液态金属的凝固

高玉来：金属结晶及组织控制
金属结晶及组织控制
高玉来 Tel: 56332144(O) Email: ylgao@ 日新楼402室
Oct. 8, 2011
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高玉来：金属结晶及组织控制
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
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。
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第四章 液态金属的凝固
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臵不同，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 。
。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。
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第四章 液态金属的凝固
数学解析法(mathematical analysis method)
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第四章 液态金属的凝固
数值模拟法(numerical stimulation method)
计算机的出现为解决数值计算法计算量大的问题提供了
第四章 液态金属的凝固
温度场的实测法(measurement of temperature field)
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第四章 液态金属的凝固
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46b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 21 任一时刻的凝固状态。
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第四章 液态金属的凝固
化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系
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第四章 液态金属的凝固
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。
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第四章 液态金属的凝固
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 25 固方式。
缺点：由于找不到合适的处理方法，不总是有效。
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第四章 液态金属的凝固
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。
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第四章 液态金属的凝固
数学解析法(Mathematical analysis method)
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第四章 液态金属的凝固
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。
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。
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中间凝固方式
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第四章 液态金属的凝固
化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系
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第四章 液态金属的凝固
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
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第四章 液态金属的凝固
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。
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第四章 液态金属的凝固
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
第四节 焊接过程中的凝固问题
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第四章 液态金属的凝固
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。
如果合金的结晶温度
范围较窄（图4－10 a）
，或者铸件断面温度梯度 较大（图4－10 b），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。
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第四章 液态金属的凝固
凝固方式
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第四章 液态金属的凝固
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
第四章 液态金属的凝固
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-forming solidification)，体积凝固方式(volume
solidification)或称糊状凝固方式(mushy solidification)和 中间凝固方式(middle solidification)。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。
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第四章 液态金属的凝固
温度场的实测法(measurement of temperature field)
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 臵，利用多点自动记录电子电 位计作为温度测量和记录装臵 ，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45b）和铸件的凝固动态曲线。 19
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。
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第四章 液态金属的凝固
凝固过程的研究方法
(6) ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
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第四章 液态金属的凝固
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
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(finite
difference method)、有限单元法(finite element method) 、边界元法(boundary element method) 等，这些方法各有 特点。以有限差分法为例，介绍如下：
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。
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第四章 液态金属的凝固
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，
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第四章 液态金属的凝固