2.1铸件凝固组织的形成与控制.ppt
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1、回顾uu凝固与结晶的区别uu结晶2个的必要条件uu熵值的概念以及表述uu粗糙界面与光滑界面uu吉布斯最小自由能判据2.1铸件凝固组织的形成与控制概念 铸件凝固组织:宏观上指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况,铸件的凝固组织是由合金的成分和铸造条件决定的。2.1.1铸件宏观凝固组织的特征及形成机理1.宏观组织的特征 铸件的宏观组织一般包括三个晶区:表面的细晶粒区、柱状晶粒区和内部等轴晶区。合金的性质和铸造条件的不同导致b、c的形成2.铸件宏观组织形成机理(1)表面细晶粒区的形成。传统理论认为,当金属浇入温度较低的铸型时,与铸型接触的一层金属液受到强烈激冷,产生很大的过冷而大量生核,这些晶
2、核迅速长大并连接在一起,形成无方向性的表面细晶粒区。另外,游离晶游离晶的存在也是形成表面细晶粒区的来源。溶质再分配时,枝晶根部缩颈导致脱落或熔断产生溶质偏析、增加液态金属的流动有利于表面细晶粒区的形成。(2)柱状晶区的形成 柱状晶区是从表面细晶粒区形成并发展而来的。但也可能直接从型壁处长出甚至在内部等轴晶区形成。稳定的凝固壳层(表面细晶粒区)一旦形成以后,处在凝固界面前沿的晶粒在垂直型壁的单向热流作用下,便以枝晶状单向延伸生长。控制柱状晶继续发展的关键因素是:等轴晶区的出现(3)内部等轴晶区的形成 内部等轴晶区的形成是由于剩余熔体内晶核自由生长的结果;对于晶核的来源存在几种解释:a过冷熔体自发
3、形核理论过冷熔体自发形核理论 该理论认为,随着凝固层向内推移,固相的热扩散能力削弱,液相中的溶质开始富集,使界面前方的成分过冷度增大,当成分过冷的过冷度大于非自发形核所需要的过冷度时,则产生晶核并长大,导致等轴晶的形成。b晶粒脱落、枝晶熔断和增殖理论晶粒脱落、枝晶熔断和增殖理论 c激冷晶粒卷入理论激冷晶粒卷入理论 浇铸过程中产生较大的过冷,从而产生大量的激冷晶粒随金属液的流动进入铸型中,如果浇铸温度不高,小晶体不会全部溶化而存留下来,逐渐长大称为等轴晶。d“结晶雨结晶雨”游离理论游离理论 在铸件凝固初期,液面处的过冷熔体中往往先产生大量的晶核并长大成小晶体,这些小晶体可能以“结晶雨”的方式从铸
4、件顶部脱落,由于其密度比液态金属大,所以进入金属液中形成游离晶,称为等轴晶。(多发生在大型铸件凝固过程中)1.铸件结晶组织对铸件质量的影响 (1)决定逐渐组织和性能的主要因素:A柱状晶区的宽度和晶粒的大小 B等轴晶区的宽度和晶粒的大小原因:表面细晶粒区比较薄原因:表面细晶粒区比较薄2.1.2铸件宏观凝固组织的控制(2)优缺点(a)柱状晶:优点:优点:结晶后缩松缩松少,晶间杂质少,组织较致密,且性能有明显的方向性,纵向好,横向差;缺点:缺点:杂质元素被排斥在界面前沿的柱状晶和等轴晶的交界处,容易导致铸件的裂纹产生。缩松是指铸件最后凝固的区域没有得到液态金属或合金的补缩形成分散和细小的缩孔。(b)
5、等轴晶优点:优点:晶界面积大,杂质和缺陷分布较分散,性能均匀没有方向性;缺点:缺点:枝晶发达,显微缩松较多,凝固后组织不致密。改进方法:细化等轴晶粒以改善其性能2.2.铸件宏观组织的控制铸件宏观组织的控制 主要控制的是柱状晶区与等轴晶区的比例,抑主要控制的是柱状晶区与等轴晶区的比例,抑制柱状晶的产生和生长,以获得等轴晶。制柱状晶的产生和生长,以获得等轴晶。具体措施具体措施(思考):(思考):提示:所有有利于晶粒产生、游离、增殖的因素或者措施均有利于扩大等轴晶区。2.1.2铸件宏观凝固组织的控制具体措施:(1)合理控制热力学条件 a降低浇注温度 (但不易过低)b合理浇注工艺 (增加金属液对型壁的
6、冲刷)c合理控制冷却条件(过冷)d铸型性质 (表面光滑)(2)加入生核剂 a直接作为外加晶核的生核剂(直接作为形核衬底)b通过与熔体相互作用而产生非均质晶核的生核剂 (生成化合物,晶粒间良好的界面共格促进生核)c加入含成分过冷元素的生核剂(产生游离晶而细化晶粒)(3)动态晶粒细化 强化液相的流动可以促进游离晶的产生,主要手段:振动、搅拌和旋转。2.2液态金属在特殊条件下的凝固成形2.2.1快速凝固 一、快速凝固简介一、快速凝固简介二、快速凝固方法二、快速凝固方法三、快速凝固显微组织三、快速凝固显微组织四、金属玻璃四、金属玻璃uu 快速凝固的研究开始于快速凝固的研究开始于快速凝固的研究开始于快速
7、凝固的研究开始于2020世纪世纪世纪世纪5050年代末年代末年代末年代末6060年代年代年代年代初,是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大初,是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大初,是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大初,是在比常规工艺过程快得多的冷却速度或大得多的过冷度下,合金以极快的凝固速率由液态得多的过冷度下,合金以极快的凝固速率由液态得多的过冷度下,合金以极快的凝固速率由液态得多的过冷度下,合金以极快的凝固速率由液态转变为固态的过程。转变为固态的过程。转变为固态的过程。转变为固态的过程。19601960年美国加州理工学院的年美国加州理工学院的年美国加州理工学院的年美国加州理工学院的
8、P DuwezP Duwez等采用一种独等采用一种独等采用一种独等采用一种独特的熔体急冷技术,第一次使液态合金在大于特的熔体急冷技术,第一次使液态合金在大于特的熔体急冷技术,第一次使液态合金在大于特的熔体急冷技术,第一次使液态合金在大于10107 7K/sK/s的冷却速度下凝固。他们的发现,在世界的冷却速度下凝固。他们的发现,在世界的冷却速度下凝固。他们的发现,在世界的冷却速度下凝固。他们的发现,在世界的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的广阔的研究领域。在快速凝固
9、条件下,凝固过程广阔的研究领域。在快速凝固条件下,凝固过程广阔的研究领域。在快速凝固条件下,凝固过程广阔的研究领域。在快速凝固条件下,凝固过程的一些传输现象可能被抑制,凝固偏离平衡。经的一些传输现象可能被抑制,凝固偏离平衡。经的一些传输现象可能被抑制,凝固偏离平衡。经的一些传输现象可能被抑制,凝固偏离平衡。经典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应,典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应,典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应,典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应,成为凝固过程研究的一个特殊领域。成为凝固过程研究的一个特殊领域。成为凝固过程研究的一个特殊领域。成为凝固过程研究的一个特殊
10、领域。一、快速凝固简介uu定义:快速凝固是指采用急冷技术或深过定义:快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。固过程。冷却条件冷却条件冷却条件冷却条件 冷却速率冷却速率冷却速率冷却速率/(/(K KS S-1-1)组织组织组织组织特征特征特征特征工工工工业业业业冷却速冷却速冷却速冷却速率率率率砂型砂型砂型砂型铸铸铸铸件和件和件和件和铸铸铸铸锭锭锭锭 10 10-3-3-10-100 0平衡条件的晶粒平衡条件的晶粒平衡条件的晶粒平衡条件的晶粒组织组织组织组织,如粗如粗如粗如粗树树树树枝晶枝晶枝晶枝晶,共晶和其他共晶和其他共晶和其
11、他共晶和其他结结结结构。构。构。构。中等冷却速中等冷却速中等冷却速中等冷却速率率率率薄薄薄薄带带带带,模,模,模,模铸铸铸铸件,件,件,件,普通普通普通普通雾雾雾雾化粉末化粉末化粉末化粉末10100 0-10-103 3精精精精细显细显细显细显微微微微结结结结构构构构,如如如如细树细树细树细树枝晶枝晶枝晶枝晶,共晶和其他共晶和其他共晶和其他共晶和其他结结结结构。构。构。构。快速凝固快速凝固快速凝固快速凝固雾雾雾雾化化化化细细细细粉、粉、粉、粉、喷喷喷喷雾雾雾雾沉沉沉沉积积积积、电电电电子子子子束或激光玻璃束或激光玻璃束或激光玻璃束或激光玻璃化化化化处处处处理理理理10103 3-10-106
12、6特殊特殊特殊特殊显显显显微微微微结结结结构构构构,如如如如扩扩扩扩大固溶大固溶大固溶大固溶度,微晶度,微晶度,微晶度,微晶结结结结构,构,构,构,亚稳结亚稳结亚稳结亚稳结晶晶晶晶相,非晶相,非晶相,非晶相,非晶结结结结构。构。构。构。快速凝固快速凝固的目的的目的超细组织超细组织过饱和固溶体过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃微晶、纳米晶或金属玻璃形成形成获得优异的获得优异的 强度、塑性、强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性耐磨性、耐腐蚀性 等。等。p快速凝固晶态合金的一般特点1.微观组织结构特点 微观组织细化微观组织细化 成分均匀化成分均匀化 缺陷密度增加(容易形成
13、空位)缺陷密度增加(容易形成空位)形成新的亚稳相形成新的亚稳相2.主要性能特点 (1 1)由于晶粒细化和均匀,因而具有较高的强度、)由于晶粒细化和均匀,因而具有较高的强度、韧性和延展性;韧性和延展性;(2 2)过饱和固溶体的形成起到了很好的固溶强化)过饱和固溶体的形成起到了很好的固溶强化作用;作用;(3 3)位错密度的提高增加了位错强化作用;)位错密度的提高增加了位错强化作用;(4 4)快速凝固过程中形成的亚稳相起到较好的强)快速凝固过程中形成的亚稳相起到较好的强化和韧化作用。化和韧化作用。二、快速凝固方法u1.动力学急冷法动力学急冷法u2.热力学深过冷法热力学深过冷法动力学急冷法uu 在动力
14、学急冷凝固技术中,根据熔体分离和在动力学急冷凝固技术中,根据熔体分离和冷却方式的不同,可以分成雾化技术、模冷技冷却方式的不同,可以分成雾化技术、模冷技术和表面熔化及沉积技术三大类。术和表面熔化及沉积技术三大类。原理原理:通过提高熔体凝固时的传热速率从而提通过提高熔体凝固时的传热速率从而提高凝固时的冷却速率,使熔体形核时间极短,高凝固时的冷却速率,使熔体形核时间极短,来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固,因而具有很大的凝固过熔点的较低温度凝固,因而具有很大的凝固过冷度和凝固速率。冷度和凝固速率。模冷技术uu模冷技术:使金属液接触固体冷
15、源并以传导的方式散热模冷技术:使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热模冷技术:使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热模冷技术:使金属液接触固体冷源并以传导的方式散热而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续而实现快速凝固。其主要特点是首先把熔体分离成连续或不连续的、界面尺寸很小的熔体流,然后使熔体流与或不连续的、界面尺寸很小的熔体流,然后使熔体流与或不连续的、界面尺寸很小的熔体流,然后使熔体流与或不连续的、界面尺寸很小的熔体流,然后使熔体流与旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却旋转
16、或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却旋转或固定的、导热良好的冷模或基底迅速接触而冷却凝固。凝固。凝固。凝固。模冷技术枪法双活塞法熔体旋转法平面流铸造法表面熔化与沉积技木熔体提取法急冷模法雾化技术uu 雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾化,同时通过对流的冷却方式凝固,其主化,同时通过对流的冷却方式凝固,其主要特点是在离心力、机械力或高速流体冲要特点是在离心力、机械力或高速流体冲击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。在气流或冷模接触中迅速冷
17、却凝固。流体雾化法流体雾化法雾化技术雾化技术离心雾化法离心雾化法机械雾化法机械雾化法热力学深过冷快速凝固uu热力学深过冷热力学深过冷是指通过各种有效的净化手段避免或消除金属或合金液中的异质晶核的形核作用,增加临界形核功、抑制均质形核作用,使得液态金属或合金获得在常规条件下难以达到的过冷度。采用这种技术,可以在冷速不高的情况下获得很大的凝固过冷度。因此,热力学深过冷非平衡凝固在理论上不受熔体体积限制,是实现大体积熔体非平衡凝固的有效方法。热力学深过冷方法uu1、微小液滴法微小液滴法uu2、乳化、乳化-热分析热分析法法uu3、落管法、落管法uu4、电磁悬浮熔炼法、电磁悬浮熔炼法uu5、微重力法、微
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