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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大连理工大学材料学院本科生课程,材料成形原理,液态成形原理,主讲教师：姚曼 教授,大连理工大学,材料科学与工程学院,大连理工大学材料学院本科生课程材料成形原理主讲教师：姚,材料液态成形原理,1,液体的结构与性质,2,凝固的热力学基础,3,凝固的结晶学基础,4,凝固的传热学问题,5,凝固过程液相的流动现象,6,凝固组织及其控制,7,伴随凝固与冷却过程产生的现象,材料液态成形原理1 液体的结构与性质,6,凝固组织及其控制,Solidification structure,and control,6 凝固组织及其控制Solidification struc,凝固组织,凝固组织,指凝固后冷却到室温，不经后续热加工或热处理的组织，通常又称为,铸态组织,。,凝固条件不同，其组织可能差异很大,如：从晶态，到纳米晶、微晶、准晶或非晶。,凝固组织凝固组织指凝固后冷却到室温，不经后续热加工或热处理的,结晶材料的组织,主要特征通常包括两方面：,晶粒（,grain,）组织,，包括其尺寸、形状和取向。,亚结构（,substructure,）,包括合金元素的分布与状态、枝晶结构。,材料成分确定以后，性能取决于它的组织。,凝固组织取决于凝固条件。,结晶材料的组织主要特征通常包括两方面：,通过控制凝固过程控制凝固组织，取得优异的材料性能，是一个十分活跃的研究领域。,铸件的凝固组织很难改变,，特别对不进行后继热处理的铸件更是如此。金属铸锭可以通过后继压力加工改变组织和位错密度。,本章将应用前面学习的凝固理论，理解、分析和控制凝固组织,。,通过控制凝固过程控制凝固组织，取得优异的材料性能，是一个十,6,凝固组织及其控制,6.1,晶粒组织,6.2,铸态宏观组织,6.3,影响晶粒组织因素,6.4,非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶,6.5,凝固组织控制,6.6,熔焊金属的凝固,6 凝固组织及其控制6.1晶粒组织,6.1,晶粒组织,金属凝固组织通常是多晶体，它由尺寸不同的小晶体组成。,小晶体从不同的晶核长大，其形状、尺寸和取向都不相同。这些小晶体称为,晶粒,。,凝固金属晶粒的直径尺度从大约,0.25mm,到几个毫米。,晶粒的概念是了解凝固组织及其控制的基础，是金属组织结构最重要的概念之一。,grain,grain boundary engineering,6.1晶粒组织金属凝固组织通常是多晶体，它由尺寸不同的小晶体,单相合金晶粒组织,对于单相合金,，凝固时形成的晶粒在冷却过程不再发生相变。,单相合金晶粒组织对于单相合金，凝固时形成的晶粒在冷却过程不再,多相合金晶粒组织,常见的多相合金晶粒组织有两种类型：,一个相的晶粒形成基体（通常是固溶体），其它相在凝固或随后冷却过程时形成的，以分散的小晶体形态散布在基体上。,两相混合共同生长的共晶晶粒（共晶团）或共析晶粒。对亚共晶和过共晶合金，在先凝固相剩余的空间进行共晶。,多相合金晶粒组织常见的多相合金晶粒组织有两种类型：,铁碳系平衡凝固时晶粒的形成,p179,案例,6.1,铁碳系平衡凝固时晶粒的形成 p179案例6.1,6.2,铸态宏观组织,铸态晶粒有,柱状晶和等轴晶,两种形态，通常比较粗大。,在加工后，经蚀显或不经蚀显，一般可以用肉眼或低倍下观察，故晶粒组织称为,宏观组织或低倍组织。,宏观组织的两个重要参数是,晶粒形状和尺寸,。,6.2 铸态宏观组织铸态晶粒有柱状晶和等轴晶两种形态，通常比,本节讨论用常规铸造方法，铸件和铸锭的宏观组织。,铸态宏观组织：,表层激冷细晶粒区,柱状晶,中心等轴晶,本节讨论用常规铸造方法，铸件和铸锭的宏观组织。,表层激冷层,铸件表层常常由很细的等轴晶组成,，称为,激冷层,。,在铸锭内表现最明显。其厚度随铸锭大小而异，最厚可达十几毫米。,激冷层可能很薄，薄壁件不明显以至观察不到。,激冷层壳的收缩导致形成与模壁间的气隙，结晶释放的潜热阻止了液体进一步冷却，激冷层终止。,表层激冷层铸件表层常常由很细的等轴晶组成，称为激冷层。激冷层,表层激冷层形成,形成机制,：表层激冷形成细小晶体，流动冲刷，游离的晶体在密度差驱动下沿型壁运动，部分小晶体受到冷却而被型壁,“,捕捉,”,，形成等轴的激冷层。,激冷层壳的收缩导致形成与模壁间的气隙，结晶释放的潜热阻止了液体进一步冷却，激冷层的形成即被终止等轴的激冷层,表层激冷层形成形成机制：表层激冷形成细小晶体，流动冲刷，游离,铸态组织的形成,-,柱状晶,柱状晶,-,带方向性的柱状晶粒。,生长方向：与散热方向相反。,常近似与型壁垂直，与激冷层相连。,以枝状晶方式长大,。一次、二次、三次臂,铸态组织的形成-柱状晶柱状晶-带方向性的柱状晶粒。,二次枝晶臂,间距测量,45,个臂平均值，无标准；,二次枝晶臂间距测量45个臂平均值，无标准；,择优生长,（,preferred growth direction,）,择优生长,-,柱状晶生长的机制,柱状晶区晶体性能呈现方向性，它的枝晶的分支少，凝固后的显微缩松与杂质较少，组织致密。,择优生长（preferred growth directio,铸态组织的形成,-,等轴晶,等轴晶,:,各个晶体同时以无方向性的枝状晶方式长大形成的组织。等轴晶粒近似球形。,等轴晶晶体性能不呈现方向性,，在晶粒周界形成微观偏析和微观缩松，相对柱状晶来说，其组织不够致密。,铸态组织的形成-等轴晶等轴晶:各个晶体同时以无方向性的枝状晶,混合的铸态组织,柱状晶和等轴晶混合组织,;,柱状晶组织,等轴晶组织,混合的铸态组织柱状晶和等轴晶混合组织;,大型钢锭的铸态组织与宏观偏析,p185,案例,6.2,掌握其溶质元素的分布、组织不均匀性和凝固缺陷,大型钢锭的宏观偏析与铸态结构密切相关，它是大型锻件宏观偏析的根源。,55,吨重,34CrMo1A,合金钢锭解剖分析,大型钢锭的铸态组织与宏观偏析 p185案例6.2掌握其溶质元,铸态组织和缺陷,炉前分析钢液化学成分,为：,0.33%C,，,0.52Mn,，,0.27Si,，,0.015P,，,0.008S,，,0.96Cr,，,0.45Mo,硫印检查：,沿钢锭轴线纵向剖开。,取样化学分析：,从外表面至中轴。,冷酸蚀法：,显示低倍组织。,I,区,-,位于锭身上部（冒口端）：细等轴晶带：距边缘,4050mm,。柱状晶带：向内,230285mm,，有 向上倾斜的趋势。,心部：等轴晶带，中心严重缩松。,II,区,-,锭身下部（水口端）：细等轴晶带：较薄，约为,20mm,。柱状晶带：较薄，约为,90110mm,心部：等轴晶带，中心微量缩松。,34CrMo1A,合金钢锭（,55,吨重）解剖分析,铸态组织和缺陷炉前分析钢液化学成分为：0.33%C，0.52,化学成分分布和偏析,横截面上碳含量,：不均匀性最为明显，沿铸锭高度出现带状富集区域，含量高达,0.370.39%C,。,A,偏析,在纵断面这条碳偏析带上，溶质元素量都较高，,S,、,P,、,Al,、,Cr,量都是同一断面内的最高值,形成这种,偏析带可能的两种机制,：一是柱状晶凝固前沿的溶质再分配，造成溶质元素从表向里富集，在柱状晶区的终结处区域形成溶质富集区。二是,A,型偏析带。,34CrMo1A,合金钢锭（,55,吨重）解剖分析,化学成分分布和偏析横截面上碳含量：不均匀性最为明显，沿铸锭高,化学成分分布和偏析,锭身的最大,正偏析,出现在上部中心区；,最大,负偏析,则相反，出现在下部中心区，是由于晶体的沉积形成的。,34CrMo1A,合金钢锭（,55,吨重）解剖分析,化学成分分布和偏析锭身的最大正偏析出现在上部中心区；34Cr,硫印检查结果,：,硫印检查出现与化学分析类似的偏析带。硫偏析呈断续细带状分布，具有,A,型偏析特征。,在中心轴区，自缩孔下方延伸至锭身中部，硫的偏聚很明显，具有,V,型偏析特征。,柱状晶与等轴晶宏观形貌,（,20Mn2SiMo,钢,87,吨锭）,沿钢锭轴线纵向剖面的硫印照片,（,A,，,V-A,、,V,型偏析）,34CrMo1A,合金钢锭（,55,吨重）解剖分析,硫印检查结果：柱状晶与等轴晶宏观形貌沿钢锭轴线纵向剖面的硫印,亚结构,合金元素的分布与状态是一种重要的亚结构。包括：,偏析,枝状晶形貌,晶粒间的第二相网状物、颗粒相,共晶晶粒内两相的分布和状态等,偏析问题与晶粒形态密切相关。,晶粒粗大和存在偏析是铸件性能低于锻件的主要原因。,亚结构 合金元素的分布与状态是一种重要的亚结构。包括：,偏析,是铸件内部成分不均匀现象。包括,:,微观偏析,宏观偏析,微观偏析,晶内偏析,晶界偏析,宏观偏析,重力偏析、通道偏析,正偏析、负偏析,等,偏析及其分类,偏析是铸件内部成分不均匀现象。包括:偏析及其分类,晶内、晶界偏析案例,AlCu5Mn,铝合金铸态组织，合金含,0.35%Ti,晶内、晶界偏析案例 AlCu5Mn铝合金铸态组织，合金含0.,晶界偏析案例,：,Ni,在晶界偏析,晶界偏析案例：Ni在晶界偏析,晶界偏析案例,：,316,不锈钢,(0.08C,17Cr,12Ni,0.045P),晶界偏析场离子显微镜,(Field-Ion Microscopy),图象,原子探针显示晶界,B,C,P,偏析。,black P,grey B,clear C,晶界偏析案例：316 不锈钢(0.08C,17Cr,12N,正偏析,符合溶质再分配规律的宏观偏析；,无法消除；,正偏析符合溶质再分配规律的宏观偏析；,逆偏析,不符合溶质再分配规律。例,1,：,Al-Cu,合金,连铸,表面富,Cu,层。,结晶范围宽，糊状凝固，枝晶发达，液体内富含气体，易形成逆偏析。,逆偏析不符合溶质再分配规律。例1：Al-Cu合金,连铸,重力偏析,先凝固相密度小，或互不混合的液相之间存在密度差时，产生重力偏析,案例：,Cu-40%Pb,，,Cu,=8240kg/m,3,Pb,=10040kg/m,3,Cu,，,Pb,分层，,Pb,沉底；,重力偏析先凝固相密度小，或互不混合的液相之间存在密度差时，产,重力偏析案例：,Al-Ti,合金,合金中细化元素,Ti,重力偏析案例：Al-Ti合金合金中细化元素Ti,通道偏析、,V,偏析,钢锭凝固后,的,Channel,防止通道偏析，工程方法还是研究课题；,通道偏析、V偏析钢锭凝固后,End of 6.2,End of 6.2,
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