液态金属在特殊条件下的凝固及成形共40页

薛小怀 副教授
固溶体的性能
由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格 都会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的 阻力，使滑移变形难以进行，因此固溶体的强度 和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。
这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而 使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。
薛小怀 副教授
金属化合物
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
薛小怀 副教授
GL S
L(T0T)LT
T0
T0
△T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为 定值，故△GL→S仅与△T有关。因此，液态金属结
晶的驱动力是由过冷提供的，过冷度越大，结晶
驱动力也就越大。过冷度为零时，驱动力就不复
存在。所以液态金属不会在没有பைடு நூலகம்冷度的情况下
薛小怀 副教授
具有复杂结构的间隙化合物性能特点：
具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙 相相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类 化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属 化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金 属化合物为基的固溶体。
薛小怀 副教授
纯金属的结晶
金属由液态转变为晶体状态的 过程称为结晶或一次结晶。
金属化合物是合金组元间相互作用所形成的 一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金 固相。
一般可用分子式大致表示其组成。金属化 合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的 脆性。
合金中出现化合物时，可提高强度、硬度 和耐磨性，但降低塑性。
薛小怀 副教授
（1）正常价化合物
周期表上相距较远，电化学性质相差较大 的两元素容易形成正常价化合物。其特点是符 合一般化合物的原子价规律，成分固定，并可 用化学式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。

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第四章 液态金属的凝固
凝固过程的研究方法
(4) 多点热分析法——凝固曲线法： 代表性工作是50年代Rudde做的。 方法：实测不同部位铸坯温度随时间变化的曲线，据此得 到凝固动态曲线、温度场等。 优点：结果可靠。 缺点：不能反映固-液界面组织、界面形貌。有些情况下 实测困难。
7
第四章 液态金属的凝固
第四章 液态金属的凝固
凝固方式
一般将金属的凝固方式分为三种类型； 一般将金属的凝固方式分为三种类型；逐层凝固方式 (skin-forming solidification)，体积凝固方式(volume solidification)，体积凝固方式(volume (skinsolidification)或称糊状凝固方式(mushy solidification)和 solidification)或称糊状凝固方式(mushy solidification)和 或称糊状凝固方式 中间凝固方式(middle solidification)。 中间凝固方式(middle solidification)。凝固方式取决与凝固 区域的宽度, 区域的宽度,而凝固区域的宽度取决于合金的结晶温度范围和冷 却强度。 却强度。
化学成分、 化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系
化学成分决定了合金结晶的温度范围。 化学成分决定了合金结晶的温度范围。纯金属和共晶成分 合金在凝固时，由于结晶温度范围是零， 合金在凝固时，由于结晶温度范围是零，因此没有液固共存的 凝固区，以逐层方式凝固，其凝固前沿直接与液态金属接触。 凝固区，以逐层方式凝固，其凝固前沿直接与液态金属接触。 当液态凝固成为固体而发生体积收缩时，可以不断地得到液体 当液态凝固成为固体而发生体积收缩时， 的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小， 的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小，而是在铸件最后 凝固的部位留下集中缩孔，如图4 12。 凝固的部位留下集中缩孔，如图4－12。由于集中缩孔容易消除 一般认为这类合金的补缩性良好。 ，一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状铸件会出现 中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中， 中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中，当收缩受阻而产生晶间 裂纹时，也容易得到金属液的填充，使裂纹愈合。 裂纹时，也容易得到金属液的填充，使裂纹愈合。

能最低，处于热力学稳定状态。对于
α ＞2 的物 质 ， 只 有 当 x ＜0.05 和x ＞
0.95时，界面的自由能才是最低的，
处于热力学稳定状态。因此，有两种
不同的界面。
33
(2) 固一液界面的微观结构 a. 粗糙界面 当α≤2，x=0.5时，界面为最稳定的结构，这时界面上有一半 位置被原子占据，而一半位置则空着，其微观上是粗糙的， 高低不平，称为粗糙界面。大多数的金属界面属于这种结构。
)]
k1
exp[(GA G均* kBT
)]
此式由两项组成：
e 1） G均* / kBT ；由于生核功随过冷度增大而减小，它反比于
ΔT2。故随过冷度的增大，此项迅速增大，即生核速度迅速增 大；
e 2） GA / kBT ；由于过冷增大时原子热运动减弱，故生核速
度相应减小；
12
上述两个矛盾因素的综合作用，使生核速度I随过冷度ΔT变化 的曲线上出现一个极大值。过冷度开始增大时，前一项的贡 献大于后一项，故这时生核速度随过冷度而增大；但当过冷 度过大时，液体的粘度迅速增大，原子的活动能力迅速降低， 后一项的影响大于前者，故生核速度逐渐下降。
根据相变动力学理论液态金属中原子在结晶过程中的能量变化如图所示高能态的液态原子变成低能态的固态中的原子必须越过能态更高的高能态g区高能态区即为固态晶粒与液态相间的界面界面具有界面能它使体系的自由能增加
第三章 液态金属的凝固形核及生长方式
液态金属转变成晶体的过程称为液态金属的结晶或金属的一 次结晶
液态金属的结晶过程决定着铸件凝固后的组织，并对随后冷 却过程的相变、过饱和相的析出及铸件的热处理过程产生极大 的影响。此外，它还影响到结晶过程中的其他伴生现象，如偏 析、气体析出、补缩过程和裂纹形成等。因此对铸件得质量、 性能以及其他的工艺过程都具有及其重要得作用。

第三十七页，本课件共有51页
4.铸造应力-热应力
室温下： 先冷受压
后冷受拉
第三十八页，本课件共有51页
第三类缺陷：变形、裂纹
除了正常收缩变形
铸件外形不规则变形 外形破坏：裂纹
成因
铸件不均匀的内应力
热应力 机械应力
铸件强度降低
第三十九页，本课件共有51页
防止铸造应力：同时凝固
同时凝固
第四十五页，本课件共有51页
第四类缺陷：气孔
来源：
空气，炉料或铸型所带 的气体、铁锈、油渍、 煤粉、木屑和水分等有 机物
气孔种类：
析出性气孔 侵入性气孔 反应性气孔
第四十六页，本课件共有51页
小结：共晶铸铁
共晶成分铸铁具有优良的铸造性能
恒温下结晶（1148°C）-结晶温度范围为0
铸造缺陷导致铸件报废
铸件表面胀起及热裂纹
铸件内部大量气孔
晶间腐蚀
冷裂纹 、冷隔裂纹
第八页，本课件共有51页
古钱币-咸丰通宝背拾文雕母钱
第九页，本课件共有51页
古钱币 -宣统通宝宫钱背天下太平阔缘
第十页，本课件共有51页
古钱币-顺治连水治母钱
第十一页，本课件共有51页
常见铸造缺陷
析出气孔 多肉
铸型排气能力
铸型的排气能力影响型腔气压
浇注条件
浇注温度
温度高，保持流动的时间长（浇注温度）
充型压力
压力高有利于充型
▪ 压力铸造、低压铸造、离心铸造
铸件结构条件
铸件大小
铸件壁厚（壁厚）
第二十一页，本课件共有51页
合金流动性实验
液态金属的充型 能力
合金的流动性
第二十二页，本课件共有51页

合金成分和温度
铸件的收缩
铸型、型芯条件
铸件结构
第23页/共47页
常用铸造合金的收缩率
合• 金铸造合含金从碳浇量注，凝固浇直注到至冷却液到态室温的过凝程固中，其体固积或态尺寸缩总减收的现缩 种类象，称（为收%缩）。收缩是温铸度件产生缩收孔缩、缩松、收裂缩纹、变形收的根缩源。 （%）
• 液态收缩
铸造• 碳钢•
（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
第34页/共47页
（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。
1、合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸 件
产生变形和裂纹的基本原因。
按阻碍收缩的原因分为：
1）热应力

三种凝固方式示意图
铸件质量与其凝固方式密切相关。一般，逐层凝 固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松；糊 状凝固，则难以获得结晶紧密的铸件。
影响凝固方式的因素
• 合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小, 凝固区愈窄，愈倾向于逐层凝 固；反之，则倾向于逐层凝固。 铸件的温度梯度 当合金成分已确定，凝固 区的宽窄，取决于其内外层的 温度梯度。铸件的温度梯度愈 大，凝固区愈窄，愈倾向于逐 层凝固。铸件的温度梯度愈小 ， 凝固区愈宽，愈倾向于糊 状凝固。
合金的总收缩为上述三种收缩的总和。其中 液态收缩和凝固收缩形成铸件的缩孔和缩松，固 态收缩使铸件产生内应力、变形和裂纹。
合金的收缩量可用体收缩率和线收缩率来表示。 体收缩率：单位体积的变化量。 线收缩率：单位长度的变化量。
• 液态收缩时，合金从浇注温 度冷却到液相线温度。（体 收缩） • 凝固收缩时，合金从液相线 温度冷却到固相线温度。 （体收缩） • 固态收缩时，合金从固相线 温度冷却到室温。 （线收缩）
• 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸件，采用同时凝 固原则，铸件热应力小，但在铸件中心往往产生缩松。
• 对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松，又要减小热应力， 防止变形和裂纹，这两种凝固原则可同时采用。
• 合理应用冒口、冷铁等工艺措施 冒口一般设置在铸件厚 壁和热节部位，尺寸应保证 比补缩部位晚凝固，并有足 够的金属液供给，形状多为 园柱形。 冷铁通常是用铸铁、钢 和铜等金属材料制成的激冷 物，与冒口配合，可扩大冒 口的有效补缩距离。
防止措施：使芯撑、冷铁表面保持干燥，无油无 锈。
1.合金的流动性
（1）慨念： 指液态金属的流 动能力，在铸造过程中即表现 为液态金属充填铸型的能力。 合金流动性的大小，通常以螺 旋形试样的长度来衡量。

图 连续生产锭材的工艺原理图
1－感应加热坩埚2—气体雾化器（喷嘴）3—圆柱沉积锭 4—沉积室5—排气管6—循环分离器
图
几种激光表面熔化处理方法的工作原理图a）表面硬化 b）表源自熔凝 c）表面合金化 d）表面粘附
3、快速凝固的产物及其特征
快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化
可形成具有特殊性能的新材料。
2） 功率降低法 （P. D法）
铸型加热感应圈分两段 铸件在凝固过程中不移动。 GL随着凝固的距离增大而 不断减小。GL、R值都不 能人为地控制。
• 3） 快速凝固法 （H. R. S法）
• 铸型加热器始终加热， 在凝固时，铸件与加 热器之间产生相对移 动。
• 与P. D法相比可以大大 缩小凝固前沿两相区， 局部冷却速度增大， 有利于细化组织，提 高机械性能。
（3）表面熔化与沉积技术
喷射沉积法可根据制件的需要设计基板的形状和尺寸，从而 获得最终制件或近终形制件，因此更容易实现工业化生 产。 该技术是由英国Swansee大学singer于70年代发明的，并很快 在Osprey金属有限公司实现工业化生产，目前已经在许 多国家得到广泛应用。
1 —沉积室2 —基板3 —喷射粒子流4 —气体雾化室5－合金液6一坩埚 7 －雾化气体 8 —沉积体9 －运动机构 10 —排气及取料窒
•
•
1、快速凝固的条件
实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液/固相变 时有极高的热导出速度。 如果依靠辐射散热，对于直径为1μm，温度为1000℃的 金属液滴，获得的极限冷却速率只有103K/s，可见冷却 速度不高； 通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为 5μm的试样，获得的极限冷速为1×104~2×104 K/s；

15
非均质形核与均质形核时临界曲
率半径大小相同，但球缺的体积
θ '＞ θ "
比均质形核时体积小得多。所以， Δ T * " I h e " I h e '
Iho
液体中晶坯附在适当的基底界面 I
Δ T *'
上形核，体积比均质临界核体积
ΔT *
小得多时，便可达到临界曲率半
径，因此在较小的过冷度下就可 以得到较高的形核率。
核过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。
8
（一）形核功及临界半径
晶核形成时，系统自由能变化由两 部分组成，即作为相变驱动力的液固体积自由能之差（负）和阻碍相 变的液-固界面能（正）：
G V ( G V)ASL
G3 4r3G V4r2SL
r＜ r*时，r↑→ΔG↑ r = r*处时，ΔG达到最大值ΔG* r ＞r*时，r↑→ΔG↓
25
粗糙界面与光 滑界面是在原子 尺度上的界面差 别，注意要与凝 固过程中固－液 界面形态差别相 区别，后者尺度 在μm 数量级。
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（三）晶体微观长大方式和长大速率
晶体长大也需要一定的过冷度。长大所需的界面过冷度称为
动态过冷度，用∆Tk表示。具有光滑界面的物质，其∆Tk约为 1~2℃。具有粗糙界面的物质，∆Tk仅为0.01~0.05℃。这说明， 不同结构类型的界面，具有不同的长大方式。
粗糙界面连续长大：
V1 =K1·∆T
光滑界面螺旋长大：
V3 K3T2
光滑界面二维晶核长大：
V2K2eBT
第三章 凝固热力学与动力学
31
常见控制形核方法
增大冷却速率，在大的过冷度下形核； 利用浇注过程的液流冲击造成型壁上形成的晶粒脱落； 采用机械振动、电磁搅拌、超声振动等措施使已经形成 的树枝状晶粒破碎，获得大量的结晶核心，最终形成细 小的等轴晶组织。 添加晶粒细化剂，促进异质形核；

2.影响因素
① 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造 合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
② 浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 ③ 铸件结构 与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不
同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍， 又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总 是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越 小。
因消除后，应力随之消失。 • 残余应力——应力长期存在一直保留到室温的应力。
应用科学学院
第21页，共44页。
第一节 金属液态成形工艺基础
（三）铸造内应力
• 铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是 铸件产生变形和裂纹的基本原因。
铸造（内）应力：
铸造应力
应用科学学院
铸件收缩受到机械阻碍
➢流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。 ➢流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进
行补缩。 ➢不同的合金具有不同的流动性。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必
须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？
应用科学学院
第2页，共44页。
第一节 金属液态成形工艺基础
应用科学学院
第6页，共44页。
温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
0 80 60 40 20 0
Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
应用科学学院
第7页，共44页。
Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系 亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金

充型能力越强。 3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。

2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
17
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
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2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
4
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2

• （3）铸型条件与铸型结构
• 由于铸型和型心的阻碍，铸件的实际收缩率小于自由收缩 率。因此，在制作模样时要根据合金的种类，给与合理的 考虑。
.
7
• 三、缩孔和缩松的形成及防止
若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则
在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小
和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。
• （2）球墨铸铁：因流动性比灰铁差，需提高铁液出炉 温度、加大浇注系统截面以增大充型速度；因其液态和 固态收缩率大，应采取顺序凝固法防止缩孔和缩松的产 生；铸造应力较大，有变形和冷裂的倾向。
.
10
• （3）可锻铸铁 • 流动性差、收缩率大，缩孔和裂纹倾向大，工艺措施
与球墨铸铁基本相同。
• 2、铸钢 • 铸钢因浇注温度高，凝固温度范围宽，且为糊状结晶，
金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，
合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。
.
4
• （2） 浇注温度
•
浇注温度越高，液态合金的流动性越好，若过高，铸
件易产生缩松、粘沙等缺陷。一般浇注温度控制在：铸钢
1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。
• （3）铸型填充条件
• 内浇道横截面小、型腔表面粗糙、型砂透气性差都会增加 液态合金的流动阻力；铸型材料的导热性过大，使液体金 属凝固快，同样会降低流动性。
第七章 金属的液态成形
什么是金属的液态成形:
即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔 中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦 称铸造.
金属的液态成形的作用: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。
按铸型材料的不同，金属液态形可分为砂型铸造和特

的界面热阻； （4）主要通过传导的方式散热。
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（2）大过冷凝固技术
大过冷凝固技术的原理：在熔体中形成尽可能 接近均匀形核的凝固条件，从而获得大的凝固 过冷度。
通常在熔体凝固过程中促进非均匀形核的形核 媒质主要来自熔体内部和容器壁。
因此大过冷技术就是设法消除来自熔体内部和 容器壁的形核媒质。
措施： ① 把熔体弥散成熔滴。当熔滴体积很小、数量很
多时，每个熔滴中含有的形核媒质数目非常少， 从而产生接近均匀形核的条件。 ② 设法把熔体与容器壁隔开，甚至不用容器。
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二、急冷凝固技术及特点
急冷凝固技术可分成三类： ① 模冷技术； ② 雾化技术； ③ 表面熔化与沉积技术。
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（一）模冷技术
模冷技术主要是：使熔体与冷模接触并以传导的方式 散热。
枪法
双活塞法
熔体旋转法
模冷技术 平面流铸造法 熔体提取法
急冷模法
表面熔化与沉积技木
电子束急冷淬火法
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模冷技术的特点
优点：熔体的凝固冷速较高，产品的微观 组织结构和性能也比较均匀。
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（二）雾化技术
雾化技术：指采取某种措施将熔体分离雾 化，同时通过对流的方式冷凝。
雾化技术
流体雾化法 离心雾化法 机械雾化法
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雾化技术的特点
优点：产品主要是粉末，可以不用粉碎而直接固 结成形为大块材料或工件，因此生产成本较低， 便于大批量生产。
缺点： （1）主要以对流方式冷却，因此凝固冷速一般不

r2，则得到附加压力与曲率半
r
径的关系式
r
p p 2
r
p2r(l g)gh
第31页，共39页。
第32页，共39页。
由 于 表 面 张 力 的 作 用 产 生 了 一 个 附 加 压 力 p。 当 固 一 液 互 相 润 湿 时 ， p有 利 于 液 体 的 充 填 ， 否 则 反 之 。 当 曲 面 为 球 面 时 附 加 压 力 p的 数 学 表 达 式 为
第13页，共39页。
液态金属的结构
１）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成
。
２）特征：“近程有序”、“远程无序”
原子间能量不均匀
性，存在能量起伏。
原子团是时聚时散
，存在结构起伏。
同一种元素在不同
原子团中的分布量，存
在成分起伏。
液态金属结构示意图
第14页，共39页。
金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就 是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程 ，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（ 晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（ 晶态）的转变均属于结晶过程。
第3页，共39页。
水凝结成雪花晶体
第4页，共39页。
*
Schematic of thermoplastic Injection molding machine
塑料注射成型后的凝固
第5页，共39页。
液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体
金属
第Байду номын сангаас页，共39页。
材料的固液转变
H2O的 “三态”转变
表
1.2
观
1
粘
0.8
度
0.6