第一講 凝固理論-結構及性質(zhì)

1、材料成形理論基礎 武漢工程大學機電工程學院武漢工程大學機電工程學院教師：吳和保教授教師：吳和保教授E-mail：wu_電話：電話一篇第一篇 液態(tài)金屬凝固學液態(tài)金屬凝固學（Solidification Theory of Liquid Metals)Chapter 1 Introduction1、凝固的研究對象、凝固的研究對象凝固：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的凝固：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的相變過程相變過程。凝固現(xiàn)象的廣泛性凝固現(xiàn)象的廣泛性主要研究對象主要研究對象液體金屬液體金屬1研究對象研究對象 自然界的物質(zhì)通常存在三種狀態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)自然界的物質(zhì)通常存在三種狀態(tài)，即氣態(tài)、液

2、態(tài)和固態(tài)。在一定的條件下，物質(zhì)可以在三種狀態(tài)和固態(tài)。在一定的條件下，物質(zhì)可以在三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程就是凝之間轉(zhuǎn)變。物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程就是凝固。這是從宏觀上的定義。從微觀上看，可以定固。這是從宏觀上的定義。從微觀上看，可以定義為物質(zhì)原子或分子從較為激烈運動的狀態(tài)轉(zhuǎn)變義為物質(zhì)原子或分子從較為激烈運動的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的狀態(tài)的過程。為規(guī)則排列的狀態(tài)的過程。 液態(tài)金屬凝固學就是研究液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)液態(tài)金屬凝固學就是研究液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬這一過程的理論和技術。包括定性和定量地金屬這一過程的理論和技術。包括定性和定量地研究其內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律；研究新的凝固技術和工研究其

3、內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律；研究新的凝固技術和工藝以提高金屬材料的性能或開發(fā)新的金屬材料成藝以提高金屬材料的性能或開發(fā)新的金屬材料成型工藝。型工藝。 水凝結成雪花晶體水凝結成雪花晶體*Schematic of thermoplastic Injection molding machine塑料注射成形后的凝固塑料注射成形后的凝固Fluids 5/18液體金屬（鋼水）液體金屬（鋼水）澆注后凝固成澆注后凝固成固體金屬固體金屬2、主要研究（學習）內(nèi)容、主要研究（學習）內(nèi)容（1）液體金屬的性質(zhì)）液體金屬的性質(zhì)（2）晶體的生核和長大）晶體的生核和長大凝固熱力學及動力學凝固熱力學及動力學（3）凝固過程中的）凝固過程中的

4、“三傳三傳”（4）具體合金的結晶方式）具體合金的結晶方式單相結晶、共晶單相結晶、共晶（5）零件的組織控制、缺陷防止）零件的組織控制、缺陷防止 （氣孔、夾雜、縮孔、縮松）（氣孔、夾雜、縮孔、縮松）2.1理論基礎理論基礎 物理化學、金屬學、傳熱學、傳質(zhì)學和動量傳物理化學、金屬學、傳熱學、傳質(zhì)學和動量傳輸學。輸學。2.2研究內(nèi)容研究內(nèi)容 液態(tài)金屬的結構和性質(zhì)、晶體的生核和長大、液態(tài)金屬的結構和性質(zhì)、晶體的生核和長大、宏觀組織及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法宏觀組織及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法. 影響液態(tài)金屬凝固過程的最主要因素是化學成影響液態(tài)金屬凝固過程的最主要因素是化學成分分.不同成分的液

5、態(tài)金屬具有不同的凝固特性不同成分的液態(tài)金屬具有不同的凝固特性,這是這是最重要的內(nèi)在因素最重要的內(nèi)在因素.依照相圖可對凝固特性進行預依照相圖可對凝固特性進行預測。測。 第二個主要的因素是凝固速度。這是一個重要第二個主要的因素是凝固速度。這是一個重要的外在的工藝因素。它對凝固過程和凝固組織有的外在的工藝因素。它對凝固過程和凝固組織有著舉足輕重的影響。著舉足輕重的影響。 液態(tài)金屬的結構和性質(zhì)、冶金處理（如孕育、液態(tài)金屬的結構和性質(zhì)、冶金處理（如孕育、球化、變質(zhì)等）、外力（如電磁力、離心力、重球化、變質(zhì)等）、外力（如電磁力、離心力、重力等）也能對凝固過程產(chǎn)生重大的影響。力等）也能對凝固過程產(chǎn)生重大的影

6、響。 3、凝固技術發(fā)展歷程、凝固技術發(fā)展歷程最古老的藝術、技術之一最古老的藝術、技術之一冶鑄技術冶鑄技術合金配制、凝固控制、組織控制合金配制、凝固控制、組織控制3歷史與發(fā)展歷史與發(fā)展 我國冶鑄技術已有我國冶鑄技術已有5000多年的歷史。多年的歷史。黃帝本黃帝本紀紀載：載：“帝采首山銅鑄劍，以天文古字銘之帝采首山銅鑄劍，以天文古字銘之”。 史記史記曾有此記載：曾有此記載：“黃帝作寶鼎三，象天黃帝作寶鼎三，象天、地、人、地、人”。 “ “禹收九牧貢金，鑄九鼎禹收九牧貢金，鑄九鼎”。禹禹“以銅為兵，以銅為兵，以鑿伊闕，通龍門，決江導河，東注入海以鑿伊闕，通龍門，決江導河，東注入?！遍_始了開始了銅質(zhì)工

7、具的應用。銅質(zhì)工具的應用。墨子墨子：“昔者夏后啟使蜚昔者夏后啟使蜚廉采金于山川，陶鑄于昆吾廉采金于山川，陶鑄于昆吾”。 左傳左傳載宣公三年：載宣公三年：“昔夏之有德也，遠方昔夏之有德也，遠方圖物，貢金九牧，鑄鼎象物。圖物，貢金九牧，鑄鼎象物。桀有昏德，鼎桀有昏德，鼎遷于商。遷于商。商紂爆虐，鼎遷于周。商紂爆虐，鼎遷于周。成王定成王定鼎于郟鄏鼎于郟鄏”，秦本記秦本記載：載：“西周君走來自歸西周君走來自歸，頓首受罪。，頓首受罪。五十二年周民東亡，其器九鼎五十二年周民東亡，其器九鼎入秦入秦”。 在夏朝已進入青銅器時代。在夏朝已進入青銅器時代。 商朝青銅器鑄造已很發(fā)達。司母戊方鼎是當時商朝青銅器鑄造已

8、很發(fā)達。司母戊方鼎是當時最大的青銅器。圖案、文字俱全最大的青銅器。圖案、文字俱全, ,鑄造相當精美。鑄造相當精美。 曾候乙青銅器編鐘，是距今曾候乙青銅器編鐘，是距今2400多年前戰(zhàn)國初多年前戰(zhàn)國初期鑄造的。期鑄造的。 戰(zhàn)國時期的戰(zhàn)國時期的考工記考工記記載：記載：“金有六齊：六金有六齊：六分其金，而錫居其一，謂之鐘鼎之齊；五分其金分其金，而錫居其一，謂之鐘鼎之齊；五分其金，而錫居其一，謂之斧斤之齊；四分其金，而錫，而錫居其一，謂之斧斤之齊；四分其金，而錫居其一，謂這戈戟之齊；三分其金，而錫居其一居其一，謂這戈戟之齊；三分其金，而錫居其一，謂之大刃之齊；五分其金，而錫居其二，謂之，謂之大刃之齊；五

9、分其金，而錫居其二，謂之削殺矢之齊；金，錫半，謂之鑒燧之齊削殺矢之齊；金，錫半，謂之鑒燧之齊”。是世。是世界上最早的合金配比規(guī)律。界上最早的合金配比規(guī)律。 20 20世紀世紀6060年代后，研究的重點在經(jīng)典理論的應年代后，研究的重點在經(jīng)典理論的應用，出現(xiàn)了快速凝固、定向凝固、等離子熔化技用，出現(xiàn)了快速凝固、定向凝固、等離子熔化技術、激光表面重熔技術、半固態(tài)鑄造、擴散鑄造術、激光表面重熔技術、半固態(tài)鑄造、擴散鑄造、調(diào)壓鑄造等凝固技術和材料成形方法。、調(diào)壓鑄造等凝固技術和材料成形方法。 其后，對凝固過程的認識逐漸從經(jīng)驗主義中擺其后，對凝固過程的認識逐漸從經(jīng)驗主義中擺脫出來。大野篤美提出了晶粒游離和

10、晶粒增殖的脫出來。大野篤美提出了晶粒游離和晶粒增殖的理論。通過計算機定量地描述液態(tài)金屬的凝固過理論。通過計算機定量地描述液態(tài)金屬的凝固過程，對凝固組織和凝固缺陷進行預測，在此基礎程，對凝固組織和凝固缺陷進行預測，在此基礎上，出現(xiàn)了許多新的凝固理論和模型。它們將溫上，出現(xiàn)了許多新的凝固理論和模型。它們將溫度場、應力場、流動場耦合起來進行研究，其結度場、應力場、流動場耦合起來進行研究，其結果更接近于實際。國際上已出現(xiàn)了許多商品化的果更接近于實際。國際上已出現(xiàn)了許多商品化的凝固模擬軟件，它們在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要凝固模擬軟件，它們在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)緊隨其后，研究開發(fā)的凝固模擬軟件作

11、用。國內(nèi)緊隨其后，研究開發(fā)的凝固模擬軟件，在科研和實際生產(chǎn)中得到了較廣泛的應用。，在科研和實際生產(chǎn)中得到了較廣泛的應用。 4。 凝固學與材料成形凝固學與材料成形 液態(tài)成型：凝固過程對鑄件的質(zhì)量起著關鍵的作用。液態(tài)成型：凝固過程對鑄件的質(zhì)量起著關鍵的作用。 連接成形：焊接的質(zhì)量在很大程度上由焊縫的凝固特性連接成形：焊接的質(zhì)量在很大程度上由焊縫的凝固特性來決定，研究焊縫的凝固規(guī)律已成為重要的理論課題。來決定，研究焊縫的凝固規(guī)律已成為重要的理論課題。 塑性成形與液態(tài)金屬凝固無直接關系，但有重要的間接塑性成形與液態(tài)金屬凝固無直接關系，但有重要的間接關系。凝固組織，特別是凝固過程中形成的夾雜、裂紋、關系

12、。凝固組織，特別是凝固過程中形成的夾雜、裂紋、偏析等對塑性成形會造成嚴重的后果。偏析等對塑性成形會造成嚴重的后果。 金屬切削成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的產(chǎn)品。金屬切削成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的產(chǎn)品。合理的凝固過程與產(chǎn)品的性能及其使用安全性和壽命是緊合理的凝固過程與產(chǎn)品的性能及其使用安全性和壽命是緊密聯(lián)系在一起的。密聯(lián)系在一起的。 粉末成形是冶金學的一個分支，粉末是經(jīng)熔化和凝固而粉末成形是冶金學的一個分支，粉末是經(jīng)熔化和凝固而成的。粉末的生產(chǎn)方式，如霧化、凝固的方式?jīng)Q定著粉末成的。粉末的生產(chǎn)方式，如霧化、凝固的方式?jīng)Q定著粉末的質(zhì)量，從而影響粉末冶金產(chǎn)品。的質(zhì)量，從而影響粉末冶金產(chǎn)品

13、。第一章第一章 液體金屬的結構和性質(zhì)液體金屬的結構和性質(zhì)（Structure and Property of Liquid Metal)1-1 固體金屬的加熱、熔化固體金屬的加熱、熔化物質(zhì)的物質(zhì)的 “三態(tài)三態(tài)”轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變水的水的“三態(tài)三態(tài)”與溫度、壓力的關系與溫度、壓力的關系1-2 液態(tài)金屬的結構液態(tài)金屬的結構表表1 幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱幾種金屬的熔化潛熱與氣化潛熱)(42rr圖圖23 700液態(tài)鋁中原子密液態(tài)鋁中原子密度分布線度分布線圖圖23 700液態(tài)鋁中原子密液態(tài)鋁中原子密度分布線度分布線表表2 23 x3 x射線衍射所得液態(tài)和固態(tài)金屬結構參數(shù)射線衍射所得液態(tài)和固態(tài)金屬結構參數(shù)配位

14、數(shù)配位數(shù) 圖 液態(tài)金屬結構示意圖 1-3 液態(tài)金屬的性質(zhì)液態(tài)金屬的性質(zhì)V0YFdydVxdydVx/2msN或或Pa.s（一）粘度的實質(zhì)及影響因素（一）粘度的實質(zhì)及影響因素 當外力當外力F（X）作用于液態(tài)表面時，其速度分布如圖所示。層與）作用于液態(tài)表面時，其速度分布如圖所示。層與層之間存在內(nèi)摩擦力。層之間存在內(nèi)摩擦力。粘度與液體金屬結構的關系)exp(203TkUTkBB數(shù)學模型數(shù)學模型關系：關系：1）結合能）結合能U越大，粘度越大；越大，粘度越大；2）原子間距）原子間距增大，粘度減?。辉龃?，粘度減?。?）合金種類）合金種類（二）粘度在材料成形過程中的意義（二）粘度在材料成形過程中的意義1對液

15、態(tài)金屬凈化的影響對液態(tài)金屬凈化的影響 液態(tài)金屬中存在各種夾雜物及氣泡等，必須盡液態(tài)金屬中存在各種夾雜物及氣泡等，必須盡量除去。雜質(zhì)及氣泡與金屬液的密度不同。量除去。雜質(zhì)及氣泡與金屬液的密度不同。 根據(jù)司托克斯原理，半徑根據(jù)司托克斯原理，半徑0.1cm以下的球形雜質(zhì)以下的球形雜質(zhì)的的上浮速度上浮速度 ：2對液態(tài)合金流動阻力的影響對液態(tài)合金流動阻力的影響 流體的流動分層流和紊流，根據(jù)流體力學，流體的流動分層流和紊流，根據(jù)流體力學，Re2300為紊流，為紊流，Re2300為層流。為層流。Re的數(shù)學式為的數(shù)學式為 eDvR 設設f為流體流動時的阻力系數(shù)，則有為流體流動時的阻力系數(shù)，則有 當液體以層流方

16、式流動時，阻力系數(shù)大，流動當液體以層流方式流動時，阻力系數(shù)大，流動阻力大。在材料成形過程中金屬液體的流動，以阻力大。在材料成形過程中金屬液體的流動，以紊流方式流動最好，由于流動阻力小，液態(tài)金屬紊流方式流動最好，由于流動阻力小，液態(tài)金屬能順利地充填型腔，故金屬液在澆注系統(tǒng)和型腔能順利地充填型腔，故金屬液在澆注系統(tǒng)和型腔中的流動一般為紊流。但在充型的后期或夾窄的中的流動一般為紊流。但在充型的后期或夾窄的枝晶間的補縮流和細薄鑄件中，則呈現(xiàn)為層流。枝晶間的補縮流和細薄鑄件中，則呈現(xiàn)為層流?？傊?，液態(tài)合金的粘度大其流動阻力也大?？傊?，液態(tài)合金的粘度大其流動阻力也大。 64643對凝固過程中液態(tài)合金對流的

17、影響對凝固過程中液態(tài)合金對流的影響 液態(tài)金屬在冷卻和凝固過程中，由于存在溫度液態(tài)金屬在冷卻和凝固過程中，由于存在溫度差和濃度差而產(chǎn)生浮力，它是液態(tài)合金對流的驅(qū)差和濃度差而產(chǎn)生浮力，它是液態(tài)合金對流的驅(qū)動力。當浮力大于或等于粘滯力時則產(chǎn)生對流，動力。當浮力大于或等于粘滯力時則產(chǎn)生對流，其對流強度由無量綱的格拉曉夫準則度量，即其對流強度由無量綱的格拉曉夫準則度量，即 可見粘度可見粘度越大對流強度越小。液體對流對結越大對流強度越小。液體對流對結晶組織、溶質(zhì)分布、偏析、雜質(zhì)的聚合等產(chǎn)生重晶組織、溶質(zhì)分布、偏析、雜質(zhì)的聚合等產(chǎn)生重要影響。要影響。 dAdFdAWLGLSSGcoscosLGLSSG（一）

18、表面張力是質(zhì)點（分子、原子等）間作用力不平衡引起（一）表面張力是質(zhì)點（分子、原子等）間作用力不平衡引起的。這就是液珠存在的原因。的。這就是液珠存在的原因。 當外界所做的功僅用來抵抗表面張力而使系統(tǒng)表面積增大時當外界所做的功僅用來抵抗表面張力而使系統(tǒng)表面積增大時，該功的大小則等于系統(tǒng)自由能的增量，該功的大小則等于系統(tǒng)自由能的增量， 潤濕現(xiàn)象 90o 90o = 0o =180oAbsolute wettingNo wetting（二）影響界面張力的因素（二）影響界面張力的因素 影響液態(tài)金屬界面張力的因素主要有熔點、溫影響液態(tài)金屬界面張力的因素主要有熔點、溫度和溶質(zhì)元素。度和溶質(zhì)元素。1熔點熔點

19、界面張力的實質(zhì)是質(zhì)點間的作用力，故界面張力的實質(zhì)是質(zhì)點間的作用力，故原子間結合力大的物質(zhì)，其熔點、沸點高，則表原子間結合力大的物質(zhì)，其熔點、沸點高，則表面張力往往就大。面張力往往就大。 2溫度溫度 大多數(shù)金屬和合金，如大多數(shù)金屬和合金，如 Al、 Mg、 Zn等，等，其表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度升高其表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度升高而使液體質(zhì)點間的結合力減弱所至。但對于鑄鐵、而使液體質(zhì)點間的結合力減弱所至。但對于鑄鐵、碳鋼、銅及其合金則相反，即溫度升高表面張力碳鋼、銅及其合金則相反，即溫度升高表面張力反而增加。其原因尚不清楚。反而增加。其原因尚不清楚。3溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素 溶質(zhì)

20、元素對液態(tài)金屬表面張力的影溶質(zhì)元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類。使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面響分二大類。使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性元素，如鋼液和鑄鐵液中的活性元素，如鋼液和鑄鐵液中的S即為表面活性元即為表面活性元素，也稱正吸附元素。提高表面張力的元素叫非素，也稱正吸附元素。提高表面張力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱表面活性元素，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負吸附元素。負吸附元素。金屬液的表面張力可以改變鋁液中加入第二元素鎂液中加入第二元素P、S、Si對鑄鐵熔液表面張力的影響圖圖 砂型與金屬液的潤濕性砂型與金屬液的潤濕性正面圖正面圖X-X截面圖截面圖)11(2

21、1rrprpp2rrghrpgl)(2由于表面張力的作用產(chǎn)生了一個附加壓力由于表面張力的作用產(chǎn)生了一個附加壓力p。當當固一液互相潤濕時，固一液互相潤濕時，p有利于液體的充填，否則反有利于液體的充填，否則反之。當曲面為球面時附加壓力之。當曲面為球面時附加壓力p p的數(shù)學表達式為的數(shù)學表達式為p=2p=2/r /r 附加壓力與管道半徑成反比。當附加壓力與管道半徑成反比。當r很小時將產(chǎn)生很大的附加壓力，這對液態(tài)成形很小時將產(chǎn)生很大的附加壓力，這對液態(tài)成形（鑄造）過程液態(tài)合金的充型性能和鑄件表面質(zhì)（鑄造）過程液態(tài)合金的充型性能和鑄件表面質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。量產(chǎn)生很大影響。澆注薄小鑄件時必須提高澆注溫度和

22、壓力，以澆注薄小鑄件時必須提高澆注溫度和壓力，以克服附加壓力的阻礙。克服附加壓力的阻礙。鑄型或涂料材料應鑄型或涂料材料應選擇與液態(tài)合金不潤濕的，通選擇與液態(tài)合金不潤濕的，通過，產(chǎn)生阻礙液態(tài)合金滲入的附加壓力，從而使過，產(chǎn)生阻礙液態(tài)合金滲入的附加壓力，從而使鑄件表面得以光潔。鑄件表面得以光潔。界面現(xiàn)象影響到液態(tài)成形的整個過程。晶體成核界面現(xiàn)象影響到液態(tài)成形的整個過程。晶體成核及生長及生長( (球化）、縮松、熱裂、夾雜及氣泡等鑄造球化）、縮松、熱裂、夾雜及氣泡等鑄造缺陷都與界面張力關系密切。缺陷都與界面張力關系密切。2-4 流動性及充型能力流動性及充型能力“流動性流動性”液體金屬本身的流動能液體金

23、屬本身的流動能力力由液態(tài)金屬本身的成分、溫度、雜質(zhì)含量由液態(tài)金屬本身的成分、溫度、雜質(zhì)含量等決定，與外界因素無關。等決定，與外界因素無關。流動性測試方法：流動性測試方法：充型能力充型能力充型能力與流動性、鑄件結構、澆注條件及鑄充型能力與流動性、鑄件結構、澆注條件及鑄型等諸多條件有關。型等諸多條件有關。一、液態(tài)金屬流動性及充型能力的基本概念一、液態(tài)金屬流動性及充型能力的基本概念 “流動性流動性”是液態(tài)金屬本身的流動能力，由液是液態(tài)金屬本身的流動能力，由液態(tài)金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量等決定的，而與態(tài)金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量等決定的，而與外界因素無關。外界因素無關。 液態(tài)金屬的充型能力首先取決于液

24、態(tài)金屬本身液態(tài)金屬的充型能力首先取決于液態(tài)金屬本身的流動能力，同時又與外界條件密切相關，是各的流動能力，同時又與外界條件密切相關，是各種因素的綜合反應。種因素的綜合反應。 流動性是確定條件下的充型能力。液態(tài)合金的流動性是確定條件下的充型能力。液態(tài)合金的流動性好，其充型能力強；反之其充型能力差。流動性好，其充型能力強；反之其充型能力差。但這可通過外界條件來提高充型能力。但這可通過外界條件來提高充型能力。 流動性對于獲得優(yōu)質(zhì)的液態(tài)成形產(chǎn)品，有著重流動性對于獲得優(yōu)質(zhì)的液態(tài)成形產(chǎn)品，有著重要的影響。要的影響。 液態(tài)合金的流動性可用試驗的方法，即澆注螺液態(tài)合金的流動性可用試驗的方法，即澆注螺旋流動性試樣

25、或真空流動性試樣來衡量。旋流動性試樣或真空流動性試樣來衡量。 二、液態(tài)金屬停止流動的機理二、液態(tài)金屬停止流動的機理 以純鋁和以純鋁和A15Sn兩種金屬澆注流動性試樣。兩種金屬澆注流動性試樣。A15Sn合金的結晶溫度范圍約為合金的結晶溫度范圍約為430。 純金屬流動性試樣的宏觀組織是柱狀晶，試樣純金屬流動性試樣的宏觀組織是柱狀晶，試樣的末端有縮孔，這說明液態(tài)金屬停止流動時，其的末端有縮孔，這說明液態(tài)金屬停止流動時，其末端仍保持有熱的金屬液。停止流動的原因，是末端仍保持有熱的金屬液。停止流動的原因，是末端之前的某個部位從型壁向中心生長的柱狀晶末端之前的某個部位從型壁向中心生長的柱狀晶相接觸，金屬的

26、流動通道被堵塞。相接觸，金屬的流動通道被堵塞。 A15Sn合金流動性試樣的宏觀組織是等軸晶合金流動性試樣的宏觀組織是等軸晶，離入口處越遠，晶粒越細，試樣前端向外突出，離入口處越遠，晶粒越細，試樣前端向外突出。由此可以判斷，液態(tài)金屬的溫度是沿程下降的。由此可以判斷，液態(tài)金屬的溫度是沿程下降的，液流前端冷卻最快，首先結晶，當晶體達到一，液流前端冷卻最快，首先結晶，當晶體達到一定數(shù)量時，便結成一個連續(xù)的網(wǎng)絡，發(fā)生堵塞，定數(shù)量時，便結成一個連續(xù)的網(wǎng)絡，發(fā)生堵塞，停止流動。停止流動。 合金的結晶溫度范圍越寬，枝晶就越發(fā)達，液合金的結晶溫度范圍越寬，枝晶就越發(fā)達，液流前端析出少量固相，即在較短的時間，液態(tài)

27、金流前端析出少量固相，即在較短的時間，液態(tài)金屬便停止流動。在液態(tài)金屬的前端析出屬便停止流動。在液態(tài)金屬的前端析出1520的固相量時，流動就停止。的固相量時，流動就停止。 充型能力的計算充型能力的計算充型過程：液體金屬的非穩(wěn)定的流動過程充型過程：液體金屬的非穩(wěn)定的流動過程l = v t 主要是計算主要是計算流動時間流動時間tghv2充型能力示意圖充型時的兩種停止流動方式充型時的兩種停止流動方式（1）窄凝固范圍的合金）窄凝固范圍的合金純金屬或結晶溫度很窄（如共晶合金）純金屬或結晶溫度很窄（如共晶合金） t主要與試樣厚度有關（第主要與試樣厚度有關（第4章中）章中）（2）寬凝固范圍的合金）寬凝固范圍的

28、合金結晶溫度范圍寬結晶溫度范圍寬 因流動前沿固相太多而停止流動因流動前沿固相太多而停止流動(1)窄凝固范圍的合金窄凝固范圍的合金(2)寬凝固范圍的合金寬凝固范圍的合金流動時間流動時間tt1+t2(1)t1過熱溫度流動段過熱溫度流動段 (2)t2凝固開始到停止流動時間段凝固開始到停止流動時間段 充型能力充型能力流動長度流動長度l = v t )242(dddd(11TcVtATT）型)272(dddd(11TcVtATT）型)362()(2K11型澆TTTTCKLPFgHlL影響充型能力的因素及提高充型能力的措施影響充型能力的因素及提高充型能力的措施第一類因素第一類因素金屬性質(zhì)方面：金屬性質(zhì)方面

29、： 1，c1, 1, L, , , T(結晶特點結晶特點)第二類因素第二類因素鑄型性質(zhì)方面：鑄型性質(zhì)方面： 2，c2, 2, T型型，涂料層，透氣性，涂料層，透氣性第三類因素第三類因素澆注條件方面：澆注條件方面： T澆澆，H(壓頭壓頭)，外力場，外力場第四類因素第四類因素鑄件結構方面：鑄件結構方面： 鑄件厚度，結構復雜程度鑄件厚度，結構復雜程度(型腔型腔) 三三. 影響充型能力的因素影響充型能力的因素 對影響因素進行分析，其目的在于掌握它們的對影響因素進行分析，其目的在于掌握它們的規(guī)律以后，能夠采取有效的工藝措施提高液態(tài)金規(guī)律以后，能夠采取有效的工藝措施提高液態(tài)金屬的充型能力。屬的充型能力。

30、1 金屬性質(zhì)方面的因素金屬性質(zhì)方面的因素 1） 合金成分合金成分 合金的流動性與其成分之間存在著一定的規(guī)律合金的流動性與其成分之間存在著一定的規(guī)律性。在流動性曲線上，對應著純金屬、共晶成分性。在流動性曲線上，對應著純金屬、共晶成分和金屬間化合物的地方出現(xiàn)最大值，而有結晶溫和金屬間化合物的地方出現(xiàn)最大值，而有結晶溫度范圍的地方流動性下降，且在最大結晶溫度范度范圍的地方流動性下降，且在最大結晶溫度范圍附近出現(xiàn)最小值。合金成分對流動性的影響，圍附近出現(xiàn)最小值。合金成分對流動性的影響，主要是成分不同時，合金的結晶特點不同造成的主要是成分不同時，合金的結晶特點不同造成的。 這是鑄造合金多選用共晶合金或凝

31、固溫度范圍這是鑄造合金多選用共晶合金或凝固溫度范圍小的合金的根本原因。小的合金的根本原因。圖圖 Fe-C合金狀態(tài)圖與流動性的關系合金狀態(tài)圖與流動性的關系 鑄鐵的結晶溫度范圍一般都比鑄鋼的寬，可是鑄鐵的結晶溫度范圍一般都比鑄鋼的寬，可是鑄鐵的流動性比鑄鋼的好。這是由于鑄鋼的熔點鑄鐵的流動性比鑄鋼的好。這是由于鑄鋼的熔點高，鋼液的過熱度一般都比鑄鐵的小，維持液態(tài)高，鋼液的過熱度一般都比鑄鐵的小，維持液態(tài)的流動時間就要短，另外，由于鋼液的溫度高，的流動時間就要短，另外，由于鋼液的溫度高，散熱快，很快就析出一定數(shù)量的枝晶使鋼液失去散熱快，很快就析出一定數(shù)量的枝晶使鋼液失去流動能力。流動能力。 初生晶的

32、形態(tài)影響流動性，如果初生晶為樹枝初生晶的形態(tài)影響流動性，如果初生晶為樹枝晶，對液體金屬流動的阻礙就大，如果初生晶強晶，對液體金屬流動的阻礙就大，如果初生晶強度不高，就不易形成網(wǎng)絡而阻礙流動，如果初生度不高，就不易形成網(wǎng)絡而阻礙流動，如果初生晶為園形、方形等形態(tài)，對流動的阻礙就小。晶為園形、方形等形態(tài)，對流動的阻礙就小。 2）結晶潛熱）結晶潛熱 結晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的結晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的8590，但，但是，它對不同類型合金流動性的影響是不同的。是，它對不同類型合金流動性的影響是不同的。 純金屬和共晶成分合金在固定溫度下凝固，在純金屬和共晶成分合金在固定溫度下凝固，在一般的澆注條件下

33、，結晶潛熱的作用能夠發(fā)揮，一般的澆注條件下，結晶潛熱的作用能夠發(fā)揮，是影響流動性的一個重要因素。凝固過程中釋放是影響流動性的一個重要因素。凝固過程中釋放的潛熱越多的潛熱越多,則凝固進行得越緩慢則凝固進行得越緩慢,流動性就越好。流動性就越好。 對于結晶溫度范圍較寬的合金，散失約對于結晶溫度范圍較寬的合金，散失約20潛潛熱后，晶粒就連成網(wǎng)絡而阻塞流動，大部分結晶熱后，晶粒就連成網(wǎng)絡而阻塞流動，大部分結晶潛熱的作用不能發(fā)揮潛熱的作用不能發(fā)揮, ,所以對流動性的影響不大。所以對流動性的影響不大。 A1Si合金的流動性合金的流動性, ,在共晶成分處并非最大值在共晶成分處并非最大值, ,而在過共晶區(qū)里繼續(xù)

34、增加而在過共晶區(qū)里繼續(xù)增加, ,是因為初生硅相塊狀是因為初生硅相塊狀晶體晶體, ,有較小的機械強度，不形成堅強的網(wǎng)絡，結有較小的機械強度，不形成堅強的網(wǎng)絡，結晶潛熱得以發(fā)揮。硅相的結晶潛熱比晶潛熱得以發(fā)揮。硅相的結晶潛熱比 a相大三倍。相大三倍。 3）金屬的比熱、密度和導熱系數(shù)）金屬的比熱、密度和導熱系數(shù) 比熱和密度較大的合金，因其本身含有較多的比熱和密度較大的合金，因其本身含有較多的熱量，流動性好。導熱系數(shù)小的合金，熱量散失熱量，流動性好。導熱系數(shù)小的合金，熱量散失饅，保持流動的時間長；導熱系數(shù)小，在凝固期饅，保持流動的時間長；導熱系數(shù)小，在凝固期間液固并存的兩相區(qū)小間液固并存的兩相區(qū)小,流

35、動阻力小流動阻力小,故流動性好。故流動性好。 4）液態(tài)金屬的粘度）液態(tài)金屬的粘度 液態(tài)金屬的粘度與其成分、溫度、夾雜物的含液態(tài)金屬的粘度與其成分、溫度、夾雜物的含量和狀態(tài)等有關。量和狀態(tài)等有關。 粘度對層流運動的流速影響較大粘度對層流運動的流速影響較大; ;對紊流運動的對紊流運動的流速影響較小流速影響較小. .金屬液在澆注系統(tǒng)或試樣中的流速金屬液在澆注系統(tǒng)或試樣中的流速, ,一般都是紊流運動一般都是紊流運動. .粘度的影響是不明顯的粘度的影響是不明顯的. .在充在充型的最后很短的時間內(nèi)型的最后很短的時間內(nèi), ,由于通道面積縮小由于通道面積縮小, ,或由或由于液流中出現(xiàn)液固混合物時于液流中出現(xiàn)液

36、固混合物時, ,而此時因溫度下降粘而此時因溫度下降粘度顯著增加，粘度對流動性才表現(xiàn)出較大的影響度顯著增加，粘度對流動性才表現(xiàn)出較大的影響. . 5）表面張力）表面張力 造型材料一般不被液態(tài)金屬潤濕，即潤濕角造型材料一般不被液態(tài)金屬潤濕，即潤濕角90。故液態(tài)金屬在鑄型細薄部分的液面是凸。故液態(tài)金屬在鑄型細薄部分的液面是凸起的，而由表面張力產(chǎn)生一個指向液體內(nèi)部的附起的，而由表面張力產(chǎn)生一個指向液體內(nèi)部的附加壓力，阻礙對該部分的充填。所以，表面張力加壓力，阻礙對該部分的充填。所以，表面張力對薄壁鑄件、鑄件的細薄部分和棱角的成形有影對薄壁鑄件、鑄件的細薄部分和棱角的成形有影響。型腔越細薄，棱角的曲率半

37、徑超小，表面張響。型腔越細薄，棱角的曲率半徑超小，表面張力的影響則越大。為克服附加壓力用阻礙，必須力的影響則越大。為克服附加壓力用阻礙，必須在正常的充型壓力上增加一個附加壓頭。在正常的充型壓力上增加一個附加壓頭。 2鑄型性質(zhì)方面的因素鑄型性質(zhì)方面的因素 鑄型的阻力影響金屬液的充型速度；鑄型與金鑄型的阻力影響金屬液的充型速度；鑄型與金屬的熱交換強度影響金屬液保持流動的時間。鑄屬的熱交換強度影響金屬液保持流動的時間。鑄型性質(zhì)對金屬液的充型能力有重要的影響?？赏ㄐ托再|(zhì)對金屬液的充型能力有重要的影響?？赏ㄟ^調(diào)整鑄型性質(zhì)來改善金屬的充型能力。過調(diào)整鑄型性質(zhì)來改善金屬的充型能力。 1）鑄型的蓄熱系數(shù)）鑄型

38、的蓄熱系數(shù) 鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從金屬吸取并儲存熱鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從金屬吸取并儲存熱量在本身中的能力。鑄型吸取較多的熱量而本身量在本身中的能力。鑄型吸取較多的熱量而本身的溫升較小，使金屬與鑄型之間在較長時間內(nèi)保的溫升較小，使金屬與鑄型之間在較長時間內(nèi)保持較大的溫差。鑄型的導熱系數(shù)大表示從金屬吸持較大的溫差。鑄型的導熱系數(shù)大表示從金屬吸取的熱量能很快地由溫度較高的鑄型內(nèi)表面?zhèn)鲗〉臒崃磕芎芸斓赜蓽囟容^高的鑄型內(nèi)表面?zhèn)鲗У綔囟容^低的到溫度較低的“后方后方”，使鑄型內(nèi)表面的熱量能，使鑄型內(nèi)表面的熱量能迅速傳走，而保持繼續(xù)吸取熱量的能力。迅速傳走，而保持繼續(xù)吸取熱量的能力。 經(jīng)常采用涂料調(diào)整鑄

39、型的蓄熱系數(shù)和導熱系數(shù)經(jīng)常采用涂料調(diào)整鑄型的蓄熱系數(shù)和導熱系數(shù). . 2）鑄型的溫度）鑄型的溫度 預熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高預熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高其充型能力。其充型能力。 3）鑄型中的氣體）鑄型中的氣體 鑄型具有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型鑄型具有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜，可減小流動的摩擦阻力，有利于之間形成氣膜，可減小流動的摩擦阻力，有利于充型充型3澆注條件方面的因素澆注條件方面的因素1）澆注溫度）澆注溫度 澆注溫度對液態(tài)金屬的充型能力有決定性的影澆注溫度對液態(tài)金屬的充型能力有決定性的影響，在一定溫度范圍內(nèi)，充型能力隨澆注溫度的響，在一定