材料加工原理

面（如一些高熔点的质点、熔渣和凝固了的枝晶表面等） 可以作为气泡生核的衬底 相邻枝晶间的凹陷处是最容易产生气泡的部位
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1、气孔形成过程
（2）长大
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当气泡在现成表面上生核时， 气泡为椭圆形，曲率半径较 大，有利于气泡的长大
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1、气孔形成过程
（3）上浮的条件
脱离现成表面（气泡与现成表面的润湿角越小越容易） 金属凝固前及时析出（上浮速度大于凝固速度）
Ve
=
K (ρ L
− ρG η
)gr 2
• 金属凝固速度R越大，越容易产生气孔； • 液体金属的粘度η越大，越容易产生气孔 • ρL越小越容易产生气孔 （轻金属）
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7.2.2 气孔
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2、宏观偏析
（4）宏观偏析的消除
• 扩散退火无效 • 改善加工工艺
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7.2.2 气孔
1、形成过程
气泡的生核
气泡长大
气泡上浮
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1、气孔形成过程
（1）形核
在极纯的液体金属中自发成核非常困难 铸造和焊接时，在凝固着的液体金属中存在大量的现成表
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冷却速度V0对Mg-Ca合金 铸锭中Ca偏析的影响 17
1、微观偏析
（2）晶界偏析
在树枝晶体之间（晶粒与晶 粒之间）最后凝固部分（即 晶界区）积累了更多的低熔 点组元和杂质元素
晶界偏析的程度比晶内偏析 更为严重，有时在晶界上还 会出现一些不平衡的第二 相，如低熔点共晶体
产生的原因与枝晶偏析相同 塑性和韧性降低、增加热裂
机械加工使残余应力重新分布，导致零件的尺寸和外形变化
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7.1.4 内应力的防止和消除
内应力的防止
9 完全防止困难 9 减小拘束、尽量避免不均匀加热等减小内应力
内应力的消除
9 热处理，特别是整体热处理较彻底 9 机械、磁处理等可以减小应力峰值、改善分布状况
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3、气孔的害处和防止措施
（1）害处
减少面积降低机械性能 导致应力集中引发裂纹 弥散分布的气孔气密性和耐
腐蚀性降低
（2）防止措施
氮气孔：加强保护限制来源 CO气孔：加强保护和脱氧 氢气孔：限制来源、冶金措
施除氢，使H变为不溶于金属 液的化合物，但要防止引起 CO气孔
加•无大热内型中应心锻力杆件，炉受中热加后热的过膨快胀内受外到 两受• 温侧热杆度不的高均限匀、制应而力不大能于自屈由伸服长极， 中•限铸心，件杆有不受压同压缩截、塑面两性不侧变均杆形匀受冷，拉却冷 却
冷后却有后残是余否有应残力余，内中应心力杆取决受于 加拉热、温两度侧杆受压
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来源
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成分
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7.2.4 非金属夹杂物
1、非金属夹杂物类型
• 硫化物（上图） • 硅酸盐（左下） • 铝酸盐（右下）
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7.2.4 非金属夹杂物
2、非金属夹杂物的影响
使金属的均匀性和连续性受到破坏，严重影响到的力学性能、致 密性和耐腐蚀性等
经酸腐蚀后的横截面上呈发 丝状裂纹
往往处于离工件表面较远的 部位
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40Cr钢轴锻件 纵向断口
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7.2.3 氢白点
1、形成机理
金属中溶解的氢在 冷却(相变)过程因 溶解度陡降而析出
冷速快、温度低 及工件截面大 时，向外部析出 的氢较少，更多 的氢通过晶格扩 散到显微缺陷内
在缺陷后结合 成分子氢，形 成局部高压并 使金属脆化
外表先于内部 发生铁素体相变
外表体积膨胀受限
外受压、内受拉
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7.1.2 内应力形成原因
3、塑性加工时材料各部分 的变形量不同，在材料 内部各部分之间造成内 应力
• 中间受压 • 两边受拉
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(b) 板材无拘束时的横向变形 (c) 受拘束后应力 9
7.1.2 内应力形成原因
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2、宏观偏析
（3）比重偏析
a. 机理
合金凝固时有初生相（过共晶或亚共晶），且初生相和液相之间 的比重差别较大（过共晶铸铁石墨上浮）
个别合金液相比重不同导致分层，凝固后比重偏析（Cu-Pb合金 上部富Cu）
b. 防止
快速凝固
在合金中加入第三种能形成熔点较高、比重与液相接近的化合物 相，在凝固过程中首先从液相中析出，形成树枝状骨架，阻止偏 析相的沉浮
• 枝晶偏析 • 晶界偏析
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1、微观偏析
（1）枝晶偏析
a. 机理
结晶时冷速较大，扩散来不及，先 结晶富高熔点组元，导致树枝晶内 部成分不均匀
b. 影响因素
合金相图的形状：垂直、水平距离 大偏析严重，垂直比水平影响更大 （结晶温度低扩散慢）
原子的扩散能力：P比Si扩散能力 差，更易偏析
9 铁 中 的 溶 解 度 由 25mL/100g 陡 降到8mL/100g（2倍）；
9 铝比钢更容易产生气孔。
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2、气孔形成原因
（2）反应性气孔
引起这类气孔的气体并非由外部溶入，而是直接由液体金属 中的冶金反应产生的气体（ CO 在钢液不溶）
CO气孔和H2O气孔
[Cu2O]+ 2[H ] = 2[Cu]+ H2O(气)
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7.2.3 氢白点
3、危害及控制
c. 扩散除氢（锻后冷却和热处理 制度选择原则）
扩散系数高（珠光体或贝氏体转 变温度）
组织应力小（奥氏体转变为单一 珠光体or贝氏体-鼻尖处）
• 珠光体钢：620℃～660℃等温转变
• 马氏体钢： 580℃-660℃（珠变15%） 及280℃-320℃（贝变）（奥变95%） • 大截面合金钢：复杂的等温退火过程
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7.1.2 内应力的形成原因
• 热应力 • 组织应力（相变应力） • 塑性加工时各部分变形量差异导致的内应力 • 机械阻碍导致的附加应力
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7.1.2 内应力形成原因
1、热应力
由于不均匀加热或冷却引起的材 料• 温各度部分低膨、胀瞬举或时例收应缩力不小一于致屈造服成 的•极焊应限接力，时无的塑局性部变动形态，加热冷 却 后
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2、宏观偏析
（2）反偏析
外层溶质元素含量反而高于内层的含量； 不常见，易发生于凝固温度区间宽、凝固收缩大、冷
却缓慢、枝晶粗大、液体金属中含气量较高等情况 下。 机理：由于铸件表层枝晶间以及内部的低熔点液体， 在液体金属静压力和析出气体压力的作用下，通过树 枝晶之间收缩产生的空隙渗出到表面，在表面形成的 一种含有较多低熔点组元和杂质的偏析层。
力，可能在铸型消除 前产生裂纹
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7.1.3 内应力的影响
瞬时和残余应力都可能引起缺陷或影响使用性能 1、几乎所有裂纹都与应力有关
瞬时应力导致结晶裂纹 残余应力导致氢致延迟裂纹、再热裂纹以及应力腐蚀裂纹等
2、降低使用性能
残余应力降低低温韧性、疲劳强度等
3、影响加工精度
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7.1.2 内应力形成原因
2、组织应力
材料在固态相变时一般伴随有体积的变化，而不均匀 加热或冷却可导致材料内部各部分相变不同步，在材 料中产生内应力
钢中奥氏体的比容（0.122~0.125cm3/g）小于铁素体（0.127cm3/g）
外表先于内部 发生奥氏体相变
外表体积收缩受限
外受拉、内受压
4、机械阻碍引起的附加应力
前三种内应力：同一物体内部自拘束引起的内应力 附加应力：外部拘束引起的物体与拘束件之间内应力
• 内应力低于屈服强度，举拘例束消除后附加应力也消除 • 内应力大于屈服• 铸强件度冷，却产收生缩不时可，恢铸复的变形
型和型芯的退让性不
• 内应力大于强度够极，限铸，件产内生产破生坏拉应
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7.2 主要冶金缺陷
• 偏析 • 气孔 • 白点 • 夹杂 • 缩孔和缩松 • 裂纹
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7.2.1 偏析
偏析--材料中成分偏离平衡状态的现象
• 微观偏析 • 宏观偏析
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1、微观偏析
• 微观偏析--短程偏析，是不平衡凝固造成的； • 微观偏析--晶粒内部或晶界等微区内成分不均匀现象。
2、气孔形成原因
• 析出性气孔 • 反应性气孔
不同类型的气孔产生的原因不同
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2、气孔形成原因
（1）析出性气孔
氢气孔和氮气孔 凝固过程中溶解度变化是根本原因 溶解度的变化特性将影响气孔倾向
9 铝中的溶解度由0.69mL/100g陡 降到0.036mL/100g（18倍）；
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1、微观偏析
（1）枝晶偏析
b. 影响因素
凝固时的冷却条件：冷速越 大，过冷越大，开始结晶温 度越低，扩散能力越小；冷 速很大，液相中的扩散也受 到抑制，发生无扩散结晶， 偏析程度反而减小。
合金元素：C促S、P偏析；焊 接比铸造偏析程度小，可能 与焊接冷速很大，液相中的 扩散受到抑制有关
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7.2.4 非金属夹杂物
1、非金属夹杂物类型
• 内生夹杂(冶金反应的 产物 、偏析造成的化合
物或低熔点共晶体 ) • 外来夹杂(耐火材料 、 造型材料、焊接熔渣 )
• 氧 化 物 (FeO 、 SiO2 、 MnO和Al2O3 及其复合物) • 硫化物(FeS、MnS) • 氮化物(VN、NbN、TiN 和AlN )
• 珠光体、贝氏体和马氏体钢易产生
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7.2.3 氢白点
3、危害及控制
a. 危害
对强度影响不大，对塑性和韧性影响显著 属严重缺陷，应力集中导致使用过程中断裂（报废）
b. 防止措施
兼顾氢和应力二因素（扩散系数大+组织应力小） 氢的扩散聚集在锻造后室温下还可能继续进行 扩散除氢是防止白点的有效的措施
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铝合金中的氢气孔
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4、小结
气体有来源
9 反应性和析出性气孔来源不同 9 固相和液相中的溶解度差别悬殊
气泡溢出困难
9 金属液密度小 9 金属液粘度大 9 凝固速度快
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7.2.3 氢白点
是钢材内部的一种由氢脆引 起的微裂纹
纵向断口为表面光滑的圆形 或椭圆形的银白色斑点（直 径一般在零点几毫米到几毫 米，或更大），称为白点 （或鱼眼）
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组织应力和热应力
微观缺陷开裂 （白点）
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7.2.3 氢白点
2、影响因素
• 含氢量 • 析出条件 • 微观缺陷总体积 • 受力状态（拉应力）
• 小件和工件表面不易 • 冷速大易产生
• 热应力 • 组织应力
• 铸造和焊接缺陷多不会引起缺 陷内产生很高的压力 • 大、中锻件易产生
• 无相变、塑性好的奥氏体钢和高铬 体素体钢不易产生
• 正常偏析（正偏析） • 反偏析（逆偏析） • 比重偏析（重力偏析）
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百度文库
2、宏观偏析
（1）正偏析
铸件外层纯度高、溶质含量 低，内部溶质含量高、杂质 集中的区域偏析为正常偏析
机理：冷速较慢，低熔点组 元充分向内部聚集
危害：铸件性能不均匀；但 可借此对金属提纯
防止：扩散退火无效，提高 冷速有效，如降低浇注温 度、加速铸件凝固
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7.1 加工引起的内应力问题
• 概念 • 形成原因 • 内应力的影响 • 防止和消除措施
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7.1.1 基本概念
1、内应力
加工过程中材料内部各部分变形不一致而引起的相互平衡的应力
2、瞬时内应力
加工过程中某时刻的内应力
3、残余应力
加工过程结束后材料内部保留下来的应力
第7章 加工引起的内应力和冶金质量问题 Part 1
清华大学机械工程系
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热加工过程的复杂性
• 温度 • 力(外力和内应力) • 环境(气氛、渣、铸型) • 相变(液-固、固态相变)
变形不均匀 内应力
成分、状态变化
成分、组织变化
冶金缺陷
应力
金属脆化
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本章内容
7.1 加工引起的内应力 7.2 加工引起的冶金缺陷 7.3 加工引起的金属脆化
倾向、降低耐腐蚀性能等
低碳钢焊缝中 S的晶界偏析
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1、微观偏析
（3）微观偏析的消除措施
• 固相线下100~200℃长时间扩散退 火（均匀化） • 热轧或热锻也可改善
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2、宏观偏析
宏观偏析为长程偏析，是发生于区域之间的成分差别（区域偏析）。 液态金属沿枝晶间的流动对宏观偏析的产生有着重要的影响。 焊接不易宏观偏析，熔池中有强烈的对流搅拌；铸造宏观偏析严重