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铸造合金成分设计与过程控制
读书报告 1. 合金成分设计之关于共晶点的移动
（1） 为了达到时效强化的效果，一般采取相图上对应温度有固溶段的成分做为
合金的成分；随着固溶度的增加强度增加，到达共晶点处时，因为此处熔点低结晶温度区间几乎为0，故而缩孔等少合晶强度会在此处突增，不过有时为了降低熔点也会采用共晶处成分的合金。单相区间的合金具有良好的压力加工性能；两相区的合金成分可以调控致使具有一相硬而一相软的基体以加强耐磨性。
（2） 两组元A,B构成共晶相图时，平衡条件下共晶温度共晶成分的点两相具有
从液相中相同的析出动力，但是组元A熔点高或是结构复杂或光滑界面非金属的一侧相其扩散速度小或为光滑界面式的长大【螺旋位错式v=u2*ΔTk^2/ 二维形核式v=exp（-u3/ΔTk）】没有熔点低B侧或粗糙界面侧的组元基相【连续长大v=u1*ΔTk，u1>u2>u3】的长大速度快，所以共晶相A应当没有共晶相B的多，所以一般共晶相图中共晶点应当靠近低熔点简单侧，而加入的合金元素由于表面能低活性大吸附于某侧阻碍此侧共晶相的生长那么将致使共晶点向远离这一侧相的基组元方向移动。但实际上共晶点的位置是由L,α，β各相的G自由能曲线在共晶温度下的公切线上L的公切点位置。
（3） 在非平衡条件下，因为来不及扩散析出，所以在共晶线以下才达到析出条
件，而且出现伪共晶区，凡在伪共晶区内的合金成分可以达到析出共晶组织的条件而伪共晶区常偏向高熔点结构复杂或光滑界面的组员一侧。这是因为平衡时共晶点偏向低熔点组元侧，所以以低熔点组元为基的组成相与液态合金成分差别较小，则通过扩散而达到该组成相的成分较容易，其结晶速度较大，为了达到共晶成分两相具有相同的结晶条件形成两组元相的扩散要求，需要使得伪共晶区偏向高熔点组元侧，使高熔点组元侧相也具有相同的析出条件。
（4） 单相合金凝固中液体前沿溶质分配，原理是质量守恒与菲克定律，（CL-Cs*）
dfs=（1-fs）dCL[平均] 及界面浓度变化量为界面浓度差引起的扩散量：R（CL*-Cs*）=-DαCL/αX |x=0带*或图中带i的符号皆表示的是界面处的物理量，R表示凝固速度。而热的传输也是如此的рΔH(dS/dt，界面移动速度)=扩散走的热量=Ks▽Ts-KL▽TL。所以有如下图的溶质分配图：
CL* CL
Cs* Cs初 h
CS初=C0[1-（1-k0）exp（-Rk0x/DL）] CS*=keC0（1-fs）^ke-1，fs=x/L CL=CL(B)ke{1+(1-k0)/k0[exp(-Rx/DL)]} Ke= CS*/ CL(B)=k0/[k0+(1-k0)exp(-Rh/DL)] K0= CS*/ CL*
假设固态不扩散，液态完全混合Ke=K0（b线），不完全混合（d线），完全不混合Ke=1（c线）
成分过冷条件：GL/R 成分过冷度ΔTc= {mLC0(i-k)/k[1-exp(-Rx/DL)]}-GLX 2. 铸件宏观凝固组织的控制 （1） 要得到好的铸件组织性能，往往需要成分及工艺设计满足①合金流动性能 好，即粘度【与合金结合键，润湿角，温度及流动速度有关】小，结晶温温度区间窄，以增强液体流动性【v流=-k(▽P+рL*g)/ ηfL，压力梯度▽P，k多孔介质渗透率，fL液体体积分数，凝固时间t=R^2/k^2,R=V/S】，并利于杂质及气体的上浮（公式如下（1-1））。②希望合金具有较小的膨胀系数α，这样可以减少收缩内应力③表面能较小，以减少粘砂【毛细作用的附加压见公式（1-2）】④合理设计成分及工艺减少吸气性，气体析出的临界核心r*见公式（1-3）⑤选择结晶区温度和（1-k）皆小的合金以减少偏析减少热裂与疲劳。 (1-1) (1-2) (1-3) （2） 铸件宏观组织形态：由于型壁激冷作用形成的无规则排列的小等轴细晶区 即表面细晶区+凝固稳定层壳之后沿垂直型壁散热较快方向择优生长的柱状晶区+由于成分过冷及枝晶熔断的游离晶粒作用形成的细化内等轴晶区。 （3） 决定铸件性能的主要因素是柱状晶区与等轴晶区。柱状晶区是一些择优生 长形成的细长晶体，较为粗大晶界面较小，排列一致的位向使其具有明显的方向性，且纵向性能较好。生长中杂质元素易于被排挤在界面前沿，最后分布在柱状晶与柱状晶或等轴晶的交界处形成弱界面。而内部等轴晶区晶粒之间位向各不相同，晶界面积大，性能比较均匀无方向性，偏析元素、非金属夹杂物和气体在其中都比较分散，等轴枝晶彼此嵌合，结合较牢不 存在所谓的弱面，细化的等轴晶可以使杂质等分布更加分散以显著提高材料的利息额性能和抗疲劳性能。综上所述，希望减少柱状晶区而增多等轴晶区来达到良好的性能。 （4） 控制铸件组织——减少等轴晶区增多等轴晶区的措施：凡利于小晶粒的产 生，游离，漂移，沉积，增殖的各种因素和措施均有利于扩大等轴晶区的范围抑制住区的的形成发展。 ? 向熔体中加入强生核剂（促进小晶粒生成与细化）：良好晶粒细化剂 要求①不带入任何影响合金性能的有害元素②异质粒细小弥散，起非均质形核作用又不影响合金性能③异质粒与固相晶粒之间有良好的共格和小的润湿角④不易溶解稳定性好；其原理包括①共格对应、高熔点界面能小且良好润湿，可直接作为外加晶核的生核剂②能形成高熔点稳定化合物作为非均质形核基底③通过液相中微区富集起来而使结晶相提前弥散析出形成生核剂（使莫剖析额富集区过共晶化）④（1-k0）大的含强成分过冷的生核剂a.富集于固液前沿促进枝晶熔断致使晶粒游离b.强化界面前沿L的非均质形核c.富集致使成分过冷度曾加从而形核率增加又可以抑制晶粒生长而细化。注意随时间的延长，孕育剂的生核效果会减小导致孕育衰退现象，且孕育处理温度越高。习惯上，向铸铁中加入添加剂称为孕育处理；向有色合金中加入添加剂则称变质处理。 从本质上说，孕育处理主要影响形核和促进晶粒游离；而变质处理则是改变晶体的生长机理（抑制长大），从而影响晶体形貌。孕育一般影响生核过程通过增加晶粒数实现细化晶粒，变质处理则通过选择性分布改变晶体生长过程实现改变晶体的形貌。 ? 控制浇注工艺和铸件冷却速度：①在保证流动性不会浇不足的前提下 尽量采用低的浇注温度，以便利于游离晶粒的残存且熔体过热度较小下激冷作用下易产生较多游离晶粒②合适的浇注工艺如6孔沿壁浇注等以增加液体的流动性③改进铸型激冷倾向a.薄壁铸件倾向于采用蓄热系数大的铸型，保存游离晶粒也多b.厚壁适于采用蓄热系数小的铸型，因为激冷作用仅限于表面，b小的铸型能降低稳定凝固层的存在，助于凝固区游离晶粒同时降低液体中的温度梯度因而可以增大凝固中的等轴晶，尽管会影响到游离晶粒的残存④金属液与铸型之间的润湿角应当大，否则会利于稳定层壳的形成条件增大柱状区⑤增大铸 型表面的粗糙度。 （5）凝固顺序的选择与控制：高温慢浇能增加温度差利于顺序凝固，低温快浇 （多个内浇道）可降低温度差利于同时凝固。同时凝固适于壁厚均匀（薄壁均匀）的铸件，当热裂变形为主要矛盾时。尤其对球墨铸铁件利用石墨化膨胀进行自补缩时必须用同时凝固法。而顺序凝固适于凝固收缩大，结晶温度范围小对热裂要求少的较厚大的铸件。复合凝固即整体上同时（顺序）凝固而局部（顺序）同时凝固。冒口可设计于壁厚的热节处，冷铁置于厚壁处以及加压铸造这样利于加压补缩和同时凝固。