材料成型理论基础课件 成形原理52

Shrinkageholesandshrinkageporosity

华中科技大学吕书林§5-4缩孔与缩松的形成原理第五章铸件凝固组织的形成与控制1图5-14二元合金收缩过程示意图（a）合金相图一、金属的收缩——铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减少。2危害：引起缩孔、缩松、应力、变形、热裂、冷裂等缺陷。温度o（b）共晶合金（c）宽结晶温度范围合金液态收缩阶段(Ⅰ)、凝固收缩阶段(Ⅱ)和固态收缩阶段(Ⅲ)。1.液态收缩：3——液态金属从浇注温度T浇冷却到液相线温度TL产生的体收缩（体积改变量）。表现形式：金属液面降低，用液态体收缩率εV液表示：液态收缩系数αV液、液相线温度TL主要取决于合金成分。铸铁含碳量wc与αV液：碳的质量分数wc(%)2.02.53.03.54.0εV液(T浇=1400℃)(%)0.61.42.33.44.6εV液(T浇-TL=100℃)(%)1.51.71.82.02.1表5-4亚共晶铸铁的εV液2.凝固收缩：4——金属从液相线冷却到固相线所产生的体收缩。表现形式：金属液面降低，或液面降低+三维尺寸减小。

纯金属、共晶的凝固收缩仅由相变引起（固定的数值），与温度无关；宽凝固区间合金的凝固收缩包括相变和温度降低两部分：例一：铸钢的凝固收缩钢因为状态改变引起的体积收缩为一固定值，而碳含量增大时，其结晶温度范围变宽，由温度降低引起的体收缩增大。5表5-5

碳钢的凝固收缩率εV凝碳的质量分数wc(%)0.100.250.350.450.70凝固收缩率εV凝(%)2.02.53.04.35.3例二：铸铁的凝固收缩铸铁在凝固后期共晶转变时，石墨的析出膨胀使体收缩得到一定的补偿。析出1％石墨，体积增大2％。图铸铁的收缩过程曲线：1－白口铸铁；2－灰铸铁6表5-6亚共晶铸铁的凝固收缩率εV凝碳的质量分数wc(%)2.02.53.03.54.0凝固收缩率εV凝(%)白口铸铁5.14.64.23.73.3灰铸铁4.32.81.4-0.1-1.5灰铸铁凝固收缩与碳当量的关系73.固态收缩：——金属在固相线以下发生的体收缩。表现形式：三维尺寸同时缩小，常用线收缩表示：一般情况下：

当合金有固态相变发生时，线收缩率将突变。如：碳钢和铸铁在共析转变时因产物体积增加而膨胀。碳的质量分数wc(%)0.080.140.350.450.550.60线收缩率εL(%)2.472.462.42.352.312.18表5-7碳钢的线收缩率与碳含量的关系8铸铁的固态收缩曲线铸铁固态收缩：a.珠光体转变前收缩b.共析转变期的膨胀c.珠光体转变后收缩9

铸件收缩时还会受到外界阻力的影响：热阻力（铸件温度分布不均匀所致）、铸型表面摩擦力和机械阻力（铸型和型芯的阻碍作用）等。4.铸件的收缩：这些阻力可以忽略不计时，称为自由收缩；否则受阻收缩。图Fe-C合金的自由固态收缩（线收缩）曲线1－碳钢；2－白口铁；3－灰铸铁；4－球墨铸铁铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。1.缩孔（Shrinkagehole）缩孔特征：尺寸较大，形状不规则，表面不光滑，有枝晶脉络状凸起。分类：内缩孔和外缩孔。二、缩孔与缩松的分类及特征10a)明缩孔b)凹角缩孔c)芯面缩孔d)内部缩孔常出现于纯金属、共晶成分合金、结晶温度范围较窄合金中。在铸件热节处（厚壁处、两壁相交处、内浇口附近等凝固较晚或凝固缓慢的部位）。2.缩松（Porosity）分类：宏观缩松（简称缩松）和微观缩松（显微缩松）。分布：多出现于结晶温度范围较宽的合金中，常分布在铸

件壁的轴线区域、缩孔附近或铸件厚壁的中心部位。11铸件热节处的缩孔与缩松形成条件：铸件由表及里的层状凝固。三、缩孔与缩松的形成机理12图5-18铸件中缩孔的形成示意图

形成原因：液态收缩+凝固收缩>固态收缩。1.缩孔13Al-4.5%Cu合金中的显微缩松a.含气量高的显微缩松与球形孔洞；b.树枝间的显微缩松

形成过程：糊状凝固→糊状区、液固共存（枝晶）→液体流动困难→晶间树枝间得不到补充→分散的小缩孔。2.缩松形成原因：液态收缩+凝固收缩>固态收缩。铸铁的凝固与收缩特点——共晶石墨的生长有关14灰铸铁——“自补缩能力”球墨铸铁——膨胀力大——若铸型迁移——缩松倾向大

图5-19灰铸铁和球墨铸铁共晶石墨长大示意图(a)片状石墨长大；(b)球状石墨长大球墨铸铁共晶团内的间隙——显微缩松；球墨铸铁共晶团间的间隙——宏观缩松。15图灰铁与球铁在湿砂型中浇注的膨胀曲线产生缩孔、缩松因素与控制：收缩必然性→缩孔或缩松→取决于凝固方式（层、糊）。四、影响缩孔与缩松的因素及防止措施16危害：力学性能、气密性、耐蚀性、锻造裂纹。影响凝固方式因素：成分、温度梯度。影响缩孔和缩松大小的因素：金属的性质（收缩系数）；铸型条件（激冷能力大→边浇边缩）；浇注条件（T浇-TL）；铸件尺寸（壁厚大→凝固不同步）。1.影响因素（1）成分选择：凝固区间大小172.防止措施缩孔防止：合理设计浇冒口系统→缩孔于浇冒口中。缩松防止：无法通过浇冒口消除→改变凝固条件。（2）顺序凝固（浇冒口设计）18顺序凝固方式示意图顺序凝固：使铸件按照距离冒口的远近，由远及近朝着冒口方向凝固，冒口最后凝固，缩孔集中于冒口中。19图5-21均匀壁厚铸件顺序凝固过程示意图顺序凝固的铸件存在“楔形”补缩通道（扩张角φ）。20图5-22扩展角对补缩困难区的影响

固液两相区越宽，扩张角越小，补缩困难区越长→缩松。扩张角φ

“补缩困难区μ”（3）同时凝固（热节处设冷铁）21冷铁造成同时凝固方式示意图冷铁对缩孔位置的影响同时凝固：

采取工艺措施保证铸件各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。（非传统工艺越来越成为常见工艺、技术！）22图冒口及工艺补贴(a)无补贴，(b)金属补贴，(c)加热补贴，(d)发热补贴（4）其他工艺措施压力下凝固（压力釜，挤压铸造，高压铸造）

补贴工艺§5-5化学成分的偏析偏析：液态合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象。分类：微观偏析和宏观偏析；微观偏析：晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。宏观偏析：正常偏析，逆偏析，重力偏析等。正偏析和负偏析。一、微观偏析1.晶内偏析：在一个晶粒内出现的成分不均匀现象。偏析程度取决于合金相图的形状、偏析元素的扩散能力、冷却条件。

合金相图上液、固相线间隔越大，则先后结晶部分的成分差别越大

晶内偏析越严重。偏析元素在固溶体中的扩散能力越小，晶内偏析倾向越大。在其他条件相同时，冷却速度越快，则实际结晶温度越低，原子扩

散能力越小，晶内偏析越严重。232.晶界偏析

原因：在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。24晶界偏析形成示意图胞状偏析时溶质分布示意图——晶界与晶内的化学成分不均匀现象。

防止：细化晶粒、均匀化退火（与晶内偏析一样）。二、宏观偏析1.正常偏析特点：铸件由外向内凝固，外层纯度高、溶质含量低，内部溶质含量高、杂质集中。25单向凝固时的溶质分布曲线bcda.平衡凝固b.固无扩散，液扩散c.固无扩散，液完全混合d.固有限扩散，液部分混合原因：冷速较慢，低熔点组元充分向内部聚集。

危害：铸件性能不均匀（但可借此对金属提纯）。

防止：扩散退火无效，提高冷速有效，如：降低浇注温度、加速铸件凝固。2.逆偏析

特点：与正常偏析情况相反，即k<1时，溶质元素在铸件表面或底部含较多，而中心部位或上部溶质较少。

原因：结晶温度范围宽的固溶体合金，缓慢冷却时，易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低溶点相，当铸件产生体收缩时，低溶点相挤压后将沿着树枝晶间向外移动，产生逆偏析。26Al-4.7Cu合金的逆偏析（Al2Cu相被排挤）3.V形偏析和逆V形偏析27铸锭产生V形偏析、逆V形偏析部位示意图

原因：型壁或凝固界面晶粒脱落。型壁或凝固界面晶粒脱落沉淀堆积堆积层中央收缩下沉，与上部分离产生V型裂纹富溶质液相填充侧方晶体受拉，产生逆V型裂纹V型偏析逆V型偏析4.带状偏析特点：带状偏析总是平行于凝固的固-液界面。5.重力偏析

由于重力作用而出现的化学成分不均匀现象。

如：互不相容的液相之间存在密度差时。28原因：固/液界面前沿溶质富集，晶体生长速度突变。§5-6变形与裂纹

一、铸件应力

铸件或者铸件某部位由于凝固带来的尺寸变化受阻不能自由进行时，就会产生应力、变形或裂纹（冷裂、热裂）。热裂区：有效结晶温度间隔内的某一温度区间(无残留应力)变形区：固相线以下某一温度范围(塑性变形，应力松弛)

应力区：在塑性与弹性转变的临界温度以下(有弹变，保持应力)

应力分类：热应力、相变应力和机械阻碍应力。铸造应力：凡铸件冷却过程中尺寸变化受阻，产生的应力，

但多指残余应力，为三种应力的矢量和。铸件应力的危害——变形、裂纹。29降温二、铸件的变形和冷裂1.变形

30图5-30铸件的变形

(a)T形梁，(b)雷达罩，(c)槽形件，(d)轴承罩2.冷裂

原因：铸造应力超过材料的强度极限时产生的裂纹。

特点：冷裂的断口表面有金属光泽或呈轻度氧化色，裂纹走向平滑，

裂纹是穿晶粒而非沿晶界发生。3.铸造应力、变形和冷裂的预防与消除（1）铸造应力的防止与消除使铸件冷却均匀，减小各部分温差；改善铸型及型芯退让性，减少铸件收缩阻力。（2）

变形和冷裂的防止与消除①反变形措施②设置防变形的“拉筋”③采用早打箱并立即入炉缓冷的方法④用浇注系统调整铸件的温度场31使铸件中铸造应力增大，或者使材料的强度、塑性及韧性降低的因素，都会使裂纹倾向增加。三、热裂

1.热裂的形态热裂（Hotcrack）是铸件处于高温状态时形成的裂缝类缺陷。特点：热裂的外形不规则，弯弯曲曲，深浅不一，有时还有