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1、材料工程基础材料工程基础110.2气孔与夹杂物气孔与夹杂物1、气孔、气孔定义:定义:金属液在凝固过程中,陷入金属中的气泡在铸件或焊缝金属液在凝固过程中,陷入金属中的气泡在铸件或焊缝中形成的孔洞。中形成的孔洞。存在形式:存在形式:固溶体、化合物和气态固溶体、化合物和气态气体来源:气体来源:熔炼过程中,与炉气干脆接触,是金属吸气的主要来源;熔炼过程中,与炉气干脆接触,是金属吸气的主要来源;炉料的锈蚀或油污、运用潮湿或含硫量过高的燃料;炉料的锈蚀或油污、运用潮湿或含硫量过高的燃料;合金液与铸型的相互作用;合金液与铸型的相互作用;浇注系统设计不当、铸型透气性差、无足够的排气措施、浇注系统设计不当、铸型
2、透气性差、无足够的排气措施、浇注速度限制不当,都会使合金液在浇入型腔时发生喷射、浇注速度限制不当,都会使合金液在浇入型腔时发生喷射、飞溅和涡流而使空气卷入。飞溅和涡流而使空气卷入。气体溶解度常用气体溶解度常用100g金属所能溶解的气体金属所能溶解的气体在标准状态下的体积表示,即在标准状态下的体积表示,即cm3/100g材料工程基础材料工程基础210.2 气孔与夹杂物气孔与夹杂物1、气孔、气孔气孔的形成机理气孔的形成机理气孔的分类及特征气孔的分类及特征析出性气孔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
3、气孔。多集中在冒口旁边和热节等温度较来不及逸出而产生的气孔。多集中在冒口旁边和热节等温度较高的区域。氢气孔和氮气孔高的区域。氢气孔和氮气孔材料工程基础材料工程基础310.2气孔与夹杂物气孔与夹杂物1、气孔、气孔气孔的分类及特征气孔的分类及特征浸入性气孔浸入性气孔在高温液态金属作用下铸型和型芯等产生的气体,浸入在高温液态金属作用下铸型和型芯等产生的气体,浸入金属内部所形成的气孔。金属内部所形成的气孔。常出现在铸件表层或近表层;常出现在铸件表层或近表层;一般是水蒸气、一般是水蒸气、CO、CO2、H2、CnHn。反应性气孔反应性气孔金属液与铸型之间,金属液与熔渣之间或金属液内部某些元素金属液与铸型之
4、间,金属液与熔渣之间或金属液内部某些元素化合物之间发生化学反应所产生的气孔。化合物之间发生化学反应所产生的气孔。金属液与铸型反应产生的气孔常分布在铸件皮下金属液与铸型反应产生的气孔常分布在铸件皮下13mm处,皮处,皮下气孔,经加工或清理后露出来;下气孔,经加工或清理后露出来;材料工程基础材料工程基础410.2气孔与夹杂物气孔与夹杂物2、夹杂物、夹杂物夹杂物的来源及分类夹杂物的来源及分类夹杂物来源夹杂物来源原材料本身原材料本身熔炼、处理时产生熔炼、处理时产生反应生成;反应生成;转包及浇注过程中产生的转包及浇注过程中产生的夹杂物分类夹杂物分类按夹杂物来源按夹杂物来源内生夹杂物内生夹杂物外生夹杂物外
5、生夹杂物按夹杂物组成按夹杂物组成氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等按夹杂物形成时间按夹杂物形成时间初生夹杂物初生夹杂物次生夹杂物次生夹杂物二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物按夹杂物形态按夹杂物形态材料工程基础材料工程基础510.2气孔与夹杂物气孔与夹杂物2、夹杂物、夹杂物夹杂物对金属性能的影响夹杂物对金属性能的影响n 夹杂物破坏了金属的连续性,使强度和塑性下降;夹杂物破坏了金属的连续性,使强度和塑性下降;n 尖尖角角形形夹夹杂杂物物易易引引起起应应力力集集中中,显显著著降降低低冲冲击击韧韧性性和和乏累强度;乏累强度;n 易熔夹杂物分布于晶界,不仅降低强度且能引起热裂;易
6、熔夹杂物分布于晶界,不仅降低强度且能引起热裂;n 促进气孔的形成,既能吸附气体,又促使气泡形核;促进气孔的形成,既能吸附气体,又促使气泡形核;n 在在某某些些状状况况下下,也也可可利利用用夹夹杂杂物物改改善善金金属属的的某某些些性性能能,如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。材料工程基础材料工程基础610.2气孔与夹杂物气孔与夹杂物2、夹杂物、夹杂物一次一次夹杂物的形成及防止措施夹杂物的形成及防止措施一次夹杂物来源一次夹杂物来源夹杂物的偏晶析出夹杂物的偏晶析出L1L2+AmBnFeL1FeL2+SiO2例钢水脱氧加入硅铁后:例钢水脱氧加
7、入硅铁后:夹杂物的聚合长大夹杂物的聚合长大夹杂物粒子的碰撞和聚合夹杂物粒子的碰撞和聚合3Al2O3+2SiO23Al2O32SiO2SiO2+FeO FeSiO3防止措施防止措施熔炼法熔炼法过滤法过滤法材料工程基础材料工程基础710.2气孔与夹杂物气孔与夹杂物2、夹杂物、夹杂物二次二次夹杂物的形成及防止措施夹杂物的形成及防止措施二次夹杂物的形成二次夹杂物的形成浇注过程中能够产生的浇注过程中能够产生的影响二次氧化夹杂物形成的因素影响二次氧化夹杂物形成的因素化学成分化学成分金属液流金属液流轴承钢:轴承钢:刚出炉时钢水中的含氧量刚出炉时钢水中的含氧量1636ppm;浇包中钢水的含氧量增至浇包中钢水的
8、含氧量增至24 44ppm;铸件含氧量:铸件含氧量:37 48ppm。样品来源样品来源样品来源样品来源组成组成组成组成w wsio2sio2w wAl2o3Al2o3w wFeoFeow wMgoMgo浇包中的球铁浇包中的球铁浇包中的球铁浇包中的球铁20.420.44.424.4221.121.137.637.6浇包中的球铁浇包中的球铁浇包中的球铁浇包中的球铁26.026.02.702.7023.823.833.933.9铸件表面渣铸件表面渣铸件表面渣铸件表面渣60606.906.9016.716.79.669.66与大气接触机会与大气接触机会接触面积接触面积接触时间接触时间表面氧化物表面氧化
9、物材料工程基础材料工程基础810.2气孔与夹杂物气孔与夹杂物2、夹杂物、夹杂物二次二次夹杂物的形成及防止措施夹杂物的形成及防止措施防止和削减二次氧化夹杂物的途径防止和削减二次氧化夹杂物的途径正确选择合金成分,严格正确选择合金成分,严格限制易氧化元素的含量;限制易氧化元素的含量;严格限制铸型水分,加入严格限制铸型水分,加入煤粉等碳质材料或接受涂煤粉等碳质材料或接受涂料形成还原性气氛;料形成还原性气氛;接受合理的浇注工艺及浇接受合理的浇注工艺及浇冒口系统,保持金属液充冒口系统,保持金属液充型过程平稳流淌;型过程平稳流淌;加熔剂、接受复合脱氧剂、加熔剂、接受复合脱氧剂、过滤法等。过滤法等。材料工程基
10、础材料工程基础次生夹杂物n n 次次生生夹夹杂杂物物是是指指合合金金凝凝固固过过程程中中,由由于于偏偏析析,溶溶质质元元素素及及杂杂质质元元素素将将富富集集于于枝枝晶晶间间尚尚未未凝凝固固的的液液相相内内,处处于于过过饱饱和和状状态态而而发发生生偏偏晶晶反反应应:L L1 1L L2 2,析析出出非非金金属属夹夹杂杂物物。由由于于夹夹杂杂物物是是从从偏偏析析液液相相中产生的,因此又称为偏析夹杂物。中产生的,因此又称为偏析夹杂物。材料工程基础材料工程基础1010.3 缩孔与缩松缩孔与缩松1、金属收缩的基本概念、金属收缩的基本概念二元合金收缩过程示意图二元合金收缩过程示意图a)合金相图)合金相图
11、b)有确定结晶温度范围的合金)有确定结晶温度范围的合金 c)恒温凝固的合金)恒温凝固的合金a)c)b)成分成分/体收缩率体收缩率/体收缩率体收缩率/nmAB温温度度/温温度度/温温度度/T浇浇 II IIIImnIIIIII液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩固相收缩固相收缩凝固收缩凝固收缩定义:定义:铸件合金在液态、凝固态和固态的冷却过程中,所发生的体积缩小的现象称为收缩;材料工程基础材料工程基础111、金属收缩的基本概念、金属收缩的基本概念液态收缩液态收缩(T(T浇浇-T-TL L)v v液液v v液液(T(T浇-T-TL L)100)100缘由:气体排出;空穴削减;原子间间距减小。缘由:气体
12、排出;空穴削减;原子间间距减小。液态体收液态体收缩率(缩率(%)金属的液态体金属的液态体收缩系数收缩系数 影响因素影响因素:合金成分、温度、气体合金成分、温度、气体 和夹杂物含量等;和夹杂物含量等;10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础121、金属收缩的基本概念、金属收缩的基本概念凝固收缩凝固收缩(T(TL L-T T固固)纯金属和共晶合金:凝固期间的体收缩只是由于状纯金属和共晶合金:凝固期间的体收缩只是由于状态的变更,而与温度无关;态的变更,而与温度无关;结晶温度范围合金:收缩率既与状态变更时的体积结晶温度范围合金:收缩率既与状态变更时的体积变更有关,又与温度范围有关;变更有
13、关,又与温度范围有关;缘由:空穴削减;原子间间距减小。缘由:空穴削减;原子间间距减小。10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松温度温度 体积体积材料工程基础材料工程基础131、金属收缩的基本概念、金属收缩的基本概念凝固收缩凝固收缩(T(TL L-T T固固)此两种收缩在外部表现皆为体积减小,一般表现为液此两种收缩在外部表现皆为体积减小,一般表现为液面降低,因此称为体积收缩面降低,因此称为体积收缩,是铸件产生缩孔和缩松是铸件产生缩孔和缩松的基本缘由。的基本缘由。10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础141、金属收缩的基本概念、金属收缩的基本概念固态收缩固态收缩(T(T固固)v固固=v固固(
14、Ts-T0)100%l =l(Ts-T0)100%v3l ,v3l固态收缩还引起铸件外部尺寸的变更故称尺寸收缩或线收缩。固态收缩还引起铸件外部尺寸的变更故称尺寸收缩或线收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本缘由液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本缘由。而固。而固相收缩对应力、变形与裂纹影响较大。相收缩对应力、变形与裂纹影响较大。10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础151、金属收缩的基本概念、金属收缩的基本概念金属从浇注温度冷却到室温所产生的体积收缩:金属从浇注温度冷却到室温所产生的体积收缩:v总总=v液液 +v凝凝+v固固不同的合金收缩率不同。在常用的合金
15、中,铸钢的收缩最大,灰口铸不同的合金收缩率不同。在常用的合金中,铸钢的收缩最大,灰口铸铁的收缩最小。因为灰口铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的,由于铁的收缩最小。因为灰口铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的,由于石墨的比容大,在结晶过程中,石墨析出所产生的体积膨胀,抵销了石墨的比容大,在结晶过程中,石墨析出所产生的体积膨胀,抵销了合金的部分收缩合金的部分收缩(一般每析出一般每析出1%的石墨,铸铁体积约增加的石墨,铸铁体积约增加2%)。10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础162、缩孔与缩松的分类及特征、缩孔与缩松的分类及特征缩孔缩孔内缩孔内缩孔外缩孔外缩孔常出现在铸件的外部或顶部,一
16、般在铸件上部呈漏斗状。产于铸件内部,孔壁粗糙不规则,有时可见发达的树枝晶10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础173、缩孔与缩松的形成机理、缩孔与缩松的形成机理形成缘由:合金液态收缩和凝固收缩大于固态收缩值;形成缘由:合金液态收缩和凝固收缩大于固态收缩值;形成条件:形成条件:铸件由表及里逐层凝固;缩孔的形成缩孔的形成形成过程:形成过程:动画动画10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础184、影响缩孔与缩松的因素及防止措施、影响缩孔与缩松的因素及防止措施措施措施基本原则:针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的基本原则:针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺,使铸
17、件在凝固过程中建立良好补缩条件,铸造工艺,使铸件在凝固过程中建立良好补缩条件,尽可能使缩松转化为缩孔,并使缩孔出现在铸件最终尽可能使缩松转化为缩孔,并使缩孔出现在铸件最终凝固的地方。这样,在铸件最终凝固的地方安置确定凝固的地方。这样,在铸件最终凝固的地方安置确定尺寸的冒口,使缩孔集中于冒口中,或者把浇口开在尺寸的冒口,使缩孔集中于冒口中,或者把浇口开在最终凝固的地方干脆补缩,就可以获得健全的铸件。最终凝固的地方干脆补缩,就可以获得健全的铸件。第一,尽量选择凝固区域较窄的合金,使合金倾向于逐层凝固,从根本上解决缩松的生成条件;其次,对一些凝固区域较宽的合金,可接受增大凝固的温度梯度方法,使合金尽
18、可能地趋向于逐层凝固。(1)(1)使缩松转化为缩孔的方法使缩松转化为缩孔的方法10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础194、影响缩孔与缩松的因素及防止措施、影响缩孔与缩松的因素及防止措施措施措施要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件,主要是通过限制铸件的凝固方向使之符合“定向凝固原则”。(2)(2)防止缩孔的方法防止缩孔的方法在铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立递增的温度梯度;10.3 缩孔与缩松缩孔与缩松材料工程基础材料工程基础204、影响缩孔与缩松的因素及防止措施、影响缩孔与缩松的因素及防止措施措施措施优点:优点:冒口补缩作用好,可以防止缩孔和缩松,铸件致密;适
19、用于凝固收缩大,结晶温度范围较小的合金;缺点:缺点:温差 热裂 应力和变形;出品率低,费工;图4-3定向凝固原则定向凝固原则材料工程基础材料工程基础214、影响缩孔与缩松的因素及防止措施、影响缩孔与缩松的因素及防止措施措施措施铸造热应力是由于铸件壁厚有大小,冷却有先后,致使铸件收缩不一样而形成。防止热应力和变形的方法是接受同时凝固原则。(3 3)防止应力和变形的方法)防止应力和变形的方法铸件结构各部分之间没有温差或温差尽量小,使各部分同时凝固。材料工程基础材料工程基础224、影响缩孔与缩松的因素及防止措施、影响缩孔与缩松的因素及防止措施措施措施(4 4)两种凝固原则应接受的工艺措施)两种凝固原
20、则应接受的工艺措施正确布置浇注系统的引入位置,确定合理的浇注工艺浇注温度浇注温度浇速浇速顺序凝固顺序凝固高高慢慢同时凝固同时凝固低低快快铸件顶部设置冒口并接受顶注时,应接受高温慢浇,以加强依次凝固;同时凝固时,内浇道应从铸件薄壁处引入,增加内浇道数目,接受低温快浇;材料工程基础材料工程基础23加热加热加热加热与冷却与冷却与冷却与冷却受拘束受拘束瞬时应力瞬时应力与应变与应变完全冷却后完全冷却后残余应力残余应力与变形与变形4.3应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹 温度变化温度变化温度变化温度变化热膨胀热膨胀或收缩或收缩热应力热应力(自身拘束)(自身拘束)机械阻碍应力机械阻碍应力(外部拘束)(外部拘束
21、)固态相变固态相变(伴随比容变化)(伴随比容变化)受阻受阻受阻受阻相变应力相变应力材料工程基础材料工程基础4.3应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹1、应力、应力应力的产生及分类应力的产生及分类热应力热应力由于温度场不匀整引起的。由于温度场不匀整引起的。材料工程基础材料工程基础254.3应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹1、应力、应力应力的限制措施应力的限制措施n减小和消退残余应力减小和消退残余应力热处理法(人工时效)热处理法(人工时效)振动法振动法自然时效自然时效将铸件或焊件在共振条件下振动确定时间,以达到消退残余应力的目的。设备简洁,成本低,花费时间短,无氧化,不受工件尺寸限制等。环形试样环形试样材料工程基础材料工程基础264.3应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹2、变形、变形结构的某些部分发生变形,可分为角变形、波浪变形、带轮变形图4-7沿厚度方向收沿厚度方向收缩量不一样缩量不一样纵向和横向纵向和横向的压应力使的压应力使不同不同材料工程基础材料工程基础4.3应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹裂纹裂纹 定义:定义:在应力与致脆因素共同作用下,材料的原子结合遭到破坏,在形成新界面时产生的缝隙。热裂纹热裂纹冷裂纹冷裂纹
限制150内