹和多边化裂纹在本质上有何区别？在防止措施上有何不同？答：（1）液化裂纹：近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔共晶而被重新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂。多边化裂纹：焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷及严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次便捷，即所谓“多边化边界”，这种多边化的边界，一般情况下并不与凝固晶界重合，在焊缝后的冷却过程中，由于热塑性降低，导致沿多边化的边界产生裂纹，故称多边化裂纹。（2）液化裂纹的防止措施：应从冶金和工艺两方面入手，特别是对冶金方面，尽可能降低母材金属中硫、磷、硅、硼等低熔共晶组成元素的含量十分有效的。多边化裂纹的防止措施：向焊缝加入提高多边化激化能的元素，可有效防止多边化过程。32、 试述焊接冷裂纹的特征及其影响因素。答：焊接冷裂纹的特征：冷裂纹的起源多发生在具有缺口效应的焊接热影响区或有物理化学部均匀的氢聚集的局部地带。有时沿晶界扩散断裂，有时是穿晶前进断裂。冷裂纹主要发生在焊缝金属中。影响因素：1） 钢种化学成分的影响，钢种的碳含量越高，淬硬倾向越大，即增大冷裂纹的敏感性；2） 拘束应力的影响；3） 氢的有害影响；4） 焊接工艺对冷裂纹的影响，包括焊接线能量、预热、焊后后热、多层焊的影响。33、 为什么预热有防止冷裂纹的作用？它对防止热裂纹是否也有这种作用？答：大量的生产时间和理论研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分河北科技大学材料科学与工程学院布，以及接头所承受的拘束应力状态是高强钢焊接时产生冷裂的三大主要因素。焊接条件下，近缝区的加热温度很高，使奥氏体晶粒发生严重长大，当快速冷却时，粗大奥氏体将转变为粗大马氏体。焊接接头有马氏体存在时，裂纹易于形成和扩展，而且在冷却速度很快的情况下，氢不易从焊缝中逸出，则接头的敏感性就越大。再加上不均匀加热及冷却过程中所产生的热应力及其他应力的影响从而导致焊缝产生冷裂纹。而预热可减小焊缝的冷却速度，从而减少粗大马氏体的数量和扩散氢含量，而且有利于消除应力的影响，所以预热可以防止冷裂纹的产生。34、 简述再热裂纹的主要特征和产生再热裂纹的机理。答：主要特征：1） 再热裂纹都是发生在焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂；2） 进行消除应力处理之前焊接区存在较大的残余应力并有不同程度的应力集中，残余应力与应力集中必须通知存在，否则不会产生再热裂纹。应力集中系数K越大，产生再热裂纹所需的临界应力b越小；cr3） 产生再热裂纹存在一个最敏感的温度区间，这个区间与再热温度及再热时间