1、 大连理工大学材料学院本科生课程大连理工大学材料学院本科生课程材料成形原理材料成形原理 液态成形原理液态成形原理主讲教师：姚曼主讲教师：姚曼 教授教授大连理工大学大连理工大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料液态成形原理材料液态成形原理1 液体的结构与性质液体的结构与性质2 凝固的热力学基础凝固的热力学基础3 凝固的结晶学基础凝固的结晶学基础4 凝固的传热学问题凝固的传热学问题5 凝固过程液相的流动现象凝固过程液相的流动现象6 凝固组织及其控制凝固组织及其控制7 伴随凝固与冷却过程产生的现象伴随凝固与冷却过程产生的现象6 凝固组织及其控制凝固组织及其控制凝固组织凝固组织 凝固组织凝固组织
2、指凝固后冷却到室温，不经后续热加指凝固后冷却到室温，不经后续热加工或热处理的组织，通常又称为工或热处理的组织，通常又称为铸态组织铸态组织。凝固条件不同，其组织可能差异很大凝固条件不同，其组织可能差异很大 如：从晶态，到纳米晶、微晶、准晶或非晶。如：从晶态，到纳米晶、微晶、准晶或非晶。结晶材料的组织结晶材料的组织 主要特征通常包括两方面：主要特征通常包括两方面：晶粒（晶粒（grain）组织）组织，包括其尺寸、形状和，包括其尺寸、形状和取向。取向。亚结构（亚结构（substructure）,包括合金元素的分包括合金元素的分布与状态、枝晶结构。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
3、。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。凝固组织取决于凝固条件。通过控制凝固过程控制凝固组织，取得优异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。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铸件的凝固组织很难改变，特别对不进行后继，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。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和控制凝固组织。6 凝固组织及其控制凝固组织及
4、其控制6.1晶粒组织晶粒组织6.2铸态宏观组织铸态宏观组织6.3影响晶粒组织因素影响晶粒组织因素6.4非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶非晶态固体、准晶、纳米晶、微晶6.5凝固组织控制凝固组织控制6.6熔焊金属的凝固熔焊金属的凝固6.1晶粒组织晶粒组织 金属凝固组织通常是多晶体，它由尺寸不同的金属凝固组织通常是多晶体，它由尺寸不同的小晶体组成。小晶体组成。小晶体从不同的晶核长大，其形状、尺寸和取小晶体从不同的晶核长大，其形状、尺寸和取向都不相同。这些小晶体称为向都不相同。这些小晶体称为晶粒晶粒。凝固金属晶粒的直径尺度从大约凝固金属晶粒的直径尺度从大约0.25mm到几个到几个毫米。毫米。晶粒的概念是
5、了解凝固组织及其控制的基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。础，是金属组织结构最重要的概念之一。grain,grain boundary engineering单相合金晶粒组织单相合金晶粒组织 对于单相合金对于单相合金，凝固时形成的晶粒在冷却过程，凝固时形成的晶粒在冷却过程不再发生相变。不再发生相变。多相合金晶粒组织多相合金晶粒组织 常见的多相合金晶粒组织有两种类型：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，以分散的小晶体在凝固或随后冷却过程时形成的
6、，以分散的小晶体形态散布在基体上。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。间进行共晶。铁碳系平衡凝固时晶粒的形成铁碳系平衡凝固时晶粒的形成 p179案例案例6.16.2 铸态宏观组织铸态宏观组织 铸态晶粒有铸态晶粒有柱状晶和等轴晶柱状晶和等轴晶两种形态，通常比较粗大。两种形态，通常比较粗大。在加工后，经蚀显或不经蚀在加工后，经蚀显或不经蚀显，一般可以用肉眼或低倍显，一般可以用肉眼或低倍下观察，故晶粒组织称为下观察，故晶粒组织称为宏
7、宏观组织或低倍组织。观组织或低倍组织。宏观组织的两个重要参数是宏观组织的两个重要参数是晶粒形状和尺寸晶粒形状和尺寸。本节讨论用常规铸造方法，铸件和铸锭本节讨论用常规铸造方法，铸件和铸锭的宏观组织。的宏观组织。铸态宏观组织：铸态宏观组织：表层激冷细晶粒区表层激冷细晶粒区 柱状晶柱状晶 中心等轴晶中心等轴晶表层激冷层表层激冷层 铸件表层常常由很细的等轴晶组成铸件表层常常由很细的等轴晶组成，称为，称为激冷激冷层层。在铸锭内表现最明显。其厚度随铸锭大小而异，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。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。激冷层可能很薄，薄壁件不明
8、显以至观察不到。激冷层壳的收缩导致形成与模壁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。了液体进一步冷却，激冷层终止。表层激冷层形成表层激冷层形成 形成机制形成机制：表层激冷形成细小晶体，：表层激冷形成细小晶体，流动冲刷，游离的晶体在密度差驱流动冲刷，游离的晶体在密度差驱动下沿型壁运动，部分小晶体受到动下沿型壁运动，部分小晶体受到冷却而被型壁冷却而被型壁“捕捉捕捉”，形成等轴的，形成等轴的激冷层。激冷层。激冷层壳的收缩导致形成与模壁间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的气隙，结晶释放的潜热阻止了液体
9、进一步冷却，激冷层的形成即被体进一步冷却，激冷层的形成即被终止等轴的激冷层终止等轴的激冷层铸态组织的形成铸态组织的形成-柱状晶柱状晶 柱状晶柱状晶-带方向性的柱状晶粒。带方向性的柱状晶粒。生长方向：与散热方向相反。生长方向：与散热方向相反。常近似与型壁垂直，与激冷层常近似与型壁垂直，与激冷层相连。相连。以枝状晶方式长大以枝状晶方式长大。一次、二。一次、二次、三次臂次、三次臂 二次枝晶臂二次枝晶臂 间距测量间距测量45个臂平均值，无标准；个臂平均值，无标准；择优生长择优生长（preferredgrowthdirection）择优生长择优生长-柱状晶生长的机制柱状晶生长的机制柱状晶区晶体性能呈现方
10、向性，它的枝晶的分支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。少，凝固后的显微缩松与杂质较少，组织致密。铸态组织的形成铸态组织的形成-等轴晶等轴晶 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。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等轴晶晶体性能不呈现方向性，在晶粒周界形成微观，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。偏析和微观缩松，相对柱状晶来说，其组织不够致密。混合的铸态组织混合的铸态组织 柱状晶和等轴晶混柱状晶和等轴晶混合组织合组
11、织;柱状晶组织柱状晶组织 等轴晶组织等轴晶组织大型钢锭的铸态组织与宏观偏析大型钢锭的铸态组织与宏观偏析 p185案例案例6.2 掌握其溶质元素的分掌握其溶质元素的分布、组织不均匀性和布、组织不均匀性和凝固缺陷凝固缺陷 大型钢锭的宏观偏析大型钢锭的宏观偏析与铸态结构密切相关与铸态结构密切相关，它是大型锻件宏观，它是大型锻件宏观偏析的根源。偏析的根源。55吨重吨重34CrMo1A合金合金钢锭解剖分析钢锭解剖分析铸态组织和缺陷铸态组织和缺陷炉前分析钢液化学成分炉前分析钢液化学成分为：为：0.33%C，0.52Mn，0.27Si，0.015P，0.008S，0.96Cr，0.45Mo硫印检查：硫印检查
12、：沿钢锭轴线纵向剖开。沿钢锭轴线纵向剖开。取样化学分析：取样化学分析：从外表面至中轴。从外表面至中轴。冷酸蚀法：冷酸蚀法：显示低倍组织。显示低倍组织。I区区-位于锭身上部（冒口端）：位于锭身上部（冒口端）：细等轴晶带：距边缘细等轴晶带：距边缘4050mm。柱状晶带：向内柱状晶带：向内230285mm，有，有 向上倾斜的趋势。向上倾斜的趋势。心部：等轴晶带，中心严重缩松。心部：等轴晶带，中心严重缩松。II区区-锭身下部（水口端）：锭身下部（水口端）：细等轴晶带：较薄，约为细等轴晶带：较薄，约为20mm。柱状晶带：较薄，约为柱状晶带：较薄，约为90110mm心部：等轴晶带，中心微量缩松。心部：等轴
13、晶带，中心微量缩松。34CrMo1A合金钢锭（合金钢锭（55吨重）解剖分析吨重）解剖分析化学成分分布和偏析化学成分分布和偏析横截面上碳含量横截面上碳含量：不均匀性最：不均匀性最为明显，沿铸锭高度出现带状为明显，沿铸锭高度出现带状富集区域，含量高达富集区域，含量高达0.370.39%C。A偏析偏析在纵断面这条碳偏析带上，溶在纵断面这条碳偏析带上，溶质元素量都较高，质元素量都较高，S、P、Al、Cr量都是同一断面内的最高值量都是同一断面内的最高值形成这种形成这种偏析带可能的两种机偏析带可能的两种机制制：一是柱状晶凝固前沿的溶：一是柱状晶凝固前沿的溶质再分配，造成溶质元素从表质再分配，造成溶质元素从
14、表向里富集，在柱状晶区的终结向里富集，在柱状晶区的终结处区域形成溶质富集区。二是处区域形成溶质富集区。二是A型偏析带。型偏析带。34CrMo1A合金钢锭（合金钢锭（55吨重）解剖分析吨重）解剖分析化学成分分布和偏析化学成分分布和偏析锭身的最大锭身的最大正偏析正偏析出现在上部出现在上部中心区；中心区；最大最大负偏析负偏析则相反，出现在下则相反，出现在下部中心区，是由于晶体的沉积部中心区，是由于晶体的沉积形成的。形成的。34CrMo1A合金钢锭（合金钢锭（55吨重）解剖分析吨重）解剖分析硫印检查结果硫印检查结果：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，硫印检查出现与化学分析类似
15、的偏析带。硫偏析呈断续细带状分布，具有具有A型偏析特征。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。型偏析特征。柱状晶与等轴晶宏观形貌柱状晶与等轴晶宏观形貌（20Mn2SiMo钢钢87吨锭）吨锭）沿钢锭轴线纵向剖面的硫印照片沿钢锭轴线纵向剖面的硫印照片（A，V-A、V型偏析）型偏析）34CrMo1A合金钢锭（合金钢锭（55吨重）解剖分析吨重）解剖分析亚结构亚结构 合金元素的分布与状态是一种重要的亚合金元素的分布与状态是一种重要的亚结构。包括：结构。包括：偏析偏析 枝状晶形貌枝状晶形貌 晶粒间的第二
16、相网状物、颗粒相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。偏析问题与晶粒形态密切相关。晶粒粗大和存晶粒粗大和存在偏析是铸件性能低于锻件的主要原因。在偏析是铸件性能低于锻件的主要原因。偏析偏析是铸件内部成分不均匀现象。包括是铸件内部成分不均匀现象。包括:微观偏析微观偏析 宏观偏析宏观偏析微观偏析微观偏析 晶内偏析晶内偏析 晶界偏析晶界偏析宏观偏析宏观偏析 重力偏析、通道偏析重力偏析、通道偏析 正偏析、负偏析正偏析、负偏析等等偏析及其分类偏析及其分类晶内、晶界偏析案例晶内、晶界偏析案例 AlCu5Mn铝合金铸态组织，合金含铝
17、合金铸态组织，合金含0.35%Ti晶界偏析案例晶界偏析案例：Ni在晶界偏析在晶界偏析晶界偏析案例晶界偏析案例：316 不锈钢不锈钢(0.08C,17Cr,12Ni,0.045P)晶界偏析场离子显微镜晶界偏析场离子显微镜(Field-Ion Microscopy)图象图象原子探针显示晶界原子探针显示晶界 B,C,P 偏析偏析。black P,grey B,clear C正偏析正偏析 符合溶质再分配规符合溶质再分配规律的宏观偏析；律的宏观偏析；无法消除；无法消除；逆偏析逆偏析 不符合溶质再分配规不符合溶质再分配规律。律。例例1：Al-Cu合金合金,连铸连铸,表面富表面富Cu层。层。结晶范围宽，糊状
18、凝结晶范围宽，糊状凝固，枝晶发达，液体固，枝晶发达，液体内富含气体，易形成内富含气体，易形成逆偏析。逆偏析。重力偏析重力偏析 先凝固相密度小，或互不混合的液相先凝固相密度小，或互不混合的液相之间存在密度差时，产生重力偏析之间存在密度差时，产生重力偏析案例：案例：Cu-40%Pb，Cu=8240kg/m3 Pb=10040kg/m3 Cu，Pb分层，分层，Pb沉底；沉底；重力偏析案例：重力偏析案例：Al-Ti合金合金合金中细化合金中细化元素元素Ti通道偏析、通道偏析、V偏析偏析 钢锭凝固后钢锭凝固后的的Channel 防止通道偏防止通道偏析，工程方析，工程方法还是研究法还是研究课题；课题；Endof6.2
