金属材料ppt

金陵科技学院教案【封面】

任课系部：材料工程学院复合材料与工程系

课程名称金属材料成型原理课程编号

授课对象专业复合材料与工程

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

《金属材料

成型原理》

作者

雷玉

成

出版社及出版时间

化学工业出版社

2016.3

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1次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第一章

主要

内容

第一章绪论

第一节材料种类与应用

第二节材料成形原理和工艺体系

第三节材料成形的基本过程

第四节成形制品时材料及其成形工艺的选择

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：了解材料种类与应用。

难点：了解材料成形原理和工艺体系。

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

1.1材料种类与应用

材料是人类进行生产生活和与大自然作斗争的物质基础，今天它与能源、信息和

生物技术共同构成了现代科学技术的四大支柱。材料作为用来制造机器零件、构件和

其它可供使用制品的物质，按化学组成特征，可分为金属材料、高分子材料、陶瓷材

料和复合材料。

1.1.1金属材料

金属材料是目前应用最广泛、重量用量最大的材料，是现代机械制造工业的最

主要材料。现在世界上有86种金属！在各种机床、矿山机械、冶金设备、动力设备、

农业机械、交通运输设备、航空航天器、现代兵器中，金属制品占80%～90%，金属材

料在材料领域中占有举足轻重的地位。

金属材料的种类

1.1.2高分子材料

高分子材料是地位仅次于金属材料的一大类新型材料，它是20世纪才发展起

来的材料，但由于其综合性能优越、成形工艺相对简单和价格低廉等优势，应用领域

极其广泛，发展非常迅速。高分子材料又常常称为聚合物、高聚物或高分子化合物，

通常可分为塑料、化学纤维和橡胶三大材料，其次还包括粘合剂和涂料等材料。2000

年世界塑料消耗量已达1.2亿吨，化学纤维消耗量近3000万吨，橡胶消耗量达2000～

3000万吨，其中仅塑料的体积消耗量已超过钢铁。按体积消耗量来说，高分子材料已

超过金属材料而成为第一大类材料。据测算，100～150万吨塑料可发挥1000万吨钢

铁的作用，代替一吨钢所需的塑料的建设投资仅为一吨钢所需投资的1/3～1/2，而生

产一吨钢的能耗则为生产相当塑料的4.5倍。因此就目前而论，高分子材料的发展速

度仍远远超过金属材料的发展速度，其在材料王国已占有极其重要的地位。

高分子三大材料的种类

1.1.3陶瓷材料

陶瓷材料有时也称为无机非金属材料，种类繁多，应用很广。陶瓷材料可分为

传统陶瓷材料和特种陶瓷材料两大类。传统陶瓷材料也称为普通陶瓷材料，泛指硅酸

盐材料，它是用天然粘土、石英、长石为原料经成形和烧结而制成。特种陶瓷材料是

指化学合成陶瓷，采用经人工提炼、纯度较高的金属氧化物、氮化物、硼化物、硫化

物、硅酸盐及其它盐类和单质经配料、成形和烧结工艺而制成。

陶瓷材料的种类

1.1.4复合材料

0.1.4复合材料

在现代高技术领域，特别是航空航天、海洋工程、原子能工业、现代兵器工业等，

要求材料兼具有高强度、高韧性和低密度等，还常要求能经受住各种极端环境条件如

超高温、超高压、超高真空、高腐蚀性介质和辐射等的考验。单一材料往往不能满足

这些要求，例如金属的力学性能固然不错，但耐温性有限，陶瓷材料虽然既耐高温又

耐腐蚀，但较脆；高聚物虽然密度低、韧性好，但强度、刚度和耐热性低。把两种和

两种以上性质不同的材料通过设计结合在一起成为一体，这样的多相固体材料往往可

以综合各种组分材料如金属、高分子材料、陶瓷等的优点，可满足各种不同特殊环境

的使用要求，这类多相多质固体新型材料称为复合材料。目前对复合材料提出了“三

高一低”的要求，即高强度、高模量、耐高温和低密度的要求。

1.2材料成形原理和工艺体系

1.2.1材料成形原理问题

对于材料成形原理的划分有多种方法，最常见的方法有三种：(1)按材料来划分，

材料成形原理分为金属成形原理、高分子材料成形原理、陶瓷成形原理和复合材料成

形原理。(2)采用一部分按成形工艺而另一部分按材料，这样两者都同时并存的方式来

划分。如将材料成形原理划分为铸造原理、锻造原理、冲压原理、焊接原理、粉末冶

金原理、高分子成形原理和陶瓷成形原理等内容。(3)按材料成形过程属性来划分，不

论材料和具体成形工艺如何，基于在材料的成形过程中都存在一些共同的属性，如流

动形变、固化成形、分子结构和组织结构变化等，这些问题在材料成形过程中是最基

本和最普遍的问题，其基本原理对不同的材料和不同的成形工艺都是相通的。因此将

材料成形的基本原理分为流变学原理、固化原理、结晶原理、取向原理、化学冶金学、

交联与降解原理和烧结理论等。

1.2.2材料成形工艺体系

1.2.3材料成形工艺体系的发展

材料的成形工艺可以追溯到久远的古代，它与材料的发展密切联系在一起，并反

过来促进材料的发展。材料的成形工艺体系是基于传统材料金属和陶瓷的成形发展起

来的。其中粉末冶金、铸造和锻造工艺最为源远流长。

粉末冶金最早应用在制砖和制陶方面，时间是在公元前5000年前左右的陶器时

代，粉末冶金在金属方面的应用出现在金属冶炼技术之前，人们将拾来的金属矿石碎

块加热后捶打在一起，制成器物。建于公元前2世纪Ashoka王朝时代的著名“德里铁

柱”高7.1米,重60吨,铁柱裸露在荒野中,距今已有1500年的历史。和远古时期的著

名“大马士革之剑”都是粉末冶金工艺应用的典范。现在粉末冶金除在金属和陶瓷方

面获得重要应用外，还应用于高分子材料如聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的成型，

并在复合材料方面也获得了一定的应用。

1.3材料成形的基本过程

材料在成形过程中，通常会同时发生形状、结构和性质的变化，其中形状的变化是

首要和最基本的变化。对于液态成形来说，形状的变化由形状的获得和形状的保持两

个过程完成，材料通过流动或形变获得形状，然后固化将获得的形状保持下来而获得

制品，有时还需一定的后续工序如修边、机械切削甚至装配才能形成最终形状的制品。

制品在获得形状变化的同时，材料的结构和性质也伴随着发生一定的变化。制品有时

甚至会采用专门的后续处理工艺过程(如热处理和表面处理等)，以获得所需的组织结

构，由此提高制品性能或满足特殊应用环境对制品性能的要求。

1.4成形制品时材料及其成形工艺的选择

成形制品时选择材料及其成形工艺一般应遵循适用、经济和可行的三大基本原则。

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

材料科学的任务，材料研究方法研究对象

材料研究方法的一般程序

材料发展方向和动态

思

考

题

或

作

业

题

简要说明金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大材料的地位。

简要说明材料成形过程中的基本变化和基本过程。

成形制品时选择材料及其成形工艺应遵循哪些基本原则？并简要说明。

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第2次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第二章

主要

内容

第二章液态金属的结构与性质

第一节液态金属的结构

第二节液态金属的性质

第三节液态金属的充型能力

第四节半固态合金的流变性及半固态成形

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：表面张力计算。

难点：液态金属的理解。

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

2.1液态金属的结构

2.1.1纯金属的液态结构

①原子间保持较强的结合能，原子的排列在较小的距离内仍具有一定规律性，

且原子间距增加不大。

②原子集团的“近程有序”排列；即小范围保持规律性。

③原子集团时刻在变化；

④原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴”；

⑤原子集团的尺寸、游动速度与温度有关。

其特点是“结构起伏”与“能量起伏”。

“结构起伏”——液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、

此起彼伏。

“浓度起伏”——同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合

力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存

在着成分差异。

2.1.2实际金属的液态结构

原子间结合力不同，产生的

能

浓

结

杂质原子

量大

种类

分布不均

以仅含一种杂质元素为例:

①A-B结合力较强：临时不稳定化合物如：S在Fe液中，高温时完全溶解，低温

时析出FeS；

②A-B非常强：形成新的固相；如O在Al中形成Al2O3;

③假如B-B结合力>A-A及A-B：吸附甚至分层。

2.2液态金属的性质

2.2.1基本概念

物理性质：密度、粘度、电导率、热导率和扩散系数等；

物理化学性质：等压热容、等容热容、熔化和气化潜热、表面张力等；

热力学性质：蒸汽压、膨胀和压缩系数及其它。

1.熔点和熔化潜热：确定熔炼和浇铸温度

2.沸点和蒸发热：熔点和沸点无直接关系，利用沸点确定熔炼中的蒸发烧损

量，蒸发热远高于熔化热，间接证明液态金属结构和气体相差甚远。

3.比容热：比热容小，结晶时铸件断面温差大，容易出现集中缩孔。

4.导热性：导热性好，冷却速度快，金属断面温度梯度小，热应力小。

5.热膨胀和体积收缩率：绝大多数金属熔化后体积增大，密度减小；凝固后

体积变小，密度增大。

2.2.2液态金属的表面张力

表面张力△W=σ△Ａ=△F

薄膜宽度为b，收一个绷紧力F，则

F=σbσ为表面张力系数，或表面张力（N/m）

物理意义：薄膜单位长度上所受的绷紧力。由于力F的作用，薄膜被拉长Δl，

①表面张力的本质

则F对薄膜所做的功ΔW为ΔW=FΔl=σbΔl=σΔS做功使得薄膜能量增加ΔE，因此

ΔE=ΔW=σΔS则σ=ΔE/ΔS故表面张力是单位面积上的能量，即表面能。

②表面张力引起的附加压力

加压力：△Ｐ＝2σ/r

通用计算公式：△Ｐ＝σ/(r1+r2)

③影响表面张力的因素

化学键的影响：金属键>离子键>范德华力

温度：Ｔ升高，表面张力下降。特殊现象（铜和铸铁）。T增大，液体质点距离增

加，彼此作用力下降，表面张力减小。

溶质元素：正吸附和负吸附；表面活性物质和非表面活性物质：

2.3液态金属的充型能力

2.3.1液态金属充型能力的基本概念

液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液态合

金的流动性又叫做充型能力。液态合金的流动性愈好，不仅易于铸造出轮廓清晰，薄

而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金

中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、

气孔、夹渣和缩松等缺陷。

液态金属充填铸型是一个复杂的物理、化学和流体力学问题，涉及到金属液的

各种性质，如密度、黏度、表面张力、氧化性、氧化物的性质及润湿性等。充型能力

的大小影响铸件的成型，充型能力较差的合金难以获得大型、薄壁、结构复杂的健全

铸件。

2.3.2影响充型能力的因素

影响充型的因素是通过两个途径发生作用的:一是影响金属与铸型之间的热交

换条件，从而改变金属液的流动时间；二是影响液态金属在铸型中的水力学条件，从

而改变金属液的流速。影响液态金属充型的因素很多，可以归纳为四类:

①第一类因素，属于金属性质方面的，主要有金属的密度、比热、导热系数、

结晶潜热、动力黏度、表面张力及结晶特点等。不同的合金，其流动性有很大差异，

对同种合金而言，化学成分不同，其流动性也不同。当熔化至液相线以上相同温度时，

纯金属、共晶成分和化合物具有最大的充型能力，而位于结晶温度间隔最大处的

合金其充型能力最小。

②第二类因素属于铸型性质方面的主要有铸型的蓄热系数、密度、比热、

导热系数、温度、涂料层和发气性、透气性等。铸型的阻力影响金属液的充填速度，

铸型与液态金属的热交换强度影响其流动时间。因此，通过调整铸型的热物理性

质来改善金属的充型能力往往能收到良好的效果。比如，预热铸型能减少金属液与

铸型的温度差，减少两者的热交换，从而提高其充型能力。

2.4半固态合金的流变性及半固态成形

2.4.1半固态的概念

半固态：金属在凝固过程中，通过强烈的搅拌或控制凝固技术，抑制树枝晶的

产生或者破坏树枝晶，形成具有等轴、均匀、细小的初生相均匀分布于液相中的悬浮

半固态浆料，这种浆料即便固相颗粒达到50~60%仍具有较好的流动性。

2.4.2半固态的优点

2.4.3半固化的加工方法

2.4.4半固态能够流动的原因

原因是流变性发生变化

凡流体以切变方式流动，但其切应力与剪切速率之间为非线性关系者均称为

非牛顿流体。非牛顿流体流动的特征是：它不服从牛顿粘度定律，其粘度不是一个

常数，随着切应力、切变速率的变化而变化。非牛顿流体的类型有宾汉流体、假塑性

流体和胀塑性流体等。

几种流动曲线的比较

(1)宾汉流体：这个类型的流体也称作宾汉塑性体，如牙膏、油料、地质钻

探用的泥浆等。其流动曲线如图中的D曲线。它与牛顿流体的流动曲线（图中A曲线）

特征相同，均为直线型，只是它不通过原点，其含义是只有切应力超过一定值、（屈

服应力）之后才开始流动。这是因为超过τy，才能破坏静止时形成的高度空间结构而

实现流动。

(2)假塑性体:图中的曲线B为假塑性体流动的特征曲线，该流体的流动曲

线弯向切变速率坐标轴一侧，表征着其粘度随切应力、切变速率的增大而逐渐降低的

特性，因此而被称为切应力变稀的流体。大多数热塑性塑料、橡胶和高分子聚合物溶

液等都属于此类流体。

(3)胀塑流体:图中的曲线C为胀塑性流体流动的特征曲线，该曲线弯向

切应力坐标轴一侧，这表征着其粘度随切应力、切变速率的增大而逐渐升高的特性，

因此而被称为切应力增稠的流体。

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

金属的加热与熔化，液态金属的结构；

液态金属的性质；

半固态合金的流变性及半固态成形。

思

考

题

或

作

业

题

简述黏度在材料成形中的作用和意义。

半固态为什么能够流动？

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第3次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第三章

主要

内容

第三章凝固温度场

第一节传热基本原理。

第二节铸件凝固温度场的解析解法

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：热传导微分方程。

难点：热传导微分方程。

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

3.1传热基本原理

3.1.1温度场与传热学的基本理论

①温度场基本概念

不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场

tzyxfT,,,

稳定温度场：不随时间而变的温度场，即温度只是坐标的函数zyxfT,,

②传热基本方式

热传导（导热）

热对流

热辐射

③热传导、热对流、热辐射的区别

i热传导是热量从系统的一部分传到另一部分或由一个系统传到另一系统的

现象，是固体中热传递的主要方式。

ii对流是液体或气体中较热部分和较冷部分之间通过循环流动使温度趋于

均匀的过程。

iii热辐射是物体因自身的温度而具有向外发射能量的热量传递的方式

3.1.2凝固传热过程的基本方程

①凝固过程的传热特点

铸造过程：液态金属在充型过程中与铸型间的热量交换以对流为主；在铸型

中的凝固、冷却过程以热传导为主

熔焊过程：热量从热源传递给焊件以对流和辐射为主；形成熔池后，熔池中

热量则主要以热传导方式向母材传递，形成焊缝

热传导传热方式是铸件凝固温度场与焊接温度场中热量传递的主要形式

②热传导过程的偏微分方程

根据能量守恒定律和傅立叶定律来建立导热物体中温度场的微分

方程。

其中，三维傅立叶热传导微分方程为

是拉普拉斯运算符号

；是材料的热扩散率，式中，

T

c

2









二维傅里叶热传导微分方程为

一维傅里叶热传导微分方程为

①α越大，表示物体受热时，其内部各点温度扯平的能力越大

②α越大，表示物体中温度变化传播得越快。故α也是材料传播温度变化能

力大小的指标，也称作导温系数

3.1.3凝固温度场的求解方法

①解析法

是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程（或模型），得到用

函数形式表示的解，也就是解析解

优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能够清楚地表达温度场

的各种影响因素，有利于直观分析各参数变化对温度高低的影响

缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并不适合实际情况，这

就使解的精确程度受到不同程度的影响。目前只有简单的一维温度场（“半

无限大”平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解

②数值法

又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解（数值解），又称

为数值模拟或计算机模拟

差分法：差分法是把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温度问题，转

化为求在时间领域和空间领域内有限个离散点的温度值问题，再用这些离散

点上的温度值去逼近连续的温度分布。差分法的解题基础是用差商来代替微

商，这样就将热传导微分方程转换为以节点温度为未知量的线性代数方程组，

得到各节点的数值解

有限元法：有限元法是根据变分原理来求解热传导问题微分方程的一种数值

计算方法。有限元法的解题步骤是先将连续求解域分割为有限个单元组成的

离散化模型，再用变分原理将各单元内的热传导方程转化为等价的线性方程

组，最后求解全域内的总体合成矩阵

3.2铸件凝固温度场的解析解法

3.2.1无限大平板铸件凝固过程一维不稳定温度场

凝固过程中，铸件与铸型中温度分布符合傅里叶

微分方程，求解一维热传导方程，得其通解为：

Erf(x)为高斯误差函数，其计算式为:

3.2.2铸件凝固时间计算

①无限大平板铸件的凝固时间（理论计算法）

②大平板铸件凝固时间计算（凝固系数法）

③一般铸件凝固时间计算近似公式（这算厚度

发，或模数法）

3.2.3界面热阻与实际凝固温度场

①金属铸件与绝热型铸型

②界面热阻较大的金属铸型

③界面热阻很小的金属铸型

④非金属铸件与金属铸型

3.2.4铸件凝固方式及其影响因素

①铸件凝固方式分类

逐层凝固：不存在液、固并存的凝固区，合金流动的阻力

小，流动性好（纯金属和共晶成分合金）。固液分界面清晰可见，

一直向铸件中心移动

中间凝固：有固体层、液相区及凝固区共存，凝固温度范

围较窄，故流动性较好。大多数合金的凝固是介于逐层凝固和

糊状凝固之间

糊状凝固：铸件结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸

件截面上的温度梯度较小时，则不存在固相

层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域，流

动性差

②铸件动态凝固曲线

③铸件凝固方式的影响因素：合金凝固温度区间的影响、温度梯度的影响。

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

传热基本原理

铸件凝固温度场的解析解法

思

考

题

或

作

业

题

名词解释：等温面；等温线；温度梯度；热扩散率；铸件凝固时间；模数；焊接线能量

什么是初始条件和边界条件？常见边界条件有几类

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第4次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第三、四章

主要

内容

第三章凝固温度场

第三节熔焊过程温度场

第四章金属凝固热力学与动力学

第一节凝固热力学

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：平衡分配系数的意义

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

3.3熔焊过程温度场

3.3.1焊接温度场基本类型

移动热源:焊接过程中，焊件上各点温度随时间及空间而变化（不稳定温度

场），但经过一段时间后，达到准稳定状态（移动热源周围的温度场不随时间改变），

若建立与热源移动速度相同并取热源作用点为坐标原点的动坐标系，则动坐标系中各

点的温度不随时间而变

焊接温度场的数学表达式：T=f(x,y,z,t)

为了研究方便，一般按照焊件的几何特征将焊件温度场简化为三种类型。

3.3.2初始条件和边界条件

初始条件:认为焊件初始温度均匀，等于环境温度或焊前预热温度，多层焊时

取初始温度为层间温度

边界条件：与焊件形状、尺寸有关。厚大件表面与周围介质的热交换可忽略

不计，但薄板和细杆需考虑表面散热问题，边界条件属第三类

3.3.3影响温度场的因素

①焊件尺寸：厚大件的散热最快，温度下降速度最快，其次是薄板，而细杆

的散热速度最慢

②焊接热物理性能：主要是指焊件材料导热能力的影响（热扩散率α），在相

同E下，α越大，热量散失越大，相同温度等温线所包围的区域就越小

③热源种类和焊接规范

④多层焊

3.3.4典型焊接温度场的解析解（自学）

4.1凝固热力学

4.1.1液-固相变驱动力

相变：是系统自由能由高向低变化的过程，新相与母相的体积自由能只差即

为相变驱动力

4.1.2曲率、压力对物质熔点的影响

①曲率对物质熔点的影响

②压力对物质熔点的影响

4.1.3溶质平衡分配系数

①的定义及其意义

②的热力学意义

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

熔焊过程温度场

凝固热力学

思

考

题

或

作

业

题

请简述溶质平衡分配系数的定义及其热力学意义。

请列举影响温度场的因素。

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第5次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第四、五章

主要

内容

第四章金属凝固热力学与动力学

第二节均质形核和非均质形核

第三节晶体生长

第五章单相及多相合金的结晶

第一节自由树枝晶的生长

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：形核功的形成及临界半径的概念

难点：晶体的形核过程及长大方式。

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

4.2均质形核和非均质形核

4.2.1均质形核的形核功及临界形核半径

临界晶核的表面积为：

4.2.2均质形核的形核率

形核率：是单位体积中单位时间内形成的晶核数目。只有r>r*的晶核才可以

成为稳定晶核。均质形核的形核率I可表示为

4.2.3非均质形核形核功

4.2.4非均质形核的形核条件（影响因素）

①结晶相的晶格与杂质基底晶格的错位度δ的

影响

②杂质表面状态对非均质形核的影响

③过冷度的影响

4.3晶体生长

4.3.1固-液界结构及其影响因素

①液-固界面自由能及界面结构

②界面结构类型的判据---Jackson判据

③界面结构与熔融熵

④界面结构与晶面族

⑤界面结构与冷却速度及浓度（动力学因素）

4.3.2晶体生长方式

固-液界面的性质（光滑还是粗糙界面）决定了晶体的生长方式

4.3.3晶体生长速度

4.3.4晶体生长中位错的形成

5.1自由树枝晶的生长

5.1.1自由树枝晶形成条件

5.1.2为什么成为树枝晶的形态

晶体的表面总是由界面能较小的晶面组成，宽而平的面是界面能小的晶面，而

棱与角的狭面为界面能大的晶面。界面能大的晶面（垂直）生长速度较快，长

成等轴树枝晶。

5.1.3“外生生长”与“内生生长”的概念

晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。

平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。

等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

均质形核和非均质形核

晶体生长

自由树枝晶的生长

思

考

题

或

作

业

题

请概述晶体的生长方式。

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第6次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第五、六章

主要

内容

第五章单相及多相合金的结晶

第二节“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响规律

第三节共晶合金的凝固

第六章铸件与焊缝宏观组织及其控制

第一节铸件的宏观组织

第二节表面激冷区及柱状晶区的形成

第三节内部等轴晶的形成机理

第四节铸件宏观结晶组织的控制

第五节焊接熔池凝固及控制

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：平衡凝固条件下的溶质再分配、非平衡凝固条件下的溶质再分配、成分过冷对合金

凝固形貌的影响、伪共晶的形成及变化、共晶组织的种类及形成、铸件宏观组织的控制（孕

育处理）

难点：成分过冷的条件及判据、焊接速度对晶粒生长形态的影响。

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

5.2凝固过程的溶质再分配

5.2.1平衡凝固条件下的溶质再分配

5.2.2非平衡凝固条件下的溶质再分配

5.3“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响规律

5.4共晶合金的凝固

5.4.1共晶组织的分类及特点

①规则共晶与非规则共晶

规则共晶：粗糙－粗糙界面

非规则共晶：粗糙—光滑界面

光滑—光滑界面

②非平衡状态下的共晶共生区

1、“对称型共生区”

2、“非对称型共生区”

3、共生区的概念的意义

③离异生长及离异共晶

1、离异生长与离异共晶的概念

离异共晶分“晶间偏析型”和“晕圈型”两种类型。

2.晶间偏析型离异共晶的形成

当一相大量析出，而另一相尚未开始结晶时，将形成晶间偏析型离异共

晶。

3、“晕圈”离异共晶形成5.4.2共晶组织的形成机理

两相性质差别较大的非小晶面—小晶面共晶合金中能更经常地见到这

种晕圈组织。由于两相在生核能力和生长速度上的差别，第二相环绕着

领先相表面生长而形成一种镶边外围层的情况，此外围层称为“晕圈”。

5.4.2共晶组织的形成机理

①非小晶面—非小晶面共生共晶的形成

i层片状共晶组织的形核及长大

1、层片状共晶生核过程及“搭桥”方式

2、共生过程的协同生长

3、片层距的调整

4、胞状、树枝状共晶的形成

ii棒状共晶生长

棒状共晶：该组织中一个组成相以棒状或纤维状形态沿着生长方向规则

地分布在另一相的连续基体中。

形成棒状共晶的一般条件：

如果一相的体积分数小于1／π时，该相将以棒状结构出现；界面能的

影响如果体积分数在1/π~½之间时，两相均以片状结构出现。

②非小晶面—非小晶面共生共晶的形成

共晶组织与力学性能的关系

相间距与力学性能的关系

21*k

因此，增加冷速，提高生长速度，减小片层间距，改善力学性能方法：

1快冷

2变质

3定向结晶

6.1铸件的宏观组织

6.1.1引言：铸件的宏观组织指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。

铸件的微观结构的概念包括晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构形态，

共晶团内部的两相结构形态已经这些形态的细化程度等。两者表现形式不同，但其形

成过程密切相关，并对铸件的各项性能产生强烈的影响。

本章侧重分析铸件宏观组织的成因及其影响因素，并在此基础上总结出生产中控制

铸件结晶组织的有效方法。

6.2.1通常，铸件的宏观结晶组织可能包含三个不同的晶区：

表面细晶粒区；柱状晶区；内部等轴晶区

6.2.2几种不同类型的铸件宏观组织：

(a)只有柱状晶;

(b)表面细等轴晶加柱状晶

(c)三个晶区都有;

(d)只有等轴晶

6.2.3不同浇注条件对铝锭结晶过程及组织影响

试样

编号

铸型材

料

铸型温度

(℃)

浇注温

度(℃)

组织形貌特征

1砂模500700多边形的粗大等轴晶

2砂模室温700粗大柱状晶，中心处有等轴晶

3铁模室温700较粗大柱状晶

4铁模500700较粗大柱状晶，中心少量等轴晶

5铁模室温800细小等轴晶

6.2.4柱状晶的特点是各向异性，对于诸如磁性材料、发动机和螺旋浆叶片等这些

强调单方向性能的情况，采用定向凝固获得全部柱状晶的零件反而更具优点。

如何在技术上有效地控制铸件的宏观组织十分重要。因此有必要学习各晶区组织的

形成机理。

6.2表面激冷区及柱状晶区的形成

6.2.1表面激冷区的形成：

一旦型壁附近的晶粒互相连结而构成稳定的凝固壳层，凝固将转为柱状晶区由外向

内的生长，表面激冷细晶粒区将不再发展。因此稳定的凝固壳层形成得越早，表面细

晶粒区向柱状晶区转变得也就越快，表面激冷区也就越窄。

6.2.2柱状晶区的形成：

柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。因此柱状晶

区的存在与否及宽窄程度取决于上述两个因素综合作用的结果。如果在凝固初期就使

得内部产生等轴晶的晶核，将会有效地抑制柱状晶的形成。

6.3内部等轴晶的形成机理

6.3.1“成分过冷”理论：

该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能力逐渐削弱，内部温度

梯度趋于平缓，且液相中的溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐渐增大。

当成分过冷大到足以发生非均质生核时，便导致内部等轴晶的形成。

6.3.2激冷等轴晶型壁脱落与游离理论：

在浇注的过程中及凝固的初期激冷，小等轴晶自型壁脱落与游离促使等轴晶形成，

浇注温度低可以使柱状晶区变窄而扩大等轴晶区。

6.3.3枝晶熔断及结晶雨理论：

目前比较统一的看法是内部等轴晶区的形成很可能是多种途径起作用。在一种情况

下，可能是这种机理起主导作用，在另一种情况下，可能是另一种机理在起作用，或

者是几种机理的综合作用，而各自作用的大小当由具体的凝固条件所决定。

6.4铸件宏观结晶组织的控制：

柱状晶区开始于稳定凝固壳层的产生，而结束于内部等轴晶区的形成。本质上是：

晶区的形成和转变乃是过冷熔体独立生核的能力和各种形式晶粒游离、增殖或重熔的

程度这两个基本条件综合作用的结果。

①铸件宏观结晶组织的影响因素：

A金属性质方面：

1)强生核剂在过冷熔体中的存在；

2)宽结晶温度范围的合金和小的温度梯度G。

3)合金溶质元素含量较高、平衡分配系数偏离1较远。

4)熔体在凝固过程中存在长时间的激烈的对流。

B浇注条件方面：

1)低的浇注温度。有利等轴晶的形成和晶粒细化。

2)合适的浇注工艺。强化液流对型壁的冲刷有利等轴晶的形成和晶粒细化。

C铸件性质和铸件结构方面

②合理地控制浇注工艺和冷却条件

浇注温度:合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得及细化等轴晶的有效措施。但过低

的浇注温度将降低液态金属的流动性，导致浇不足和冷隔等缺陷的产生。

浇注方式:通过改变浇注方式强化对流对型壁激冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等

轴晶的形成。但必须注意不要因此而引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸件产生相应

的缺陷。

③孕育处理

孕育处理是浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒、改

善宏观组织目的的一种工艺方法。

孕育(Inoculation)主要是影响生核过程和促进晶粒游离以细化晶粒；而变质

（Modification）则是改变晶体的生长机理，从而影响晶体形貌。变质在改变共晶合

金的非金属相的结晶形貌上有着重要的应用，而在等轴晶组织的获得和细化中采用的

则是孕育方法。

④动力学细化

a铸型振动:

在凝固过程中振动铸型可使液相和固相发生相对运动，导致枝晶破碎形成结晶核

心。离心铸造时若周期改变旋转方向可获得细小等轴晶，说明液相和固相发生相对运

动所起的细化晶粒作用。

振动还可引起局部的温度起伏，有利于枝晶熔断。

振动铸型可促使“晶雨”的形成。

b超声波振动:

超声波振动可在液相中产生空化作用，形成空隙，当这些空隙崩溃时，液体迅速补

充，液体流动的动量很大，产生很高的压力。当压力增加时凝固的合金熔点温度也要

增加，从而提高了凝固过冷度，造成形核率的提高，使晶粒细化。

c液相搅拌:

连铸过程采用电磁搅拌的主要作用是提高连铸坯的质量，例如去除夹杂物、消除皮

下气泡、减轻中心偏析、提高连铸坯的等轴晶率。在浇铸断面较大的铸坯以及浇铸质

量要求较高时，电磁搅拌技术便成为首选。

d流变铸造:

这种细小圆整的半固态金属浆液由于具有较好的流动性而容易成形。因为它的温度

远低于液相线温度，所以对于黑色金属的压铸件来说，能大大减轻金属对模具的热冲

击，提高压铸模具的寿命，扩大黑色金属压铸的应用范围。

6.5焊接熔池凝固及控制

①熔池凝固条件:

a体积小、冷速快

b温差大、过热度高

c动态凝固过程

d液态金属对流激烈

②熔池结晶特征

非平衡结晶

熔池过热、温度梯度大:焊接熔池中的液态金属处于过热状态，如低碳钢的焊接熔池

平均温度可达到1870℃，远高于铸造时的最高平均温度1550℃。

熔池在动态下结晶:焊接熔池中金属的结晶和熔化是同时进行的，结晶前沿随焊接热

源而移动，而且焊接条件下各种力的作用会使正在结晶中的熔池受到激烈的搅拌。

联生结晶

在熔池中存在两种现成固相表面：一种是合金元素或杂质的悬浮质点（在正常情况

下所起作用不大）；另一种就是熔池边界未熔母材晶粒表面，非自发形核就依附在这个

表面，在较小的过冷度下以柱状晶的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶(也称外延生

长)。

③柱状晶生长方向与速度的变化

典型的焊接熔池形状像不标准的半椭球。熔池的形状和大小，受母材的热物理性质、

尺寸和焊接方法以及工艺参数等因素的影响。焊接速度增大,L增加,Bmax减小.

熔池凝固组织形态的多样性:随着成分过冷的进一步加大，树枝晶生长的方式逐渐占

主导地位，在到达熔池尾端结束凝固时，成分过冷度最大，有可能形成等轴树枝晶区。

④熔池结晶组织的细化

通过提高形核率和抑制晶粒长大两个方面

a变质处理通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素(如B、Mo、V、Ti、Nb

等),作为熔池中非自发晶核的质点,从而使焊缝晶粒细化。

b振动结晶采用振动的方法来打断正在成长的柱状晶，增大晶粒游离倾向，达

到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁搅拌。

c焊接工艺采用恰当的焊接工艺措施，也可改善熔池凝固结晶。主要方法是小

线能量、多层焊和锤击焊道表面等。

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

“成分过冷”对合金固溶体晶体形貌的影响规律

共晶合金的凝固

铸件的宏观组织

表面激冷区及柱状晶区的形成

内部等轴晶的形成机理

铸件宏观结晶组织的控制

焊接熔池凝固及控制

思

考

题

或

作

业

题

铸件宏观结晶组织的影响因素有哪些？

请简述内部等轴晶的形成机理

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第7次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第七、八章

主要

内容

第七章特殊条件下的凝固与成形

第一节快速凝固（非晶态凝固）

第二节失重条件下的凝固

第三节定向凝固

第八章液体金属与气相的相互作用

第一节气体的来源与产生

第二节气体在金属中的溶解

第三节气体对金属的氧化及控制

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：三种成形方法的基本原理、氢对金属的影响及控制

难点：金属与氧化还原方向的判别

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

7.1.定向凝固

（1）定义:铸件按一定方向由一端开始，逐步向另一端结晶。柱状晶组织纯净、致密，

当排列方向与受力方向一致时，其强度、抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高。关键是创

造单向散热的冷却条件。

基本原理:

定向凝固是在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固熔体中建立起特定

方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，获得具有特定取向柱状晶

的技术。

定向凝固技术是在高温合金的研制中建立和完善起来的。该技术最初用来消除结晶过

程中生成的横向晶界，甚至消除所有晶界，从而提高材料的高温性能和单向力学性能。

在定向凝固过程中温度梯度和凝固速率这两个重要的凝固参数能够独立变化，可

以分别研究它们对凝固过程的影响。这既促进了凝固理论的发展，也激发了不同定向

凝固技术的出现

（2）典型应用——单晶制备

基本原理:由一个晶核长大而成的一大块晶体叫单晶体。根据结晶理论，制备单

晶的基本要求是液体结晶时只存在一个晶核，要严格防止另外形核。为此，材料必须

高度纯净以限制形核；结晶速度必须非常缓慢以保证定向生长。

制备方法:尖端形核法和垂直提拉法

A尖端形核法:模子尖端首先移出炉外缓慢冷却，于尖端处产

生一个晶核。随着模子向右缓慢移动，晶核向左定向生长成单晶体。晶体内容易产生

应力或寄生形核，很少用于制备质量要求高的单晶。

B垂直提拉法:将籽晶接触熔体表面，在籽晶与熔体间形成固

液界面，由于籽晶的定向传热作用，液相原子将在固液界面上固随着籽晶的提拉上升，

单晶体便在籽晶下部生长出来。晶体部应力小，并可避免在坩埚壁上寄生形核，可制

得高质量的单晶。

7.2快速凝固

（1）定义:快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的

凝固过程。

界面推进速率大于10mm/s

冷却速率达到105～1010K/s

固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶体将来不及转移成分，界面固、

液相成分不再平衡。

目的：获得超细组织、过饱和固溶体、亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金

属玻璃。获得优异的强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性

（2）方法：

a雾化法:把金属或合金熔体分散成小液滴（也称之为雾化技术、乳化技术或喷射

成形技术），以使这些小液滴在凝固前达到很大的过冷度。

b熔体旋转法:使液流保持一个很小的截面，并与高效冷却（散热）器接触，如

熔体旋转法或薄截面连续铸造法。

c表面熔化法:使材料的一个薄层快速熔化并与无限大散热器紧密接触，散热器通

常是同一种材料或相关的材料，如电子或激光束表面脉冲/移动熔化。

d深过冷法:深过冷法是另一类快速凝固方法，其核心是：

消除合金液中的异质形核核心。

①熔融玻璃净化法:

通过熔融玻璃对合金液的净化作用，消除合金

液中的异质形核核心。

②悬浮熔炼法（电磁悬浮、静电悬浮、声悬浮）

通过无容器熔炼消除合金熔体与容器接触对形

核的促进作用。

（3）快速凝固的产物及其特征

A形成过饱和固溶体:将液态合金以高速急冷快速地穿过液/固两相区，就阻止

了第二相的生核和长大。使溶质原子以超常规溶解度陷在α相晶格中。

B形成过饱和固溶体:随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得微晶甚

至纳米晶。快速凝固合金比常规合金低几个数量级的晶粒尺寸，一般为<0.1～1.0μm.

在Ag-Cu（wCu=50%）合金中，观察到细至3nm的晶粒。原因：很大过冷度下达到很

高形核率

C极少偏析或无偏析

D形成亚稳相（非平衡相）:亚稳相的晶体结构可能与平衡状态图上相邻的某

一中间相的结构极为相似，因此可看成是在快速冷却和大过冷度条件下中间相亚稳浓

度范围扩大的结果。

E高的点缺陷密度

F形成非晶态合金:液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。

采用极快的冷却速率冷却，可能导致金属在凝固后保留液态时结构。Duwez等人用液

态急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固成了非晶态材料。目前所能达到的冷却速

率，只能使很少一部分合金能够抑制结晶过程而形成非晶态。原则上讲，只要有更高

的冷却速率，就可以将所有合金系的合金凝固成非晶态。

7.3失重条件下的凝固

定义:失重条件（也称微重力条件）的凝固与重力条件下完全不同，如无容器条件

下的形核以及由温度梯度（或密度梯度）引起的对流等，使得不同成分的液体能够长

时间共存，因此可以减少沿凝固方向的成分偏析，还可以利用微重力条件制备难混熔

偏晶合金。

8.1气体的来源与产生

（1）焊接区内的气体来源：

有机物的分解和燃烧

碳酸盐和高价氧化物的分解

材料的蒸发

气体的分解

（2）铸造过程中的气体来源：

熔炼过程：气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具

浇注过程：浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当

铸型：来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。即使烘干的铸型在浇注前也会吸

收水分，并且粘土在液态金属的热作用下其结晶水还会分解。此外，有机物（粘结剂

等）的燃烧也会产生大量气体。

8.2气体在金属中的溶解

在焊接和熔铸过程中，与液态金属接触的气体可分为简单气体和复杂气体两大类。

前者如H2、N2、O2等，后者如CO2、H2O、CO等。本节主要讨论H2、N2和O2在金

属中的溶解规律。

（1）气体的溶解过程

原子或离子状态→直接溶入液态金属；

分子状态的气体→先分解为原子或离子之后再溶解到液态金属中。

双原子气体溶入金属液的两种方式：

吸附—分解—溶入

分解—吸附—溶入

（2）气体的溶解度：在一定温度和压力条件下，气体溶入金属的饱和浓度。

影响溶解度S的影响因素：温度与压力、气体种类、合金成分

8.3气体对金属的氧化

（1）金属氧化还原方向的判据：金属氧化物的分解压Po2

在一个由金属、金属氧化物和氧化性气体组成的系统中，采用金属氧化物的分解压

Po2作为金属是否被氧化的判据。

2MeO2Me+O2

若氧在金属－氧－氧化物系统中的实际分压为{Po2}，则:

{Po2}>Po2时，金属被氧化；

{Po2}=Po2时，处于平衡状态；

{Po2}

金属氧化物的分解压是温度的函数，它随温度的升高而增加。

除了Ni和Cu外，在同样温度下，FeO的分解压最大，即最不稳定。FeO为纯凝聚相

时，其分解压为：

43.6

26730

lg

2

O



T

p

（2）氧化性气体对金属的氧化

A自由氧对金属的氧化

气相中O2的分压超过P'o2时，将使Fe氧化：

[Fe]+½O2=FeO+26.97kJ/mol

[Fe]+O=FeO+515.76kJ/mol

由反应的热效应看，原子氧对铁的氧化比分子氧更激烈。

除了铁以外，钢液中其它对氧亲和力比铁大的元素也会发生氧化，如：

[C]+½O2=CO↑

[Si]+O2=（SiO2）

[Mn]+½O2=（MnO）

BCO2对金属的氧化

CO2与液态铁的反应式和平衡常数为：

CO2＋[Fe]＝CO＋[FeO]

855.6

11576

lg

T

K

温度升高时，平衡常数K增大，反应向右进行，促使铁氧化。计算表明，即使气相中

只有少量的CO2，对铁也有很大的氧化性。因此，用CO2作保护气体只能防止空气中

氮的侵入，不能避免金属的氧化。

用CO2作为保护气体焊接时，应该在焊丝中增加脱氧元素。

CH2O对金属的氧化

H2O气与Fe的反应式和平衡常数为：

H2O气＋[Fe]＝[FeO]＋H2

5.5

10200

lg

T

K

可见，温度越高，H2O的氧化性越强。

在液态铁存在的温度，H2O气的氧化性比CO2小。但应注意，H2O气除

了使金属氧化外，还会提高气相中H2的分压，导致金属增氢。

D混合气体对金属的氧化

8.4气体的影响与控制

a.气体对金属质量的影响

残留在金属内部的气体元素对金属性能的影响取决于气体元素在金属中的存在状态。

固溶态:室温下N、H、O在金属中的溶解度极低，残留在接头中的[H]R易导致

延迟裂纹和氢脆。

化合物:弥散状（氮化物）强化、脆化

块状（氧化物、氮化物）夹杂

独立气相:气孔（氢气孔，氮气孔，CO气孔）

b.气体的控制措施

限制气体的来源

①氮主要来源于空气，它一旦进入液态金属，去除就比较困难。因此，控制氮的

首要措施是加强对金属的保护，防止空气与金属接触。熔炼时造渣覆盖（真空、惰性

气体）保护；焊接时，惰性气体或气渣联合保护。

②氢主要来源于水分，包括原材料（炉料、造渣材料、母材、焊接材料等）本身

含有的水分、材料表面吸附的水分以及铁锈或氧化膜中的结晶水、化合水等。材料内

的碳氢化合物和材料表面的油污等也是氢的重要来源。限制措施为焊材存放中防吸

潮、焊前烘干和去油污。

③氧主要来源于焊材或矿石，在焊接要求比较高的合金钢和活泼金属时，应尽量

选用不含氧或氧含量少的焊接材料，如采用高纯度的惰性保护气体，采用低氧或无氧

的焊条、焊剂等。

c.控制工艺参数:铸造过程中控制液态金属的保温时间、浇注方式和冷却速度，可在

一定程度上减少金属中氮、氢、氧的含量。

冶金处理:采用冶金方法对液态金属进行脱氮、脱氧、脱氢等除气处理，是降低金属

中气体含量的有效方法

1)冶金法脱氮:液态金属中加入Ti、Al和稀土等对氮有较大亲和力的元素，可形

成不溶于液态金属的稳定氮化物而进入熔渣，从而减少金属的氮含量，降低其形成气

孔和时效脆化倾向。但在炼钢时，要严格控制加铝量。

2)金属冶炼过程中的除氢:常常通过加入固态或气态除气剂进行除氢。如将氯气

通入铝液后，可产生下列反应：

2Al+3Cl2→2AlCl3↑+Q

H2+Cl2→2HCl↑+Q

铝液中的氢既能与氯化合成氯化氢气体而逸出铝液表面，又可通过扩散作用

进入氯化铝气泡内，促使AlCl3气体逸出。

生产中，也可采用通入混合气体（如氮-氯或氯-氮-一氧化碳）的方法除气，以减少氯

对熔炼设备的腐蚀作用。

3)焊接过程中的脱氢:

在焊条药皮和焊剂中加入氟化物

控制焊接材料的氧化势

在药皮或焊芯中加入微量稀土元素

焊后消氢处理

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

理解三种特殊条件下凝固与成形的定义、基本原理

了解每种条件下的成形方法

了解各种方法的典型应用

气体的来源与产生

气体在金属中的溶解

气体对金属的氧化及控制

思

考

题

或

作

业

题

快速凝固的产物有何优点？

影响气体溶解度的因素有哪些？

金属氧化还原方向的判据是什么？

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第8次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第九、十章

主要

内容

第九章液态金属与熔渣的相互作用

第一节渣相的作用与形成

第二节渣体结构及碱度

第三节渣相的物理性质

第四节活性熔渣对金属的氧化

第十章液态金属的净化与精炼

第一节液态金属的脱氧

第二节液态金属的脱碳

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：熔渣碱度的表示方法、长渣与短渣的区别与性质、沉淀脱氧的条件、扩散脱氧的原

理

难点：三元渣系曲线的表示方法、沉淀脱氧的条件、扩散脱氧的原理

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

9.1渣相的作用与形成

焊接过程中或合金熔炼过程中，和液态金属接触并发生化学冶金反应的除了气体

介质之外，还有高温下熔融的液态熔渣。了解熔渣的特性，对于控制焊接、铸造过程

中的化学冶金反应十分重要。

9.1.1渣相的作用

①机械保护作用

②冶金处理作用

③改善成形工艺性能作用

④不利作用：如强氧化性熔渣可以使液态金属增氧，可以侵蚀炉衬；密度大或

熔点过高的熔渣易残留在金属中形成夹渣。

9.1.2焊接熔渣的分类与来源

①焊接熔渣的类型

1.盐型熔渣：主要由金属氟酸盐、氯酸盐和不含氧的化合物组成。如：

CaF2–NaF、CaF2–BaCl2–NaF。

盐型熔渣的氧化性很小，主要用于铝、钛等活性金属的焊接。

2.盐—氧化物型熔渣：主要由氟化物和金属氧化物组成。如：

CaF2–CaO–Al2O3。

这类熔渣的氧化性较小，主要用于重要的低合金高强钢、合金钢及合金的焊

接。

3.氧化物型熔渣：这类熔渣含有较多的弱碱金属氧化物，是应用最为普遍的一

类渣系。如：

MnO–SiO2、FeO–MnO–SiO2。

这类熔渣一般具有较强的氧化性，用于低碳钢、低合金高强钢的焊接。

②熔渣的来源

1.药皮焊条电弧焊时的熔渣与药皮

2.埋弧焊、电渣焊过程中的熔渣与焊剂

9.1.3铸造熔炼过程中的熔渣

①钢铁熔炼熔渣的主要成分有SiO2、CaO、Al2O3、FeO、MgO、MnO等

氧化物和少量CaF2。其来源与熔炼材料和熔炼方法有关。

②有色金属熔炼中熔渣主要来源于熔剂。

9.2渣体结构及碱度

9.2.1熔渣结构的分子理论

①液态熔渣是由自由状态化合物（包括氧化物、氟化物、硫化物的分子等）和

复合状态化合物（酸性氧化物和碱性氧化物生成的盐）的分子所组成；

②氧化物与复合物在一定温度下处于平衡状态；

③只有渣中的自由氧化物才能与液体金属和其中的元素发生作用。如：

（FeO）+[C]=[Fe]+CO

而硅酸铁(FeO)2·SiO2中的FeO不能参与上面的反应。

9.2.2熔渣结构的离子理论

①认为液态熔渣是由正离子和负离子组成的电中性溶液；

②离子在熔渣中的分布、聚集和相互作用取决于它的综合矩（离子电荷/离子

半径）。离子的综合矩越大，说明它的静电场越强，与异号离子的引力越大；

③液体熔渣与金属之间相互作用的过程，是原子与离子交换电荷的过程。如：

Si4＋+2[Fe]=2Fe2＋+[Si]。

9.2.3熔渣的碱度

熔渣的氧化能力、粘度等都和熔渣的碱度密切相关，碱度对液态金属的脱硫、

脱磷效果也有重要影响。

①熔渣碱度的分子理论：熔渣的碱度就是熔渣中的碱性氧化物与酸性氧化物浓

度的比值。表示为：

碱性氧化物：K2O、Na2O、CaO、MgO、MnO、FeO等，

酸性氧化物：SiO2、TiO2、P2O5等。

考虑到氧化性强、弱差别，碱度表达式修正为：

当B1＞1为碱性渣，B1＜1为酸性渣，B1=1为中性渣。

②熔渣碱度的离子理论：把液态熔渣中自由氧离子的浓度（或氧离子的活度）

定义为碱度。渣中自由氧离子的浓度越大，其碱度越大。计算式为：

Mi是渣中第I种氧化物的摩尔分数，ai是该氧化物的碱度系数。

当B2＞0时为碱性渣，B2＜0为酸性渣，B2=0为中性渣。下表为渣中常见

氧化物的ai值

9.3渣相的物理性质

9.3.1熔渣的凝固温度与密度

①凝固温度

熔渣是一个多元体系，它的液固转变是在一定温度区间进行的。一般构成熔

渣的各组元独立相的熔点较高，而以一定比例构成复合渣时可使凝固温度大大降低。

金属熔炼或熔焊中，要求熔渣的熔点略低于熔炼（或母材）金属。过高（或

过低）的熔渣熔点，都会影响对液态金属的保护效果和焊缝外观成形。

②密度

密度也是熔渣的基本性质之一，它影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对

酸性氧化物的摩尔分数

碱性氧化物的摩尔分数





B







n

i

ii

Ma

1

2

B

运动速度。密度大的熔渣易滞留于金属内部形成夹杂。选用焊材时，首先要保证所形

成的熔渣具有合适的凝固温度范围和较低的密度。

9.3.2熔渣的粘度

①熔渣的粘度与它的成分和结

构有关：一般，液态熔渣的粘度随温度

下降而上升，这是由于随温度下降，熔

渣中离子（或粒子）的聚合度增大，粘

度随之增加。

②药皮焊条电弧焊时，根据熔渣

粘度随温度变化的速率，将熔渣分为“长

渣”和“短渣”两类。随温度增高粘度

急剧下降的渣称为短渣，而随温度增高

粘度下降缓慢的渣称为长渣。短渣在焊

缝凝固后迅速凝固，可保证全位置焊缝

外观成型，长渣只能用于平焊位置焊接。

9.4活性熔渣对金属的氧化

9.4.1熔渣的氧化性

①定义：熔渣的氧化（或还原）能力是指熔渣向液态金属中传入氧（或从液态

金属中导出氧）的能力。氧化性较强的熔渣又称为活性熔渣。

②衡量标准：熔渣的氧化性通常是用渣中含有最不稳定的氧化物FeO量的高

低及该氧化物在熔渣中的活度来衡量。

由于熔渣并非理想溶液，渣中氧化铁的含量并不是参加氧化反应时的有效浓

度，氧化反应是否进行与FeO在熔渣中的实际活度αFeO有关。

长



∆

∆

T

熔渣粘度与温度的关系

③与温度的关系：随温度升高，熔渣的氧化性增大。

9.4.2扩散氧化

①熔渣中的FeO既溶于渣又溶于液态钢，在一定温度下，它在两相中的平衡浓

度符合分配定律：

当温度不变时，增加液态熔渣中的FeO的含量将会使液态金属增氧。

温度升高时L值减小，即高温时，FeO更容易向金属中分配。

②焊接过程中的扩

散氧化：在熔池尾部，随着

温度的下降，液态金属中过

饱和的氧化铁会向熔渣中

扩散，这一过程称之为扩散

脱氧。

FeO在碱性渣中比在酸性渣中更容易向金属中分配。

9.4.3置换氧化

①如果熔渣中含有比较多的易分解的氧化物，便可以与液态铁发生置换反应，

使金属氧化，同时发生原氧化物中金属元素的还原。

②置换氧化反应与渣中MnO、SiO2、FeO的浓度和液态金属中Si、Mn的原始含

量有关。酸性渣对金属的置换氧化性高于碱性渣。

③



FeO

FeO

L

温度升高，平衡常数增大，反应向右进行；

置换氧化反应主要发生在熔滴阶段与熔池前部的高温区；

液态金属的过热度较低时，KSi明显小于KMn，即（MnO）的氧化性高于（SiO2），

2100℃以上温度时，KSi>KMn，显然对于过热度很高的熔滴，（SiO2）的氧化性可以超

过（MnO）。

10.1液态金属的脱氧

10.1.1脱氧元素与脱氧能力

当反应达到平衡时，Μe与钢液中氧化亚铁的含量（残留量）之间存在着下

述的关系：

[%Me]x•[%FeO]y=K

K是平衡常数，是温度的函数。

由此可见，钢液中氧化亚铁的残留量与脱氧元素的残留量成反比，脱氧元素的

残留量愈高，则氧化亚铁的残留量愈低，即钢液的脱氧程度愈彻底。

当使用几种脱氧剂进行脱氧时，应按照脱氧能力的顺序由小到大依次使用。铸

造和焊接中最常用的脱氧剂是锰、硅、钛和铝。

10.1.2常用脱氧方法

①先期脱氧

含有脱氧元素的造渣剂和造气剂被加热时其中的高价氧化物或碳酸盐分

解出的氧和二氧化碳便和脱氧元素发生反应。

Ti＋2CO2＝TiO2＋2CO2Al＋3CO2＝Al2O3＋3CO

Si＋2CO2＝SiO2＋2COMn＋CO2＝MnO＋CO

反应的结果使气相的氧化性减弱，起到先期脱氧的作用。

②沉淀脱氧

沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的[FeO]起作用，

使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并脱溶沉淀转入熔渣中的一种脱氧方式。

这种方法的优点是脱氧速度快，脱氧彻底。但脱氧产物不能清除时将增加金属液中

杂质的含量。其脱氧反应为：

x[Me]＋y[O]→（MexOy）

或：x[Me]＋y[FeO]→（MexOy）＋y[Fe]

进行沉淀脱氧应考虑的三个要点：

a.对氧亲和力较大的元素；

b.脱氧产物应不溶于金属而成为独立液相转入熔渣；

c.熔渣的酸碱性质应与脱氧产物的性质相反，以利于熔渣吸收脱氧产

物。

③扩散脱氧

扩散脱氧是在液态金属与熔渣界面上进行的，利用（FeO）与[FeO]能

够互相转移,趋于平衡时符合分配定律的机理进行脱氧：

式中的LFeO是温度的函数，与熔渣

的成分有关

a.焊接熔池中的扩散脱氧

碱性渣中（FeO）活度大，其扩散脱氧的能力比酸性渣差；

增加熔渣中的脱氧剂含量可促进[FeO]向熔渣中扩散。

在焊接熔池凝固过程中，由于液态熔池存在时间短，FeO的扩散速度慢，

因此扩散脱氧进行得很不充分。

b.钢铁熔炼中的扩散脱氧

钢铁熔炼时的扩散脱氧通常是将脱氧剂加在熔渣中，使脱氧元素与

（FeO）反应。当熔渣中的氧化铁含量降低时，[FeO]就向熔渣中扩散。这样就间接地

FeO

L

[FeO]

(FeO)



达到了脱去钢液中[FeO]的目的。扩散脱氧的优点是脱氧产物留在熔渣中，液态金属不

会因脱氧而造成夹杂。

④真空脱氧

真空脱氧时钢液的熔化过程是在真空条件下进行，利用抽真空降低气相中

CO分压来加强钢液中碳的脱氧能力。

[C]＋[O]＝CO↑

研究表明：在1600℃下，若使PCO＝1.0KPa，C的脱氧能力高于Al的脱氧能力。

碳不仅使钢液脱氧，还促使其它氧化物还原，例如：

（SiO2）→[Si]+2[O]

使钢液中一些元素含量超标。因此，在一般真空处理时碳只能达到部分脱

氧的作用。

10.2液态金属的脱碳

在冲天炉熔炼过程中，铁液的脱

碳主要是通过炉气中的O2和CO2成

分对铁液的直接脱碳以及炉气通过

FeO对铁液的间接脱碳。而在炼钢生

产中，一般是通过向钢液中吹氧或加

矿石进行脱碳反应的。

脱碳反应的产物是一氧化碳。一

氧化碳不溶解于钢液，因而形成了大

量的气泡。气泡在与钢液脱离和上浮

过程中，使钢液受到强烈的搅动，使得钢液温度和化学成分均匀，并能有效地清除钢

液中的气体和非金属夹杂物。

近代在发展新型低合金结构钢、低温钢和不锈钢等钢种中要求钢中含碳量很低{低

碳（≤0.08℅）、超低碳（≤0.03℅）、以及极低碳（≤0.01℅）}的钢液。在一般的空

气气氛冶炼条件下是难以达到的。因为钢液中的碳和其它元素都与钢中的氧存在一定

的平衡关系。当钢液中的碳被氧化得很低时，钢中的氧就会达到很高的值。

为了冶炼纯净度高的低碳钢液，比较有效的方法是在真空下进行脱碳。例如生产

中采用真空氩氧脱碳精炼（VOD）法以及真空氩氧脱碳转炉（VODC）法。

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

熔渣的分类及结构

熔渣的碱度及其应用意义

熔渣的粘度及其应用意义

熔渣对金属的氧化及其应用意义

液态金属的脱氧反应的方法、原理及提高效率的措施

液态金属的脱碳反应的方法、原理及提高效率的措施

思

考

题

或

作

业

题

简述熔渣碱度的分子理论和原子理论。

举例说明渣相的作用。

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第9次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第十、十一章

主要

内容

第十章液态金属的净化与精炼

第三节液态金属的脱硫

第四节液态金属的脱磷

第十一章焊接热影响区的组织与性能

第一节焊接热循环

第二节焊接热循环下的金属组织转变特点

第三节焊接热影响区的组织与性能

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：焊接热循环的参数及特征、不易淬火钢热影响区的组织与性能、热影响区的硬化、

脆化、韧化、软化。

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

10.3液态金属的脱硫

10.3.1常用脱硫方法

①沉淀脱硫

沉淀脱硫和沉淀脱氧一样，是将脱硫合金元素直接加入液态金属中进行脱硫。

常用的脱硫元素有锰、镁、钠、钙、稀土等。这些元素与硫的亲和力大于铁，与硫形

成熔点高，不溶于液态钢铁的稳定硫化物，上浮进入渣相而进行脱硫的方法。

锰和镁脱硫反应为：

[FeS]＋[Mn]＝(MnS)＋[Fe]

[Mg]＋[S]＝(MgS)

钢的熔炼中，只有含氧量极低时，才能用锰和镁脱硫。因氧与Mn、Mg的结合

能力远高于S，当锰和镁加入钢液中首先脱氧，锰和镁对钢水几乎无脱硫作用。

②熔渣脱硫

熔渣脱硫是目前铸造和焊接冶金中主要的脱硫方法。它是利用熔渣中的

CaO、CaC2、MnO、MgO等进行脱硫，脱硫的原理与扩散脱氧相似。

液态钢铁中的硫以硫化铁的形态存在，硫化铁能够在熔渣和液态金属中互相转移，当

达到动态平衡时，熔渣中的硫化铁的含量与钢铁液中硫化铁含量成一定的比例：

LFeS为硫的分配系数，它也是温度的函数。

10.3.2影响熔渣脱硫过程的主要因素

①熔渣的还原性和碱度：渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的浓度低都有利于

FeS[FeS]

(FeS)

L

反应的进行。熔渣碱度高有利于脱硫；

②粘度：脱硫需要扩散，低粘度的熔渣有利于脱硫；

③温度：熔渣的脱硫反应都是吸热反应，升高温度有利于脱硫，升高温度的

同时也降低了熔渣粘度；

④硫的活度：凡增加硫的活度的因素（如提高铁水的碳、硅含量）都有利于

脱硫。

10.4液态金属的脱磷

10.4.1反应步骤

①第一步：熔渣中的氧化亚铁将钢液中的磷氧化生成P2O5；

②第二步：使之与渣中的碱性氧化物生成稳定的磷酸盐。

两步合并的反应式为：

2[Fe2P]＋5(FeO)＋4(CaO)→((CaO)4·P2O5)＋9[Fe]

反应是放热反应：ΔH＝-544310J／mol

10.4.2对脱磷过程有利的条件：高碱度、强氧化性、低粘度、较低的温度、较大

的渣量

焊接熔渣中，其碱度因受焊接工艺性能的制约，不可能很大，同时碱性渣不

允许含有较多的FeO，否则会使焊缝增氧，不利于脱硫，甚至产生气孔，所以焊接冶

金中碱性渣的脱磷效果不理想。

要控制焊缝含磷量，主要是严格限制焊接材料中的含磷量。

11.1焊接热循环

11.1.1研究焊接热循环的意义

①找出最佳的焊接热循环；

②用工艺手段改善焊接热循环；

③预测焊接应力分布及改善热影响区组织与性能。

11.1.2焊接热循环的参数及特征

11.1.3焊接热循环参数的计算

①峰值温度Ｔm的计算

点热源（厚板）

线热源（薄板）

②相变温度以上的停留时间tH的计算

点热源（厚板）

线热源（薄板）

2

0mRc

E234.0

TT





y



c

E242.0

TT

0m



)TT(2

E

t

0H





H

2

0H

2

)TT(c2

)E(

t









H

③冷却速度ωC和冷却时间的计算

冷却速度：

薄板厚板

冷却时间：

厚板薄板

11.2焊接热循环条件下的金属组织转变特点

11.2.1焊接过程的特殊性

五个特点（以低合金钢为例）：

①加热温度高在熔合线附近温度可达l350～l400℃；

②加热速度快加热速度比热处理时快几十倍甚至几百倍；

③高温停留时间短在AC3以上保温的时间很短(一般手工电弧焊约为4～

20s，埋弧焊时30～l00s)；

④在自然条件下连续冷却（个别情况下进行焊后保温缓冷）；

⑤有热应力作用状态下进行的组织转变。

11.2.2焊接加热过程的组织转变

焊接过程的快速加热，将使各种金属的相变温度比起等温转变时大有提高。

E

)TT(

2

2

0



C

C



2

3

0

)E(

)TT(

c2







C

C





















00

58T800

1

T500

1

2

E

t























2

0

2

0

2

58T800

1

T500

1

c4

)E(

t





11.2.3焊接冷却过程中的组织转变

焊接条件下的组织转变不仅与等温转变不同，也与热处理条件下的连续冷却组

织转变不同。

随冷却速度增大，平衡状态图上各相变点和温度线均发生偏移。

11.3焊接热影响区的组织与性能

11.3.1焊接热影响区的组织分布

11.3.2焊接热影响区的性能

①焊接热影响区的硬化

焊接热影响区的最高硬度Hmax：

Hmax（HV10）=140+1089Pcm-8.2t8/5

材料淬硬倾向的评价指标—碳当量

国际焊接学会推荐的CE(IIW)，用于中等强度的非调质低合金钢（b＝400～

700MPa）：

20世纪60年代以后，发展了低碳微量多合金元素的低合金高强钢。日本的伊藤

等人采用Ｙ形坡口对接裂纹试验对200多个低合金钢进行研究，建立了Pcm公式：

②焊接热影响区的脆化

不同材料的焊接热影响区及热影响区的不同部位都会发生程度不同的材料

脆化。

A.粗晶脆化:在热循环的作用下，熔合线附近和过热区将发生晶粒粗化。粗

化程度受钢种的化学成分、组织状态、加热温度和时间的影响。

B.组织转变脆化:焊接HAZ中由于出现脆硬组织而产生的脆化称之组织脆

化。

C.析出脆化:析出脆化的机理目前认为是由于析出物出现以后，阻碍了位错

5

Mo

156

Mn

)(

VCrNiCu

C









IIW

CE

B

VMoNiCrCuMnSi

C5

1015602030

P

cm







运动，使塑性变形难以进行。若析出物以弥散的细颗粒分布于晶内或晶界，将有利于

改善韧性。但以块状或沿晶界以薄膜状分布的析出物会造成材料脆化。

D.热应变时效脆化:产生应变时效脆化的原因,主要是由于应变引起位错

增殖，焊接热循环时，碳、氮原子析集到这些位错的周围形成所谓Cottrell气团，对

位错产生钉扎和阻塞作用而使材料脆化。

E.氢脆以及石墨脆化

③焊接热影响区的软化

④焊接热影响区的性能控制

A.控制焊接工艺过程

B.改善母材的焊接性能

金陵科技学院教案【末页】

本

单

元

知

识

点

归

纳

液态金属的脱硫反应的方法、原理及提高效率的措施

液态金属的脱磷反应的方法、原理及提高效率的措施

研究焊接热循环的意义

焊接热影响区的组织分布特征

焊接热影响区的性能及性能控制

思

考

题

或

作

业

题

请写出脱磷反应的步骤和总方程式。

影响熔渣脱硫过程的主要因素有哪些？

焊接热影响区的性能控制的方法有哪些？请举例说明。

请举例说明焊接过程的特殊性。

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

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第10次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第十二章

主要

内容

第十二章凝固缺陷与控制

第一节合金中的成分偏析

第二节缩孔与缩松

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

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

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

％－（＝

浇液液

100)

L

VV

TT

％－（＋＝

）（

凝

100)

)(



SLSLVSLV

V

TT

％（＝

固固

100)

0S

TT

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金陵科技学院教案【末页】

本

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知

识

点

归

纳

合金中成分偏析的分类及形成

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

简述缩孔和缩松的形成机理。

为什么说晶界偏析比晶内偏析的危害更大？

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教

学

情

况

小

结

备

注

注：教案首页和末页中间为授课内容

金陵科技学院教案【教学单元首页】

第11次课授课学时2教案完成时间：2016.2

章、节第十二章

主要

内容

第十三章凝固缺陷与控制

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：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：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

12.3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（-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

气孔的分类及特征

夹杂物的分类及形成

冷热裂纹的形成机理

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