1、鑄造金屬遺傳學(xué)山東大學(xué)山東大學(xué) 邊秀房邊秀房一、一、 鑄造過程中遺傳現(xiàn)象的基本概念鑄造過程中遺傳現(xiàn)象的基本概念n70年代，法國(guó)冶金學(xué)家年代，法國(guó)冶金學(xué)家Margerie指出：將鑄件的某些指出：將鑄件的某些性能與加入熔爐內(nèi)的原材料聯(lián)系起來，這就是所謂的性能與加入熔爐內(nèi)的原材料聯(lián)系起來，這就是所謂的”遺傳效應(yīng)遺傳效應(yīng)”，并發(fā)現(xiàn)鑄鐵鑄造生產(chǎn)中的某些缺陷，如，并發(fā)現(xiàn)鑄鐵鑄造生產(chǎn)中的某些缺陷，如白口、熱裂與收縮傾向、氣孔等都具有遺傳性。白口、熱裂與收縮傾向、氣孔等都具有遺傳性。1 12 2 共晶鑄鐵的液體結(jié)構(gòu)對(duì)固體組織的遺傳作用共晶鑄鐵的液體結(jié)構(gòu)對(duì)固體組織的遺傳作用n 近半個(gè)世紀(jì)以來，冶金工作者注意到只

2、有將鑄鐵過熱近半個(gè)世紀(jì)以來，冶金工作者注意到只有將鑄鐵過熱到到 一定溫度才能保證鑄件的質(zhì)量，但對(duì)具體的過熱溫一定溫度才能保證鑄件的質(zhì)量，但對(duì)具體的過熱溫度及其對(duì)鑄件內(nèi)在質(zhì)量的影響機(jī)制一直是一個(gè)學(xué)術(shù)爭(zhēng)度及其對(duì)鑄件內(nèi)在質(zhì)量的影響機(jī)制一直是一個(gè)學(xué)術(shù)爭(zhēng)論焦點(diǎn)。論焦點(diǎn)。 E. E.T系統(tǒng)研究了共晶成分鑄鐵的液體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)研究了共晶成分鑄鐵的液體結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)及其與固體組織、實(shí)用性能之間的聯(lián)系，揭物理性質(zhì)及其與固體組織、實(shí)用性能之間的聯(lián)系，揭示了鑄鐵遺傳性的本質(zhì)。示了鑄鐵遺傳性的本質(zhì)。n在在t1溫度以下，鑄鐵熔體由微觀多相結(jié)構(gòu)組成。在溫度以下，鑄鐵熔體由微觀多相結(jié)構(gòu)組成。在t1到到t2溫度范圍內(nèi)，熔體的表

3、面張力隨溫度的提高而溫度范圍內(nèi)，熔體的表面張力隨溫度的提高而增大，說明在該階段熔體微觀不均勻性結(jié)構(gòu)的存在增大，說明在該階段熔體微觀不均勻性結(jié)構(gòu)的存在和均勻性程度的不斷提高。在和均勻性程度的不斷提高。在t2 溫度，熔體結(jié)構(gòu)發(fā)溫度，熔體結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，這與熔體碳化物的破壞有密切關(guān)系。生明顯變化，這與熔體碳化物的破壞有密切關(guān)系。這種熔體的結(jié)構(gòu)、表面張力隨熱歷史的變化可簡(jiǎn)要這種熔體的結(jié)構(gòu)、表面張力隨熱歷史的變化可簡(jiǎn)要的用圖的用圖1.3表示。表示。n 圖圖1.4為鑄鐵熔體加熱溫度與石墨形態(tài)的關(guān)系。結(jié)為鑄鐵熔體加熱溫度與石墨形態(tài)的關(guān)系。結(jié)合圖合圖1.4和圖和圖1.3可以看出：溫度超過可以看出：溫度超過t

4、2時(shí)，鑄鐵熔體時(shí)，鑄鐵熔體具有較強(qiáng)的脫碳作用，這就是熔煉溫度與石墨形態(tài)具有較強(qiáng)的脫碳作用，這就是熔煉溫度與石墨形態(tài)的關(guān)系以及鑄鐵遺傳性的實(shí)質(zhì)。的關(guān)系以及鑄鐵遺傳性的實(shí)質(zhì)。13 鋁基合金的液體結(jié)構(gòu)對(duì)固體組織的遺傳作用鋁基合金的液體結(jié)構(gòu)對(duì)固體組織的遺傳作用圖1.5給出了A1Si、A1一Ce、A1Mn、A1Sn合金二元狀態(tài)圖上膠狀粒子的亞穩(wěn)定溫度范圍。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金加熱到圖中虛線溫度以上時(shí)，在相同的凝固條件下，固體組織發(fā)生明顯變化。l.4 PbSb合金液相轉(zhuǎn)變對(duì)固體組織的遺傳作用合金液相轉(zhuǎn)變對(duì)固體組織的遺傳作用15 SnPb合金熔體中的微觀不均勻現(xiàn)象合金熔體中的微觀不均勻現(xiàn)象二、金屬遺傳性的物理化

5、學(xué)基礎(chǔ)n金屬的遺傳性是鑄造過程中普遍存在的客觀規(guī)律。在從金屬爐料到鑄件或鑄錠產(chǎn)品的整個(gè)鑄造加工過程中，根據(jù)人們對(duì)金屬組織遺傳性問題的綜合研究結(jié)果，可把鑄造過程中的遺傳性通過這樣一條相互聯(lián)系的鏈來表示，如圖21所示。 金屬的遺傳性是一個(gè)有機(jī)的整體，通?？梢曰譃槿齻€(gè)階段：遺傳信息的儲(chǔ)存，遺傳信息的傳遞和遺傳信息的表現(xiàn)。2 21 1 元素的性質(zhì)和濃度對(duì)合金性能的元素的性質(zhì)和濃度對(duì)合金性能的遺傳影響遺傳影響2 22 2 一些元素的濃度對(duì)合全性能的一些元素的濃度對(duì)合全性能的遺傳影響遺傳影響2 23 3 遺傳性的熱力學(xué)分析遺傳性的熱力學(xué)分析2. 4 金屬遺傳機(jī)制研究三、爐料組織遺傳的工藝條件主要影響條件

6、n3.1 3.1 爐料儲(chǔ)存時(shí)間爐料儲(chǔ)存時(shí)間3.2 3.2 熔化速度熔化速度n3.3 3.3 熔體保溫溫度及時(shí)間熔體保溫溫度及時(shí)間3.4 3.4 澆注和結(jié)晶條件澆注和結(jié)晶條件3.5 3.5 爐料加入順序爐料加入順序四、四、 AlTiBAlTiB中間合金的遺傳性中間合金的遺傳性 中間合金是種用于微細(xì)化鋁及其合金組織、改善其加工工藝性能，提高鋁制品質(zhì)量的持殊爐料；出于A1TiB中間合金組織形態(tài)不同，在加入Ti、B量相同的情況下，對(duì)鋁及其合金的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的遺傳效應(yīng)；另外，該中間合金在制備過程中，組織形成也與金屬的遺傳性有關(guān)。4.1 4.1 熔煉條件對(duì)熔煉條件對(duì)4.2 4.2 原料與原料與AlTi

7、B AlTiB 中間合金組織間遺傳規(guī)律的研究中間合金組織間遺傳規(guī)律的研究4.3 AlTiB4.3 AlTiB中間合金組織的遺傳與變異及變形處理中間合金組織的遺傳與變異及變形處理 4.3 AlTiB4.3 AlTiB中間合金組織的遺傳與變異及變形處理中間合金組織的遺傳與變異及變形處理 4.4 AlTiB4.4 AlTiB中間合金細(xì)化效果的組織遺傳效應(yīng)中間合金細(xì)化效果的組織遺傳效應(yīng) TiAl3化合物是A1Ti中間合金中的主要形核相，也是A1TiB中間合金中的重要形核相。因此，A1Ti(B)中間合金中的TiAl3化合物形態(tài)和分布將對(duì)鋁合金的組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的遺傳效應(yīng)。為便于分析，首先從簡(jiǎn)單的A1Ti中間

8、合金開始分析。五、鋁合金變質(zhì)過程的組織遺傳效應(yīng)五、鋁合金變質(zhì)過程的組織遺傳效應(yīng)A1TiB中間合金作為鋁及其合金用晶粒細(xì)化劑，中間合金作為鋁及其合金用晶粒細(xì)化劑，主要起細(xì)化作用的是該合金中主要起細(xì)化作用的是該合金中TiB2、TiAl3、A1B2等晶體顆粒。細(xì)化作用的實(shí)質(zhì)是影響金等晶體顆粒。細(xì)化作用的實(shí)質(zhì)是影響金屬的形核過程。它們?cè)谥虚g合金中所處的形屬的形核過程。它們?cè)谥虚g合金中所處的形態(tài)、大小、分布及其能量和表面狀態(tài)對(duì)所處態(tài)、大小、分布及其能量和表面狀態(tài)對(duì)所處理的合金有直接的遺傳效應(yīng)。理的合金有直接的遺傳效應(yīng)。5.1 A1Sr5.1 A1Sr中間合金變形組織的遺傳效應(yīng)中間合金變形組織的遺傳效應(yīng)

9、圖圖5.1(a)5.1(a)為為Al5Al5SrSr中間合金錠料中間合金錠料SFMSFM照照片，圖中所示的板片狀化合物是片，圖中所示的板片狀化合物是A14SrA14Sr相，相，基體上細(xì)小的條狀簇為共晶相基體上細(xì)小的條狀簇為共晶相(A1+A14Sr)(A1+A14Sr)。圖圖5.1(b)5.1(b)是這種合金經(jīng)鍛壓變形處理后的是這種合金經(jīng)鍛壓變形處理后的SEMSEM照片。經(jīng)變形處理后，板條狀照片。經(jīng)變形處理后，板條狀A(yù)14SrA14Sr相被打碎成塊狀或粒狀，且分布比較均勻。相被打碎成塊狀或粒狀，且分布比較均勻。5 52 A1Sr2 A1Sr中間合金激冷組織的遺傳效應(yīng)中間合金激冷組織的遺傳效應(yīng)六、

10、鑄造缺陷的遺傳性六、鑄造缺陷的遺傳性6.1 6.1 鋁硅合金中氣孔的遺傳性鋁硅合金中氣孔的遺傳性6 62 2 鑄鐵縮松的遺傳性鑄鐵縮松的遺傳性七、液態(tài)金屬的熱速處理理論及其應(yīng)用七、液態(tài)金屬的熱速處理理論及其應(yīng)用 所謂液態(tài)金屬的熱速處理(在俄文文獻(xiàn)中稱TCO或TBO)，就是在金屬或合金熔煉時(shí)，把液體過熱到液相線以上一定溫度(通常是液相線以上250一350)，然后再迅速冷卻到澆注溫度進(jìn)行澆注的鑄造工藝。其目的是為了充分發(fā)揮材料的潛力，提高金屬或合金產(chǎn)品的性能，顯著改善鑄錠和鑄件的質(zhì)量。 1. 金屬或合金由固態(tài)向液態(tài)的轉(zhuǎn)變，不會(huì)引起近程有序結(jié)構(gòu)的重新組合。 2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)是微觀不均勻的，它是由成分

11、和結(jié)構(gòu)不同的游動(dòng)的原子集團(tuán)與它們之間的各種組元原子呈紊亂分布的無(wú)序帶所組成。在集團(tuán)內(nèi)部，原子的排列和組合與原有的固體相似。3在液態(tài)金屬及其合金中，如同固體中相類似，存在著同素異構(gòu)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。4. 盡管金屬熔體中的許多動(dòng)力學(xué)過程和擴(kuò)散過程有較大的進(jìn)行速度，但在它們中發(fā)生的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變速度與其相比是相當(dāng)?shù)偷摹?在固(原始爐料)一液(熔體)一固(固體金屬)之間存在著不可忽視的遺傳聯(lián)系。6在制訂金屬和合金的熔煉工藝時(shí)，確定過程進(jìn)行的最合適的溫度具有重要意義。7 72 2 液體金屬熱速處理的工藝條件液體金屬熱速處理的工藝條件7.4 7.4 熱速處理工藝在其它合金材料中的應(yīng)用熱速處理工藝在其它合金材料中的應(yīng)用7.4.1 7.4.1 鑄鐵材料鑄鐵材料 7.4.2 7.4.2 鎳基耐熱合金鎳基耐熱合金對(duì)鎳基耐熱合金熔體結(jié)構(gòu)和物性的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)鎳基耐熱合金熔體結(jié)構(gòu)和物性的實(shí)驗(yàn)研究，也證實(shí)了凝固前熔體中存在著不平衡性，鎳基也證實(shí)了凝固前熔體中存在著不平衡性，鎳基合金的電阻率和表面張力與溫度的關(guān)系曲線有合金的電阻率和表面張力與溫度