1、返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1512.1 2.1 液态金属的流动性与充型能力液态金属的流动性与充型能力 充型能力是指充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力能力，即液态金属充填铸型的能力。是设计浇注系统的重要依据之一；此外，即液态金属充填铸型的能力。是设计浇注系统的重要依据之一；此外还涉及此过程中可能产生的浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性还涉及此过程中可能产生的浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入
2、性气孔、夹砂等缺陷的防止措施气孔、夹砂等缺陷的防止措施。因此获得质量健全的铸件必须对此进行掌握因此获得质量健全的铸件必须对此进行掌握和控制和控制.1、充型能力的基本概念、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施第1页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1522.1.1 流动性与充型能力的基本概念 液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力，简称件的能力，即液态金属充填铸型的能力，简称液态金属液态金属的充
3、型能力的充型能力。实验证明，同一种金属用不同的铸造方法，所能铸造的实验证明，同一种金属用不同的铸造方法，所能铸造的铸件最小壁厚不同。同样的铸造方法，由于金属不同，铸件最小壁厚不同。同样的铸造方法，由于金属不同，所能得到的最小壁厚也不同，如表所示。所能得到的最小壁厚也不同，如表所示。种类种类铸铸 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 属属 型型熔模铸造熔模铸造壳壳 型型压压 铸铸灰铸铁灰铸铁3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-铸钢铸钢4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-铝合金铝合金3 33-43-4-0.6-0.8
4、0.6-0.8第2页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-153影响因素影响因素（1 1）金属的成分。）金属的成分。（2 2）液体的温度。）液体的温度。（3 3）杂质的含量和状态及物理特性）杂质的含量和状态及物理特性。结论：结论：液态金属的充型能力首先取决于金属本身的液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，使各种因素的注条件、铸件结构等因素的影响，使各种因素的综合反映。综合反映。
5、流动性：金属本身的流动能力，称为流动性：金属本身的流动能力，称为“流动性流动性”，是金属铸造性能之一。是金属铸造性能之一。重点：区别流动性和充型能力是两个不同的概念第3页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-154 金属的流动性对于金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、排出其中的气体、杂质和补缩、防裂防裂,获得优质铸件有影响。获得优质铸件有影响。金属的流动性好，气体和杂质金属的流动性好，气体和杂质易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气
6、孔和杂质的铸件。良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到件。良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属液的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得金属液的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，因此，有利于这些缺陷的防止。到液态金属的弥合，因此，有利于这些缺陷的防止。液态金属的流动性是用浇注液态金属的流动性是用浇注“流动性流动性”试样的方法衡量的试样的方法衡量的。在实际中，是将试样的在实际中，是将试样的结构结构和和铸型性质铸型性质固定不变，在相同的固定不变，在相同的浇注条件浇注条件下，浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度或下，浇注各种合金的流动性试样，以试
7、样的长度或以试样某处的厚薄程度表示该合金的流动性。以试样某处的厚薄程度表示该合金的流动性。由于很难对各种合金在不同的铸造条件下的充型能力进行比由于很难对各种合金在不同的铸造条件下的充型能力进行比较。常常用上述固定条件下测得合金流动性表示合金的充型较。常常用上述固定条件下测得合金流动性表示合金的充型能力。能力。可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。第4页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1552.1.2 2.1.2 影响充型能力的因素及
8、提高充型能力的措施影响充型能力的因素及提高充型能力的措施影响充型能力的因素大致可以归纳为四类：影响充型能力的因素大致可以归纳为四类：第一类因素第一类因素-金属性质方面的因素金属性质方面的因素（1 1）金属的密度）金属的密度1 1（成分）；（成分）；（2 2）金属的比热容）金属的比热容c c1 1；（3 3）金属的导热系数）金属的导热系数1 1；（4 4）金属的结晶潜热）金属的结晶潜热L;L;（5 5）金属的粘度）金属的粘度;（6 6）金属的表面张力）金属的表面张力;（7 7）金属的结晶特点。）金属的结晶特点。第二类因素第二类因素-铸型性质方面的因素铸型性质方面的因素（1 1）铸型的蓄热系数）铸
9、型的蓄热系数b b2 2；（2 2）铸型的密度）铸型的密度2 2 ；（3 3）铸型的比热容）铸型的比热容C C2 2；（4 4）铸型的导热系数）铸型的导热系数2 2；型浇T-T)T-(Pa2LK11TcKLAgHvtl合金充型能力计算：合金充型能力计算：第5页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-156（5 5）铸型的温度；）铸型的温度；（6 6）铸型的涂料层；）铸型的涂料层；（7 7）铸型的发气性和透气性。）铸型的发气性和透气性。第三类因素第三类因素-浇注条件方面的因素浇注条件方面的因素
10、（1 1）液态金属的浇注温度）液态金属的浇注温度;（2 2）液态金属的静压头）液态金属的静压头H;H;（3 3）浇注系统中压头损失总合）浇注系统中压头损失总合;（4 4）外力场（压力、真空、离心、振动等）。）外力场（压力、真空、离心、振动等）。第四类因素第四类因素-铸件结构方面的因素铸件结构方面的因素（1 1）铸件的折算厚度）铸件的折算厚度R R R=V R=V（铸件的体积）（铸件的体积）/S/S（铸件的散热表面积）（铸件的散热表面积）或或R=FR=F（铸件的断面积）（铸件的断面积）/P/P（断面的周长）（断面的周长）（2 2）由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失）由铸件结构所规定的
11、型腔的复杂程度引起的压头损失h.h.第6页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-157这类因素是内因，决定了金属本身的流动能力这类因素是内因，决定了金属本身的流动能力-流动性。流动性。1 1、合金的成分合金的成分合金的流动性与其成分合金的流动性与其成分之间存在着一定的规性。之间存在着一定的规性。在流动性曲线上，对应在流动性曲线上，对应着着纯金属、共晶成分纯金属、共晶成分和和金属间化合物金属间化合物的地方出的地方出现最大值，而有结晶温现最大值，而有结晶温度范围的地方流动性下度范围的地方流动性
12、下降，且在降，且在最大结晶温度最大结晶温度范围附近出现最小值。范围附近出现最小值。第7页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-158金属间金属间化合物化合物第8页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-159出气口出气口浇口杯浇口杯PbSb20406080204060800流动性（流动性（cm）100200300温度温度（）0第9页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目
13、录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1510出气口浇口杯合金的螺旋形流动性实验合金的螺旋形流动性实验实验与模拟均证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。实验与模拟均证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。第10页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1511液态金属停止流动机理与充型能力液态金属停止流动机理与充型能力 纯金属、共晶成分合金及结晶温度纯金属、共晶成分合金及结晶温度 宽结晶温度合金停止宽结晶温度合金停止 很窄的合金停止流动机理示意图很
14、窄的合金停止流动机理示意图 流动机理示意图流动机理示意图 第11页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15122 2、结晶潜热、结晶潜热 结晶潜热约占液态金属热含量的85-90，但是，它对不同类型合金的流动性影响是不同的。纯金属和共晶成分的合金在固定温度下凝固，在一般的浇注条件下，结晶潜热的作用能够发挥，是估计流动性的一个重要因素。凝固过程中释放的潜热越多，则凝固进行得越缓慢，流动性就越好。其流动性与结晶潜热相对应：Pb的流动性最差，Al的流动性最好，Zn、Sb、Cd、Sn依次居于中间。
15、对于结晶温度范围较宽的合金，散失一部分(约20)潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，所以对流动性影响不大。第12页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15133 3 金属的比热容、密度和导热系数金属的比热容、密度和导热系数 比热容和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长；导热系数小，在凝固期间液固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好。4 4 液态金属的粘度液态金属的
16、粘度 根据水力学分析，粘度对层流运动的流速影响较大，对紊流运动的流速影响较小。实际测得，金属液在浇注系统中或在试样中的流速，除停止流动前的阶段外都大于临界速度，是紊流运动。在这种情况下，粘度对流动性的影响不明显。第13页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1514 5 5表面张力表面张力 造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角90。故液态金属在铸型细簿部分的液面是凸起的，而由表面张力产生一个指向液体内部的附加压力，阻碍对该部分的充填。所以，表面张力对薄壁铸件、铸件的细簿部分和棱角的成形有
17、影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径越小，表面张力的影响则越大。为克服附加压力的阻碍，必须在正常的充型压头上增加一个附加压头h。液态金属充填铸型尖角处的能力还与铸型的激冷能力有关。在激冷作用较大的铸型中，可在合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料，降低或润湿角。第14页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1515 总结：总结：为提高液态金属的充型能力，在金属方面可采取以下措施：1正确选择合金的成分 在不影响铸件使用性能的情况下，可根据铸件大小、厚簿和铸型性质等因素，将合金成分调整到实际共晶成分
18、附近，或选用结晶温度范围小的合金。对某些合金进行变质处理使晶粒细化，也有利于提高其充型能力2 2合理的熔炼工艺合理的熔炼工艺 保持原材料和熔炼设备的洁净 多次熔炼的铸铁和废钢，应尽量减少用量“高温出炉，低温浇注”第15页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1516 1 1、铸型的蓄热系数、铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数b2表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本身中热量的能力。蓄热系数b2越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。c22-单位体积的铸型在温度升
19、高1时所吸取的热量。此值大，铸型吸取较多的热量而本身的温升较小，使金属与铸型之间在较长时间内保持较大的温差。n 2铸型的导热系数大，表示从金属吸取的热量能很快地由温度较高的型内表面传导到温度较低的“后方”，使铸型参加蓄热的部分增多，从而能够储存更多的热量，并且铸型内表面的热量能迅速传走，温升速度也就比较缓慢，而保持继续吸取热量的能力。2222cb第16页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1517表2-6几种铸型材料的蓄热系数材料铜铸铁铸钢粘土型砂湿砂锯末烟黑温度202020202020
20、500蓄热系数3.671.341.30.110.230.02960.0076在金属型铸造中，经常采用涂料调整其蓄热系数b2。为使金属型浇口和冒口中的金属液缓慢冷却，常在一般的涂料中加入b2很小的石棉粉。在砂型铸造中，利用烟黑涂料解决大型薄壁铝镁合金铸件的成型问题，已在生产中收到效果。第17页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15182 2、铸型温度、铸型温度 预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。例如，在金属型中浇注铝合金铸件铸型温度由340提高到520，在相同的浇注温度
21、（760）下，螺旋线的长度由525mm增加到950mm。用金属型浇注灰铸铁时，铸型的温度不但影响充型能力，而且影响影响铸件是否出现白口组织。在熔模铸造中，为得到清晰的轮廓，将型壳加热到800以上进行浇注第18页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15193.3.铸型中的气体铸型中的气体 铸型有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，利于充型。浇注温度螺旋线长度L/mm1570160016251650干砂型515575600665湿砂型580700750775表
22、2-7 湿砂型和干砂型中钢液流动性的比较第19页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1520根据实验，湿型中的水大于6和煤粉大于7时，由于发气量过大，在型腔中产生反压力，充型能力下降。型腔中气体反压力较大的情况下，金属液可能较不进去，或者浇口杯、顶冒口中出现翻腾现象，甚至飞溅出来伤人。所以，铸型中的气体对充型能力影响很大。减小铸型中气体反压力的途径：（1）适当降低型砂中的含水量和发气物质的含量，亦即减小砂型的发气性；（2）提高砂型的透气性。第20页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内
23、容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15213.3.浇注系统的的结构浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。1.1.浇注温度浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。2.2.充型压力充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。第21页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1522（2 2）铸件复杂程度铸件复杂程度铸件结构复铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就杂，流动阻力大
24、，铸型的充填就困难。困难。（1 1）折算厚度）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。第22页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15232.2 2.2 凝固过程中的液体流动凝固过程中的液体流动凝固过程凝固过程液态流动液态流动浇注和凝固过程中液体的流动可归纳
25、为以下三种：浇注和凝固过程中液体的流动可归纳为以下三种：1浇注时液体在充填铸型过程中的流动浇注时液体在充填铸型过程中的流动受迫流动。受迫流动。2型腔内液体中的自然对流。型腔内液体中的自然对流。内部温度起伏可达内部温度起伏可达15K。3由于凝固收缩、液体收缩及重力等引起液体在枝晶间由于凝固收缩、液体收缩及重力等引起液体在枝晶间及其及其分枝间的流动（小范围、微小的流动）分枝间的流动（小范围、微小的流动）。这种流动对。这种流动对微观缩孔的形成及微观缩孔的形成及成分的偏析成分的偏析有影响。有影响。自然对流：自然对流：由密度差和凝固收缩引起由密度差和凝固收缩引起强迫对流：强迫对流：由压头力、搅拌、电磁等
26、引起由压头力、搅拌、电磁等引起第23页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1524自然对流的速度取决于格拉晓夫数，是温差或溶质浓度差对流的驱动力。自然对流的速度取决于格拉晓夫数，是温差或溶质浓度差对流的驱动力。1、液相区的液体流动、液相区的液体流动一维简化稳态温度场下的温差对流和一维简化稳态温度场下的温差对流和 溶质浓度差对流溶质浓度差对流控制方程：控制方程：2320CglGTrC)(121Re3rTG无量纲距离无量纲距离2320TglGTrTT 膨胀系数膨胀系数温差对温差对流流溶质浓度
27、溶质浓度差对流：差对流：拉格晓夫数拉格晓夫数第24页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15252 凝固过程中液体金属在枝晶间的流动凝固过程中液体金属在枝晶间的流动 液体在液体在枝晶间枝晶间的的流动驱动力流动驱动力来自三个方面，即：凝固时的收缩，来自三个方面，即：凝固时的收缩，由于液体成分变化引起的密度改变，以及液体和固体冷却时各自收缩由于液体成分变化引起的密度改变，以及液体和固体冷却时各自收缩所产生的力。所产生的力。枝晶间距在枝晶间距在10m m量级，量级，枝晶间液体的流动可作为多孔性
28、介质中的流枝晶间液体的流动可作为多孔性介质中的流动处理。流体通过多孔性介质的动处理。流体通过多孔性介质的速度速度一般用达西一般用达西(Darcy)定律来表示定律来表示。()LLKpf vgK为多孔介质的为多孔介质的透过率透过率，K与液体的体积分数有关。与液体的体积分数有关。凝固后期，凝固后期，K K减小，流动困难，减小，流动困难，枝晶间补缩难以发生，易产生缩松。枝晶间补缩难以发生，易产生缩松。第25页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15262.32.3 铸件的凝固铸件的凝固铸造必定具
29、有凝固这一过程，绝大多数的铸造缺陷是伴随凝固过程铸造必定具有凝固这一过程，绝大多数的铸造缺陷是伴随凝固过程而产生的所以，认识铸件的凝固规律，研究凝固过程的控制途径，对而产生的所以，认识铸件的凝固规律，研究凝固过程的控制途径，对于铸造缺陷的防治，改善铸件质量，提高铸件的性能从而获得优质的铸于铸造缺陷的防治，改善铸件质量，提高铸件的性能从而获得优质的铸件，有着十分重要的意义！件，有着十分重要的意义！第26页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15272.3.1 2.3.1 铸件与铸型的热交换
30、特点铸件与铸型的热交换特点液态金属注入铸型以后，随即发生两个过程：v一是液态金属的温度不断下降；v二是铸型受热温度上升。实践证明，铸型的内表面温度与其接近的铸件表面温度是不同的。这说明，在铸件和铸型之间存在着一个中间层。该中间层可能是由于金属收缩使铸件各方向的尺寸缩小和铸型受热后发生膨胀形成的，可能是铸型表面的涂料层，也可能是间隙和涂料兼而有之的中间层。因此，铸件与铸型之间是一个“铸件中间层铸型”的不稳定热交换系统。第27页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15281 1、铸件在绝热铸
31、型中的凝固、铸件在绝热铸型中的凝固 砂型、石膏型、陶瓷型材料的导热系数比金属铸件小得多，可称为绝热铸型。铸件在绝热铸型中冷却凝固时，由于铸型导热系数小，所以铸件冷却缓慢，其断面上温差很小。同样，铸型内表面被铸件加热至很高的温度，而其外表面仍处于较低的温度，断面上的温差很大。绝热铸型本身的热物理性质是决定整个系统热交换过程的主要因素，亦即铸件的冷却强度主要取决铸件的冷却强度主要取决于铸型的热物理参数于铸型的热物理参数。第28页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15292 2、金属铸型界面
32、热阻为主的金属型中的凝固、金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固 较薄的铸件在工作表面涂有较厚涂料的金属型中铸造时，就属于这种情况。铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈，大部分温度降在中间层上，故这类型的传热特点是：铸件断面上的温差和铸型断面上的温差与中间层温差相比显得很小，可以忽略不计。所以，可以认为：铸件铸件和铸型断面上的温度分布实际上是和铸型断面上的温度分布实际上是均匀的，传热过程主要取决于涂料均匀的，传热过程主要取决于涂料层热物理性质层热物理性质 第29页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022
33、-12-15303 3、厚壁金属型中的凝固、厚壁金属型中的凝固 当金属型的涂料层很薄时，铸件的冷却和铸型的加热都很激烈，铸件和铸型断面上都有很大温降。这种类型的传热特点是：中间层（界面）的热阻相对很小，中间层断面的温差与铸件和铸型的温差相比较，就显得很小，可以忽略不计。因此可以认为：铸铸型内表面温度和铸件表面温度相型内表面温度和铸件表面温度相同，传热过程取决于铸件和铸型同，传热过程取决于铸件和铸型的热物理性质。的热物理性质。第30页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1531 上述金属铸
34、型界面热阻为主的金属型中的凝固、厚壁金上述金属铸型界面热阻为主的金属型中的凝固、厚壁金属型中的凝固说明：属型中的凝固说明：金属型铸造完全可以用改变涂料厚金属型铸造完全可以用改变涂料厚度或其热物理性质控制铸件的冷却强度。度或其热物理性质控制铸件的冷却强度。例如在生产中，铸铁件的金属型铸造就是利用涂料防止例如在生产中，铸铁件的金属型铸造就是利用涂料防止铸件产生白口。金属型铸造铝合金件中，常在冒口用的铸件产生白口。金属型铸造铝合金件中，常在冒口用的涂料中加入石棉粉增加热阻，以提高冒口的补缩效果。涂料中加入石棉粉增加热阻，以提高冒口的补缩效果。可以看出：“铸件-中间层（界面）-铸型”系统中各组元的热阻
35、对系统的温度分布影响极大，而热阻最大的组元是传热过程中决定性因素。因此，利用该因素控制铸件的凝固时最有效。第31页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15324 4、水冷金属型中的铸造（非金属铸件在金属型中冷却）、水冷金属型中的铸造（非金属铸件在金属型中冷却）通过控制冷却水温度和流量使铸型温度保持恒定（内表面温度=外表面温度），若不考虑界面热阻的情况下，凝固金属表面温度等于铸型温度。在这种情况下，凝固传热的主要热阻是凝固金属的热阻，铸件中有较大的温度梯度，系统的温度分布如图所示。熔模精密
36、铸造中用金属型压制蜡膜，在金属型中制造塑料制品就属于这种情况。第32页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-15332.3.2 2.3.2 铸件的温度场铸件的温度场不稳定温度场：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）等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集t,z,y,xfT z
37、yxfT,第33页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1534 三维三维傅里叶热传导微分方程为傅里叶热传导微分方程为：式中:导温系数，；拉普拉斯运算符号。二维二维传热传热：一维一维传热传热：TazTyTxTctT22222222222yTxTatT22xTatTcaa2第34页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1535 对具体热场用上述微分方程进行求解时，需要根据具对具体热场用上
38、述微分方程进行求解时，需要根据具体问题给出导热体的初始条件与边界条件。体问题给出导热体的初始条件与边界条件。初始条件初始条件：初始条件是指物体开始导热时（即初始条件是指物体开始导热时（即t=0t=0时）时）的瞬时温度分布。的瞬时温度分布。边界条件边界条件：边界条件是指导热体表面与周围介质间的热边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交换情况。交换情况。第35页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1536 常见的边界条件有以下三类：常见的边界条件有以下三类：第一类边界条件：第一类边界条件：给
39、定物体给定物体表面温度表面温度随时间的变化关系随时间的变化关系 第二类边界条件：第二类边界条件：给出通过物体给出通过物体表面的比热流表面的比热流随时间的变随时间的变化关系化关系 第三类边界条件：第三类边界条件：给出物体周围给出物体周围介质温度介质温度以及物体表面与以及物体表面与周围介质的周围介质的换热系数换热系数 上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。上述三类边界条件中，以第三类边界条件最为常见。nTfwTT tzyxqnT,)(tfTw第36页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12
40、-1537凝固过程中的许多现象都是温度的函数现在随着研究的不断深入，根据温度场的变化可以预测：凝固区域的大凝固区域的大小及变化；凝固前沿向中心推进的速度；缩孔和缩松的位小及变化；凝固前沿向中心推进的速度；缩孔和缩松的位置；凝固时间等并能为正确设计浇注系统，设置冒口、置；凝固时间等并能为正确设计浇注系统，设置冒口、冷铁以及采取其它措施控制凝固过程提供可靠的依据冷铁以及采取其它措施控制凝固过程提供可靠的依据下面我们将对温度场分析测算的基本方法及影响温度场的因素进行介绍：2.3.2 2.3.2 铸件的温度场铸件的温度场第37页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Prin
41、ciple of Materials Forming 2022-12-1538 解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演解析方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。就是解析解。优点优点：是物理概念及逻辑推理清楚，解的函数表达式能：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。各参数变化对温度高低的影响。缺点缺点：通常需要采用多种简化假设，而这些假设往往并：通
42、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（影响。目前，只有简单的一维温度场（“半无限大半无限大”平平板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。板、圆柱体、球体）才可能获得解析解。凝固温度场的求解方法凝固温度场的求解方法第38页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1539 x Ti 铸件 1 c1 1 铸型 2 c2 2T0图图2-3无限大平板铸件凝固温度场分布无限大平
43、板铸件凝固温度场分布T20T10铸型铸型已凝固铸件已凝固铸件剩余剩余液相液相 x Ti 铸件 1 c1 1 铸型 2 c2 2T0图图2-3无限大平板铸件凝固温度场分布无限大平板铸件凝固温度场分布T20T10taxTTTTii11012erftaxTTTTii22022erf第39页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1540 假假 设：设：（1 1）凝固过程的初始状态为：）凝固过程的初始状态为：铸件与铸型内部分别为均温，铸件起始温度为浇铸温铸件与铸型内部分别为均温，铸件起始温度为浇铸温
44、 度，铸型的起始温度为环境温度或铸型预热温度；度，铸型的起始温度为环境温度或铸型预热温度；（2 2）铸件金属的凝固温度区间很小，可忽略不计；）铸件金属的凝固温度区间很小，可忽略不计；（3 3）不考虑凝固过程中结晶潜热的释放；）不考虑凝固过程中结晶潜热的释放；（4 4）铸件的热物理参数与铸型的热物理参数不随温度变化；）铸件的热物理参数与铸型的热物理参数不随温度变化；（5 5）铸件与铸型紧密接触，无界面热阻，即铸件与铸型在）铸件与铸型紧密接触，无界面热阻，即铸件与铸型在 界面处等温界面处等温T Ti i 。第40页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle
45、 of Materials Forming 2022-12-1541 求解一维热传导方程：求解一维热传导方程：通解为：通解为：erferf（x x）为高斯误差函数，其计算式为：）为高斯误差函数，其计算式为：22xTatTatxDCT2erfatxdeatx20222erf第41页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1542 代入铸件（型）的边界条件得：代入铸件（型）的边界条件得：由在界面处热流的连续性条件可得：由在界面处热流的连续性条件可得：铸件侧：铸件侧：铸型侧：铸型侧：taxTTTT
46、ii11012erftaxTTTTii22022erf21202101bbTbTbTitaxbbTbTbbbTbTbT1212021022120210112erftaxbbTbTbbbTbTbT2212011012120210122erf1111cb 2222cb TiTT20T10铸型侧铸件侧第42页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1543 数值方法又叫数值分析法，是用计算机程序来求解数学模型的近似解，又称为数值模拟或计算机模拟。1.差分法 把原来求解物体内随空间、时间连续分布的温
47、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。根据不同的差分格式分为：向前差分、向后差分、平均差分、中心差分等。2.有限元法 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。第43页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1544 铸件温度场测定装铸件温度场测定装置置如图所示如图所示，将一组热，将一组热电偶的热端固定在型腔
48、电偶的热端固定在型腔中的不同位置，利用多中的不同位置，利用多点自动记录电子电位仪点自动记录电子电位仪记录自金属液注入型腔记录自金属液注入型腔起到任意时刻铸件断面起到任意时刻铸件断面上各测温点的温度上各测温点的温度第44页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1545 铸件温度场的绘制方法是：以温度为纵坐标，以离开铸件表面中心的距离为横坐标，连接各点即得到温度场以此类推可绘出各时刻铸件断面的温度场2 2凝固温度场的绘制凝固温度场的绘制第45页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容
49、回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1546 铸型中的全部合金液态几乎同时从浇注温度很快降至凝固温度,接近铸件表面的合金结晶时释放出的结晶潜热，阻止了内部合金液温度继续下降，而保持在凝固温度上，在曲线上表现为平台平台 曲线上的拐点拐点则表示铸件中该等温面上发生凝固的时刻。所以，注意发生这种情况的时刻，就能确定凝固前沿从铸件表面向内部的进程。当铸件中心出现拐点,整个铸件凝固完毕。凝固初期温度梯度大,而后逐渐缓慢,凝固由表及里进行初期大初期大固溶体合金与纯金属固溶体合金与纯金属,结晶潜热很小结晶潜热很小,不能得到明显的拐点不能得到明显的拐点
50、.第46页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1547 Al Al7.55%Si7.55%Si Al-12.3%SiAl-12.3%Si 共晶型合金铸件的典型温度场第47页/共78页返回返回上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录Principle of Materials Forming 2022-12-1548 任一瞬间的温度场是由不同温度的等温面组成的。温度场任何点的温度沿等温面法线方向上的增加率成为该点的温度梯度：因此，温度梯度是表示温度场沿单位长度上的温度变化速率，也是
