凝固與偏析ppt課件.ppt

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1、凝固與偏析連鑄工藝原理主要內(nèi)容：1.凝固組織2.偏析宏觀偏析微觀偏析1.連鑄坯的凝固組織結(jié)構(gòu)連鑄坯的鑄態(tài)凝固組織通常是由三個(gè)區(qū)域組成的，即：(1)邊部是細(xì)小等軸激冷晶區(qū)，寬度在5mm左右。它是在100℃／s左右的速度下迅速冷卻形成的；(2)相鄰的是柱狀晶區(qū)，它基本上是垂直于鑄坯表面且向心部生長(zhǎng)的；(3)中心等軸晶區(qū)，并伴有不同程度的中心偏析和疏松。2.偏析在凝固過(guò)程中，連鑄坯會(huì)發(fā)生各種各樣缺陷。這些分布在鑄坯表面和內(nèi)部的缺陷損害了鋼材的收得率。在嚴(yán)重時(shí)，它們還可能延長(zhǎng)鑄機(jī)停機(jī)時(shí)間，從而造成巨大的生產(chǎn)損失。因此，冶金工程師和鑄機(jī)設(shè)計(jì)者必須充分了解連鑄坯缺陷的產(chǎn)生原因，進(jìn)而采用

2、有效的措施。1—內(nèi)部角裂；2—側(cè)面中間裂紋；3—中心線裂紋；4—中心線偏析；5—疏松；6—中間裂紋；7—非金屬夾雜物；8—皮下鬼線；9—縮孔；10—中心星狀裂紋對(duì)角線裂紋；11—針孔；12—半宏觀偏析偏析的類(lèi)型合金在凝固過(guò)程中有溶質(zhì)的再分布，并且凝固過(guò)程往往未能擴(kuò)散均勻，使凝固后的相的成分不均勻，這就是所謂的偏析現(xiàn)象。在鋼中，總有一定程度的偏析出現(xiàn)。它們可能是形成堅(jiān)硬結(jié)構(gòu)組成如馬氏體或貝氏體的原因。偏析可分為微觀偏析、宏觀偏析兩類(lèi)，連鑄坯中的宏觀偏析主要表現(xiàn)為中心偏析。造成溶質(zhì)再分配的原因有：(1)由于固相線和液相線之間的溫度差而在凝固前沿的聚集；(2)在冷卻到室溫過(guò)程中的

3、擴(kuò)散；(3)熱處理偏析：在結(jié)晶過(guò)程中發(fā)生化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象稱(chēng)為偏析。根據(jù)偏析的分布特點(diǎn)可分為：微觀偏析晶內(nèi)偏析晶界偏析宏觀偏析正常偏析逆偏析比重偏析(1)晶內(nèi)偏析(枝晶偏析)非平衡結(jié)晶中，枝晶與枝晶間先凝固與后凝固的固溶體中含溶質(zhì)的量不同，從而形成晶粒內(nèi)部的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。研究表明，合金以枝晶方式生長(zhǎng)時(shí)，在整個(gè)晶粒有90%以上的熔體是以充填分枝之間的方式結(jié)晶的，即由枝晶的側(cè)面結(jié)晶，枝晶的側(cè)面生長(zhǎng)往往接近于平面方式。顯微偏析冷卻速度對(duì)枝晶偏析也有重要的影響，在其他條件相同時(shí)，冷卻速度越大，過(guò)冷越大，開(kāi)始結(jié)晶的溫度越低，原子的擴(kuò)散能力越小，溶質(zhì)擴(kuò)散越不充分，枝晶偏析就越

4、嚴(yán)重；但當(dāng)冷卻速度大到一定程度后，隨著冷卻速度的增加，枝晶偏析的程度反而有所減小，甚至消除。冷卻速度對(duì)鑄錠中Ca偏析的影響(1)Mg-Ca合金(2)Mg-Al-Ca合金預(yù)防與消除措施：晶內(nèi)偏析是一種不平衡狀態(tài)，如果能使溶質(zhì)充分?jǐn)U散即可消除。把鑄件加熱到低于固相線100～200℃，長(zhǎng)期保溫，即進(jìn)行擴(kuò)散退火則可減輕或消除晶內(nèi)偏析。在許多情況下，晶粒內(nèi)部偏析并不明顯，而晶界偏析卻十分明顯。(2)晶界偏析凝固時(shí)若晶界與長(zhǎng)大方向平行，由于表面能的要求，在晶界與界面相交之處會(huì)產(chǎn)生溝槽，如圖所示。存在組分過(guò)冷時(shí)，會(huì)在晶界溝槽處產(chǎn)生明顯的偏析。另外，若界面前堆積溶質(zhì)原子，在兩個(gè)晶粒相碰時(shí)形

5、成晶界，晶界收納了較多的溶質(zhì)原子，如圖所示。1、晶界位置與晶粒生長(zhǎng)方向平行兩晶粒并排生長(zhǎng)兩個(gè)晶粒并排生長(zhǎng)，晶界平行于生長(zhǎng)方向，由于表面張力平衡條件的要求，在晶界與液相的接觸處出現(xiàn)凹槽，深度可到10-8cm，此處有利于溶質(zhì)原子的富集，凝固后就形成了晶界偏析。2、晶粒相碰形成的晶界偏析兩晶粒對(duì)面生長(zhǎng)如圖所示，兩個(gè)晶粒相對(duì)生長(zhǎng)，彼此相遇而形成晶界。兩個(gè)晶粒結(jié)晶時(shí)所排出的溶質(zhì)（k0＜1）就富集在晶界上。這樣，在最后凝固的晶界部分將含有較多的溶質(zhì)和其他低熔點(diǎn)物質(zhì)，從而造成晶界偏析。合金在凝固過(guò)程按柱狀晶生長(zhǎng)時(shí)，柱狀晶界面之間有著明顯的晶界偏析。晶界偏析的危害：晶界偏析與晶內(nèi)偏析形成原

6、因基本相同，都屬于微觀偏析，因此，它們的影響因素也基本一樣。這類(lèi)偏析除個(gè)別情況有益外（如改善耐磨性），一般都有害。它們會(huì)導(dǎo)致鑄件的力學(xué)性能降低，特別是塑性和沖擊韌性的降低，增加合金的熱裂傾向，甚至使金屬不易進(jìn)行熱加工。減少顯微偏析的措施：晶界偏析的預(yù)防和消除方法同晶內(nèi)偏析所采用的措施相同，即細(xì)化晶粒和均勻化退火。但是晶界上存在的穩(wěn)定化合物，如氧化物、硫化物和某些碳化物，即使采用均勻化退火往往也無(wú)法消除，因此，對(duì)這些化合物引起的晶界偏析，應(yīng)該從減少合金中的氧和硫的含量著手。宏觀偏析宏觀偏析，又稱(chēng)長(zhǎng)程偏析或區(qū)域偏析，是指較大尺寸范圍內(nèi)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。按其表現(xiàn)形式可分為三種

7、基本類(lèi)型：正常偏析（正偏析）逆偏析（負(fù)偏析）比重偏析（重力偏析）產(chǎn)生宏觀偏析的原因：①在鑄件（錠）的結(jié)晶初期，由固相或液相的沉浮而引起區(qū)域性的化學(xué)成分分布不均；②在固-液兩相區(qū)內(nèi)液體沿枝晶的遷移運(yùn)動(dòng)而引起區(qū)域性化學(xué)成分分布不均。冷端未結(jié)晶液相中的溶質(zhì)平均濃度高于熱端（k0＜1）。當(dāng)枝晶之間的液相流動(dòng)時(shí)，若從熱端流向冷端，即從溶質(zhì)含量較低的區(qū)域流向溶質(zhì)含量較高的區(qū)域，使該區(qū)的固相平均成分降低，產(chǎn)生負(fù)偏析；反之，若液體由冷端流向熱端，使其升高，則該處將形成正偏析。C0k0C0startend單向凝固時(shí)鑄件內(nèi)溶質(zhì)的分布平