液態(tài)金屬凝固原理學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1液態(tài)液態(tài)(yti)金屬凝固原理金屬凝固原理第一頁(yè)，共63頁(yè)。內(nèi)容(nirng)一、液態(tài)金屬凝固原理二、金屬塑性加工原理三、粉末冶金加工原理四、復(fù)合材料(f h ci lio)加工原理五、材料連接加工原理六、材料加工新技術(shù)及其原理第1頁(yè)/共63頁(yè)第二頁(yè)，共63頁(yè)。第一章 液態(tài)(yti)金屬凝固原理第2頁(yè)/共63頁(yè)第三頁(yè)，共63頁(yè)。凝固：液態(tài)向固態(tài)(gti)的轉(zhuǎn)變過(guò)程。工程技術(shù)中的凝固過(guò)程：鑄造：液態(tài)合金的凝固。焊接：焊縫金屬的凝固。凝固和結(jié)晶：凝固：從傳熱學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，研究凝固過(guò)程的傳熱、凝固方式、凝固組織、凝固缺陷等。 結(jié)晶：從物理化學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，研究液態(tài)金屬的生核、成長(zhǎng)、結(jié)晶組織的形

2、成規(guī)律。 本章重點(diǎn)：認(rèn)識(shí)液態(tài)金屬的凝固規(guī)律(gul)，掌握凝固過(guò)程的控制途徑，以防止產(chǎn)生凝固缺陷、改善鑄件組織、提高鑄件質(zhì)量和性能。第3頁(yè)/共63頁(yè)第四頁(yè)，共63頁(yè)。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)1、溫度場(chǎng)的概念(ginin) 物體內(nèi)各點(diǎn)的溫度分布情況，稱為溫度場(chǎng)。 根據(jù)溫度 t 隨時(shí)間(shjin)的變化，溫度場(chǎng)可分為： 不穩(wěn)定溫度場(chǎng)：tf (x，y，z,) 穩(wěn)定溫度場(chǎng)：tf (x，y，z) 根據(jù)溫度 t 隨坐標(biāo) x，y，z 的變化，溫度場(chǎng)可分為： 一維溫度場(chǎng)：tf (x,) 二維溫度場(chǎng)：tf (x，y,) 三維溫度場(chǎng)：tf (x，y，z,) 最簡(jiǎn)單的溫度場(chǎng)：一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)tf (x

3、)第4頁(yè)/共63頁(yè)第五頁(yè)，共63頁(yè)。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)1、溫度場(chǎng)的概念(ginin) 第5頁(yè)/共63頁(yè)第六頁(yè)，共63頁(yè)。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)1、溫度場(chǎng)的概念(ginin) 等溫面（或等溫線）：同一瞬間，溫度場(chǎng)中溫度相同的點(diǎn)所組成的面（或線）。不同溫度的等溫面（或等溫線）不能相交。對(duì)于不規(guī)則的物體，內(nèi)部的等溫線需通過(guò)溫度的實(shí)際測(cè)定才能得到。等溫面的意義：繪出物體內(nèi)的等溫面，可以直觀地了解物體內(nèi)溫度分布(fnb)情況。在鑄件生產(chǎn)中，可以用于判斷鑄件的凝固順序，找出復(fù)雜鑄件中縮孔分布(fnb)的位置。第6頁(yè)/共63頁(yè)第七頁(yè)，共63頁(yè)。 1.1 金屬(jnsh)凝

4、固的溫度場(chǎng)1、溫度場(chǎng)的概念(ginin) 第7頁(yè)/共63頁(yè)第八頁(yè)，共63頁(yè)。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)1、溫度場(chǎng)的概念(ginin) 第8頁(yè)/共63頁(yè)第九頁(yè)，共63頁(yè)。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)1、溫度場(chǎng)的概念(ginin) 溫度梯度：在同一等溫面上沒(méi)有熱量(rling)傳遞，熱量(rling)只能由溫度場(chǎng)的高溫等溫面向溫度場(chǎng)的低溫等溫面?zhèn)鬟f，沿等溫面的法向溫度變化率最大。通常把溫度場(chǎng)中任意點(diǎn)的溫度沿等溫面的法線n方向的增加率稱為該點(diǎn)的溫度梯度gradt: gradt=t/n第9頁(yè)/共63頁(yè)第十頁(yè)，共63頁(yè)。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)1、溫度場(chǎng)的概念(gin

5、in) 熱流方向和溫度梯度方向相反。 對(duì)于一維穩(wěn)定溫度場(chǎng)，其溫度梯度為 gradt=dt/dx 在同一瞬間，溫度場(chǎng)中等溫線密集(mj)處溫度梯度較大，等溫線稀疏處溫度梯度較小。 第10頁(yè)/共63頁(yè)第十一頁(yè)，共63頁(yè)?；緜鳠岱绞接腥N：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。如圖示出了典型金屬凝固(nngg)過(guò)程中的主要傳熱方式。鑄件與鑄型的傳熱主要是傳導(dǎo)傳熱。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程(guchng)中傳熱的方式與特點(diǎn) 第11頁(yè)/共63頁(yè)第十二頁(yè)，共63頁(yè)。傳導(dǎo)傳熱：傅里葉定律(dngl)（傅里葉導(dǎo)熱方程式）： 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程中傳熱的方式(fngsh)與特

6、點(diǎn) 其中：q為比熱流量，單位是W/m2, 表示單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)單位截面面積所傳遞的熱量； 為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/m，導(dǎo)熱系數(shù)表示物體的導(dǎo)熱能力，在數(shù)值上等于物體單位距離上溫度降低1時(shí)的比熱流量。 負(fù)號(hào)表示導(dǎo)熱方向永遠(yuǎn)沿著溫度降低的方向。gradtq或ntq/第12頁(yè)/共63頁(yè)第十三頁(yè)，共63頁(yè)。鑄件與鑄型(zh xn)的傳熱過(guò)程：鑄件凝固期間與鑄型(zh xn)的熱交換，主要是將液態(tài)金屬的顯熱（過(guò)熱熱量）和凝固潛熱通過(guò)一系列熱阻傳給鑄型(zh xn)和環(huán)境。熱阻：熱交換系統(tǒng)中某組元的厚度與該組元導(dǎo)熱系數(shù)之比( D/ )稱為該組元的熱阻。凝固過(guò)程的熱阻主要包括：液態(tài)金屬的熱阻、已凝固金屬的熱阻、

7、中間層的熱阻、鑄型(zh xn)的熱阻等。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程中傳熱(chun r)的方式與特點(diǎn) 第13頁(yè)/共63頁(yè)第十四頁(yè)，共63頁(yè)。 各部分的熱阻隨鑄造條件的不同而不同，因此，在鑄件凝固過(guò)程(guchng)中，對(duì)熱交換起決定作用的熱阻隨鑄造條件不同而改變，使得不同鑄造條件下具有不同的熱交換特點(diǎn)。液態(tài)金屬澆入鑄型后，鑄件與鑄型間的熱交換主要有四種典型形式。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程中傳熱(chun r)的方式與特點(diǎn) 第14頁(yè)/共63頁(yè)第十五頁(yè)，共63頁(yè)。1.鑄型熱阻 D/ 起決定作用砂型(shxng)鑄造屬于這種情況。由于金屬鑄件的導(dǎo)熱系

8、數(shù)遠(yuǎn)大于砂型(shxng)的導(dǎo)熱系數(shù)，鑄件中的溫差相對(duì)于鑄型的溫差可以忽略不計(jì)（圖1.5）。熱交換主要取決于砂型(shxng)的導(dǎo)熱。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固(nngg)過(guò)程中傳熱的方式與特點(diǎn) 第15頁(yè)/共63頁(yè)第十六頁(yè)，共63頁(yè)。2中間層熱阻起決定作用鑄件在型腔內(nèi)表面涂有厚隔熱涂料的金屬(jnsh)型中凝固時(shí)屬于這種情況。由于鑄件和鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)都大，而涂料層的導(dǎo)熱系數(shù)小。其傳熱特點(diǎn)是，中間涂料層的溫差很大，鑄件和鑄型中的溫差很小，可忽略不計(jì)（圖1.6）。熱交換主要取決于中間涂料層的導(dǎo)熱。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程中傳熱(chun r)的方式與特

9、點(diǎn) 第16頁(yè)/共63頁(yè)第十七頁(yè)，共63頁(yè)。3金屬(jnsh)凝固層熱阻起決定作用鑄件在水冷金屬(jnsh)型中凝固時(shí)，金屬(jnsh)型的冷卻能力遠(yuǎn)大于金屬(jnsh)凝固層的導(dǎo)熱能力。當(dāng)液態(tài)金屬(jnsh)澆入型腔之后，金屬(jnsh)的表面溫度便由熔點(diǎn)突然降至很低的溫度，造成鑄件金屬(jnsh)凝 固 層 的 溫 差 很 大 ， 金 屬(jnsh)型的溫差很?。ㄈ鐖D1.7），可忽略不計(jì)。熱交換主要取決于金屬(jnsh)凝固層的導(dǎo)熱。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程(guchng)中傳熱的方式與特點(diǎn) 第17頁(yè)/共63頁(yè)第十八頁(yè)，共63頁(yè)。4金屬凝固層熱阻和鑄型熱阻共同起決定

10、作用在非水冷厚壁金屬型鑄造的情況下，鑄型與鑄件充分接觸時(shí)，由于(yuy)鑄件金屬凝固層、鑄型、鑄件-鑄型界面的導(dǎo)熱系數(shù)接近，鑄件和鑄型的溫差都比較大（圖1.8）。熱交換由金屬凝固層和鑄型的熱阻共同控制。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程中傳熱的方式(fngsh)與特點(diǎn) 第18頁(yè)/共63頁(yè)第十九頁(yè)，共63頁(yè)。結(jié)論：鑄件中間層鑄型(zh xn)系統(tǒng)中，熱阻最大的組元是傳熱過(guò)程的決定性因素。通常利用該因素控制鑄件的凝固過(guò)程。 1.1 金屬(jnsh)凝固的溫度場(chǎng)2、凝固過(guò)程(guchng)中傳熱的方式與特點(diǎn) 第19頁(yè)/共63頁(yè)第二十頁(yè)，共63頁(yè)。 研究金屬(jnsh)凝固溫度場(chǎng)的意義

11、 對(duì)金屬凝固過(guò)程中溫度場(chǎng)的變化進(jìn)行研究，就是要獲得鑄件任一位置在任一時(shí)刻的溫度情況。從而根據(jù)鑄件溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化特征，預(yù)計(jì)鑄件凝固過(guò)程中其斷面上各時(shí)刻的凝固區(qū)域的大小及變化、凝固前沿向中心的推進(jìn)(tujn)速度、鑄件結(jié)構(gòu)上各部分的凝固次序等重要問(wèn)題。為正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、設(shè)置冒口、冷鐵以及采取其他工藝措施控制凝固過(guò)程提供可靠的依據(jù)。對(duì)于消除凝固缺陷、提高鑄件組織及性能、獲得高質(zhì)量的鑄件非常重要。主要方法：數(shù)學(xué)分析法（解析法）、數(shù)值計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)測(cè)定法。3、金屬凝固(nngg)溫度場(chǎng)的測(cè)定 1.1 金屬凝固的溫度場(chǎng)第20頁(yè)/共63頁(yè)第二十一頁(yè)，共63頁(yè)。（1）解析法： 傅里葉導(dǎo)熱微分方程（不穩(wěn)定導(dǎo)

12、熱微分方程）: 式中：為導(dǎo)溫系數(shù)，=/c，單位為m2/s，表示物體使其內(nèi)部各點(diǎn)的溫度趨于一致的能力。其中，為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m），表示物體的導(dǎo)熱能力；c為比熱容（J/kg）；為密度(kg/m3)。 將溫度的各個(gè)邊界條件和初始條件代入求解，獲得液相、固相及鑄型(zh xn)中不同時(shí)刻溫度場(chǎng)的解析表達(dá)式：3、金屬(jnsh)凝固溫度場(chǎng) )/(/222222ztytxtt)2(xDerfct第21頁(yè)/共63頁(yè)第二十二頁(yè)，共63頁(yè)。（1）解析法：下面以一維半無(wú)限大鑄件凝固為例進(jìn)行說(shuō)明，圖1.9。邊界條件：（1） 鑄型與鑄件邊界：ti； （2） 凝固層與液相邊界：tk。初始條件：（1）液態(tài)(yti)金屬原

13、始溫度：tL0；（2）鑄型原始溫度：tM0。 3、金屬(jnsh)凝固溫度場(chǎng) 第22頁(yè)/共63頁(yè)第二十三頁(yè)，共63頁(yè)。（1）解析(ji x)法： 通解3、金屬(jnsh)凝固溫度場(chǎng) SSikiSxerferftttt2)2/(LLkLLLxerferftttt2)2/(00MiMiMxerftttt2)(0第23頁(yè)/共63頁(yè)第二十四頁(yè)，共63頁(yè)。（2） 數(shù)值計(jì)算法 數(shù)值計(jì)算法是把所研究的物體從時(shí)間和位置上分割成許多小單元，對(duì)于這些小單元用差分方程式近似地代替微分方程式，給出初始條件和邊界條件，逐個(gè)計(jì)算各單元溫度的一種方法。即使鑄件形狀很復(fù)雜，也只是計(jì)算式和程序煩雜而已，在原則上都是可以計(jì)算的。

14、 數(shù)值計(jì)算法比其它近似計(jì)算法準(zhǔn)確性高，當(dāng)單元選得足夠小時(shí)，差分方程的離散誤差趨于零。用差分法把定解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，就可由電子計(jì)算機(jī)計(jì)算。 數(shù)值計(jì)算法有種種方法，目前(mqin)，有限差分法應(yīng)用較多。 3、金屬(jnsh)凝固溫度場(chǎng) 第24頁(yè)/共63頁(yè)第二十五頁(yè)，共63頁(yè)。（3）測(cè)溫法3、金屬(jnsh)凝固溫度場(chǎng) 測(cè)溫法是獲得金屬凝固溫度場(chǎng)最通用的方法，它是通過(guò)在鑄型中安放熱電偶直接測(cè)出金屬凝固過(guò)程的溫度變化情況,下圖。將各測(cè)溫點(diǎn)在不同時(shí)間(shjin)的溫度測(cè)量出來(lái)后，以時(shí)間(shjin)為橫坐標(biāo)，溫度為縱坐標(biāo)，繪制冷卻曲線。第25頁(yè)/共63頁(yè)第二十六頁(yè)，共63頁(yè)。（3）測(cè)溫法3、金屬(

15、jnsh)凝固溫度場(chǎng) 根據(jù)冷卻曲線繪制的鑄件斷面(dun min)上不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)。 第26頁(yè)/共63頁(yè)第二十七頁(yè)，共63頁(yè)。4 影響金屬凝固溫度場(chǎng)的因素(yn s) 四個(gè)方面： 1）凝固金屬的性質(zhì)； 2）鑄型的性質(zhì)； 3）澆注條件； 4）鑄件結(jié)構(gòu)。第27頁(yè)/共63頁(yè)第二十八頁(yè)，共63頁(yè)。1金屬性質(zhì)的影響 1） 金屬的導(dǎo)溫系數(shù) 金屬的導(dǎo)溫系數(shù)大，鑄件(zhjin)內(nèi)部的溫度均勻化的能力就大，溫度梯度就小，即斷面上的溫度分布較平坦。 例如：鋁的導(dǎo)溫系數(shù)比鐵碳合金高9-11倍，而高合金的導(dǎo)溫系數(shù)只有碳鋼的1/3左右。 2） 結(jié)晶潛熱 金屬的結(jié)晶潛熱大，向鑄型傳熱的時(shí)間則要長(zhǎng)，鑄型內(nèi)表面被加熱的溫

16、度也越高，因此鑄件(zhjin)斷面上的溫度梯度較小，鑄件(zhjin)冷卻速度下降，溫度場(chǎng)分布較平坦。 3） 金屬的凝固溫度 金屬的凝固溫度越高，在凝固過(guò)程中鑄件(zhjin)表面和鑄型內(nèi)表面的溫度越高，鑄型內(nèi)外表面的溫差就越大，鑄型導(dǎo)熱速度提高，致使鑄件(zhjin)斷面溫度場(chǎng)出現(xiàn)較大的梯度。 如：有色金屬與鋼鐵相比，凝固溫度低，其溫度場(chǎng)較平坦。ca 第28頁(yè)/共63頁(yè)第二十九頁(yè)，共63頁(yè)。 2. 鑄型性質(zhì)的影響(yngxing) 1）鑄型的蓄熱系數(shù) 鑄型的蓄熱系數(shù)越大，對(duì)鑄件的冷卻能力就越大，鑄件的溫度梯度就越大。 鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)越大，能把鑄型內(nèi)表面吸收的熱迅速傳至外表面，使鑄型內(nèi)表面保

17、持強(qiáng)的吸熱能力，鑄件內(nèi)的溫度梯度也就大。 不同鑄型材料的導(dǎo)熱能力（從大到小排列）： 水冷金屬型（尤其是紫銅）、銅鑄型、鑄鐵型、涂料金屬型、砂型。 鑄型厚度的影響(yngxing)： 對(duì)于鋁、鎂、銅等低熔點(diǎn)合金，厚壁金屬型比薄壁金屬型冷卻能力大； 對(duì)于鑄鐵件、鑄鋼件等高熔點(diǎn)合金，金屬型的壁厚對(duì)冷卻速度影響(yngxing)不大。cb 第29頁(yè)/共63頁(yè)第三十頁(yè)，共63頁(yè)。 2. 鑄型性質(zhì)的影響2）鑄型的預(yù)熱(y r)溫度的影響 鑄型預(yù)熱(y r)溫度越高，對(duì)鑄件的冷卻作用就越小，鑄件斷面上的溫度梯度也就越小。第30頁(yè)/共63頁(yè)第三十一頁(yè)，共63頁(yè)。3澆注條件的影響 澆注溫度越高，過(guò)熱熱量加熱了鑄

18、型，所以過(guò)熱度越大，相當(dāng)于鑄型預(yù)熱溫度越高。鑄件內(nèi)的溫度場(chǎng)越平坦(pngtn)。 金屬型導(dǎo)熱快，澆注溫度的影響不大；砂型導(dǎo)熱慢，澆注溫度的影響比較大。 一般澆注溫度在金屬凝固溫度以上100內(nèi)。4鑄件結(jié)構(gòu)的影響1）鑄件的壁厚 厚壁鑄件比薄壁鑄件含有更多的熱量，當(dāng)凝固層向中心推進(jìn)時(shí)，把鑄型加熱到更高溫度，所以鑄件內(nèi)溫度場(chǎng)較平坦(pngtn)。2）鑄件的形狀 鑄件的棱角和彎曲表面，與平面的散熱條件不同。向外凸出的部分，散熱快，鑄件的冷速較大，溫度場(chǎng)陡峭；如果鑄件內(nèi)凹的表面，則相反。 第31頁(yè)/共63頁(yè)第三十二頁(yè)，共63頁(yè)。4鑄件結(jié)構(gòu)的影響2）鑄件的形狀 鑄件的棱角和彎曲表面，與平面(pngmin)的

19、散熱條件不同。向外凸出的部分，散熱快，鑄件的冷速較大，溫度場(chǎng)陡峭；如果鑄件內(nèi)凹的表面，則相反。 第32頁(yè)/共63頁(yè)第三十三頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬(jnsh)的凝固方式液態(tài)金屬澆入鑄型以后，隨著溫度的降低，便要發(fā)生凝固(nngg)。除純金屬和共晶合金以外，凝固(nngg)都在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。在凝固(nngg)過(guò)程中，斷面一般呈現(xiàn)三個(gè)區(qū)域：固相區(qū)、凝固(nngg)區(qū)（液固兩相區(qū)）、液相區(qū)。三個(gè)區(qū)域在鑄件斷面的位置和寬窄隨時(shí)間發(fā)生變化。這種凝固(nngg)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化情況可用凝固(nngg)動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)行分析。金屬的凝固(nngg)方式（逐層凝固(nngg)、糊狀凝固(nngg)、中間凝

20、固(nngg)）取決于凝固(nngg)區(qū)的寬度，可以直接從凝固(nngg)動(dòng)態(tài)曲線上判斷。第33頁(yè)/共63頁(yè)第三十四頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固方式(fngsh)1.2.1 凝固動(dòng)態(tài)曲線（凝固動(dòng)態(tài)圖）利用凝固動(dòng)態(tài)曲線可以(ky)找到任一時(shí)刻合金內(nèi)部的凝固情況。第34頁(yè)/共63頁(yè)第三十五頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固方式(fngsh)1.2.2 凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)某一瞬間鑄件(zhjin)內(nèi)凝固區(qū)域的確定： 第35頁(yè)/共63頁(yè)第三十六頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固(nngg)方式1.2.2 凝固(nngg)區(qū)域及其結(jié)構(gòu)凝固(nngg)區(qū)域的結(jié)構(gòu)示意圖(另一半與之對(duì)稱)： 第36頁(yè)/共63頁(yè)

21、第三十七頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬(jnsh)的凝固方式1.2.3 凝固方式及其影響因素 1. 凝固方式 根據(jù)凝固區(qū)域的寬窄(kunzhi)可將鑄件的凝固方式分為逐層凝固、體積凝固（糊狀凝固）、中間凝固三種方式。 第37頁(yè)/共63頁(yè)第三十八頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固方式(fngsh)1.2.3 凝固方式(fngsh)及其影響因素 (1) 逐層凝固(nngg)屬于逐層凝固(nngg)的金屬：純銅、純鋁、灰鑄鐵、低碳鋼等 。第38頁(yè)/共63頁(yè)第三十九頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固方式(fngsh)1.2.3 凝固方式(fngsh)及其影響因素 (2) 體積(tj)凝固屬于這種凝固方式的金屬

22、有：球墨鑄鐵(qim-zhti)、高碳鋼、錫青銅等。 第39頁(yè)/共63頁(yè)第四十頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固(nngg)方式1.2.3 凝固(nngg)方式及其影響因素 (3) 中間(zhngjin)凝固大多數(shù)合金都是以中間凝固方式進(jìn)行凝固，如中碳鋼、白口(biku)鑄鐵等。 第40頁(yè)/共63頁(yè)第四十一頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固(nngg)方式1.2.3 凝固(nngg)方式及其影響因素 根據(jù)凝固動(dòng)態(tài)(dngti)曲線上的“液相邊界”與“固相邊界”之間的縱向距離可以直接判斷凝固區(qū)域的寬度，并確定凝固方式。 第41頁(yè)/共63頁(yè)第四十二頁(yè)，共63頁(yè)。（1）合金(hjn)的結(jié)晶溫度范圍：取決

23、于鑄件材料。（2）鑄件的溫度梯度：是調(diào)節(jié)凝固方式的重要因素。1.2 金屬的凝固(nngg)方式1.2.3 凝固(nngg)方式及其影響因素 2. 影響凝固(nngg)方式的因素第42頁(yè)/共63頁(yè)第四十三頁(yè)，共63頁(yè)。第43頁(yè)/共63頁(yè)第四十四頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固方式1.2.4 凝固方式對(duì)鑄件(zhjin)質(zhì)量的影響(1) 逐層凝固(nngg)純金屬和共晶(n jn)成分合金的凝固過(guò)程 窄結(jié)晶溫度范圍合金的凝固過(guò)程 第44頁(yè)/共63頁(yè)第四十五頁(yè)，共63頁(yè)。逐層凝固(nngg)縮孔特點(diǎn)1.2 金屬的凝固(nngg)方式1.2.4 凝固(nngg)方式對(duì)鑄件質(zhì)量的影響(1) 逐層凝固(n

24、ngg)對(duì)鑄件的影響：（1）形成集中的縮孔（可通過(guò)設(shè)置冒口消除）。（2）熱裂傾向小。逐層凝固方式具有良好的充填及補(bǔ)縮條件。第45頁(yè)/共63頁(yè)第四十六頁(yè)，共63頁(yè)。體積凝固(nngg)過(guò)程體積凝固(nngg)方式的縮松1.2 金屬的凝固方式1.2.4 凝固方式對(duì)鑄件質(zhì)量(zhling)的影響(2) 體積凝固對(duì)鑄件的影響：（1）形成分散性的縮孔即縮松 。（2）熱裂的傾向大 。體積凝固時(shí)充填和補(bǔ)縮條件變差。第46頁(yè)/共63頁(yè)第四十七頁(yè)，共63頁(yè)。1.2 金屬的凝固方式1.2.4 凝固方式對(duì)鑄件質(zhì)量(zhling)的影響對(duì)于這類合金鑄件，采用普通冒口消除其縮松是很困難(kn nn)的，而往往必須采取其

25、它措施，如增加冒口的補(bǔ)縮壓力，加速鑄件冷卻等方法，以增加鑄件的致密性。(2) 體積(tj)凝固第47頁(yè)/共63頁(yè)第四十八頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間 金屬的凝固時(shí)間，是指從液態(tài)金屬充滿鑄型后至凝固完畢所需要的時(shí)間。 在設(shè)計(jì)冒口和冷鐵時(shí)需要對(duì)鑄件的凝固時(shí)間進(jìn)行估算，以保證冒口和冷鐵具有合適(hsh)的尺寸和正確的位置。 對(duì)于大型或重要鑄件，為了掌握其開(kāi)箱時(shí)間，也需要對(duì)凝固時(shí)間進(jìn)行估算。 鑄件凝固時(shí)間可以采用熱電偶直接測(cè)定，也可以通過(guò)計(jì)算來(lái)確定。 下面主要介紹砂型鑄造和金屬型鑄造情況下，凝固時(shí)間的計(jì)算方法。第48頁(yè)/共63頁(yè)第四十九頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)

26、間1.3.1 砂型鑄造(zhzo)條件下的鑄件凝固時(shí)間 1鑄件和鑄型(zh xn)斷面上溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化模型tmt20 砂型熱阻對(duì)換熱起主要作用，溫度梯度主要集中在砂型中，鑄件和中間層的溫度梯度可以忽略。第49頁(yè)/共63頁(yè)第五十頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間1.3.1 砂型鑄造條件(tiojin)下的鑄件凝固時(shí)間 1鑄件和鑄型(zh xn)斷面上溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化模型為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)該模型做如下假設(shè)：1）鑄件與鑄型都是半無(wú)限大，其接觸面為無(wú)限大平面；2）與液態(tài)金屬接觸的鑄型表面溫度，澆注后立即達(dá)到金屬表面溫度，且以后保持不變；3）凝固是在恒溫下進(jìn)行的；4）除凝固潛熱外，在凝固過(guò)程中沒(méi)有

27、釋放其他熱量；5）鑄型和金屬的熱物理性質(zhì)不隨溫度變化；6）由于液態(tài)金屬對(duì)流作用所引起的溫度場(chǎng)的改變略去不計(jì)；7）與凝固潛熱相比，金屬的顯熱可以忽略不計(jì)。第50頁(yè)/共63頁(yè)第五十一頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間1.3.1 砂型鑄造(zhzo)條件下的鑄件凝固時(shí)間 2凝固時(shí)間的計(jì)算 單位時(shí)間、單位面積(min j)，鑄型-鑄件界面換熱： 金屬釋放的結(jié)晶潛熱q1 = 鑄型吸收的熱量q2tmt20dLdq/11022)/(xxtq第51頁(yè)/共63頁(yè)第五十二頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間1.3.1 砂型鑄造(zhzo)條件下的鑄件凝固時(shí)間 k1）平方根定律(dngl)

28、：)2/(/kddv2）鑄件的凝固速度： 圖1.28-與-的關(guān)系曲線1-曲線；2-曲線結(jié)論：k 為鑄件的凝固系數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。 第52頁(yè)/共63頁(yè)第五十三頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間1.3.1 砂型(shxng)鑄造條件下的鑄件凝固時(shí)間 局限：只能用于大型平板鑄件(zhjin)凝固時(shí)間的計(jì)算。不能用于其他形狀，如立方體、圓柱體、球體等鑄件(zhjin)的凝固時(shí)間的計(jì)算。3）凝固時(shí)間（平板鑄件的厚度為D）：22)4/1 (Dk結(jié)論：2D第53頁(yè)/共63頁(yè)第五十四頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間1.3.1 砂型(shxng)鑄造條件下的鑄件凝固時(shí)間 為了考慮鑄

29、件(zhjin)形狀的影響，Chvorinov引入了鑄件(zhjin)模數(shù)的概念，將“平方根定律”發(fā)展為著名的“Chvorinov法則”。 對(duì)于平板鑄件(zhjin)，當(dāng)表面面積為S時(shí)，體積V=SD，散熱表面積可近似為2S，則鑄件(zhjin)的體積與散熱的表面積之比為M = D/2。 22)/1 (Mk M稱為鑄件模數(shù)，又稱當(dāng)量厚度、折算厚度，定義為鑄件體積與鑄件有效散熱表面積之比。 右式就是著名的“Chvorinov法則”。利用這個(gè)法則，可以計(jì)算立方體、圓柱體、球體等鑄件的凝固時(shí)間。22)4/1 (Dk改寫(xiě)為第54頁(yè)/共63頁(yè)第五十五頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間1.3.1 砂型(shxng)鑄造條件下的鑄件凝固時(shí)間 鑄件模數(shù) M 的意義：當(dāng)液態(tài)金屬、鑄型、澆注條件一定時(shí)，鑄件的凝固時(shí)間主要決定于鑄件本身所含熱量的大小以及冷卻時(shí)散熱的快慢(kuimn)。前者與鑄件體積成正比，后者則與鑄件表面積成正比。鑄件體積越大，所含熱量就越多，凝固時(shí)間就越長(zhǎng)；鑄件表面積越大，散熱面積就越大，凝固時(shí)間就越短。 第55頁(yè)/共63頁(yè)第五十六頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(jnsh)的凝固時(shí)間1.3.1 砂型鑄造條件(tiojin)下的鑄件凝固時(shí)間 表1.3不同形狀鋼鑄件凝固時(shí)間第56頁(yè)/共63頁(yè)第五十七頁(yè)，共63頁(yè)。1.3 金屬(