材料加工原理1第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月a.右邊的晶體已連成骨架，但液體還能在其間移動，為限制遷移帶b.左邊的已接近固相溫度，固相占絕大部分，骨架之間的少量液體被分割成互補溝通的小“熔池”，為顯微遷移帶寬結晶溫度范圍內合金的凝固區(qū)域液固部分：液相占優(yōu)勢固液部分：固相占優(yōu)勢1)液固部分凝固的晶體處于懸浮狀態(tài)而未連成一片，固相可以自由移動,為宏觀遷移帶。2)固液部分第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄件凝固方式一般分為三種：逐層凝固、體積凝固和中間凝固。1、逐層凝固（純金屬或共晶成分合金的凝固方式）

恒溫下結晶的金屬，在凝固過程中其鑄件斷面上的凝固區(qū)域寬度等于零，斷面上的固體和液體由一條界線清晰地分開，隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，逐步到達鑄件中心，此為“逐層凝固方式”。二、鑄件的凝固方式及其影響因素第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月逐層凝固方式特點：無凝固區(qū)或凝固區(qū)很窄凝固動態(tài)曲線上的兩相邊界的縱向間距很小或是無條件重合。

a）恒溫下結晶的純金屬或共晶成分合金

b）結晶溫度范圍很窄或斷面溫度梯度很大第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、體積凝固（鑄件斷面溫度場較平坦或結晶范圍較寬的合金）

如果合金的結晶溫度范圍很寬，或因鑄件鑄件斷面溫度場較平坦，鑄件凝固的某一段時間內，其凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個鑄件斷面，而表面溫度高于固相溫度，這種情況為“體積凝固方式”，或稱為“糊狀凝固方式”。第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月體積凝固方式（糊狀凝固方式）特點：a）鑄件斷面溫度平坦b）結晶溫度范圍很寬——凝固動態(tài)曲線上的兩相邊界縱向間距很大第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、中間凝固（結晶范圍較窄或鑄件斷面溫度梯度較大的合金）如果合金的結晶范圍較窄，或因鑄件斷面的溫度梯度較大，鑄件斷面上的凝固區(qū)域介于前兩者之間時，屬于“中間凝固方式”。第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月中間凝固方式特點：凝固初期似逐層凝固——凝固后期似糊狀凝固

a）結晶溫度范圍較窄

b）鑄件斷面的溫度梯度較大第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1.以二元共晶相圖為例說明

1.逐層凝固3.糊狀凝固

2.中間凝固

合金的結晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)影響鑄件凝固方式的因素合金的結晶溫度范圍第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月以碳鋼為例說明

第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、鑄件的溫度梯度的影響

在合金結晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內外層之間的溫度差。若鑄件內外層之間的溫度差由小變大，則其對應的凝固區(qū)由寬變窄。梯度很大的溫度場，可以使寬結晶溫度范圍的合金按中間凝固方式凝固(加高碳鋼在金屬型中凝固)，甚至按逐層凝固方式凝固。很平坦的溫度場，可以使窄結晶溫度范圍的合金按體積凝固方式凝固。所以，溫度梯度是凝固方式的重要調節(jié)因素。第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)純鋁（99%Al）在砂型和金屬型中鑄造時所測得的溫度場合凝固動態(tài)曲線

將它在砂型中的凝固動態(tài)曲線與上圖中低碳鋼的相應曲線比較則可看到，雖然工業(yè)純鋁的結晶溫度范圍為6度，比低碳鋼的22度小得多，但是低碳鋼為逐層凝固方式，而工業(yè)純鋁卻已體積凝固方式進行凝固。其原因是鋁的凝固溫度低、結晶潛熱和導熱系數(shù)大，鑄件斷面的溫度場平坦。圖2-16工業(yè)純鋁鑄件斷面的溫度場（a）和凝固動態(tài)曲線（圖b）第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月綜上,鑄件的凝固方式由結晶溫度范圍和溫度梯度共同決定：趨于體積凝固趨于逐層凝固第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月根據近代凝固理論，又把工業(yè)上常用的金屬的凝固方式分成兩大類：外生凝固和內生凝固外生凝固：特點：凝固層從金屬液-鑄型界面向中心推進。分類：宏觀光滑界面的凝固（理想的平滑界面）宏觀粗糙界面的凝固（S-L界面呈割裂的鋸齒狀）枝晶狀（海綿狀）凝固（網狀結構）機制：宏觀S-L界面連續(xù)，界面推進方向與傳熱方向相反。熱量通過固相向環(huán)境散失。凝固速率取決于傳熱速率形貌：等軸晶第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月內生凝固：特點：既可以在界面凝固，也可在金屬液內部進行。分類：糊狀凝固（表面和中心凝固速率相差不大）形殼凝固（表面凝固速率>中心）機制：宏觀S-L界面分散，界面推進方向與傳熱方向相同。熱量通過液相向環(huán)境散失。凝固速率取決于液相過冷度。形貌：等軸晶第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、窄結晶溫度范圍的合金金屬澆入鑄型后，首先在型壁處過冷，形成激冷層，然后按柱狀晶的形勢緊密生長，固相界面前沿為平面推進的方式.包括純金屬、共晶成分合金和其它窄結晶溫度范圍的合金純金屬共晶類合金窄結晶溫度范圍合金工業(yè)用銅工業(yè)用鋅工業(yè)用錫共晶成分合金近共晶成分合金低碳鋼錫青銅結晶溫度范圍小的黃銅三、結晶溫度范圍對鑄件凝固過程的影響第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸，當液態(tài)凝固成為固態(tài)而發(fā)生體積收縮時，可以不斷地得到液體的補充，所以：（1）產生分散縮松的傾向小，而是在鑄件最后凝固部位留下集中縮孔，設置冒口易消除，因此其合金的補縮特性良好；（2）這類合金鑄件在凝固過程中當收縮受阻而產生晶間裂紋時，也容易得到金屬液的充填，使裂紋愈合，所以鑄件的熱裂傾向小。（3）如果這類合金在充型過程中發(fā)生凝固時，也具有較好的充型能力。第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(一)縮孔的形成

第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄件產生集中縮孔的基本原因

金屬的液態(tài)收縮和凝固收縮之和大于固態(tài)收縮;產生集中縮孔的條件是鑄件由表及里逐層凝固?？s孔一般集中在鑄件頂部或最后凝固的部位,如果在這些部位設置冒口,縮孔將被移入冒口中。

(一)縮孔的形成

第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、寬結晶溫度范圍的合金鋁、鎂合金銅合金鐵碳合金鋁銅合金鋁鎂合金鎂合金錫青銅鋁青銅結晶溫度范圍大黃銅高碳鋼球墨鑄鐵

這類合金鑄件的凝固區(qū)域寬，液態(tài)金屬的過冷很小，容易發(fā)展為樹枝發(fā)達的粗大等軸晶組織。在凝固區(qū)域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周圍產生溶質富集，停止生長，在富集區(qū)的后面又形成一批小晶粒，這樣下去很快布滿整個凝固區(qū)域，由于結晶溫度區(qū)間大，過冷度小，形成的晶粒數(shù)目少，所以形成粗大的等軸晶。粗大的等軸晶比較早地連成晶體骨架，將尚未凝固的液體分割成小的互不溝通的熔池，最后在鑄件中形成微小縮松。同時熱裂傾向性也大，充型能力也差。第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月寬結晶范圍的合金結晶過程：在凝固區(qū)域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周圍產生溶質富集，停止生長，在富集區(qū)的后面又形成一批小晶粒，這樣下去很快布滿整個凝固區(qū)域，由于結晶溫度區(qū)間大，過冷度小，形成的晶粒數(shù)目少，所以形成粗大的等軸晶。粗大的等軸晶比較早地連成晶體骨架，將尚未凝固的液體分割成小的互不溝通的熔池，最后在鑄件中形成微小縮松。同時熱裂傾向性也大，充型能力也差。第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月(二)縮松的形成

第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）由于粗大的等軸晶比較早的兩成晶體骨架，而粗大的等軸晶的高溫強度低，當晶間因收縮出現(xiàn)裂紋時，又得不到液態(tài)金屬的及時填充使之愈合，故鑄件產生熱裂的傾向大；（1）當粗大的等軸晶互相連接以后，便將尚未凝固的液態(tài)金屬分割成一個個互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮松。采用普通冒口消除縮松是很困難的，往往采用其它措施，如增加冒口的補縮壓力，加速冷卻等.（3）若這類合金在充填過程中發(fā)生凝固，其充型能力也很差。第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

應該指出，合金的補縮特性和充型性能是一致的，不僅與凝固方式密切相關，還受初生晶形態(tài)的影響。1－液相邊界2－初生晶析出終了邊界3－固相邊界4－傾出邊界亞共晶鋁硅合金過共晶鋁硅合金四、灰鑄鐵和球墨鑄鐵的凝固第32頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月亞共晶灰鑄鐵和球墨鑄鐵凝固的共同特點：初生奧氏體枝晶能迅速布滿鑄件的整個斷面,而且奧氏體枝晶具有很大的連成骨架的能力。因此,這兩種鑄鐵都有產生縮松的可能性。但是,由于它們的共晶凝固方式和石墨長大的機理不同,產生縮孔和縮松的傾向性有很大差別。

第33頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體

灰鑄鐵共晶團中的片狀石墨,與枝晶間的共晶液體直接接觸，因此片狀石墨長大時所產生的體積膨脹大部分作用在所接觸的晶間液體上,迫使它們通過枝晶間的通道去充填奧氏體枝晶間因液態(tài)收縮和凝固收縮所產生的小孔洞,從而大大降低了灰鑄鐵產生縮松的嚴重程度。這就是灰鑄鐵的所謂“自補縮能力”第34頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第35頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第36頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第37頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第38頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月液體第39頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

球墨鑄鐵在凝固中后期,石墨球長大到一定程度后,四周形成奧氏體外殼,碳原子通過奧氏體外殼擴散到共晶團中使石墨球長大。當共晶團長大到相互接觸后,石墨化膨脹所產生的膨脹力,只有一小部分作用在晶間液體上。而大部分作用在相鄰的共晶團上或奧氏體枝晶上,趨向于把它們擠開。

第40頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

因此,球墨鑄鐵的縮前膨脹比灰鑄鐵大得多