凝固缺陷与控制

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1、第十一章凝固缺陷与控制第十一章凝固缺陷与控制1液态金属体积收缩变形缩孔缩松热裂纹冷裂纹气体元素杂质元素化合物夹渣气泡气孔过饱和析出降温凝固受拘束应力滞留成分偏析非平衡凝固低熔点共晶2第一节合金中的成分偏析第二节气孔与夹杂第三节缩孔与缩松第四节应力第五节热裂纹第六节冷裂纹3§11-1合金中的成分偏析4合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象称为偏析。有微观与宏观偏析之分。偏析主要是由于合金在凝固过程中溶质再分配和扩散不充分引起的，如k0<1的固溶体合金，晶粒内先结晶部分含溶质较少，后结晶部分含溶质较多。偏析

2、对合金的力学性能、抗裂性能及耐腐蚀性能等有不同程度的损害。偏析也有有益的一面，如利用偏析现象可以净化或提纯金属等。合金的成分偏析5合金的成分偏析一、微观偏析微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为：1、晶内偏析是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。固溶体合金按树枝晶方式生长时，先结晶的枝干与后结晶的分枝也存在着成分差异，又称为枝晶偏析。2、晶界偏析在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成

3、分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。晶界偏析比晶内偏析的危害更大，既能降低合金的塑性与高温性能，又增加热裂纹倾向。晶粒并排生长，晶界平行于晶体生长方向，晶界与液相的接触处存在凹槽，溶质原子在此处富集，凝固后就形成了晶界偏析。6合金中的成分偏析晶粒相对生长，在对合处彼此相遇。晶粒结晶时所排出的溶质（k0＜1）和其他杂质元素在固-液界面前沿富积，在最后凝固的晶界对合部位将含有较多的溶质和其他低熔点物质，造成晶界偏析。3.微观偏析的影响因素与消除措施偏析程度的影响因素合金液、固相线间隔（宽）偏析元素的扩

4、散能力（弱）冷却条件（快）7合金中的成分偏析二、宏观偏析宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析，包括：正常偏析逆偏析V形偏析和逆V形偏析带状偏析与层状偏析重力偏析8合金中的成分偏析焊接熔池凝固时，随着柱状晶体的长大和固-液界面的推进，会将溶质或杂质赶向焊缝中心。当焊接速度较大时，成长的柱状晶会在焊缝中心相遇，在中心形成正偏析。在拉伸应力作用下，焊缝极易产生纵向裂纹。9合金中的成分偏析逆偏析的形成原因在于结晶温度范围宽的固溶体型合金，在缓慢凝固时易形成粗大的树枝晶，枝晶相互交错，枝晶间富集着低熔点相，当铸件产生体收缩

5、时，低熔点相将沿着树枝晶间向外移动。10合金中的成分偏析带状偏析常出现在铸锭或厚壁铸件中，有时是连续的，有时则是间断的，偏析的带状总是和液-固界面相平行。带状偏析的形成是由于固-液界面前沿液相中存在溶质富集层且晶体生长速度发生变化的缘故。焊缝凝固中的层状偏析与带状偏析机理相同。11气孔与夹杂气体在金属中的含量超过其溶解度，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡来不及排除，就会在金属内形成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。一、气孔的分类及形成机理1、析出性

6、气孔液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现偏析。一般最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于平均浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。12气孔与夹杂气体的析出过程高温下溶解在液态金属中气体的析出方式有：扩散析出；形成化合物析出；聚集成气泡析出。13气孔与夹杂析出性气孔的特征析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等温度较高的区域。当金属

7、含气量较少时，呈裂纹多角形状；而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。焊缝金属产生的析出性气孔多数出现在焊缝表面。氢气孔的断面形状如同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔一般成堆出现，形似蜂窝。14气孔与夹杂2、侵入性气孔将液态金属浇入砂型时，砂型或砂芯在金属液的高温作用下会产生大量气体，随着温度的升高和气体量的增加，金属-铸型界面处气体的压力不断增大。当界面上局部气体的压力高于外界阻力时，气体就会侵入液态金属，在型壁上形成气泡。气泡形成后将脱离型壁，浮入型腔液态金属中。当气泡来不及

8、上浮逸出时，就会在金属中形成侵入性气孔。3、反应性气孔液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的气孔。金属与铸型间的反应性气孔与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于液态金属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。[Fe]+{H2O}→[FeO]+H2↑含氮树脂砂分解→N2↑金属(或铸型)中的C氧化→CO↑15气孔与夹杂金属与溶渣间的反应性气孔当液态金属中含有混入的熔渣（FeO）时，会和液态金属