第十二章 凝固缺陷及控制.docx

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第十二章凝固缺陷及控制

金陵科技学院教案【封面】

任课系部：

材料工程学院材料系

课程名称

金属材料成型原理

课程编号

0802407007

授课对象专业

材料科学与工程

课程类别

必修课

公共基础课□；学科基础课□；专业核心课□

选修课

专业方向课□；专业拓展课□；公选课□

总学时数

48

学分数

3

学时分配

课堂讲授32学时；实践课16学时

教材名称

《材料成形基本原理》

作者

刘全坤

出版社及出版时间

机械工业出版社

指定参考书

作者

出版社及出版时间

材料成形原理

陈平昌

机械工业出版社，2001

材料成型原理

陈玉喜

中国铁道出版社，2002

授课教师

杨晓莉

职称

副教授

单位

材料工程学院

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第次课授课学时6教案完成时间：

章、节

第十二章

主要内容

第12章凝固缺陷与控制

第一节合金中的成分偏析

第二节缩孔与缩松

第三节气孔与夹杂

第四节热裂纹

第五节冷裂纹

目

的

与

要

求

了解本课程的性质、目的及要求，对材料测试与研究方法有一个全面、系统的认识，熟悉材料现代分析的一般原理和主要方法，对各种材料分析方法的基本原理和基本应用有概略行的认识。

重点与难点

重点：

缩孔与缩松的形态及分布的区别、顺序凝固与同时凝固对收缩的影响、气孔形成的机理、凝固裂纹的产生条件、氢对裂纹的影响

难点：

带状偏析的形成、区别逆偏析和负偏析、合金凝固温度范围对收缩的影响、壁厚不同的应力框铸件收缩时内应力的变化、延迟裂纹的形成机理

教学方法与手段

PPT多媒体教学结合板书

授课内容

内容

备注

12.1合金中的成分偏析

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。

偏析对合金的力学性能、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。

12.1.1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。

①分类（按位置不同）：

a.晶内偏析：

指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。

b.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。

②微观偏析的影响因素：

合金液、固相线间隔（宽）

偏析元素的扩散能力（弱）

冷却条件（快）

12.1.2宏观偏析

宏观偏析是指宏观尺寸上的偏析。

①分类：

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。

12.2缩孔与缩松

12.2.1金属的收缩

金属从浇注温度冷却到室温所产生的体收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和，即:

εV总＝εV液＋εV凝＋εV固

其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。

12.2.2缩孔与缩松的分类及特征

①缩孔特点

a.常出现于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围较窄的以层状凝固方式凝固的铸造合金中；

b.多集中在铸件的上部和最后凝固的部位；铸件厚壁处、两壁相交处及内浇口附近等凝固较晚或凝固缓慢的部位（称为热节），也常出现缩孔；

c.缩孔尺寸较大，形状不规则，表面不光滑。

②缩松特点

a.缩松多出现于结晶温度范围较宽的合金中；

b.显微缩松一般出现在枝晶间和分枝之间；

c.常分布在缩孔附近或铸件厚壁的中心部位；

12.2.3缩孔与缩松的形成机理

①缩孔的形成机理

纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。

由于金属或合金在冷却过程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固的部位形成尺寸较大的集中缩孔。

②缩松的形成机理

结晶温度范围较宽的合金，一般按照体积凝固的方式凝固，凝固区内的小晶体很容易发展成为发达的树枝晶。

当固相达到一定数量形成晶体骨架时，尚未凝固的液态金属便被分割成一个个互不相通的小熔池。

在随后的冷却过程中，小熔池内的液体将发生液态收缩和凝固收缩，已凝固的金属则发生固态收缩。

由于熔池金属的液态收缩和凝固收缩之和大于其固态收缩，两者之差引起的细小孔洞又得不到外部液体的补充，便在相应部位形成了分散性的细小缩孔，即缩松。

12.2.4影响缩孔与缩松的因素及防止措施

①影响缩孔与缩松的因素：

金属的性质、铸型的冷却能力、浇注温度与浇注速度、铸件尺寸、补缩能力。

②防止铸件产生缩孔和缩松的途径：

a.顺序凝固

b.同时凝固

c.使用冒口、补贴和冷铁

12.3气孔与夹杂

12.3.1气孔

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。

①气孔的分类及形成机理

a.析出性气孔:

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。

b.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。

当气泡来不及上浮逸出时，就会在金属中形成侵入性气孔。

c.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。

②防止气孔产生的措施

a.减少氢的来源。

化学方法或机械办法清理焊丝或工件表面氧化膜。

b.合理选择规范参数。

钨极氩弧焊选较大焊接电流和较快焊速。

熔化极气体保护焊时选较低焊速并提高焊接线能量有利于减少气孔。

c.采用氩气中加少量CO2或O2的熔化极混合气体保护焊。

d.对厚的工件适当预热。

12.3.2夹杂

①夹杂物的来源

a.自身杂质：

（1）炉料中的杂质；

（2）焊材、母材中的杂质

b.反应产物:

（1）熔炼过程反应产物;

（2）与周围介质（气、固、液态）间的反应产物

②夹杂物的分类

a.按夹杂物化学成分：

氧化物、硫化物、硅酸盐

b.按夹杂物形成时间：

初生夹杂物、次生夹杂物、二次氧化夹杂物

c.按夹杂物形状：

球形、多面体、不规则多角形、条状

③夹杂物对金属性能的影响

a.夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降；

b.尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲劳强度；

c.易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂；

d.促进气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核；

e.在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。

④防止焊缝产生夹杂物的措施

a.正确地选择原材料（包括母材和焊接材料），母材、焊丝中的夹杂物应尽量少，焊条、焊剂应具有良好的脱氧、脱硫效果；

b.注意工艺操作，如选择合适的工艺参数；

c.适当摆动焊条以便于熔渣浮出；d.加强熔池保护，防止空气侵入；

e.多层焊时清除前一道焊缝的熔渣等。

12.4热裂纹

12.4.1热裂纹的分类及特征

①凝固裂纹:

金属凝固结晶末期，在固相线附近发生的晶间开裂现象，称为凝固裂纹或结晶裂纹。

其形成与凝固末期晶间存在的液膜有关，断口具有沿晶间液膜分离的特征。

裂纹无金属光泽，有明显的氧化色彩。

②液化裂纹:

是一种沿奥氏体晶界开裂的微裂纹，一般认为是由于热影响区或多层焊层间金属奥氏体晶界上的低熔点共晶，在焊接高温下发生重新熔化，使金属的塑性和强度急剧下降，在拉伸应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的。

③高温失延裂纹:

在固相线以下的高温阶段，金属处于不断增长的固相收缩应力作用之下，变形方式主要是依靠位错或空位沿着晶界的扩散、移动进行。

当沿晶界的扩散变形遇到障碍时（如三晶粒相交的顶点），就会因应变集中导致裂纹。

空穴开裂理论认为晶界滑动和晶界迁移同时发生，两者共同作用可形成晶界台阶，进而形成空穴并发展成微裂纹。

12.4.2热裂纹的形成机理

12.4.3热裂纹的影响因素及防止措施

①影响热裂纹倾向的冶金因素:

合金元素和杂质元素的影响、凝固温度区的影响、凝固组织形态的影响

②工艺因素对热裂纹的影响

12.5冷裂纹

冷裂纹是指金属经焊接或铸造成形后冷却到较低温度时产生的裂纹。

12.5.1冷裂纹的分类及特征

①按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类：

a.延迟裂纹:

在氢、钢材淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的，形成温度一般在Ms以下200℃至室温范围，由于氢的作用而具有明显的延迟特征，故又称为氢致裂纹。

b.淬硬脆化裂纹:

某些淬硬倾向大的钢种，热加工后冷却到Ms至室温时，因发生马氏体相变而脆化，在拘束应力作用下即可产生开裂,这种裂纹又称为淬火裂纹。

其产生与氢的关系不大，基本无延迟现象。

c.低塑性脆化裂纹：

它是某些低塑性材料冷却到较低温度时，由于体积收缩所引起的应变超过了材料本身所具有的塑性储备量时所产生的裂纹。

这种裂纹通常也无延迟现象。

②按加工方法分类，可分为：

a.铸造冷裂纹:

是铸件凝固后冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于材料强度极限而引起的开裂。

b.焊接冷裂纹:

焊接生产中经常遇到的低合金钢接头中的延迟裂纹。

12.5.2冷裂纹的影响因素

实际低合金高强钢接头中产生的冷裂纹是三大因素综合作用的结果，但有时可能只是其中一个或二个因素起主要作用，其余的起辅助作用。

三大影响因素的作用可归纳成经验公式来评价冷裂纹敏感性。

其中最常用的关系式为：

式中，Pw、Pc是冷裂纹敏感指数；[H]是熔敷金属扩散氢含量（mL/100g）；

R是拘束度（N.mm-2）；δ是工件厚度（mm）；Pcm是钢材合金元素的碳当量。

12.5.3延迟裂纹的形成机理

热应力在缺陷（裂纹源）前沿形

成三向应力区，诱使氢向其内扩散、聚集使内压力增大。

由于微裂纹的形成与裂纹的扩展与[H]R的扩散、聚集速度有关，所以有延迟断裂特征。

产生裂纹之前的潜伏期的长短与裂纹区的应力大小有关。

拉应力越小，启裂所需临界氢的浓度越高，潜伏期（延迟时间）就越长。

12.5.4冷裂纹的控制

金陵科技学院教案【末页】

本单元知识点归纳

合金中成分偏析的分类及形成

气孔的分类及特征

夹杂物的分类及形成

金属的分阶段收缩特征

缩孔与缩松的形成机理及防止措施

思考题或作业题

简述气孔的危害和预防措施。

简述产生冷热裂纹的因素。

本单元教学情况小结

备注

注：

教案首页和末页中间为授课内容