凝固收缩

温度由液相线降到固相线所发生的体积收缩

凝固收缩是指温度由液相线降到固相线所发生的体积收缩.它只与钢的化学成分（主要是含碳量——对碳钢而言）有关系。从凝固开始到凝固完毕.同一类合金,体积和尺寸减少的现象，凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如:35钢,体积收缩率3.0%,45钢4.3%。

简介

铝合金作为用量仅次于钢材的第二大金属结构材料，具有密度小、成本低、易加工等特点，在航空航天、交通运输、电子电器、印刷包装等领域有着十分广泛的应用。DC 铸造是广泛应用的铝合金半连续铸造技术，但在铸造过程中产生的热应力能够使铸锭中产生微裂纹，甚至能够使铸锭完全开裂。高温条件下热应力导致的热裂纹会出现在铝合金铸锭的表面和芯部，是铸造过程中最重要的缺陷，对于任何铸造过程都是致命的灾难。

迄今为止，在大量研究钢和铝合金的基础上，总结得到的一致看法是: 热裂纹是在凝固温度范围内、临近固相线时形成的。较为成熟并被人们认可的热裂纹形成机理主要有: 液膜理论、强度理论、晶间搭桥理论和凝固收缩补偿理论。

关于合金热裂倾向性的理论评定方法主要有Clyne 和Davies提出的CSC 判据和Suyitno 等提出的HCS 判据。热裂倾向性的实验评定方法主要有热裂环法、临界尺寸法和临界直径法、临界载荷法。理论判据虽可以判断合金热裂倾向性的大小，但由于其计算过程的复杂性，导致其在实际应用中存在很多局限性; 实验评定方法多采用定性指标，部分方法重复性差，且多针对二元合金，对多元合金的研究较少。

合金自由收缩凝固过程分析

第1 阶段( Ⅰ固相形核阶段) : 这个阶段固相率低于0. 4，液相和固相均可自由运动。

第2 阶段( Ⅱ板晶填充阶段) : 这一阶段固相率为0. 4 ～ 0. 9，生长的枝晶相互接触而形成固相骨架，剩余的液相在枝晶骨架间流动，两相区体积的热收缩伴随着液相的填充，合金继续收缩但收缩速率变小。

第3 阶段( Ⅲ晶间隔裂阶段) : 在这一阶段固相率大于0. 9，金属骨架将金属液分隔开，液体被隔离在一些小区域或者被表面张力作用而固定不动．当固相骨架的可渗透性小到不允许液体流动，进一步的收缩会导致孔洞或微裂纹产生。

第4 阶段( Ⅳ枝晶搭桥阶段) : 在这一阶段接近凝固末期，铸件具有一定的强度，并且固态蠕变可以补偿进一步的收缩。处于高固相率阶段的合金凝固形成的枝晶会互相搭接、交错，与上一阶段不同，这时候已凝固的合金铸件内部有应力产生。

如果这个搭接的区域比较完整，那么铸件的强度应该远高于阻止枝晶分离所要求的强度，晶界间的结合力很高，凝固收缩所产生的应力不会对晶界造成影响，从而阻止晶间微裂纹的产生。

合金的收缩总是在液相线以下某一温度开始，这一温度标志着连续固相骨架的形成，此后合金对外表现出收缩现象。即在相同的温度区间内，平均热收缩系数大的其热应力积累也较大，则发生热裂的几率越大。

合金受阻收缩凝固过程分析

7075 铝合金在温度冷却至553 ℃时实验装置开始测得收缩应力，此时处于凝固过程的枝晶隔裂阶段，固相骨架基本成形，但是强度很低，收缩应力很小; 继续凝固当温度降至482 ℃时收缩应力突然上升，对应的固相率为97. 03%，此时合金铸件内部处于凝固过程的枝晶搭桥阶段，晶间结合力提高，晶界处出现不连续的微裂纹; 同时相邻枝晶的迅速搭接使得铸件急剧收缩，应力增加速率很大，应力的迅速累积易导致铸件内部出现应力集中，由于合金铸件内部的液相很少且被搭接的枝晶隔离成小区域，进一步收缩便形成孔洞或微裂纹，无法对因凝固受阻被拉断的枝晶形成有效的补缩，在应力集中的作用下孔洞或微裂纹扩展成宏观热裂纹。因此在枝晶搭桥阶段的应力增加速率越大，孔洞或微裂纹扩展的倾向性就越大，热裂越容易发生。

在应力急剧上升过程中，应力增加速率出现一个明显的波峰。此波峰上升阶段的斜率可以表征这段时间内应力累积的程度，其值越大，表明合金的热裂倾向性就越大。

6061 合金在合金凝固的枝晶搭桥阶段应力迅速累积的程度最小，因此其铸件在凝固末期内部孔洞或微裂纹扩展成为宏观热裂纹的倾向性最小; 而7075 合金与5083 合金在此阶段应力的累积程度较大，铸件内部的应力集中很容易超过此状态下枝晶间的结合力，使得铸件出现宏观可见的热裂纹。

综上所述，热裂纹形成的原因在于晶间收缩得不到补偿。在凝固末期，晶间液相收缩形成孔洞或微裂纹，外力作用如果造成枝晶搭桥的破断，这些孔洞或微裂纹将连接而扩展为热裂纹。相比于Clyne － Davies 模型的热裂敏感性系数( CSC) ，合金凝固末期的k 值可以综合反映出此时合金铸件内部的应力累积及液相补缩的情况，从而比较不同合金的热烈倾向性大小，且k 值计算所用数据均为实验装置在实际凝固过程中测得，能够客观准确地反映合金的凝固过程。

总结

1) 相比于现有的铝合金热裂研究方法，本实验装置可以记录铝合金凝固过程中温度、收缩位移和收缩应力的细微变化，总结出铝合金凝固过程不同阶段的特征，为深入研究铝合金的热裂行为和热裂形成机理创造了条件

2) 利用热力学软件JMatPro 计算得到了实验合金凝固过程中的固相率和平均热收缩系数，利用固相率数据结合实验装置测得的合金凝固温度变化曲线按Clyne － Davies 模型计算出合金的热裂敏感性系数( CSC) ，预测铝合金的热裂敏感性大小为CSC ( 5083 ) > CSC ( 7075 ) > CSC( 6061) 。

3) 提出了衡量合金热裂倾向性大小的应力累积系数，得出3 种铝合金的热裂倾向性大小顺序为k( 5083) > k( 7075) > k( 6061) ，实验结果与实际铸造过程及CSC 值预测的结果相符，表明采用k 值衡量合金的热裂倾向性具有可行性，且相比于CSC 值更客观准确。

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