液态金属的凝固

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。
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@shu.edu.cn 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
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。
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第四章 液态金属的凝固
数值模拟法(numerical stimulation method)
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第四章 液态金属的凝固
数值模拟法(numerical stimulation method)
在实际计算中，涉及时间步长△τ和空间步长 △x的确定、初始条件的确定、边界条件的处理以及 结晶潜热的处理等，因此实际问题要复杂得多。但 是，数值模拟方法在凝固过程的研究中应用十分广 泛，已经逐步被认可。
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凝固过程的研究方法
(2) 数学解析法： 始于20年代，德国H.Groher提出。 理论根据：压力恒定时，金属状态是温度的函数。 方法：建立数学解析式直接求解。是用数值计算法分析热流 传递规律，预测凝固过程。 优点：能得出温度场、凝固区域及变化规律。 缺点：计算复杂，只对形状简单的铸坯有效；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的形貌。
。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
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 。
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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。
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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
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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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
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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化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系
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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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凝固区域的结构
铸件在凝固过程 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 ，即固相区，凝固区 和液相区。铸件的质 量与凝固区域有密切 的关系。
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凝固区域的结构
图4-7是凝固区域结构示意图，其中凝固区 域由倾出边界和补缩边界又分割成三个区 域。 Ⅰ区（从液相边界到倾出边界）。这个区 的特征为固相处于悬浮状态而未连成一片 ，液相可以自由移动，用倾出法做试验时 ，固体能够随液态金属一起被倾出。 Ⅱ区（从倾出边界到补缩边界），这个区 的特征为固相已经连成骨架，但液相还能 在固相骨架间自由移动，这时某一部位的 体积收缩能够得到其它部位液体的补充， 而不至于产生缩孔或缩松。 Ⅲ区（从补缩边界到固相边界）这个区的 特征为固相不但连成骨架而且已经充分长 大，存在于固相间隙中的少量液体被分割 成一个个互不沟通的小“溶池”。这时液 体再发生凝固收缩，不能得到其它液体的 补缩。 根据以上的分析可以看出，对铸坯质量 影响最大的是Ⅲ区的宽度。可以推断凝固 区域越宽，则Ⅲ区的宽度也就越宽。 23
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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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。
固方式的因素为结晶温度范围和铸件断面的温度
梯度。
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化学成分、结晶温度范围与铸件质量的关系
化学成分决定了合金结晶的温度范围。纯金属和共晶成分 合金在凝固时，由于结晶温度范围是零，因此没有液固共存的 凝固区，以逐层方式凝固，其凝固前沿直接与液态金属接触。 当液态凝固成为固体而发生体积收缩时，可以不断地得到液体 的补充，所以产生分散性缩松的倾向性很小，而是在铸件最后 凝固的部位留下集中缩孔，如图4－12。由于集中缩孔容易消除 ，一般认为这类合金的补缩性良好。在板状或棒状铸件会出现 中心线缩孔。这类铸件在凝固过程中，当收缩受阻而产生晶间 裂纹时，也容易得到金属液的填充，使裂纹愈合。
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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
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
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：
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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
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) 激冷法（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
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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凝固方式
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第四章 百度文库态金属的凝固
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
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。
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)