四.液态金属的凝固-20111008

1金属结晶及组织控制高玉来Tel:56332144(O)Email:[e-mail]日新楼402室Oct.8,2011高玉来：金属结晶及组织控制2第四章液态金属的凝固第一节概述第二节凝固区域的结构和液态金属的凝固方式第三节凝固方式与铸坯宏观组织第四节焊接过程中的凝固问题高玉来：金属结晶及组织控制3第一节：概述基本概念：合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶或凝固。一次结晶和“凝固”这两个术语虽然指的是同一个状态变化过程，但它们的含意是有区别的。一次结晶是从物理化学观点出发，研究液态金属的生核、长大、结晶组织的形成规律。而凝固则是从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。第四章液态金属的凝固4凝固过程的研究方法金属凝固过程由于是在高温下进行，金属又是不透明的，因此研究起来比较困难。目前金属凝固过程的研究方法主要有：(1)倾出法：最古老、最简单。美国人Briggs最早使用。方法：在金属凝固过程的不同时刻，将未凝固的金属液倾出，观察已凝固部分的厚度和形貌等。优点：可直接得到凝固速度、固-液界面形貌方面的信息，操作简单。缺点：仅在凝固初期有效，对于宽结晶温度范围的合金，游离枝晶将一起倒出，使结果有误差。第四章液态金属的凝固5凝固过程的研究方法(2)数学解析法：始于20年代，德国H.Groher提出。理论根据：压力恒定时，金属状态是温度的函数。方法：建立数学解析式直接求解。是用数值计算法分析热流传递规律，预测凝固过程。优点：能得出温度场、凝固区域及变化规律。缺点：计算复杂，只对形状简单的铸坯有效；需要做大量假设，影响其精确性；需要有关热物性参数；难以直观反映固-液界面的形貌。第四章液态金属的凝固6凝固过程的研究方法(3)数值模拟法：方法：将数学解析方程离散为差分方程，进行求解。近年来随着计算机的普及而发展较快。优点：能得出温度场、凝固区域及其变化规律。相对于数学解析法，可解更复杂的函数式。缺点：需要做大量假设，影响其精确性。需要有关热物性参数。难以直观反映固-液界面形貌第四章液态金属的凝固7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。第四章液态金属的凝固8凝固过程的研究方法(5)X-射线衍射法：方法：用X-射线直接观察、记录凝固过程。优点：将不透明的金属透视，可直接观察其形貌。缺点：只有固、液两相对X-射线的减弱系数有较大差别时才有效。对金属厚度有限制。第四章液态金属的凝固9凝固过程的研究方法(6)激冷法（液淬法）：方法：将多个一定尺寸的试样，隔一定时间淬入水中，然后在金相显微镜下观察其凝固组织。优点：既可得到某一时刻凝固区域的大小，又可得到组织、界面形貌。缺点：固相在液淬时也会发生异常相变。在液淬过程中，凝固还在进行。不能研究大体积金属的凝固过程。第四章液态金属的凝固10凝固过程的研究方法(7)模拟物质法：方法：用蛋白质、盐溶液等模拟金属凝固过程，直接观察。优点：信息量大，研究方便。缺点：模拟物质是否能全面真实反映金属凝固过程还需要认证。第四章液态金属的凝固11凝固过程的研究方法(8)彩色金相法：方法：利用凝固层推进过程中位置不同，成分也不同的特点，用彩色金相对已经凝固的合金做特种处理，可得到其凝固过程的动态描述。优点：可视形貌。缺点：由于找不到合适的处理方法，不总是有效。第四章液态金属的凝固12凝固过程的研究方法以上方法虽能应用于凝固过程的研究，但都存在着某些缺陷，使它们的应用受到了限制。因此，这些方法都有待于不断地完善或相互有机的结合，使之能更真实地反映凝固的状态。第四章液态金属的凝固13数学解析法(Mathematicalanalysismethod)运用数学方法研究铸件和铸型的传热，主要是利用传热学原理，建立表征凝固过程传热特征的各物理量之间的方程式，即铸件和铸型的温度场数学模型并加以求解。凝固是一个相当复杂的过程，涉及到传热、传质、相变等各种复杂的初始和边界条件。要建立一个符合实际情况的微分方程式很困难，即使建立了微分方程式也未必能够求解。因此，用数学分析法研究凝固过程时，必须对过程进行合理的简化。第四章液态金属的凝固14数学解析法(mathematicalanalysismethod)第四章液态金属的凝固1516数值模拟法(numericalstimulationmethod)计算机的出现为解决数值计算法计算量大的问题提供了有力的工具。因此近十年来，凝固过程的数值模拟有了很大的进展。金属凝固过程传热、传质及流动的偶合模拟，已经能够作为预测和控制铸件质量的依据。导热微分方程的数值解法主要有有限差分法(finitedifferencemethod)、有限单元法(finiteelementmethod)、边界元法(boundaryelementmethod)等，这些方法各有特点。以有限差分法为例，介绍如下：第四章液态金属的凝固17数值模拟法(numericalstimulationmethod)第四章液态金属的凝固18数值模拟法(numericalstimulationmethod)在实际计算中，涉及时间步长△τ和空间步长△x的确定、初始条件的确定、边界条件的处理以及结晶潜热的处理等，因此实际问题要复杂得多。但是，数值模拟方法在凝固过程的研究中应用十分广泛，已经逐步被认可。第四章液态金属的凝固19温度场的实测法(measurementoftemperaturefield)铸件温度场实测法的示意图如图4-4所示。将一组热电偶的热端固定在型腔中的不同位置，利用多点自动记录电子电位计作为温度测量和记录装置，即可记录自金属液注入型腔起至任意时刻铸件断面上各测温点的温度-时间曲线(图4-5a)。根据该曲线可绘制出铸件断面上不同时刻的温度场（图4-5b）和铸件的凝固动态曲线。第四章液态金属的凝固20温度场的实测法(measurementoftemperaturefield)第四章液态金属的凝固21第二节：凝固区域的结构和液态金属的凝固方式图4-6为凝固动态曲线，它是根据直接测量的温度—时间曲线绘制的。首先在图4-6a上给出合金的液相线和固相线温度，把二直线与温度—时间相交的各点分别标注在图4-6b的(x/R，τ)坐标系上，再将各点连接起来，即得凝固动态曲线。纵坐标x是铸件表面向中心方向的距离，R是铸件壁厚之半或圆柱体和球体的半径。由于凝固是从铸件壁两侧同时向中心进行，所以当x/R=1时表示已凝固至铸件中心。图4-6c为根据凝固动态曲线绘制的自测温度开始后2分20秒的凝固状况。根据凝固动态曲线可以获得任一时刻的凝固状态。第四章液态金属的凝固22凝固区域的结构铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般都存在三个区域，即固相区，凝固区和液相区。铸件的质量与凝固区域有密切的关系。第四章液态金属的凝固23凝固区域的结构图4-7是凝固区域结构示意图，其中凝固区域由倾出边界和补缩边界又分割成三个区域。Ⅰ区（从液相边界到倾出边界）。这个区的特征为固相处于悬浮状态而未连成一片，液相可以自由移动，用倾出法做试验时，固体能够随液态金属一起被倾出。Ⅱ区（从倾出边界到补缩边界），这个区的特征为固相已经连成骨架，但液相还能在固相骨架间自由移动，这时某一部位的体积收缩能够得到其它部位液体的补充，而不至于产生缩孔或缩松。Ⅲ区（从补缩边界到固相边界）这个区的特征为固相不但连成骨架而且已经充分长大，存在于固相间隙中的少量液体被分割成一个个互不沟通的小“溶池”。这时液体再发生凝固收缩，不能得到其它液体的补缩。根据以上的分析可以看出，对铸坯质量影响最大的是Ⅲ区的宽度。可以推断凝固区域越宽，则Ⅲ区的宽度也就越宽。24凝固方式一般将金属的凝固方式分为三种类型；逐层凝固方式(skin-formingsolidification)，体积凝固方式(volumesolidification)或称糊状凝固方式(mushysolidification)和中间凝固方式(middlesolidification)。凝固方式取决与凝固区域的宽度,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。第四章液态金属的凝固25逐层凝固方式图4－8a为恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金某瞬间的凝固情况。tc是结晶温度，T1和T2是铸件断面上两个不同时刻的温度场。从图中可观察到，恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度为零。断面上的固体和液体由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心。这种情况为逐层凝固方式。第四章液态金属的凝固26体积凝固方式如果因铸件断面温度场较平坦（图4－9a），或合金的结晶温度范围很宽（图4－9b），铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域几乎贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的液体，这种情况为体积凝固方式或称糊状凝固方式。27中间凝固方式如果合金的结晶温度范围较窄（图4－10a），或者铸件断面温度梯度较大（图4－10b），铸件断面上的凝固区域宽度介于前两者之间时，称中间凝固方式。第四章液态金属的凝固28凝固方式第四章液态金属的凝固29第三节凝固方式与铸件宏观组织从凝固区域的结构分析可知，铸件的致密性和健全性与合金的凝固方式密切相关，而影响凝固方式的因素为结晶温度范围和铸件断面的温度梯度。第四章液态金属的凝固30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。纯金属和共晶成分合金在凝固时，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。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。由于集中缩孔容易消除，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，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。第四章液态金属的凝固31化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系第四章液态金属的凝固32化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系宽结晶温度范围的合金，凝固区域宽，散热条件差，容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。当粗大的等轴枝晶相互连接以后(固相约为70％)，将使凝固的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩孔，即缩松，如图4－13所示。对于这类铸件采用普通冒口消除其缩松是很难的，而往往需要采取其它辅助措施，以增加铸件的致密性。由于粗大的等轴晶比较早的连成骨架，在铸件中产生热裂的倾向性很大。这是因为，等轴晶越粗大，高温强度就越低；此外当晶间出现裂纹时，也得不到液态金属的充填使之愈合。如果这类合金在充填过程中发生凝固时，其充型性能也很差。第四章液态金属的凝固33化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系第四章液态金属的凝固34外部冷却条件与铸件质量的关系由于合金成分是根据其性能、价格、使用条件等因素确定的，一般不能随意改变。在材料加工过程中，要改变合金的凝固方式，调节空间较大的是加工工艺，或者说可以通过外部条件来调整合金的凝固方式。第四章液态金属的凝固35外部冷却条件与铸件质量的关系由于合金成分是根据其性能、价格、使用条件等因素确定的，一般不能随意改变。在材料加工过程中，要改变合金的凝固方式，调节空间较大的是加工工艺，或者说可以通过外部条件来调整合金的凝固方式。第四章液态金属的凝固36铸件在非金属型中冷却非金属型（一般指砂型）的导热系数比金属铸件的导热系数小得多，即λ2/λ11。铸件在非金属型中凝固冷却时，由于铸型的导热系数小，所以铸件冷却缓慢，其断面上的温差很小。由于同样理由，铸型内表面被铸件加热至很高的温度，而其外表面仍处于较低的温度，断面上的温差很大。