第3章 金属的凝固.ppt

,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,湖南科技大学,机电工程学院,2026/1/31 周六,1,材料成形原理,Chapter 3,第,3,章 金属的凝固,2026/1/31 周六,2,第,3,章 金属的凝固,凝固是指从液态向固态转变的相变过程，广泛存在于自然界和工程技术领域。,研究和了解液态金属的结构和性质，是分析和控制金属凝固过程必要的基础。,3.1,液态金属的结构和性质,从,微观,上看，凝固可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。,2026/1/31 周六,3,液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但振动的,能量,和,频率,要比固态原子高几百万倍。,液态金属宏观上呈,正电性,，具有良好,导电、导热和流动性。,固体,可以是非晶体也可以是晶体，而,液态金属,则几乎总是非晶体。,3.1.1,固体金属的加热与熔化,固体金属原子的热运动,金属原子间的作用力金属键（库仑力）,2026/1/31 周六,4,2026/1/31 周六,5,原子热运动（相互碰撞并传递能量）的结果是各原子能量不均匀,能量起伏,。,金属的熔化,原子受热时，若其获得的动能大于激活能时，原子就能越过原来的势垒，进人另一个势阱。这样，原子处于新的平衡位置，即从一个晶格常数变成另一个晶格常数。晶体比原先尺寸增大，即晶体受热而膨胀。对晶体进一步加热则在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态，能脱离晶粒的表面使金属处于熔化状态。,2026/1/31 周六,6,在熔点处，金属被进一步加热，其温度不会进一步升高，而是晶粒表面原子跳跃更频繁,。晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子，,形成时而集中时而分散的原子集团、游离原子和空穴,；此时，金属从固态转变为液态，其体积膨胀约,3%5%,。同时，金属的其他性质如电阻、粘性也会发生突变。在熔点温度的固态变为同温度的液态时，金属要吸收大量的热量，称为,熔化潜热,。,2026/1/31 周六,7,熔化时外界提供的热能，除因原子间距增大、体积膨胀而做功外，还增加体系的内能。在恒压下存在如下关系式,Eq,=,U,+,p,d,V,=,H,(3-1),式中，,Eq,为外界提供的热能；,U,为内能；,p,d,V,为膨胀功；,H,为热焓的变化，即熔化潜热。,在等温等压下由上式得熔化时熵值的变化为,d,S,=,Eq,/T,=(,U,+,p,d,V,)/,T,(3-2),d,S,值的大小描述了金属由固态变成液态时，原子由规则排列变成非规则排列的紊乱程度。,2026/1/31 周六,8,3.1.2,液态金属的结构,液态金属的热物理性质,从固态金属的熔化过程可看出，在熔点附近或过热度不大的液态金属中仍然存在许多的固态晶粒，其结构接近固态而远离气态汽化潜热远大于其熔化潜热。,熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度,。金属由固态变为液态熵值增加不大，说明原子在固态时的规则排列熔化后紊乱程度不大。由表,3-1,可见金属由熔点温度的固态变为同温度的液态比其从室温加热至熔点的熵变要小。,X,射线结构分析,通过,X,射线衍射找出液态金属的原子间距和配位数从而确定液态金属同固态金属在结构上的差异。,2026/1/31 周六,9,液态铝中的原子的排列在几个原子间距的小范围内，与其固态铝原子的排列方式基本一致，而远离的原子就完全不同于固态了。这种结构称为“,微晶,”。液态铝的这种结构称为“,近程有序,”、“远程无序”的结构，而固态的原子结构为远程有序的结构。,2026/1/31 周六,10,液态金属的结构,由前面分析可见，,纯金属,的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，而,实际液态合金,还包含杂质和气泡等结构。原子集团由数量不等的原子组成，其大小为,10,-10,m,数量级，在此范围内仍具有一定的规律性，称为,“,近程有序,”,。,实际金属和合金中，除了,能量起伏,，还存在,浓度起伏,溶质原子含量（,成分,）的,瞬时不稳定性,。,因此，,实际液态金属和合金中存在,能量起伏,、,浓度起伏,及,结构起伏,（或叫相起伏）,，,三个起伏影响液态合金凝固过程。,2026/1/31 周六,11,金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为,一次结晶,；,金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为,二次结晶,。,再结晶？,2026/1/31 周六,12,3.1.3,液态金属的性质,液态金属有各种性质，在此仅阐述与材料成形过程关系特别密切的二个性质：,粘度,(,粘滞性,),和,表面张力,。,A.,粘度,：,粘度的实质及影响因素,当外力,F(x,),作用于液态表面时，层与层之间存在内摩擦力，由牛顿液体粘滞定律及富林克尔理论：,粘度,本质上,是,原子间的结合力,液体的内摩擦力,。粘度与温度的关系为,:,在温度不太高时，指数项的影响是主要的，即,与,T,成反方向变化。当温度很高时，指数项接近于,1,，与,T,成正比。此外夹杂物及合金元素等对粘度也有影响。,2026/1/31 周六,13,流体力学中有运动粘度,/,，,密度，,，惯性,，紊流倾向。,运动,粘度,适用于外力作用下的水力学运动,；,在外力作用非常小的情况，液体金属的动力,粘度,将起主要作用，如夹杂物的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力,粘度,系数有关,。,影响粘度的因素,：,金属的,粘度与温度和成份的变化有关，温度升高粘度降低；液态金属中的固态杂质数量增多，粘度增加；合金元素的变化，也影响粘度变化，如含碳量增加，粘度降低。一般而言，共晶点附近的合金粘度最低,。,粘度在材料成形过程中的意义,a.,对液态合金流动阻力的影响,:,根据流体力学，,Re,2300,为湍流（紊流），,Re,2300,为层流。,Re,的数学式为,2026/1/31 周六,14,b.,对凝固过程中液态合金对流的影响,液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量，即,设,f,为流体流动时的阻力系数，则有,当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金属液体的流动成形，以紊流方式流动最好，由于流动阻力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的枝晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。,2026/1/31 周六,15,式中，,G,T,、,G,C,分别为温度和浓度引起的对流强度。可见粘度,越大对流强度越小。液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。,c.,对液态金属净化的影响,液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。杂质及气泡与金属液的密度不同。,根据司托克斯原理，半径,0.1mm,以下的球形杂质的上浮速度：,2026/1/31 周六,16,B.,表面张力,：,液体或固体同空气或真空接触的面叫表面。表面产生一个特有的现象,表面现象。,如荷叶上晶莹的水珠呈球状，雨水总是以近球状的形式从天空落下。,总之，一小部分的液体单独在大气中出现时，力图保持球状形态，说明总有一个力的作用使其趋向球状，这个力称为表面张力。表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的。这就是液珠存在的原因。由物理化学可知：,当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量,。,2026/1/31 周六,17,90,o,90,o,=0,o,=180,o,Absolute wetting,No wetting,润湿现象,Part wetting,2026/1/31 周六,18,影响界面张力的因素,影响液态金属界面张力的因素主要有,熔点,、,温度,和,溶质元素,。,1,熔点,界面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大,。,2026/1/31 周六,19,2,温度,大多数金属和合金，如,Al,、,Mg,、,Zn,等，其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而使液体质点间的结合力减弱所至。,但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即温度升高表面张力反而增加,。,其原因尚不清楚。,3,溶质元素,溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫,表面活性元素,，如钢液和铸铁液中的,S,即为表面活性元素，也称,正吸附元素,。提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称,负吸附元素,。,2026/1/31 周六,20,P,、,S,、,Si,对铸铁熔液表面张力的影响,2026/1/31 周六,21,表面或界面张力在材料成形过程中的意义,由于表面张力的作用，液体在细管中将产生下图所示现象。,2026/1/31 周六,22,由于附加压力与管道半径成反比。当,r,很小时将产生很大的附加压力，这对液态成形,(,铸造,),过程液态合金的充型性能和铸件表面质量产生很大影响。因此，浇注薄小铸件时必须提高浇注温度和压力，以克服附加压力的阻碍。液态成形过程中所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的，如采用,SiO,2,、,Cr,2,O,3,和石墨砂等材料，在这些细小砂粒之间的缝隙中，产生阻碍液态合金渗入的附加压力，从而使铸件表面得以光洁。,界面现象影响到液态成形的整个过程。晶体成核及生长、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷都与界面张力关系密切。,在熔焊过程中，熔渣与合金液这两相的界面作用对焊接质量产生重要影响。熔渣与合金液如果是润湿的，就不易将其从合金液中去除，导致焊缝处可能产生夹杂缺陷。,在近代新材料的研究和开发中（如复合材料），界面现象更是担当着重要的角色。,2026/1/31 周六,23,3.1.4,液态金属的流动性与充型能力,基本概念,流动性,液体金属本身的流动能力,充型能力,液态合金的流动性好，其充型能力强；反之其充型能力差。但这可通过外界条件来提高充型能力。,液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又与外界条件密切相关，是各种因素的综合反应。,液态合金的流动性可用试验的方法，即,浇注螺旋流动性试样,或,真空流动性试样,来衡量。,2026/1/31 周六,24,液态金属停止流动的机理,纯金属,流动性试样的宏观组织是柱状晶，试样的末端有缩孔，这说明液态金属停止流动时，其末端仍保持有热的金属液。停止流动的原因，是末端之前的某个部位从型壁向中心生长的柱状晶相接触，金属的流动通道被堵塞。,2026/1/31 周六,25,Al-5%Sn,合金的结晶温度范围约为,430,，其流动性试样的宏观组织是等轴晶，离入口处越远，晶粒越细，试样前端向外突出。由此可以判断，液态金属的温度是沿程下降的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一定数量时，便结成一个连续的网络，发生堵塞，停止流动。,合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出少量固相，即在较短的时间，液态金属便停止流动。在液态金属的前端析出,15%,20,的固相量时，流动就停止。,2026/1/31 周六,26,充型能力的计算,以流动长度,l=v t,表示，经一系列凝固条件的简化（,流动速度不变等,）可得,上式半定量地描述了液态金属的充型性能，可见它与液态金属和型腔的性质、浇注条件、型腔的结构形状等因素有关。,2026/1/31 周六,27,3.2,凝固热力学与动力学,1),凝固热力学,凝固热力学和动力学的主要任务是研究液态金属,(,合金,),由液态变成固态的热力学和动力学条件。凝固是体系,自由能降低,的,自发过程,，液,固两相金属的自由能之差，就是促使这种转变的驱动力。但凝固过程中各种相的平衡产生了高能态的界面。这样，凝固过程中体系自由能一方面降低，另一方面又增加，而且阻碍凝固过程的进行。因此液态金属凝固时，必须克服热力学能障和动力学能障凝固过程才能顺利完成。自由能随温度和压力的变化而变化，即,:,2026/1/31 周六,28,由此可见，液态金属要结晶，其结晶温度一定要低于理论结晶温度,T,m,，此时的固态金属的自由能低于液态金属的自由能，两相自由能之差构成了金属结晶的驱动力。,H,为熔化潜热。因此，,G,V,只与,T,有关。因此液态金属（合金）凝固的驱动力是由过冷度提供的，或者说过冷度,T,就是凝固的驱动力，,不会在没有过冷度的情况下结晶,。,2026/1/31 周六,29,液态金属（合金）凝固过程及能量的变化,凝固阻力,:新界面的形成。,热力学能障,（界面自由能）,由被迫处于高自由能过渡状态下的,界面,原子所产生,形核,。,动力学能障,（激活自由能）,由金属原子穿越,界面,过程所引起,原则上与驱动力大小无关而仅取决于界面结构与性质,晶体生长,。,在相变驱动力的驱使下，借助于,起伏作用,（,成分、结构、能量,）来克服能量障碍。,2026/1/31 周六,30,2),均匀形核（自发形核）,液态金属,(,合金,),凝固时的形核有两种方式，一种是依靠液态金属,(,合金,),内部自身的结构自发地形核（结构起伏），称为均质形核；另一种是依靠外来夹杂所提供的异质界面非自发地形核，称为异质形核，或非均质形核。,当,r,很小时，第二项起支配作用，体系自由能总的倾向是增加的，此时形核过程不能发生；只有当,r,增大到临界值,r*,后，第一项才能起主导作用，使体系自由能降低，形核过程才能发生。,2026/1/31 周六,31,可见，当,r,0,;,正的温度梯度情况下过冷度极小，晶体生长时凝固潜热的释放同晶体生长方向相反：一旦晶体某一部分生长伸入液相区就会被重新熔化，导致晶体以平面方式生长。,2026/1/31 周六,43,2）树枝晶方式生长,S/L,前沿为负的温度梯度：,G,L,=,d,T,/d,x,0,时，呈现“铁砧式”的对称型金属,-,金属共晶共生区。可以看出，当晶体长大速度较小时,(,阴影区的上部,),，此时为单向凝固的情况，可以获得平直界面的共晶组织。随着长大速度或过冷度的增加，共晶组织将变为胞状、树枝状，最后成为粒状,(,等轴晶,),。,2026/1/31 周六,82,规则共晶凝固,层片状共晶的生长,层片状共晶组织是最常见的一类规则共晶组织，组织中共晶两相呈片状交替生长。根据形核理论，在液相中析出呈球形的,领先相并以此为共晶核心。,相以,相为衬底依附其侧面析出长大。,相析出又促进,相依附,相侧面长大，如此交替搭桥式地长成如散射状球形共晶。,2026/1/31 周六,83,片状共晶组织的重要参数：片间距,2026/1/31 周六,84,非规则共晶凝固,以,Fe-C,合金中共晶渗碳体的非规则生长为例：,先是,共生生长，,由于,两相生长速率不一，以离异共晶生长方式进行。,Fe-C,合金按照冷却速度的不同，而分别遵循,Fe-Fe,3,C,和,Fe-C,(,石墨,),的,介稳定系,和,稳定系结晶,。,快冷,：,(1)渗碳体奥氏体板状共晶,;,(2)渗碳体树枝晶的侧向生长导致杆状共晶。,2026/1/31 周六,85,缓冷,：,灰铸铁中石墨长成片状，与石墨的晶体结构有关。,同样成分的,Fe-C,合金，当冷却速度比较缓慢时，共晶转变时形成石墨和奥氏体共晶团组织，片状石墨是互相连接的，奥氏体相充填其间。,2026/1/31 周六,86,3.6,金属基复合材料的凝固,3.7,铸件凝固组织的形成与控制,铸件的,宏观结晶组织,指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况；铸件,微观结构,的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，共晶团内部的两相结构形态，以及这些结构形态的细化程度等。,铸件的组织由合金成分和凝固条件决定,。,1),铸件宏观凝固组织的特征及形成机理,决定铸件性能的重要因素是柱状晶区与等轴晶区的相对量。,2026/1/31 周六,87,a,.,表面细晶粒区的形成,铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。,细化程度取决于：,型壁散热条件所决定的,过冷度和凝固区域的宽度,；,型壁附近熔体内大量的,非均匀形核,；,各种形式的,晶粒游离,。,前提,：,抑制,铸件形成,稳定的凝固壳层,凝固壳层界面处晶粒单向散热晶粒逆热流方向择优生长而形成柱状晶。,2026/1/31 周六,88,b,.,柱状晶区的形成,该区从表面细晶粒区形成并发展起来，稳定的凝固壳层一旦形成，处在凝固界面前沿的晶粒在垂直于型壁的单向热流作用下，以枝晶状延伸长大,。,由于各枝晶主干方向各不相同，那些主干与热流方向相平行的枝晶，较之取向不利的相邻枝晶生长得更为迅速，它们优先向内伸展并抑制相邻枝晶的生长。在逐渐淘汰掉取向不利的晶体过程中发展成柱状晶组织,择优生长,。,2026/1/31 周六,89,控制柱状晶区继续发展的关键因素是内部等轴晶区的出现。如果界面前方始终不利于等轴晶的形成及生长，则柱状晶区可以一直延伸到铸件中心，直到与对面型壁长出的柱状晶粒相遇为止，从而形成所谓的“,穿晶组织,”。,对于纯金属，铸态组织常常全部为柱状晶。,稳定凝固壳层,产生,柱状晶区,开始,内部等轴晶区,形成,柱状晶区,结束,2026/1/31 周六,90,c,.,内部等轴晶区的形成,等轴晶区的形成是熔体内部晶核自由生长的结果。,形核,是发生柱状晶向等轴晶转变的必要条件。,最早，,Winegard,和,Chalmers,以成分过冷理论为基础，提出了柱状晶前沿液相成分过冷区内非自发形核的理论。,随后，,Calmers,接受了,Genders,早期的思想，提出激冷区内形成的晶核卷人并增殖的理论。,此外，,Jackson,等提出枝晶熔断理论，,Southin,提出,“,晶雨,”,理论。,Ohno,等则认为凝固壳形成之前型壁上晶体的游离并增殖是中心等轴晶核的主要来源。,浇注期间和凝固初期的激冷晶游离随着液流漂移到铸件心部，通过增殖，长大形成内部等轴晶。,2026/1/31 周六,91,“,缩颈,”现象：,溶质浓度再分配,界面前沿液态金属凝固点降低实际过冷度减小。,溶质偏析程度越大，实际过冷度就越小，其生长速度就越缓慢。,晶体,根部,紧靠型壁，溶质在液体中扩散均化的条件最差，偏析程度最为严重，生长受到强烈抑制。,远离根部,，界面前方的溶质易于通过扩散和对流而均匀化，面临较大的过冷，其生长速度要快得多。故在晶体生长过程中将产生根部“,缩颈,”现象，生成头大根小的晶粒。,熔点最低而又最脆弱的缩颈极易断开，晶粒自型壁脱落而导致晶粒游离。,2026/1/31 周六,92,铸件中三晶区的形成,相互联系、彼此制约,。,稳定凝固壳层,的产生决定着表面细晶粒区向柱状晶区的过渡，而阻止柱状晶区进一步发展的关键则是,中心等轴晶区,的形成。,晶区的形成和转变是,过冷熔体独立形核能力,和,各种形式晶粒游离、漂移与沉浮的程度,这两个基本条件综合作用的结果。决定了铸件中各晶区的相对大小和晶粒的粗细,。,2026/1/31 周六,93,2),铸件宏观凝固组织的控制,a.,铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响,表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。,铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的,比例,以及晶粒的,大小,。,（,1,）柱状晶：,生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等,晶间杂质少,，,组织致密,。,但柱状晶比较,粗大，晶界面积小，,排列位向一致，其性能具有明显的,方向性,：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质、气体，将导致铸件,热裂,。,2026/1/31 周六,94,（,2,）等轴晶：,晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故,性能均匀而稳定，没有方向性,；枝晶比较发达，显微缩松较多，凝固后组织不够致密。,细化能使杂质和缺陷分布更加分散，从而在一定程度上提高各项性能。,晶粒越细综合性能越好,。,对塑性较好的有色金属或奥氏体不锈钢锭,，,希望得到较多的,柱状晶,，,增加其致密度,；,对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭,，,希望获得较多的甚至是全部,细小的等轴晶,组织,；,对于高温下工作的零件,，,通过,单向结晶,消除横向晶界,，,防止晶界降低蠕变抗力,。,2026/1/31 周六,95,b.,铸件宏观组织的控制途径和措施,单相合金凝固过程中形成的柱状晶和等轴晶两种典型凝固组织各有不同的力学性能，因此晶粒形态的控制是凝固组织控制的关键，其次是晶粒尺寸。,一般铸件希望获得全部等轴晶组织（,各向异性,，,高温结构件除外,）。,晶粒形态的控制主要是通过形核过程的控制实现的。促进形核的方法包括,浇注过程控制方法、化学方法、物理方法、机械方法、传热条件控制方法,等。,（,1,）控制浇注条件,低的浇注温度。熔体的过热度较小，与浇道内壁接触就能产生大量的游离晶粒。有助于已形成的游离晶粒的残存，这对等轴晶的形成和细化有利。,合理的浇注工艺。,强化液流冲刷,型壁能扩大并细化等轴晶区。,合理控制冷却条件。,选用合适的铸型。,2026/1/31 周六,96,（,2,）加入生核剂,孕育处理,孕育,向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细化晶粒、改善组织之目的的一种方法。,Inoculation,变质,加入少量物质通过元素的选择性分布而改变晶体的生长形貌，如球化或细化。,Modification,a,）直接作为外加晶核；,b,）通过与液态金属的相互作用而产生非均匀晶核；,能与液相中某些元素组成较稳定的化合物；,通过在液相中造成大的微区富集而使结晶相提前弥散析出。,c),加入强成分过冷元素生核剂。,溶质富集、成分过冷会抑制晶体生长，促进非均匀形核导致晶粒细化。,（,3,）动态晶粒细化,熔体在凝固过程中存在长时间、激烈的对流,晶粒或枝晶脱落、破碎、游离、增殖。,振动,机械振动、电磁振动、音频或超声波振动；,搅拌,机械、电磁搅拌；,旋转振荡,周期性地改变铸型的旋转方向和旋转速度。,2026/1/31 周六,97,The end,作业：,p149-17,20,23,2026/1/31 周六,98,Thank You!,Add your company slogan,2026/1/31 周六,99,