金屬凝固原理與技術(shù)全套PPT課件授課內(nèi)容本課程以金屬材料凝固過(guò)程為主線，介紹了金屬材料凝固技術(shù)及其發(fā)展，金屬凝固的基本理論，包括液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)，凝固過(guò)程的三傳；金屬凝固過(guò)程中的形核及長(zhǎng)大，鑄件凝固宏觀組織及其控制技術(shù)，凝固缺陷及其控制等。介紹了典型液態(tài)成型方法及其凝固過(guò)程，包括鑄錠的凝固，連鑄坯的凝固及快速成形技術(shù)等。目的是使材料成型及控制工程專(zhuān)業(yè)的本科生掌握金屬材料凝固成形的基本原理及相關(guān)技術(shù)。課程安排第1章緒論（2學(xué)時(shí)）第2章液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)及性質(zhì)（3學(xué)時(shí)）第3章凝固過(guò)程的傳熱（3學(xué)時(shí)）第4章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)（4學(xué)時(shí)）第5章合金的凝固（6學(xué)時(shí)）第6章凝固組織及其控制（8學(xué)時(shí)）第7章凝固缺陷及其控制（5學(xué)時(shí)）

第8章大型鑄件的凝固（4學(xué)時(shí)）第9章連鑄坯的凝固（7學(xué)時(shí)）第10章快速成形技術(shù)

（4學(xué)時(shí)）總復(fù)習(xí)（2學(xué)時(shí)）第1章緒論金屬凝固成形技術(shù)及其發(fā)展教學(xué)目的：了解：金屬凝固技術(shù)在材料加工過(guò)程中的作用；理解并掌握：1凝固理論的內(nèi)容

2凝固成形的研究?jī)?nèi)容；

3凝固成形技術(shù)的發(fā)展。教學(xué)重點(diǎn)：經(jīng)典凝固理論的內(nèi)容及現(xiàn)代凝固理論的發(fā)展凝固成形在材料加工過(guò)程中的作用凝固成形的研究?jī)?nèi)容主要內(nèi)容1.1凝固技術(shù)在材料成形中的作用1.2金屬凝固理論與技術(shù)的發(fā)展1.1金屬凝固技術(shù)在材料成型中的作用傳統(tǒng)凝固技術(shù)，即鑄造，屬于典型的熱加工成形，其產(chǎn)品是鑄件或鑄坯。成形產(chǎn)品既可以作為成品件使用，也可以作為后續(xù)塑性成形、連接成形及切削成形的原料。金屬凝固成形是制造業(yè)的重要環(huán)節(jié)和組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。材料成形與裝備制造

原材料(錠料、軋材)凝固成形塑性成形焊接成形表面加工熱處理切削加工裝配

切削加工切削加工凝固成形塑性成形焊接成形機(jī)器裝備鋼材零件材料加工的主要方法加工熱加工鑄鍛焊——凝固（液態(tài)）成形——連接成形熱處理、表面加工、粉冶加工——塑性（固態(tài)）成形冷加工——車(chē)、銑、刨、鉗、磨1.2金屬凝固理論與技術(shù)的發(fā)展1.2.1金屬凝固理論的發(fā)展凝固：液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過(guò)程。凝固理論的發(fā)展分為三個(gè)階段：（1）20世紀(jì)60年代前誕生了經(jīng)典凝固理論（2）20世紀(jì)60年代后的應(yīng)用研究與新技術(shù)開(kāi)發(fā)（3）近代凝固學(xué)發(fā)展新時(shí)期凝固是液態(tài)成形的核心，它影響著鑄件的凝固組織和凝固缺陷的形成，進(jìn)而決定了產(chǎn)品的凝固質(zhì)量和力學(xué)性能。凝固理論建立的基礎(chǔ)是傳熱學(xué)、熱力學(xué)、分子物理、金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)及流體力學(xué)等。經(jīng)典凝固理論主要包括晶體生長(zhǎng)、晶體缺陷生長(zhǎng)、成分過(guò)冷、凝固過(guò)程擴(kuò)散場(chǎng)理論解、兩相區(qū)流動(dòng)效應(yīng)、平方根定律等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，極端條件下的凝固過(guò)程（快速凝固，極低速凝固）和特殊條件下的凝固過(guò)程（微重力凝固，超重力凝固，超高壓凝固）的研究成為可能。凝固過(guò)程控制主要內(nèi)容是：晶核形成、晶體長(zhǎng)大、組織形態(tài)、溶質(zhì)分布、缺陷形成及預(yù)防等。1.2.2凝固技術(shù)及其發(fā)展金屬凝固技術(shù)：指熔融金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢ㄐ螤?、組織及性能的固態(tài)的過(guò)程。凝固技術(shù)包括:砂型鑄造、特種鑄造、半固態(tài)成型、快速凝固、非晶制備等。鑄造：熔煉金屬，并將熔融金屬澆注、壓射或吸入鑄型型腔中，凝固成為一定形狀和性能的鑄件。模鑄的主要工藝流程：2023/7/515

手工造型

機(jī)器造型

金屬型鑄造熔模鑄造壓力鑄造消失模鑄造陶瓷型鑄造離心鑄造連續(xù)鑄造鑄造成型工藝砂型鑄造特種鑄造思考題1.金屬凝固技術(shù)在材料加工成型中的作用是什么？2.什么是凝固？經(jīng)典凝固理論主要包括哪些內(nèi)容？3.凝固過(guò)程控制的主要內(nèi)容有哪些？第2章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2.1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

2.2液態(tài)金屬的性質(zhì)

2.3金屬的凝固與結(jié)晶主要內(nèi)容2.1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)2.1.1液體與固體、氣體結(jié)構(gòu)比較及其特征晶體：

平移、對(duì)稱(chēng)性特征（長(zhǎng)程有序）原子以一定方式周期排列在三維空間的晶格結(jié)點(diǎn)上，同時(shí)原子以某種模式在平衡位置上作熱振動(dòng)氣體：

完全無(wú)序?yàn)樘卣鞣肿硬煌５刈鳠o(wú)規(guī)律運(yùn)動(dòng)

液體金屬結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

長(zhǎng)程無(wú)序——

不具備平移、對(duì)稱(chēng)性；

近程有序——

相對(duì)于完全無(wú)序的氣體，液體中存在著許多不停“游蕩”著的局域有序的原子集團(tuán)，液體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出局域范圍的有序性固態(tài)金屬-長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)原子排列長(zhǎng)程有序氣態(tài)結(jié)構(gòu)原子雜亂無(wú)章的隨機(jī)分布液體金屬-近程有序結(jié)構(gòu)原子局域團(tuán)聚，形成小的團(tuán)簇cluster2.1.2由物質(zhì)熔化過(guò)程認(rèn)識(shí)液體結(jié)構(gòu)

物質(zhì)熔化時(shí)體積變化﹑熵變(及焓變)一般均不大，金屬熔化時(shí)典型的體積變化Vm/VS（Vm為熔化時(shí)的體積增量）為3~５%左右，表明液體的原子間距接近于固體，在熔點(diǎn)附近其混亂度只是稍大于固體而遠(yuǎn)小于氣體的混亂度。金屬熔化潛熱Hm比其氣化潛熱Hb小得多，為1/15~1/30，表明熔化時(shí)其內(nèi)部原子結(jié)合鍵只有部分被破壞。2.1.3實(shí)際液態(tài)金屬的微觀特點(diǎn)“能量起伏”

——液態(tài)金屬中各微觀區(qū)域的能量處于此起彼伏，變化不定的狀態(tài)。這種微區(qū)內(nèi)的能量短暫偏離其平均能量的現(xiàn)象，叫做能量起伏。

“結(jié)構(gòu)起伏”——液體中大量不?！坝蝿?dòng)”著的局域有序原子團(tuán)簇時(shí)聚時(shí)散、此起彼伏的現(xiàn)象?！皾舛绕鸱?/p>

——同種元素及不同元素之間的原子間結(jié)合力存在差別，結(jié)合力較強(qiáng)的原子容易聚集在一起，把別的原于排擠到別處，表現(xiàn)為游動(dòng)原子團(tuán)簇之間存在著成分差異。2.2液態(tài)金屬的性質(zhì)2.2.1液態(tài)合金的粘度2.2.2液態(tài)合金的表面張力2.2.3液態(tài)金屬的流動(dòng)性及充型能力視頻2.2.1液態(tài)金屬的粘度（一）粘度表達(dá)式：

Kb——Bolzmann常數(shù)；

U

——

為無(wú)外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能τ0

——

為原子在平衡位置的振動(dòng)周期（對(duì)液態(tài)金屬約為10-13秒）

δ——

液體各原子層之間的間距粘度的影響因素：a）LiquidNib）LiquidCo液體的粘度與溫度的關(guān)系（圖中各曲線分別為不同研究者的研究結(jié)果）（二）粘度對(duì)材料成形質(zhì)量的影響影響鑄件輪廓的清晰程度；影響熱裂、縮孔、縮松的形成傾向；影響鋼鐵材料的脫硫、脫磷、擴(kuò)散脫氧；影響精煉效果及夾雜或氣孔的形成。

表面張力是表面上平行于表面切線方向且各方向大小相等的張力。這種受力不均引起表面原子的勢(shì)能比內(nèi)部原子的勢(shì)能高。因此，物體傾向于減小其表面積而產(chǎn)生表面張力。2.2.2液態(tài)合金的表面張力2、影響表面張力的因素1）表面張力與原子間作用力的關(guān)系：原子間結(jié)合力u0↑→表面內(nèi)能↑→表面自由能↑→表面張力↑2）表面張力與原子體積成反比，與價(jià)電子數(shù)Z成正比

體積減小表面張力↑，價(jià)電子數(shù)增加表面張力↑3）表面張力與溫度：

隨溫度升高表面張力下降4）合金元素或微量雜質(zhì)元素對(duì)表面張力的影響

向系統(tǒng)中加入削弱原子間結(jié)合力的組元，會(huì)使u0減小，使表面內(nèi)能和表面張力降低；反之增加。液體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與材料成形的關(guān)系液體的界面張力、潛熱等性質(zhì)

凝固過(guò)程的形核及晶體生長(zhǎng)的熱力學(xué)熔體的結(jié)構(gòu)信息

凝固的微觀機(jī)制液體的原子擴(kuò)散系數(shù)、界面張力、傳熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱、粘度等性質(zhì)

成分偏析、固-液界面類(lèi)型及晶體生長(zhǎng)方式熱力學(xué)性質(zhì)及反應(yīng)物和生成物在液相中的擴(kuò)散速度

鑄造合金的精煉（凈化）2.2.3液態(tài)金屬的流動(dòng)性及充型能力一、

液態(tài)金屬的流動(dòng)性及其影響因素二、

液態(tài)金屬充型能力及其影響因素金屬的流動(dòng)性，指熔融金屬的流動(dòng)能力。

合金流動(dòng)性的好壞，通常以“螺旋形流動(dòng)性試樣”的長(zhǎng)度來(lái)衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，合金的流動(dòng)性愈好，所澆出的試樣愈長(zhǎng)。（一）

液態(tài)金屬的流動(dòng)性1）合金成分

純金屬、共晶成分和金屬間化合物流動(dòng)性好，結(jié)晶溫度范圍寬的合金流動(dòng)性差。比熱容、密度較大的合金流動(dòng)性好，導(dǎo)熱系數(shù)小的合金流動(dòng)性好。2）結(jié)晶潛熱

潛熱約占金屬含量熱的85%~90%，結(jié)晶潛熱釋放越多，流動(dòng)性越好。3）液態(tài)金屬的粘度及表面張力

（二）流動(dòng)性的影響因素不同結(jié)晶特征的合金的流動(dòng)性在一定凝固溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的亞共晶合金，凝固時(shí)鑄件內(nèi)存在一個(gè)較寬的既有液體又有樹(shù)枝狀晶體的兩相區(qū)。凝固溫度范圍越寬，則枝狀晶越發(fā)達(dá)，對(duì)金屬流動(dòng)的阻力越大，金屬的流動(dòng)性就越差。合金的流動(dòng)性與相圖的關(guān)系鐵碳合金的流動(dòng)性與相圖的關(guān)系

可見(jiàn)，純鐵和共晶鑄鐵的流動(dòng)性最好，亞共晶鑄鐵和碳素鋼隨凝固溫度范圍的增加，其流動(dòng)性變差。

二、液態(tài)金屬充型能力（1）

充型能力

液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力，稱(chēng)為液態(tài)金屬充填鑄型的能力。充型能力弱，則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔、鐵豆，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。

液態(tài)金屬的充型能力取決于：內(nèi)因——

金屬本身的流動(dòng)性外因——

鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。

表：鑄件最小壁厚金屬種類(lèi)鑄件最小壁厚（mm）砂型金屬型熔模鑄造殼型壓鑄灰鑄鐵3>40.4-0.80.8-1.5--鑄鋼48-100.5-1.02.5--鋁合金33-4----0.6-0.8（2）影響充型能力的因素1）

金屬性質(zhì)的影響（流動(dòng)性）2）

鑄型性質(zhì)的影響3）

澆注條件的影響4）

鑄件結(jié)構(gòu)的影響1）金屬性質(zhì)的影響純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金：在固定的凝固溫度下，已凝固的固相層由表面逐步向內(nèi)部推進(jìn)，固相層內(nèi)表面比較光滑，對(duì)液體的流動(dòng)阻力小，合金液流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，所以流動(dòng)性好，具有寬結(jié)晶溫度范圍的合金流動(dòng)性不好；結(jié)晶潛熱（約為液態(tài)金屬熱量的85~90%）：對(duì)于純金屬、共晶和金屬間化合物成分的合金，放出的潛熱越多，凝固過(guò)程進(jìn)行的越慢，流動(dòng)性越好，因此潛熱的影響較大，對(duì)于寬結(jié)晶溫度范圍的合金潛熱對(duì)流動(dòng)性影響不大。合金液的比熱、密度越大，導(dǎo)熱系數(shù)越小,充型能力越好；合金液的粘度，在充型過(guò)程前期（屬紊流）對(duì)流動(dòng)性的影響較小，而在充型過(guò)程后期凝固中（屬層流）對(duì)流動(dòng)性影響較大。例：Fe-C合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系2）鑄型性質(zhì)的影響鑄型的蓄熱系數(shù)

bm越大，鑄型的激冷能力就越強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就越短，充型能力下降。金屬型（銅、鑄鐵、鑄鋼等）的蓄熱系數(shù)bm是砂型的十倍或數(shù)十倍以上，為了使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的涂料中加入bm很小的石棉粉。3）澆注條件的影響

澆注溫度越高、充型壓頭越大，則液態(tài)金屬的充型能力越好；澆注系統(tǒng)（直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道）的復(fù)雜程度，鑄件的壁厚與復(fù)雜程度等也會(huì)影響液態(tài)金屬的充型能力。4）

鑄件結(jié)構(gòu)的影響（a）折算厚度（當(dāng)量厚度、模數(shù)）

R=V（鑄件體積）/S（鑄件散熱表面積）或R=F（鑄件的斷面積）/P（斷面周長(zhǎng)）（b）鑄件的復(fù)雜程度2.3金屬的凝固與結(jié)晶凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。2.3.1金屬的結(jié)晶結(jié)晶：材料由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)固體。晶體材料有哪些？2.3.2非晶體金屬的結(jié)構(gòu)與性能非晶態(tài)金屬有時(shí)又稱(chēng)為“金屬玻璃”，其從液態(tài)冷卻成固體的過(guò)程中未發(fā)生結(jié)晶。固體等同于晶體嗎？一、非晶態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)金屬中存在短程或中程有序結(jié)構(gòu)。Cluster模型示意圖二、非晶態(tài)金屬的性能物理性能、磁學(xué)性能、化學(xué)性能三、非晶態(tài)金屬的應(yīng)用鋯-鈦基塊體玻璃的斷裂強(qiáng)度達(dá)2000MPa，表現(xiàn)出非常好的彈性，現(xiàn)已被用于制作高爾夫球桿的擊球部位?？臻g探索、飛行器的構(gòu)件，精密光學(xué)器件和生物醫(yī)學(xué)移植物等方面具有巨大應(yīng)用潛力。圖1-21Fe-C合金流動(dòng)性與成分的關(guān)系合金的螺旋形流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)在相同的條件下澆注各種合金的流動(dòng)性試樣，以試樣的長(zhǎng)度表示該合金的流動(dòng)性，并以所測(cè)得的合金流動(dòng)性表示合金的充型能力。1.澆口杯,2.低壩,3.直澆道,4.螺旋5.高壩,6.溢流道,7.全壓井本章小結(jié)一、掌握1、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)（近程有序）2、流動(dòng)性、充型能力二、了解液態(tài)金屬的粘度、表面張力思考題1.液態(tài)金屬的性質(zhì)受哪些因素影響？2.流動(dòng)性和充型能力有什么不同？流動(dòng)性和充型能力分別受哪些因素影響？3.凝固與結(jié)晶有什么區(qū)別？4.晶體與非晶體結(jié)構(gòu)有什么區(qū)別與聯(lián)系？第3章凝固過(guò)程的傳熱主要內(nèi)容3.1凝固過(guò)程的傳熱3.2凝固時(shí)間的計(jì)算3.3液態(tài)金屬凝固溫度場(chǎng)3.1凝固過(guò)程的傳熱3.1.1凝固過(guò)程的傳熱特點(diǎn)金屬凝固過(guò)程中，其傳熱特點(diǎn)可簡(jiǎn)要概括為：“一熱、二遷、三傳”?！耙粺帷保丛谀踢^(guò)程中熱量的傳輸是第一位的，是最重要的，它是凝固過(guò)程能否進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)力。（1）溫度場(chǎng)基本概念不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：溫度場(chǎng)不僅在空間上變化，并且也隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)：穩(wěn)定溫度場(chǎng)：不隨時(shí)間而變的溫度場(chǎng)（即溫度只是坐標(biāo)的函數(shù)）：（2）熱傳導(dǎo)過(guò)程的偏微分方程三維傅里葉熱傳導(dǎo)微分方程為：式中:——

導(dǎo)溫系數(shù)，；

——

拉普拉斯運(yùn)算符號(hào)。二維傳熱：一維傳熱：

鑄件凝固過(guò)程基本方程求解凝固過(guò)程溫度場(chǎng)要描述溫度隨空間和時(shí)間的變化規(guī)律，要求助于導(dǎo)熱偏微分方程：

λ--導(dǎo)熱系數(shù)；T--熱力學(xué)溫度；

--單位體積物體單位時(shí)間內(nèi)釋放的熱量；c--比熱容；ρ--密度；t--時(shí)間。

對(duì)具體熱場(chǎng)用上述微分方程進(jìn)行求解時(shí)，需要根據(jù)具體問(wèn)題給出導(dǎo)熱體的初始條件與邊界條件。初始條件：初始條件是指物體開(kāi)始導(dǎo)熱時(shí)（即t=0時(shí)）的瞬時(shí)溫度分布。邊界條件：邊界條件是指導(dǎo)熱體表面與周?chē)橘|(zhì)間的熱交換情況?！岸w”所謂“二遷”，是指在金屬凝固時(shí)存在著兩個(gè)界面，即固—液界面和金屬—鑄型界面，而這兩個(gè)界面隨著凝固進(jìn)程而發(fā)生動(dòng)態(tài)遷移，并使得界面上的傳熱現(xiàn)象變得極為復(fù)雜。常見(jiàn)的邊界條件有以下三類(lèi)：第一類(lèi)邊界條件：給定物體表面溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系

第二類(lèi)邊界條件：給出通過(guò)物體表面的比熱流隨時(shí)間的變化關(guān)系

第三類(lèi)邊界條件：給出物體周?chē)橘|(zhì)溫度以及物體表面與周?chē)橘|(zhì)的換熱系數(shù)純金屬在鑄型中凝固傳熱模型K-導(dǎo)熱C-對(duì)流R-輻射N(xiāo)-牛頓界面換熱“三傳”所謂“三傳”，即金屬的凝固過(guò)程是一個(gè)同時(shí)包含動(dòng)量傳輸、質(zhì)量傳輸和熱量傳輸?shù)娜齻黢詈系娜S傳熱物理過(guò)程，而在熱量傳輸過(guò)程中同時(shí)存在有導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射傳熱這三種傳熱方式。

3.1.2界面熱阻與傳熱在鑄件凝固過(guò)程中，如果不計(jì)液體金屬的熱阻，金屬的凝固速度主要受如下三種熱阻的控制，即

Rs=s/λs

Rm=Im/λm

Ri=1/hi式中Rs、Rm、Ri——已凝固的固體金屬層、鑄型和界面熱阻；

S、Im——凝固層厚度和鑄型厚度。3.2凝固時(shí)間的計(jì)算

鑄件的凝固時(shí)間：是指從液態(tài)金屬充滿(mǎn)型腔后至凝固完畢所需要的時(shí)間。鑄件凝固時(shí)間是制訂生產(chǎn)工藝、獲得穩(wěn)定鑄件質(zhì)量的重要依據(jù)。3.2.1平方根定律法平方根定律指凝固層厚度與時(shí)間的平方根成正比，即（3.1）式中：s--凝固層厚度，cm；t--凝固時(shí)間，min；K--鑄件的凝固系數(shù)，cmmin-1/2。常見(jiàn)材料的凝固系數(shù)鑄件材料鑄型灰鑄鐵砂型0.72金屬型2.2可鍛鑄鐵砂型1.1金屬型2.0鑄鋼砂型1.3金屬型2.6黃銅砂型1.8金屬型3.0鑄鋁砂型—金屬型3.13.2.2當(dāng)量厚度法對(duì)于任意形狀的鑄件，可以用其體積V與表面積S的比值V/S來(lái)代替鑄件的厚度，該厚度稱(chēng)為當(dāng)量厚度或模數(shù)。由平方根定律得

（3.2）式中M—模數(shù)

例1.比較體積大小均為1的球狀、塊狀、板狀鑄件凝固時(shí)間的長(zhǎng)短。3.3液態(tài)金屬凝固溫度場(chǎng)

3.3.1鑄件溫度場(chǎng)的研究方法（1）數(shù)學(xué)解析法解析法是在一定的假設(shè)條件下，結(jié)合邊界條件，直接從傳熱微分方程中求出溫度場(chǎng)的解析解。（2）數(shù)值計(jì)算法從鑄件凝固過(guò)程中抽象出數(shù)學(xué)模型，并對(duì)實(shí)際凝固過(guò)程進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化，利用有限元法、邊界元法或有限差分法對(duì)上述簡(jiǎn)化的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到鑄件凝固溫度場(chǎng)的方法。（3）測(cè)溫法是通過(guò)向鑄型和鑄件型腔中安放熱電偶直接測(cè)出凝固過(guò)程中鑄件各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化，得到溫度-時(shí)間曲線，根據(jù)曲線繪制不同時(shí)刻鑄件斷面溫度場(chǎng)和鑄件凝固動(dòng)態(tài)曲線（CCT）的方法。3.3.2鑄件溫度場(chǎng)的影響因素一.金屬性質(zhì)的影響因素

(1)熱擴(kuò)散率；(2)結(jié)晶潛熱；(3)液-固相線溫度二.鑄型性質(zhì)的影響

(1)鑄型的蓄熱系數(shù)；(2)鑄型溫度三.澆注條件的影響液態(tài)金屬的澆注溫度四.鑄件結(jié)構(gòu)的影響

(1)鑄件壁厚（當(dāng)量厚度、模數(shù)）

(2)鑄件的形狀例2鑄件在砂型中凝固的溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)裝置3.3.3鑄件凝固方式及其影響因素一.凝固方式（1）逐層凝固方式合金在凝固過(guò)程中其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開(kāi)，稱(chēng)為逐層凝固。常見(jiàn)如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金等。（2）體積凝固方式合金在凝固過(guò)程中先呈糊狀而后凝固，稱(chēng)為體積凝固。如，球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅等。（3）中間凝固方式大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱(chēng)為中間凝固方式。如，中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等。二.鑄件凝固方式的影響因素（1）合金結(jié)晶溫度范圍凝固區(qū)間的寬度隨合金的結(jié)晶溫度范圍增大而加大。在砂型鑄造時(shí)，低碳鋼鑄件的凝固方式為逐層凝固；中碳鋼鑄件為中間凝固方式；高碳鋼鑄件為體積凝固方式。（2）鑄件截面溫度梯度當(dāng)合金成分確定后，凝固區(qū)間的寬度隨溫度梯度增大而減小。影響鑄件截面溫度梯度的因素都對(duì)凝固區(qū)間的寬度起作用。主要有合金的傳熱能力、鑄型的蓄熱能力和金屬的澆注溫度。本章小結(jié)1.凝固過(guò)程的傳熱特點(diǎn)。2.凝固時(shí)間、凝固層厚度的計(jì)算。3.凝固溫度場(chǎng)及其研究方法4.鑄件凝固方式及其影響因素作業(yè)1.論述凝固傳熱過(guò)程的特點(diǎn)？2.邊界條件對(duì)凝固溫度場(chǎng)有哪些影響。3.凝固層厚度與凝固時(shí)間有什么函數(shù)關(guān)系？第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)75第4章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)4.1凝固熱力學(xué)4.2凝固動(dòng)力學(xué)4.3純金屬的晶體長(zhǎng)大主要內(nèi)容4.1凝固熱力學(xué)4.1.1液-固相變驅(qū)動(dòng)力4.1.2溶質(zhì)平衡分配系數(shù)（K0）4.1.1液-固相變驅(qū)動(dòng)力熱力學(xué)條件：

LS,G<0,過(guò)程自發(fā)進(jìn)行T=Tm時(shí)，故ΔGV只與ΔT有關(guān)。因此液態(tài)金屬（合金）凝固的驅(qū)動(dòng)力是由過(guò)冷度提供的，或者說(shuō)過(guò)冷度ΔT就是凝固的驅(qū)動(dòng)力。圖1液-固兩相自由能與溫度的關(guān)系△GA高能態(tài)區(qū)即為固態(tài)晶粒與液態(tài)相間的界面，界面具有界面能，它使體系的自由能增加，它由金屬原子穿越界面過(guò)程所引起在相變驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)使下，借助于起伏作用來(lái)克服能量障礙圖2金屬原子在結(jié)晶過(guò)程中的自由能變化K0定義為恒溫T*下溶質(zhì)在固液兩相的物質(zhì)分?jǐn)?shù)C*s與C*L

達(dá)到平衡時(shí)的比值。

K0的物理意義：對(duì)于K0＜1，K0越小，固相線、液相線張開(kāi)程度越大，固相成分開(kāi)始結(jié)晶時(shí)與終了結(jié)晶時(shí)差別越大，最終組織的成分偏析越嚴(yán)重。因此，常將∣1-K0∣稱(chēng)為“偏析系數(shù)”。4.1.2溶質(zhì)平衡分配系數(shù)（K0）4.2凝固動(dòng)力學(xué)

4.2.1均質(zhì)形核

4.2.2非均質(zhì)形核4.2.1均質(zhì)形核均勻形核

：形核前液相金屬或合金中無(wú)外來(lái)固相質(zhì)點(diǎn)而從液相自身發(fā)生形核的過(guò)程，所以也稱(chēng)“自發(fā)形核”。非均勻形核：依靠外來(lái)質(zhì)點(diǎn)或型壁界面提供的襯底進(jìn)行生核過(guò)程，亦稱(chēng)“異質(zhì)形核”或“非自發(fā)形核”。一、形核功及臨界半徑二、形核率一、形核功及臨界半徑晶核形成時(shí)，系統(tǒng)自由能變化由兩部分組成，即作為相變驅(qū)動(dòng)力的液-固體積自由能之差（負(fù)）和阻礙相變的液-固界面能（正）：

r＜r*時(shí)，r↑→ΔG↑r=r*時(shí)，ΔG達(dá)到最大值ΔG*r＞r*時(shí)，r↑→ΔG↓液相中形成球形晶胚時(shí)自由能變化令：

得臨界晶核半徑r*：

即：臨界形核功ΔG*的大小為臨界晶核表面能的三分之一，它是均質(zhì)形核所必須克服的能量障礙。形核功由熔體中的“能量起伏”提供。因此，過(guò)冷熔體中形成的晶核是“結(jié)構(gòu)起伏”及“能量起伏”的共同產(chǎn)物。經(jīng)推導(dǎo)得：二、形核率

式中，ΔGA為擴(kuò)散激活能。對(duì)于一般金屬，溫度降到某一程度，達(dá)到臨界過(guò)冷度（ΔT*），形核率迅速上升。計(jì)算及實(shí)驗(yàn)均表明:ΔT*～0.2Tm

均質(zhì)形核的形核率與過(guò)冷度的關(guān)系形核率：是單位體積中、單位時(shí)間內(nèi)形成的晶核數(shù)目。88第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)實(shí)際生產(chǎn)中，即使是在區(qū)域精煉的條件下，每1cm3的液相中也有約106個(gè)邊長(zhǎng)為103個(gè)原子的立方體的微小雜質(zhì)顆粒，因此均質(zhì)形核是不太可能的。4.2.2非均質(zhì)形核非均勻（質(zhì)）形核，晶核依附于夾雜物的界面或型壁上形成。合金液體中存在的大量高熔點(diǎn)微小雜質(zhì)，可作為非均質(zhì)形核的基底。這不需要形成類(lèi)似于球體的晶核，只需在界面上形成一定體積的球缺便可成核。非均質(zhì)形核過(guò)冷度ΔT比均質(zhì)形核臨界過(guò)冷度ΔT*小得多時(shí)就大量成核。

一、非均質(zhì)形核形核功

二、非均質(zhì)形核形核條件一、非均質(zhì)形核形核功非均質(zhì)形核臨界晶核半徑：

與均質(zhì)形核完全相同。

非均質(zhì)形核功

當(dāng)θ＝0o時(shí)，ΔGhe=0，此時(shí)在無(wú)過(guò)冷情況下即可形核

當(dāng)θ＝180o時(shí)，ΔGhe=ΔGho一般θ遠(yuǎn)小于180o，ΔGhe

遠(yuǎn)小于ΔGho。如圖所示。非均質(zhì)形核、均質(zhì)形核

過(guò)冷度與形核率非均質(zhì)形核與均質(zhì)形核時(shí)臨界曲率半徑大小相同，但球缺的體積比均質(zhì)形核時(shí)體積小得多。因此非均質(zhì)形核在較小的過(guò)冷度下就可以得到較高的形核率。二、非均質(zhì)形核的形核條件

結(jié)晶相的晶格與雜質(zhì)基底晶格的錯(cuò)配度的影響

晶格結(jié)構(gòu)越相似，它們之間的界面能越小

，越易形核。

雜質(zhì)表面的粗糙度對(duì)非均質(zhì)形核的影響

凹面雜質(zhì)形核效率最高，平面次之，凸面最差。93第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)4.3純金屬的晶體長(zhǎng)大一、液-固界面自由能及界面結(jié)構(gòu)

二、晶體長(zhǎng)大機(jī)制三、晶體宏觀生長(zhǎng)方式

一、液-固界面自由能及界面結(jié)構(gòu)

粗糙界面與光滑界面界面結(jié)構(gòu)類(lèi)型的判據(jù)

界面結(jié)構(gòu)與冷卻速度1、粗糙界面與光界滑面粗糙界面：界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置只有約50%被固相原子所占據(jù)，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面結(jié)構(gòu)。粗糙界面也稱(chēng)“非小晶面”或“非小平面”。光滑界面：界面固相一側(cè)的點(diǎn)陣位置幾乎全部為固相原子所占滿(mǎn)，只留下少數(shù)空位或臺(tái)階，從而形成整體上平整光滑的界面結(jié)構(gòu)，也稱(chēng)“小晶面”或“小平面”。

粗糙界面與光滑界面是在原子尺度上的界面差別，注意要與凝固過(guò)程中固－液界面形態(tài)差別相區(qū)別，后者尺度在μm數(shù)量級(jí)。2、界面結(jié)構(gòu)類(lèi)型的判據(jù)

如何判斷凝固界面的微觀結(jié)構(gòu)？設(shè)晶體內(nèi)部原子配位數(shù)為ν，界面上（某一晶面）的配位數(shù)為η，晶體表面上N個(gè)原子位置有NA個(gè)原子（），則在熔點(diǎn)Tm時(shí)，單個(gè)原子由液相向固-液界面的固相上沉積的相對(duì)自由能變化為：

被稱(chēng)為Jackson因子，

ΔSf為單個(gè)原子的熔融熵?！?的物質(zhì)，凝固時(shí)固-液界面為粗糙面，因?yàn)閄=0.5（晶體表面有一半空缺位置）時(shí)有一個(gè)極小值，即自由能最低。大部分金屬屬此類(lèi)；凡屬＞5的物質(zhì)凝固時(shí)界面為光滑面，非常大時(shí)，ΔFS的兩個(gè)最小值出現(xiàn)在x→0或1處（晶體表面位置已被占滿(mǎn)）。有機(jī)物及無(wú)機(jī)物屬此類(lèi)；

=2～5的物質(zhì)，常為多種方式的混合，Bi、Si、Sb等屬于此類(lèi)。3、界面結(jié)構(gòu)與冷卻速度

過(guò)冷度大時(shí)，生長(zhǎng)速度快，界面的原子層數(shù)較多，容易形成粗糙界面結(jié)構(gòu)。過(guò)冷度對(duì)不同物質(zhì)存在不同的臨界值，越大的物質(zhì)，變?yōu)榇植诿娴呐R界過(guò)冷度也就越大。

如：白磷在低長(zhǎng)大速度時(shí)（小過(guò)冷度ΔT）為小晶面界面，在長(zhǎng)大速度增大到一定時(shí)（大過(guò)冷度），卻轉(zhuǎn)變?yōu)榉切【?。二、晶體長(zhǎng)大機(jī)制

上述固-液界面的性質(zhì)（粗糙面還是光滑面），決定了晶體長(zhǎng)大方式的差異。

連續(xù)長(zhǎng)大

臺(tái)階方式長(zhǎng)大（側(cè)面長(zhǎng)大）1、連續(xù)長(zhǎng)大

粗糙面的界面結(jié)構(gòu)，許多位置均可為原子著落，液相擴(kuò)散來(lái)的原子很容易被接納與晶體連接起來(lái)。由于前面討論的熱力學(xué)因素，生長(zhǎng)過(guò)程中仍可維持粗糙面的界面結(jié)構(gòu)。只要原子沉積供應(yīng)不成問(wèn)題，可以不斷地進(jìn)行“連續(xù)長(zhǎng)大”。

其生長(zhǎng)方向?yàn)榻缑娴姆ň€方向，即垂直于界面生長(zhǎng)。2、臺(tái)階方式長(zhǎng)大（側(cè)面長(zhǎng)大）

光滑界面在原子尺度界面是光滑的，單個(gè)原子與晶面的結(jié)合較弱，容易脫離。只有依靠在界面上出現(xiàn)臺(tái)階，然后從液相擴(kuò)散來(lái)的原子沉積在臺(tái)階邊緣，依靠臺(tái)階向側(cè)面長(zhǎng)大。故又稱(chēng)“側(cè)面長(zhǎng)大”?！皞?cè)面長(zhǎng)大”方式的三種機(jī)制（1）二維晶核機(jī)制：臺(tái)階在界面鋪滿(mǎn)后即消失，要進(jìn)一步長(zhǎng)大仍須再產(chǎn)生二維晶核；

105第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)（2）螺旋位錯(cuò)機(jī)制：螺旋位錯(cuò)臺(tái)階在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)消失；

（3）孿晶面機(jī)制：長(zhǎng)大過(guò)程溝槽可保持下去，長(zhǎng)大不斷地進(jìn)行。106第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)107第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)3、晶體長(zhǎng)大速度1、連續(xù)長(zhǎng)大2、二維晶核臺(tái)階長(zhǎng)大3、螺旋位錯(cuò)臺(tái)階長(zhǎng)大108第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)三、晶體宏觀生長(zhǎng)方式粗糙界面晶體的生長(zhǎng)方式與溫度梯度109第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)1.正溫度梯度下生長(zhǎng)的晶體形態(tài)110第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)2.負(fù)溫度梯度下生長(zhǎng)的晶體形態(tài)K0對(duì)合金凝固組織成分偏析的影響（自左向右定向凝固）本章小結(jié)1.凝固的熱力學(xué)條件2.均質(zhì)形核、非均質(zhì)形核；3.固-液界面結(jié)構(gòu)；4.晶體長(zhǎng)大機(jī)制及長(zhǎng)大方式；5.平衡分配系數(shù)的物理意義及其計(jì)算。113第三章金屬凝固熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)作業(yè)1.液態(tài)金屬的形核方式有哪幾種，試分析青銅鑄件以什么方式形核，為什么？2.晶體長(zhǎng)大方式有哪些，其長(zhǎng)大方式受什么因素的影響，試分析合金鋼鑄件凝固過(guò)程中的長(zhǎng)大方式？3.什么是粗糙界面；什么是光滑界面？4.當(dāng)固液界面是負(fù)溫度梯度時(shí)，共晶合金的固液界面的生長(zhǎng)形態(tài)如何？5.簡(jiǎn)述平衡分配系數(shù)的物理意義。114第5章合金的凝固1155.1凝固過(guò)程溶質(zhì)再分配5.2合金凝固界面前沿的成分過(guò)冷5.3“成分過(guò)冷”對(duì)單相固溶體結(jié)晶形態(tài)的影響5.4共晶合金的凝固5.5包晶合金的凝固主要內(nèi)容1165.1凝固過(guò)程溶質(zhì)再分配一、平衡凝固二、液相充分混合均勻三、液相只有有限擴(kuò)散四、液相中部分混合（有對(duì)流作用）由于合金在結(jié)晶過(guò)程中，析出固相的溶質(zhì)含量不同于液相，而使固—液界面前的液體溶質(zhì)富集或貧化的現(xiàn)象，稱(chēng)為溶質(zhì)再分配。117一、平衡凝固條件下的溶質(zhì)再分配平衡凝固是指液、固相溶質(zhì)成分完全達(dá)到平衡狀態(tài)圖對(duì)應(yīng)溫度的平衡成分，即固、液相中成分均能及時(shí)充分?jǐn)U散均勻。118開(kāi)始（

T=TL）時(shí)：

CS=K0C0CL=C0119凝固過(guò)程中(T=T*)：120凝固終了時(shí)，固相成分均勻地為:CS=C0121二、液相充分混合均勻時(shí)的溶質(zhì)再分配該情況下溶質(zhì)在固相中沒(méi)有擴(kuò)散，而在液相中充分混合均勻。起始凝固時(shí)：CS=K0C0，CL=C0122該情況下溶質(zhì)在固相中沒(méi)有擴(kuò)散，而在液相中充分混合均勻。凝固過(guò)程中固－液界面上的成分為（Scheil公式）：接著凝固時(shí)由于固相中無(wú)擴(kuò)散，成分沿斜線由K0C0逐漸上升。123隨著固相分?jǐn)?shù)（fs）增加，凝固界面上固、液相中的溶質(zhì)含量均增加，因此已經(jīng)凝固固相的平均成分比平衡的要低。當(dāng)溫度達(dá)到平衡的固相線時(shí)，勢(shì)必仍保留一定的液相，甚至達(dá)到共晶溫度TE時(shí)仍有液相存在。這些保留下來(lái)的液相在共晶溫度下將在凝固末端形成部分共晶組織。124三、液相有限擴(kuò)散時(shí)的溶質(zhì)再分配凝固過(guò)程分三個(gè)階段：最初過(guò)渡區(qū)穩(wěn)定態(tài)區(qū)最后過(guò)渡區(qū)

125凝固穩(wěn)定狀態(tài)階段富集層溶質(zhì)分布規(guī)律（指數(shù)衰減曲線）：126四、液相中部分混合時(shí)的溶質(zhì)再分配

在部分混合情況下，固-液界面處的液相中存在一擴(kuò)散邊界層，在邊界層內(nèi)只靠擴(kuò)散傳質(zhì)（靜止無(wú)對(duì)流），在邊界層以外的液相因有對(duì)流作用成分得以保持均一。液相部分混合達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)C*s及C*L值：

四種單向凝固條件下的溶質(zhì)分布情況示意圖。127例題用Al-10%Cu合金澆注一水平細(xì)長(zhǎng)試棒，使其自左至右單向凝固，并保持固－液界面為平面，當(dāng)完全平衡凝固，凝固后試棒中共晶體的數(shù)量有多少？當(dāng)固相無(wú)Cu的擴(kuò)散，液相中Cu均勻混合時(shí)，求：凝固20%時(shí)，固液界面的和，凝固完畢，共晶體所占比例。1285.2合金凝固界面前沿

的成分過(guò)冷一、“成分過(guò)冷”條件和判據(jù)二、“成分過(guò)冷”的過(guò)冷度129一、“成分過(guò)冷”條件和判據(jù)

“成分過(guò)冷”的形成條件分析

（K0＜1情況下)：→

界面前沿形成溶質(zhì)富集層→

液相線溫度TL(x’)隨x’增大上升→當(dāng)GL（界面前沿液相的實(shí)際溫度梯度）小于液相線的斜率時(shí)，即:

出現(xiàn)“成分過(guò)冷”。130成分過(guò)冷：結(jié)晶時(shí)，固液界面前方某一區(qū)域內(nèi)，液體的實(shí)際溫度低于平衡結(jié)晶溫度，即該部分液體處于過(guò)冷狀態(tài)，這種過(guò)冷是結(jié)晶過(guò)程中由液相中的溶質(zhì)再分配引起的，稱(chēng)為成分過(guò)冷。131成分過(guò)冷的本質(zhì)（1）溶質(zhì)富集使平衡結(jié)晶溫度大為降低，減小了實(shí)際過(guò)冷度，甚至阻礙晶體生長(zhǎng)。（2）成分過(guò)冷使界面不穩(wěn)定，將不能保持平面。(b)無(wú)溶質(zhì)再分配的界面前過(guò)冷情況?有成分過(guò)冷132液相中只有有限擴(kuò)散時(shí)形成“成分過(guò)冷”的判據(jù)“成分過(guò)冷”判據(jù)133由判據(jù)可見(jiàn)，下列條件有助于形成“成分過(guò)冷”：液相中溫度梯度小（GL?。?；晶體生長(zhǎng)速度快（R大）；液相線斜率大（mL大）；原始成分濃度高（C0大）；液相中溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)小（DL?。?；K0＜1時(shí)，K0越小，成分過(guò)冷度越大。工藝因素材料因素134二、“成分過(guò)冷”的過(guò)冷度

以液相只有擴(kuò)散的情況為例：

“成分過(guò)冷”區(qū)的最大過(guò)冷度：“成分過(guò)冷”出現(xiàn)的區(qū)域?qū)挾龋?355.3“成分過(guò)冷”對(duì)單相固溶體合金結(jié)晶形態(tài)的影響一、“成分過(guò)冷”對(duì)合金固溶體晶體形貌的影響二、成分過(guò)冷作用下的胞狀組織的形成及其形貌三、較寬成分過(guò)冷作用下的枝晶生長(zhǎng)四、自由樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)五、枝晶間距136一、“成分過(guò)冷”對(duì)合金固溶體

晶體形貌的影響隨“成分過(guò)冷”程度增大，固溶體生長(zhǎng)方式：

→平面晶→胞狀晶

→胞狀樹(shù)枝晶(柱狀樹(shù)枝晶)

→內(nèi)部等軸晶(自由樹(shù)枝晶)137二、成分過(guò)冷作用下的胞狀組織

的形成及其形貌胞狀界面的成分過(guò)冷區(qū)的寬度約在0.0l—0.1cm之間，隨著成分過(guò)冷的增大，發(fā)生：

溝槽不規(guī)則的胞狀界面狹長(zhǎng)的胞狀界面規(guī)則胞狀態(tài)胞狀晶的生長(zhǎng)方向垂直于固-液界面（與熱流相反與晶體學(xué)取向無(wú)關(guān)）。胞狀晶可認(rèn)為是一種亞結(jié)構(gòu)。138三、較寬成分過(guò)冷作用下的枝晶生長(zhǎng)隨界面前成分過(guò)冷區(qū)逐漸加寬→胞晶凸起伸向熔體更遠(yuǎn)處→胞狀晶擇優(yōu)方向生長(zhǎng)→胞狀晶的橫斷面出現(xiàn)凸緣→短小的鋸齒狀“二次枝晶”（胞狀樹(shù)枝晶）在成分過(guò)冷區(qū)足夠大時(shí)，二次枝晶上長(zhǎng)出“三次枝晶”139四、自由樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)形成方向各異的等軸晶（自由樹(shù)枝晶）等軸枝晶的存在阻止了柱狀晶區(qū)的單向延伸，此后的結(jié)晶過(guò)程便是等軸晶區(qū)不斷向液體內(nèi)部推進(jìn)的過(guò)程。

界面前成分過(guò)冷的極大值>非均質(zhì)形核所需的過(guò)冷度140五、枝晶間距枝晶間距：指相鄰?fù)沃чg的垂直距離。它是樹(shù)枝晶組織細(xì)化程度的表征。實(shí)際中，枝晶間距采用金相法測(cè)得統(tǒng)計(jì)平均值，通常采用的有一次枝晶（柱狀晶主干）間距d1、和二次分枝間距

d2

兩種。材料性能好熱裂紋傾向小且分散顯微縮松、夾雜物細(xì)小成分趨于均勻化細(xì)晶強(qiáng)化效果顯著枝晶間距小通常用二次枝晶間距來(lái)表示凝固組織的粗細(xì)程度1415.4共晶合金的凝固（a）層片狀（b）棒狀（c）球狀或短棒狀（d）針狀（e）螺旋狀1425.4共晶合金的凝固

大部分合金存在著兩個(gè)或兩個(gè)以上的相，多相合金的凝固比單相固溶體的凝固情況復(fù)雜。本節(jié)討論最為普遍的共晶合金凝固方式及組織。一、共晶組織的分類(lèi)及特點(diǎn)二、共晶組織的形成143一、共晶組織的分類(lèi)及特點(diǎn)（一）規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶（二）非平衡狀態(tài)下的共晶共生144（一）規(guī)則共晶與非規(guī)則共晶規(guī)則共晶：金屬—金屬，如:Pb-Sn，Ag-Cu層片狀共晶

金屬—金屬間化合物，如:Al-Al3Ni棒狀共晶

非規(guī)則共晶金屬—非金屬，如:Fe-C,Al-Si

共晶非金屬—非金屬，如:玻璃，琥珀睛-茨醇共晶

粗糙－粗糙界面粗糙—光滑界面光滑—光滑界面145粗糙-粗糙界面（非小晶面-非小晶面）共晶

金屬-金屬共晶金屬-金屬間化合物共晶規(guī)則共晶長(zhǎng)大時(shí)，兩相彼此緊密相連，相互依賴(lài)生長(zhǎng)，兩相前方的液體區(qū)域中存在溶質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。這種長(zhǎng)大方式稱(chēng)之為“共生生長(zhǎng)”。典型的顯微形態(tài):有規(guī)則的層片狀，或其中有一相為棒狀，因此稱(chēng)為“規(guī)則共晶”。146圖Al-Al3Ni棒狀共晶（上——縱截面，下——橫截面）圖Pb-Sn層片狀共晶147粗糙-光滑界面（非小晶面-小晶面）共晶

金屬-非金屬共晶屬于第Ⅱ類(lèi)共晶體，長(zhǎng)大過(guò)程往往仍是相互偶合的“共生”長(zhǎng)大，但由于①小晶面相晶體長(zhǎng)大具有強(qiáng)烈的方向性（非金屬相）

②對(duì)凝固條件十分敏感（如雜質(zhì)元素或變質(zhì)元素）容易發(fā)生彎曲和分枝，所得到的組織較為無(wú)規(guī)則，屬于“不規(guī)則共晶”。148Al-Si共晶合金組織149根據(jù)平衡相圖，共晶反應(yīng)只發(fā)生在一個(gè)固定的成分，任何偏離這一成分的合金凝固后都不能獲得100％的共晶組織。但在非平衡凝固狀態(tài)下出現(xiàn)了偽共晶、離異共晶。（二）非平衡狀態(tài)下的共晶共生區(qū)150(1)偽共晶-共生區(qū)在無(wú)限緩慢的冷卻條件下，共生區(qū)退縮到共晶點(diǎn)E，非平衡凝固條件下出現(xiàn)共生區(qū)。151(2)離異共晶152二、共晶組織的形成（一）非小晶面—

非小晶面共生共晶的形成（二）非小晶面—

小晶面共晶合金的結(jié)晶153（一）非小晶面—非小晶面

共生共晶的形成層片狀共晶組織的形核及長(zhǎng)大棒狀共晶生長(zhǎng)154層片狀共晶組織的形核及長(zhǎng)大

層片狀共晶組織是最常見(jiàn)的一類(lèi)非小晶面—非小晶面共生共晶組織。層片狀共晶組織的形成過(guò)程：1、層片狀共晶生核過(guò)程及“搭橋”方式2、共生過(guò)程的協(xié)同生長(zhǎng)3、片層距的調(diào)整4、胞狀、樹(shù)枝狀共晶的形成155共晶團(tuán)的形成領(lǐng)先相富A組元的α固溶體小球析出界面前沿B組元原子的不斷富集向前方及側(cè)面的熔體中排出A組元原子β相沿著α相的球面與側(cè)面迅速鋪展形成具有兩相沿著徑向并排生長(zhǎng)的球形共生界面雙相核心β相固溶體在α相球面上的析出α相依附于β相的側(cè)面長(zhǎng)出分枝交替進(jìn)行……

1、層片狀共晶生核過(guò)程及“搭橋”方式156“搭橋”方式：領(lǐng)先相表面一旦出現(xiàn)第二相，則可通過(guò)這種彼此依附、交替生長(zhǎng)的方式產(chǎn)生新的層片來(lái)構(gòu)成所需的共生界面，而不需要每個(gè)層片重新生核。層片狀共晶的兩種形核、長(zhǎng)大方式示意圖1572、共生過(guò)程的協(xié)同生長(zhǎng)兩相各向其界面前沿排出另一組元的原子，由于α相前沿富B，而β相前沿富A，擴(kuò)散速度正比于溶質(zhì)的濃度梯度，因此橫向擴(kuò)散速度比縱向大得多。共晶兩相通過(guò)橫向擴(kuò)散不斷排走界面前沿積累的溶質(zhì)，且又互相提供生長(zhǎng)所需的組元，齊頭并進(jìn)地向前生長(zhǎng)。1583、片層距的調(diào)整B原子聚集而濃度升高Α相推進(jìn)的速度變慢→形成凹坑→

B原子擴(kuò)散越發(fā)困難→

β相片層則在此處形成，凝固速度越快，相應(yīng)的片層距就會(huì)越小。α相片層中心處B原子擴(kuò)散比α-β交界要困難得多1594、胞狀、樹(shù)枝狀共晶的形成

（第三組元的影響）A、B兩相每相排出第三組元的原子無(wú)法橫向擴(kuò)散，只能向液體內(nèi)部擴(kuò)散形成富集層（達(dá)到幾百個(gè)層片厚度數(shù)量級(jí)）在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下(如GL較小、R較大時(shí))，界面前方液體產(chǎn)生成分過(guò)冷導(dǎo)致界面形態(tài)的改變，形成胞狀界面當(dāng)?shù)谌M元濃度較大，或在更大的凝固速度下，成分過(guò)冷進(jìn)一步擴(kuò)大，胞狀共晶將發(fā)展為樹(shù)枝狀共晶組織。160棒狀共晶生長(zhǎng)形成棒狀共晶的一般條件：

如果一相的體積分?jǐn)?shù)小于1／π時(shí)，該相將以棒狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)；如果體積分?jǐn)?shù)在1/π~?

之間時(shí)，兩相均以片狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。

棒狀共晶：該組織中一個(gè)組成相以棒狀或纖維狀形態(tài)沿著生長(zhǎng)方向規(guī)則地分布在另一相的連續(xù)基體中。161第三組元的影響如果第三組元在兩相中的平衡分配系數(shù)相差較大，則可能出現(xiàn)第三組元僅在某一個(gè)相的固-液界面前沿富集（出現(xiàn)成分過(guò)冷），阻礙該相繼續(xù)長(zhǎng)大。而另一相長(zhǎng)大速度相對(duì)較快，通過(guò)搭橋作用，落后的一相將被生長(zhǎng)快的一相割成篩網(wǎng)狀，并最終發(fā)展成棒狀組織。162（二）非小晶面—小晶面共晶合金的結(jié)晶由于小晶面本身存在著多種不同的生長(zhǎng)機(jī)制，故這類(lèi)共晶合金比非小晶面-非小晶面共晶合金具有更為復(fù)雜的組織形態(tài)變化，且對(duì)生長(zhǎng)條件的變化也表現(xiàn)出高度的敏感。即使是同一種合金，在不同的條件下則能形成多種形態(tài)各異、性能懸殊的共生共晶甚至離異共晶組織。這類(lèi)共晶合金最具有代表性的是Fe-C

和A1-Si

兩種合金。163在高純度Fe-C合金共晶凝固中，領(lǐng)先相石墨的外露面為（0001）基面，往往按螺旋位錯(cuò)生長(zhǎng)機(jī)制垂直于基面按[000l]方向生長(zhǎng)，從而形成球狀石墨+奧氏體暈圈的離異共晶組織。鑄鐵中石墨的共晶共生生長(zhǎng)164在一般工業(yè)Fe-C合金中，由于氧、硫等第三組元雜質(zhì)的影響，共晶石墨則以旋轉(zhuǎn)孿晶生長(zhǎng)機(jī)制沿[10T0]

方向生長(zhǎng)，從而形成片狀石墨結(jié)構(gòu)的共生共晶組織。如果在工業(yè)鐵液中加入微量的鎂或鈰等球化元素，也可得到球狀石墨的離異共晶組織。165Al–Si合金共生生長(zhǎng)當(dāng)領(lǐng)先相Si以孿晶生長(zhǎng)在界面前沿不斷分枝生長(zhǎng)時(shí)，形成的共生共晶組織是在α-A1的連續(xù)基體中分布著紊亂排列的板片狀Si的兩相混合體。166在Al-Si共晶合金液中加入Na、Sr等微量變質(zhì)元素，共晶生長(zhǎng)中不斷封鎖共晶Si原有反射孿晶臺(tái)階而又不斷產(chǎn)生新的反射孿晶，使共晶Si不斷分枝，粗片狀共晶Si大大細(xì)化，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀共晶Si的組織。1675.5包晶合金的凝固

Pt-Ag合金相圖和包晶轉(zhuǎn)變特征a）Pt-Ag合金相圖b）包晶轉(zhuǎn)變特征168包晶反應(yīng)及其組織的形成Ag-56.0%Zn縱截面凝固組織照片(a)

（a）v=1mm/min，固液界面處；（b）v=10mm/min，距固液界面處15mm處169亞包晶鋼板坯表面縱裂紋的形成板坯表面縱裂紋形貌（含碳量0.14%）170

液相只有有限擴(kuò)散凝固條件下溶質(zhì)再分配171

單向凝固時(shí)鑄棒內(nèi)溶質(zhì)的分布

172a）變質(zhì)前,b)0.1%Sr變質(zhì)后,c)0.1%Sr變質(zhì)后x1000x2000,x6000Al-Si共晶合金Sr變質(zhì)前后的共晶Si形態(tài)173本章小結(jié)一、概念：溶質(zhì)再分配、成分過(guò)冷二、分析理解：1.成分過(guò)冷對(duì)合金單相固溶體凝固界面前沿晶體的結(jié)晶形態(tài)有哪些影響？2.共晶組織的分類(lèi)、特點(diǎn)。三、計(jì)算：溶質(zhì)再分配對(duì)鑄件中溶質(zhì)含量影響的定量計(jì)算。174作業(yè)1.用Al-15%Cu合金澆注一水平細(xì)長(zhǎng)試棒，使其自左至右單向凝固，并保持固－液界面為平面，當(dāng)完全平衡凝固，凝固后試棒中共晶體的數(shù)量有多少？當(dāng)固相無(wú)Cu的擴(kuò)散，液相中Cu均勻混合時(shí)，求：凝固17%時(shí)，固液界面的和，凝固完畢，共晶體所占比例。2.什么是二次枝晶間距？影響枝晶間距的主要因素是什么？枝晶間距與材料的力學(xué)性能有什么關(guān)系？175第6章凝固組織及其控制176

6.1鑄件的宏觀組織

6.2宏觀組織的形成

6.3鑄件宏觀組織的控制6.4非晶合金的制備技術(shù)

6.5真空及電磁場(chǎng)對(duì)液態(tài)成型過(guò)程的影響主要內(nèi)容1776.1鑄件的宏觀組織激冷晶區(qū)的晶粒細(xì)小柱狀晶區(qū)的晶粒垂直于型壁排列，且平行于熱流方向內(nèi)部等軸晶區(qū)的晶粒較為粗大表層激冷晶區(qū)中間柱狀晶區(qū)內(nèi)部等軸晶區(qū)1781合金性質(zhì)(1)溶質(zhì)含量的高低，溶質(zhì)含量高樹(shù)枝晶較發(fā)達(dá)。(2)結(jié)晶溫度范圍的寬窄，有較寬的生核區(qū)域，容易形成枝晶或等軸晶組織。(3)液態(tài)金屬內(nèi)是否含有強(qiáng)生核劑，含有強(qiáng)生核劑，易形成等軸晶組織。一、影響鑄件宏觀組織的主要因素179

(1)澆注溫度較低，液態(tài)金屬過(guò)熱度較小，與澆道內(nèi)壁接觸時(shí)能生成大量的游離晶粒也有助于游離晶粒的殘存，這對(duì)等軸晶的形成和細(xì)化有利。反之，有利于柱狀晶的形成。

(2)能強(qiáng)化金屬液流對(duì)型壁沖刷作用的澆注工藝均能擴(kuò)大并細(xì)化等軸晶區(qū)。(3)結(jié)晶過(guò)程中是否存在較長(zhǎng)時(shí)間的激烈對(duì)流

2澆注條件1803鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)于薄壁鑄件，激冷可以使整個(gè)斷面同時(shí)產(chǎn)生較大的過(guò)冷。鑄型溫度越低、蓄熱系數(shù)越大，界面溫度梯度越大，液體生核能力越強(qiáng)。采用金屬型鑄造比砂型鑄造易獲得細(xì)等軸晶的金屬組織。對(duì)于厚壁鑄件，其影響則非常復(fù)雜。鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、壁厚越薄，越易得到細(xì)等軸晶組織；反之，則利于形成柱狀晶。

181圖6.2幾種不同類(lèi)型的鑄件宏觀組織示意圖（a）柱狀晶;（b）表面細(xì)等軸晶加柱狀晶;（c）三個(gè)晶區(qū);（d）等軸晶182柱狀晶本身比較致密，有良好的強(qiáng)度和塑性，但柱狀晶較粗大，晶界上富集易熔而力學(xué)性能較差的雜質(zhì)和缺陷，使晶粒間的聯(lián)系大大削弱。故柱狀晶力學(xué)性能有明顯方向性，縱向好，橫向差，鑄件在凝固冷卻過(guò)程中還容易沿晶界開(kāi)裂。等軸晶的晶界長(zhǎng)，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，且各晶粒的位相都不同，故方向性小，比較穩(wěn)定。晶粒越細(xì)，其綜合性能越好，抗疲勞性也高。鑄件通常希望獲得細(xì)小的等軸晶。3.晶粒組織對(duì)性能的影響183大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用情況下，希望鑄件宏觀組織獲得各向同性的細(xì)小等軸晶組織。為此，應(yīng)創(chuàng)造條件抑制晶體的柱狀長(zhǎng)大，而促使內(nèi)部等軸晶的形成和等軸晶細(xì)化。就斷裂而論，裂紋最易沿晶界擴(kuò)展。柱狀晶相碰的地帶溶質(zhì)及雜質(zhì)聚積嚴(yán)重，造成強(qiáng)度、塑性、韌性在柱狀晶的橫向方向大幅度下降，對(duì)熱裂敏感，腐蝕介質(zhì)中易成為集中的腐蝕通道。184晶粒尺寸與材料強(qiáng)度的關(guān)系Hall-Petch185柱狀晶的特點(diǎn)是各向異性，對(duì)于諸如磁性材料、發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋漿葉片等這些強(qiáng)調(diào)單方向性能的情況，采用定向凝固獲得全部柱狀晶的零件反而更具優(yōu)點(diǎn)。如何在技術(shù)上有效地控制鑄件的宏觀組織十分重要。因此有必要學(xué)習(xí)各晶區(qū)組織的形成機(jī)理。1866.2宏觀組織的形成一、表面激冷晶區(qū)的形成二、柱狀晶區(qū)的形成三、等軸晶區(qū)的形成187一、表面激冷晶區(qū)的形成一、型壁散熱條件所決定的過(guò)冷度和凝固區(qū)域的寬度二、型壁附近熔體大量非均質(zhì)生核，迅速長(zhǎng)大并互相接觸三、各種形式的游離晶粒

鑄型壁附近熔體受到強(qiáng)烈的激冷作用而大量形核，形成無(wú)方向性的表面細(xì)等軸晶組織，也叫“激冷晶”。細(xì)化條件：188二、柱狀晶區(qū)的形成穩(wěn)定的表面細(xì)等軸晶凝固殼層形成以后：以凝固層某些晶粒為基底，再向內(nèi)生長(zhǎng)出柱狀晶，發(fā)展成柱狀晶區(qū)。枝晶主干取向與熱流方向平行的枝晶生長(zhǎng)迅速

。189二、柱狀晶區(qū)的形成

柱狀晶區(qū)開(kāi)始于穩(wěn)定凝固殼層的產(chǎn)生結(jié)束于內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成

柱狀晶區(qū)的存在及寬窄程度上述兩個(gè)因素綜合作用的結(jié)果如果在凝固初期就使得內(nèi)部產(chǎn)生等軸晶的晶核，將會(huì)有效地抑制柱狀晶的形成。190柱狀晶擇優(yōu)生長(zhǎng)

競(jìng)爭(zhēng)淘汰191三、內(nèi)部等軸晶的形成機(jī)理（一）

“成分過(guò)冷”理論（二）激冷等軸晶游離理論（三）枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論192（一）“成分過(guò)冷”理論該理論認(rèn)為，隨著凝固層向內(nèi)推移，固相散熱能力逐漸削弱，內(nèi)部溫度梯度趨于平緩，且液相中的溶質(zhì)原子越來(lái)越富集，從而使界面前方成分過(guò)冷逐漸增大。當(dāng)成分過(guò)冷大到足以發(fā)生非均質(zhì)生核時(shí)，便導(dǎo)致內(nèi)部等軸晶的形成。193（二）激冷等軸晶游離理論在澆注的過(guò)程中及凝固的初期激冷，等軸晶自型壁脫落與游離促使等軸晶形成。型壁溫度低，澆注中形成的激冷游離晶194（三）枝晶熔斷及結(jié)晶雨理論生長(zhǎng)著的柱狀枝晶在凝固界面前方的熔斷、游離和增殖導(dǎo)致了內(nèi)部等軸晶晶核的形成，稱(chēng)為“枝晶熔斷”理論。

液面冷卻產(chǎn)生的晶粒下雨似地沉積到柱狀晶區(qū)前方的液體中，下落過(guò)程中也發(fā)生熔斷和增殖，是鑄錠凝固時(shí)內(nèi)部等軸晶晶核的主要來(lái)源，稱(chēng)為“結(jié)晶雨”理論。多發(fā)生在大型鑄錠的凝固過(guò)程中。1956.3鑄件宏觀組織的控制6.3.1凝固傳熱與宏觀組織6.3.2定向凝固技術(shù)6.3.3快速凝固技術(shù)6.3.4半固態(tài)凝固技術(shù)196典型凝固方式（a）定向凝固（b）體積凝固6.3.1

凝固傳熱與宏觀組織1976.3.2

定向凝固技術(shù)定向凝固技術(shù)：凝固過(guò)程中，如果熱流(散熱)是單向的，又有足夠的溫度梯度，則新晶核的形成將受到限制，晶體便以柱狀晶方式生長(zhǎng)。獲得單向生長(zhǎng)柱狀晶的根本條件：其關(guān)鍵在于控制熱流（單向），保證液--固界面上液體金屬有足夠的溫度梯度。

避免在固--液界面前方的液體中形成新的晶核。198區(qū)域熔化液態(tài)金屬冷卻法（ZMLMC法）1試樣；2感應(yīng)圈；3隔熱板4冷卻水；5液態(tài)金屬；6拉錠；7熔區(qū)；8坩堝定向凝固方法舉例

199二維定向凝固(a)(b)二維定向凝固法制備的高溫合金圓盤(pán)試樣的組織形貌(a)宏觀組織形貌（b）微觀組織形貌2006.3.3

快速凝固技術(shù)一、快速凝固

由金屬?gòu)囊合嗟焦滔嗟南嘧冞^(guò)程進(jìn)行得非常快，當(dāng)液態(tài)金屬以105~1010K/s的速度進(jìn)行凝固，從而獲得普通鑄件和鑄錠無(wú)法獲得的成分、相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu)的過(guò)程。鑄錠和鑄件的凝固冷卻速度通常在10-3~102K/s的范圍內(nèi)。大型鑄錠的冷卻速率為10-3~10-1K/s，中等鑄件的冷卻速率約為1K/s。特薄的鑄件壓鑄過(guò)程的冷卻速率可達(dá)103K/s，當(dāng)液態(tài)金屬以105~1010K/s的冷卻速度進(jìn)行凝固時(shí)，稱(chēng)之為快速凝固。201快速凝固是指采用急冷技術(shù)或深過(guò)冷技術(shù)獲得很高的凝固前沿推進(jìn)速率的凝固過(guò)程。界面推進(jìn)速率大于10mm/s冷卻速率達(dá)到105~1010K/s固-液界面的移動(dòng)速率趕上或超過(guò)原子間擴(kuò)散速率時(shí)，晶體將來(lái)不及轉(zhuǎn)移成分，界面固、液相成分不再平衡。202（1）偏析形成傾向?。S著凝固速度的增加，實(shí)際溶質(zhì)分配系數(shù)偏離平衡而增加，并趨近于1）（2）形成非平衡相（亞穩(wěn)定相）（3）細(xì)化凝固組織（細(xì)化枝晶）（4）形成非晶二、快速凝固組織的特征203

（a）快速冷卻

一方面，選用熱導(dǎo)率大的鑄型材料或?qū)﹁T型強(qiáng)制冷卻，提高凝固速度；另一方面，凝固層內(nèi)部熱阻隨凝固層厚度的增大而迅速提高，導(dǎo)致凝固速度下降。快冷法一般只在薄膜、細(xì)線及小尺寸顆粒中實(shí)現(xiàn)三、快速凝固的條件204（b）深過(guò)冷通過(guò)抑制凝固過(guò)程的形核，使合金溶液獲得很大的過(guò)冷度，從而凝固過(guò)程釋放的潛熱被過(guò)冷熔體吸收掉，可減少凝固過(guò)程中要導(dǎo)出的熱量。深過(guò)冷快速凝固成形可通過(guò)循環(huán)過(guò)熱凈化和熔融玻璃凈化處理實(shí)現(xiàn)大體積液態(tài)金屬的快速凝固。2051細(xì)粉；2氣體；3氣源；4合金液；5真空感應(yīng)加熱器；6噴嘴；7霧化室；8收集室；9粉末(1)粉末快速凝固概括起來(lái)可分為流體霧化法和離心霧化法。四、快速凝固的工藝方法206（2）帶材快速凝固常用的方法有單輥法、溢流法和雙輥法等。（a）自由噴射甩出（FJMS）法（b）平流鑄造（PFC）法

1.激冷輥；2.感應(yīng)加熱器；3.排氣閥；4.壓力表；5.帶材；6.噴嘴；7.合金液；8激冷基底（單輥表面）單輥法207雙輥法快速凝固原理圖1帶材；2合金液；3加熱器；4坩堝；5噴嘴；6雙輥溢流法快速凝固原理圖溢流法雙輥法208玻璃包覆熔融紡線法（3）線材快速凝固

209連續(xù)式旋轉(zhuǎn)水紡線法連續(xù)式旋轉(zhuǎn)水紡線法1旋轉(zhuǎn)鼓；2噴嘴；3熔融金屬；4金屬絲；5磁性輥；6卷取機(jī)210（一）合理地控制澆注工藝和冷卻條件（二）孕育和變質(zhì)處理（三）動(dòng)力學(xué)細(xì)化五、快速凝固工藝的控制211（一）合理的澆注工藝澆注溫度澆注方式

降低澆注溫度是減少柱狀晶、獲得細(xì)化等軸晶的有效措施。但過(guò)低的澆注溫度將降低液態(tài)金屬的流動(dòng)性，導(dǎo)致產(chǎn)生澆不足和冷隔等缺陷。

改變澆注方式強(qiáng)化對(duì)流對(duì)型壁激冷晶的沖刷作用，能有效地促進(jìn)細(xì)等軸晶的形成。但不要因此而引起大量氣體和夾雜的卷入而導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷。

212冷卻條件的控制控制冷卻條件的目的是形成寬的凝固區(qū)域和獲得大的過(guò)冷，從而促進(jìn)熔體生核和晶粒游離。小的溫度梯度GL和高的冷卻速度R可以滿(mǎn)足以上要求。但就鑄型的冷卻能力而言，除薄壁鑄件外，這二者不可兼得。對(duì)薄壁鑄件，可采用高蓄熱、導(dǎo)熱能力強(qiáng)的鑄型。

對(duì)厚壁鑄件，一般采用冷卻能力小的鑄型以確保等軸晶的形成，再輔以其他晶粒細(xì)化措施以得到滿(mǎn)意的效果。213（二）孕育、變質(zhì)處理孕育處理是澆注之前或澆注過(guò)程中向液態(tài)金屬中添加少量孕育劑以達(dá)到細(xì)化晶粒、改善宏觀組織目的的一種工藝方法。孕育主要是影響生核過(guò)程和促進(jìn)晶粒游離以細(xì)化晶粒；變質(zhì)處理同樣是加入外來(lái)核心，但是通過(guò)改變晶體的生長(zhǎng)機(jī)理，從而細(xì)化晶粒、影響晶體形貌。214合金種類(lèi)孕育劑主要組元加入量wt%加入方法碳鋼及合金鋼Ti0.1~0.2鐵合金V0.06~0.30B0.005~0.01鑄鐵Si-Fe，Ca,Ba,Sr0.1~1.0，與Si-Fe復(fù)合鐵合金鋁合金Ti,Zr,Ti+B,Ti+CTi:0.15;Zr:0.2；復(fù)合:Ti0.01B或C0.05;Al-Ti,Al-Zr,Al-Ti-B,Al-Ti-C中間合金過(guò)共晶Al-Si合金P≥0.02Al-P，Cu-P，F(xiàn)e-P中間合金銅合金Zr,Zr+B,Zr+Mg,Zr+Mg+Fe+P0.02~0.04純金屬或中間合金鎳基高溫合金WC,NbC碳化物粉末各類(lèi)合金常用孕育劑215（三）動(dòng)力學(xué)細(xì)化（1）振動(dòng)結(jié)晶（2）液相攪拌216（1）振動(dòng)結(jié)晶（a）鑄型振動(dòng)在凝固過(guò)程中振動(dòng)鑄型可使液相和固相發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致枝晶破碎形成結(jié)晶核心。振動(dòng)還可引起局部的溫度起伏，有利于枝晶熔斷。振動(dòng)鑄型可促使“結(jié)晶雨”的形成。立式離心鑄造機(jī)217（b）超聲波振動(dòng)超聲波振動(dòng)可在液相中產(chǎn)生空化作用，形成空隙，當(dāng)這些空隙崩潰時(shí)，液體迅速補(bǔ)充，液體流動(dòng)的動(dòng)量很大，產(chǎn)生很高的壓力。當(dāng)壓力增加時(shí)凝固的合金熔點(diǎn)溫度也要增加，從而提高了凝固過(guò)冷度，造成形核率的提高，使晶粒細(xì)化。218不同功率超聲處理純鋁的凝固組織219（2）液相攪拌采用機(jī)械攪拌、電磁攪拌或氣泡攪拌均可造成液相相對(duì)固相的運(yùn)動(dòng)，引起枝晶的折斷、破碎與增殖，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。220

連鑄過(guò)程采用電磁攪拌的主要作用是提高連鑄坯的質(zhì)量，例如去除夾雜物、消除皮下氣泡、減輕中心偏析、提高連鑄坯的等軸晶率。在澆鑄斷面較大的鑄坯以及澆鑄質(zhì)量要求較高時(shí)，電磁攪拌技術(shù)便成為首選。2216.3.4半固態(tài)凝固技術(shù)一、半固態(tài)成型技術(shù)半固態(tài)成型技術(shù)（semi-solidmetalprocess，簡(jiǎn)稱(chēng)SSP）通過(guò)攪拌或加熱等方法在液相線附近獲得具有非樹(shù)枝晶狀組織的半固態(tài)漿（坯）料，并通過(guò)加壓的方式，使其在不同形狀的型腔內(nèi)凝固成型的技術(shù)。半固態(tài)加工的特點(diǎn)金屬的液態(tài)成形:鑄造；液態(tài)模鍛；液態(tài)軋制；連鑄等傳統(tǒng)的金屬成形

金屬的固態(tài)成形：軋制；拉拔；擠壓；鍛造；沖壓等二、半固態(tài)金屬的物理特性半固態(tài)金屬（合金）的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是固液相混合共存，根據(jù)固相分?jǐn)?shù)不同，其狀態(tài)不同，物性也有很大差別。當(dāng)fs小于0.2時(shí)，半固態(tài)金屬漿料可以作為牛頓粘性流體；當(dāng)fs在0.2~0.6時(shí)，固相微粒相對(duì)運(yùn)動(dòng)及聚集行為為半固態(tài)金屬漿料性質(zhì)；當(dāng)fs在0.6~0.7以上時(shí)，半固態(tài)漿料可以被認(rèn)為是浸透著液體的多孔固體。半固態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)半固態(tài)金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)高固相分?jǐn)?shù)低固相分?jǐn)?shù)在高固相分?jǐn)?shù)時(shí)，液相成分僅限于部分晶界。在低固相分?jǐn)?shù)時(shí)，因相顆粒游離在液相成分之中。（1）粘度比液態(tài)金屬高，容易控制：模具夾帶的氣體少，減少氧化、改善加工性，減少模具粘接，可進(jìn)行更高速的部件成形，改善表面光潔度，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和形成新加工工藝；（2）流動(dòng)應(yīng)力比固態(tài)金屬低：半固態(tài)漿料具有流變性和觸變性，變形抗力非常小，可以更高的速度成形部件，而且可進(jìn)行復(fù)雜件成形，縮短加工周期，提高材料利用率，有利于節(jié)能節(jié)材，并可進(jìn)行連續(xù)形狀的高速成形(如擠壓)，加工成本低；（3）應(yīng)用范圍廣：凡具有固液兩相區(qū)的合金均可實(shí)現(xiàn)半固態(tài)加工?？蛇m用于多種加工工藝，如鑄造、軋制、擠壓和鍛壓等，并可進(jìn)行材料的復(fù)合及成形。半固態(tài)金屬的加工特點(diǎn)半固態(tài)金屬的組織特性、形成機(jī)理與力學(xué)行為(1)非枝晶的形成與演化Al-20Cu合金的凝固組織

液體金屬在凝固過(guò)程中攪拌且激冷，其結(jié)晶造成固體顆粒的初始形貌呈樹(shù)枝狀，然后在剪切力作用下，枝晶會(huì)破碎，形成小的球形晶，常規(guī)鑄造和半固態(tài)鑄造的組織對(duì)比，可見(jiàn)利用流變鑄造方法生產(chǎn)的半固態(tài)金屬具有獨(dú)特的非枝晶、近似球形的顯微結(jié)構(gòu)。球形組織的形成過(guò)程？球形結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程：結(jié)晶開(kāi)始時(shí)，攪拌促進(jìn)了晶核的產(chǎn)生，此時(shí)晶核是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行的；隨著溫度的下降，雖然晶粒仍然是以枝晶生長(zhǎng)方式進(jìn)行，但由于攪拌的作用，造成晶粒之間互相磨損、剪切以及液體對(duì)晶粒劇烈沖刷，這樣，枝晶臂被打斷，形成了更多細(xì)小晶粒，其自身結(jié)構(gòu)也逐漸向薔薇形演化；隨著溫度的繼續(xù)下降，最終使得這種薔薇形結(jié)構(gòu)演化成更簡(jiǎn)單的球形結(jié)構(gòu)。有色金屬半固態(tài)組織的演變機(jī)制主要有以下三種：枝晶臂根部斷裂機(jī)制。枝晶臂根部熔斷機(jī)制。

枝晶臂發(fā)生熔斷示意圖枝晶臂彎曲機(jī)制。(2)半固態(tài)金屬的力學(xué)行為

表1為用不同加工方法獲得的A356鋁合金的力學(xué)性能，從表中可以看出，半固態(tài)金屬加工技術(shù)的優(yōu)越性。如觸變成形并在T6狀態(tài)下的性能較金屬型鑄造所獲得的合金有更好的力學(xué)性能，并與鍛件的性能相近。合金加工方法熱處理狀態(tài)屈服應(yīng)力/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%硬度/HBA356(Al7Si0.3Mg)SSM鑄態(tài)1102201460SSMT41302502070SSMT51802555~1080SSMT624032012105PMT6186262580PMT511381862——CDFT62803409——注：SSM為半固態(tài)加工；PM為金屬型加工；CDF為閉模鍛造三、半固態(tài)成形工藝（一）半固態(tài)金屬成形半固態(tài)壓鑄（或半固態(tài)鑄造）半固態(tài)壓鑄分為流變鑄造和觸變鑄造。（1）流變鑄造：在凝固期間，對(duì)合金施加攪拌，使?jié){料中形成非枝晶固相，然后像液態(tài)金屬壓鑄一樣直接將半固態(tài)漿料注入壓型中成形，稱(chēng)之為流變鑄造或流變成形。（2）觸變鑄造：觸變鑄造也叫觸變成形，是將經(jīng)過(guò)劇烈攪拌的半固態(tài)金屬漿料預(yù)先凝固成坯料，再按需要將金屬坯料分切成一定大小，把這種半固態(tài)坯料重新加熱至固液兩相區(qū)某一溫度，保持一定的固液相比例，然后成形。觸變壓鑄(Thixo-casting)半固態(tài)金屬通過(guò)一定截面的孔洞注入閉合的模具內(nèi)并合模、加壓。

觸變壓鑄是目前制造半固態(tài)金屬零件應(yīng)用最多的半固態(tài)成形方法。其成形溫度低，凝固時(shí)間短，成形周期短，部件質(zhì)量好(縮孔和疏松少)；微觀組織均勻，高度自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)。鋁合金半固態(tài)壓鑄成形件(a)控制臂；(b)后門(mén)合頁(yè)(a)柸料二次加熱(b)坯料放人鍛模型腔(c)鍛壓成形(d)鍛件

半固態(tài)鍛造

半固態(tài)鍛造是將加熱到半固態(tài)的坯料在鍛模中進(jìn)行以壓縮變形為主的模鍛以獲得所需形狀、性能制品的加工方法。半固態(tài)擠壓半固態(tài)擠壓用加熱爐將坯料加熱到半固態(tài)，然后放入擠壓模腔，用凸模施加壓力，通過(guò)凹?？跀D出所需制品。半固態(tài)擠壓和其他半固態(tài)成形方法相比，研究得最多的是各種鋁合金和銅合金的棒、線、管、型材等制品，是難加工材料、粒子強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料、纖維強(qiáng)化金屬基復(fù)合材料加工不可缺少的技術(shù)。觸變擠壓是將半固態(tài)金屬坯料移入擠壓腔內(nèi)，通過(guò)模具孔擠出成形。Al、Mg輕質(zhì)高強(qiáng)合金，以及鋼等都可以擠壓成形。

觸變擠壓(Thixo-extrusion)觸變擠壓成形原理圖半固態(tài)軋制在軋機(jī)的入口處設(shè)置加熱爐，將被軋制材料加熱到所要求的半固態(tài)后，送入軋機(jī)軋制。對(duì)象主要是板材的軋制成形。將半固態(tài)漿料的制備設(shè)備與軋制銜接起來(lái)，直接軋制成形的方法。具有生產(chǎn)流程更短、更節(jié)約能源，更具生產(chǎn)潛力和應(yīng)用前景。