材料加工原理課件第4講

3.1

液態(tài)金屬的流動性與充型能力液態(tài)金屬充型流動的特點：流動中被冷卻，溫度降低，粘度增大→流速和流動狀態(tài)會變化短時間、短流道流動，多局部阻力→非穩(wěn)定流動流動中降溫、結(jié)晶→停止流動，與金屬的凝固方式有關(guān)液態(tài)金屬的充型能力充型是指液態(tài)金屬充填鑄型型腔的過程；液態(tài)金屬的充型能力(Mold

Filling

Capacity)是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力，否則會產(chǎn)生“澆不足”的缺陷。金屬液的流動性——液態(tài)金屬的流動性是指金屬液的流動能力。流動性好的液態(tài)金屬，充型能力強，易于充滿薄

而復雜的型腔，有利于金屬液中氣體、雜質(zhì)的上

浮并排除，有利于對鑄件凝固時的收縮進行補縮；流動性不好的液態(tài)金屬，充型能力弱，鑄件易產(chǎn)生澆不足、氣孔、夾雜、縮孔、熱裂等缺陷。合金流動性的好壞，通常以“螺旋形流動性試樣”的長度來衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。

6

0.45%C鑄鋼：200mm出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵：1800mm合金的螺旋形流動性實驗

實驗與模擬均證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。

液態(tài)金屬的充型能力取決于：內(nèi)因——金屬本身的流動性(流動能力)；外因——鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素。影響充型能力的因素是通過2個途徑起作用的：影響金屬與鑄型之間的熱交換作用，從而改變金屬液的流動時間；影響金屬液在鑄型中的水力學條件，從而改變金屬液的流速。影響液態(tài)金屬充型性的最主要的因素金屬性質(zhì)澆注條件鑄型條件A.

金屬性質(zhì)①

合金種類不同的合金，充型性差異很大。。例如：灰鑄鐵充型能力最好，鑄鋼的充型性②

合金的成分同種合金中，成分不同，結(jié)晶特征不同，充型性差異很大。純金屬和共晶成分的合金非共晶成分的合金合金的凝固特性1)逐層凝固2)體積凝固3)中間凝固合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，充型性越差。純金屬（小兩相區(qū)合金）的停止流理充型能力強寬結(jié)晶溫度區(qū)合金的停止流理前端析出15~20％的固相量時，流動就停止。③金屬的物理性質(zhì)比熱、密度、導熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱等。液態(tài)合金的比熱容和密度越大，導熱系數(shù)越小，凝固時結(jié)晶潛熱得越多，合金處于液態(tài)的時間越長，因而充型性越好。此外，液態(tài)金屬中的不溶雜質(zhì)和氣體對流動充型性也有很大影響。B.

澆注條件①

澆注溫度②

充型壓力C.

鑄型條件①

鑄型性質(zhì)②

鑄型溫度③

鑄件結(jié)構(gòu)總結(jié)：在實際生產(chǎn)中，必須根據(jù)具體情況找出其中的主要因素并采取相應(yīng)的措施，才能有效地提高液態(tài)金屬的充型能力。金屬鑄造成形時，一般應(yīng)盡量選用共晶成分合金，或結(jié)晶溫度范圍小的合金；并盡量提高金屬液的品質(zhì)，金屬液越純凈，含氣體、夾雜物越少，流動性越好。對于特定的金屬，可采取提高澆注溫度和充型壓頭、合理設(shè)置澆注系統(tǒng)和改進鑄件結(jié)構(gòu)等措施來提高液態(tài)金屬的充型能力。充型過程的物理模型l

v

tv

2gH影響充型能力的因素及提高充型能力的措施第一類因素——金屬性質(zhì)方面：1，c1,1,L,,,T(結(jié)晶特點)第二類因素——鑄型性質(zhì)方面：2，c2,2,T型，涂料層，透氣性第三類因素——澆注條件方面：T澆，H(壓頭)，外力場第四類因素——鑄件結(jié)構(gòu)方面：鑄件厚度，結(jié)構(gòu)復雜程度(型腔)P

TL

T型2gH

F1

kL

c1

(T澆

Tk

)l

3.2液態(tài)金屬凝固過程中的流動1、自然對流由密度差引起的浮力流液態(tài)金屬凝固過程中的流動1、自然對流由密度差引起的浮力流液態(tài)金屬凝固過程中的流動2、強迫對流（外加壓力 動）沖擊力：F

=

2ρg

S

H渦流：v

·r

=

const3.2.2凝固過程中液相區(qū)的液體流動

d

xdy則在y方向上的梯度：dy

2d

d

2vdy

x

根據(jù)牛頓定律：0

gTd

dy

l

y

2

d

vx0

Tdy

2

2

1

g

T根據(jù)邊界條件求解：

l

y

l

vx

0

T

12

gTl

2

y

3T

0

0

T

m21

TTm

T

yl無量綱化l

y

l

vx

l

vx

0

33212

2

gTl0

TT

12

G

1

3

對流強度的

Grashof

Number溫度對流濃度對流

2GT

2

gTl3

0

T

2

2

gCl3GC

0

C

液態(tài)金屬在枝晶間的流動3.3

材料的流變行為物體按流變學特性分類單純物體的流變特性復雜物體的流變特性合金的流變（半固態(tài)）加工流變性能的力學模型材料的簡單流變性能理想物體的流變性能帕斯卡體Pascal

body（理想液體）歐幾里德體

Euclid

body

（絕對剛體）單純材料的流變性能虎克體Hookebody牛頓體Newton

body圣維南體Saint

Venantbody–機械模型符號Hooke

body

Newton

body

Saint

Venant

bodyPH

PN

PfsSPs機械模型及符號材料的復雜流變性能（1）串聯(lián)體“—”（2）并聯(lián)體

“|”P1L1P2P3L2L3PP1

L1P2

L2P3

L3LPPP開爾文體（Kelvin

body）機械模型結(jié)構(gòu)公式：K=H

|

N本構(gòu)方程為：t>0微分方程的解為：

G

ttt

dt

G0

1

exp0

0

exp

G

t

t

麥克斯韋體（Maxwell

body）結(jié)構(gòu)公式：M

=

H-N本構(gòu)方程為：t>0微分方程的解為：ttt

dt

G0

exp0

0

exp

G

t

t

GG

施韋道夫體（Schwedoff

body）結(jié)構(gòu)公式：Sch=H

-[（H

-

N）|

S]

=H-

M|

S本構(gòu)方程為：微分方程的解為：

S

S

G1

G2

G1

S

SStSdt

G

G

G

G

t

t

t02

1G1G2tG1G2G1

G2

01

20G

G

1

2

exp

exp

賓漢體（Bingham

body）結(jié)構(gòu)公式：B=

H-（N|S）本構(gòu)方程為：微分方程的解為：

S

G

G

S

SSttdt

G

t0

exp

exp

G

t

t

G0

S0鑄造Al-Si合金的流變特性合金的流變性能與半固態(tài)鑄造半固態(tài)流變鑄造流程半固態(tài)合金流變性能力學模型在凝固溫度范圍內(nèi)（液相至固相）合金的流變性能的力學模型可由賓漢體串聯(lián)開爾文體組合而成。T=H1

—

(S

|

N1)

—

(H2

|

N2)式中，T為合金本身流變模型代號。本構(gòu)方程建立結(jié)晶溫度范圍內(nèi)合金的應(yīng)力－應(yīng)變本構(gòu)方程，求得合金流變性參數(shù)：

2

12

1

1

1 2

2221211

2

S