材料加工原理8-41精品资料

宏观光滑界面的凝固（理想的平滑界面）
分类：宏观粗糙界面的凝固（S-L界面呈割裂的锯齿状）
枝晶状（海绵状）凝固（网状结构）
机制：宏观S-L界面连续，界面推进方向与传热方向相反。
热量通过固相向环境散失。凝固速率取决于传热速率
形貌：等轴晶
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内生凝固： 特点：既可以在界面凝固，也可在金属液内部进行。
糊状凝固（表面和中心凝固速率相差不大）
a）铸件断面温度平坦 b）结晶温度范围很宽——凝固动态曲线上的两相边
界纵向间距很大
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3、中间凝固（结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金） 如果合金的结晶范围较窄， 或因铸件断面的温度梯度 较大，铸件断面上的凝固 区域介于前两者之间时， 属于“中间凝固方式”。
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中间凝固方式特点：凝固初期似逐层凝固——凝 固后期似糊状凝固 a）结晶温度范围较窄 b）铸件断面的温度梯度较大
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2、体积凝固（铸件断面温度场较平坦或结晶范围较宽的合金）
如果合金的结晶 温度范围很宽，或因 铸件铸件断面温度场 较平坦，铸件凝固的 某一段时间内，其凝 固区域很宽，甚至贯 穿整个铸件断面，而 表面温度高于固相温 度，这种情况为“体积 凝固方式”，或称为“糊 状凝固方式”。
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体积凝固方式（糊状凝固方式）特点：
在合金结晶温度范围已定的前提 下，凝固区域的宽窄取决与铸件 内外层之间的温度差。若铸件内 外层之间的温度差由小变大，则 其对应的凝固区由宽变窄 。
梯度很大的温度场，可以使宽结晶温度范围的合金按中间凝 固方式凝固(加高碳钢在金属型中凝固)，甚至按逐层凝固方 式凝固。很平坦的温度场，可以使窄结晶温度范围的合金按 体积凝固方式凝固。所以，温度梯度是凝固方式的重要调节 因素。
a. 右边的晶体已连成骨架，但液 体还能在其间移动，为限制迁移带
b. 左边的已接近固相温度，固相 占绝大部分，骨架之间的少量液体 被分割成互补沟通的小“熔池”， 为显微迁移带
液固部分：液相占优势 固液部分：固相占优势
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二、铸件的凝固方式及其影响因素
铸件凝固方式一般分为三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。 1、逐层凝固（纯金属或共晶成分合金的凝固方式）
共晶类合金
共晶成分合金 近共晶成分合金
窄结晶温度范围合金
低碳钢 锡青铜 结晶温度范围小的黄铜
金属浇入铸型后，首先 在型壁处过冷，形成激冷层 ，然后按柱状晶的形势紧密 生长，固相界面前沿为平面 推进的方式.
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由于凝固前沿直接与液态金属接触，当 液态凝固成为固态而发生体积收缩时， 可以不断地得到液体的补充，所以： （1）产生分散缩松的倾向小，而是在铸件 最后凝固部位留下集中缩孔，设置冒口 易消除，因此其合金的补缩特性良好； （2）这类合金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 液的充填，使裂纹愈合，所以铸件的热 裂倾向小。 （3）如果这类合金在充型过程中发生凝固 时，也具有较好的充型能力。
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工业纯铝（99%Al）在砂型和金属型中铸造时所测得的温度场合凝固动态曲线
将它在砂型中的凝固动态 曲线与上图中低碳钢的相 应曲线比较则可看到，虽 然工业纯铝的结晶温度范 围为6度，比低碳钢的22度 小得多，但是低碳钢为逐 层凝固方式，而工业纯铝 却已体积凝固方式进行凝 固。其原因是铝的凝固温 度低、结晶潜热和导热系 数大，铸件断面的温度场 平坦。
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2、宽结晶温度范围的合金
这类合金铸件的 凝固区域宽，液态金 属的过冷很小，容易 发展为树枝发达的粗 大等轴晶组织。
铝、镁合金 铝铜合金 铝镁合金 镁合金
铜合金 锡青铜 铝青铜 结晶温度范围大黄铜
铁碳合金 高碳钢 球墨铸铁
在凝固区域中靠近固相前沿先形成一
批晶粒周围产生溶质富集，停止生长，
分类：
形壳凝固（表面凝固速率>中心）
机制：宏观S-L界面分散，界面推进方向与传热方向相同。
热量通过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。
形貌：等轴晶
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三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响
1、窄结晶温度范围的合金 包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金
纯金属
工业用铜 工业用锌 工业用锡
§8-4 铸件的凝固方式
一、铸件凝固区域及其结构
铸件凝固过程中，除 纯金属和共晶成分合 金外，断面上一般都 存在三个区域：
部分状态图
固相区
凝固区
固相区
液相区
液相区
凝固区
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宽结晶温度范围内合金的凝固区域
1)液固部分 凝固的晶体处于悬浮状态 而未连成一片，固相可以 自由移动,为宏观迁移带。
2)固液部分
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影响铸件凝固方式的因素
1. 合金的结晶温度范围
以二元共晶相图为例说明
1. 逐层凝固 2. 中间凝固 3. 糊状凝固
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温度 温度
成分
固
表层

液
中心
液相线
液相线
固相线
S
固
液
表层
凝固区
中心
表层 中心
合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。
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以 碳 钢 为 例 说 明
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2、铸件的温度梯度的影响
恒温下结晶的金属， 在凝固过程中其铸件断面 上的凝固区域宽度等于零， 断面上的固体和液体由一 条界线清晰地分开，随着 温度的下降，固体层不断 加厚，逐步到达铸件中心， 此为“逐层凝固方式”。
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逐层凝固方式特点：无凝固区或凝固区很窄 凝固动态曲线上的两相边界的纵向间距很小或是无 条件重合。
a）恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金 b）结晶温度范围很窄或断面温度梯度很大
图2-16 工业纯铝铸件断面的温度场（a）和凝固动态曲线（图b）
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综上,铸件的凝固方式由结晶温度范围和温 度梯度共同决定：
tc 1
t
tc 1
t
趋于体积凝固 趋于逐层凝固
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根据近代凝固理论，又把工业上常用的金属的凝固方式 分成两大类：外生凝固和内生凝固
外生凝固： 特点：凝固层从金属液-铸型界面向中心推进。
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( 一 ) 缩孔的形成
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( 一 ) 缩孔的形成
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( 一 ) 缩孔的形成
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( 一 ) 缩孔的形成
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( 一 ) 缩孔的形成
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( 一 ) 缩孔的形成
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( 一 ) 缩孔的形成
铸件产生集中缩孔的基本原因 金属的液态收缩和凝固收缩之和大于固态收缩 ; 产
生集中缩孔的条件是铸件由表及里逐层凝固。缩孔一般 集中在铸件顶部或最后凝固的部位 , 如果在这些部位设 置冒口 , 缩孔将被移入冒口中。