2.凝固溫度場的測定.doc

凝固溫度場的測定一、意義和目的鑄件溫度場是指澆注后，某一時刻鑄件內(nèi)部的溫度分布規(guī)律。在溫度場中，向著鑄件中心的方向上單位長度的溫度變化率稱為溫度梯度。本實驗主要是測定凝固時期各個時刻的鑄件溫度場。鑄件凝固時期的溫度場越陡，即溫度梯度越大，則鑄件冷卻得越快，它的凝固速度就越大。某一時刻鑄件溫度場中溫度相同點所組成的面稱為等溫面。對于在一個溫度范圍（結(jié)晶間隔）內(nèi)凝固的合金而言，鑄件斷面中由達到液相線溫度的點所組成的面，稱為液相線等溫面，或稱為液相邊界。同樣，由達到固相線溫度的點組成的面，稱為固相線等溫面，或稱為固相邊界。凝固過程中，鑄件斷面上液相邊界和固相邊界之間的區(qū)域謂之凝固區(qū)域，也就是鑄件凝固過程中凝固并存區(qū)域。闡明凝固時期各個時刻的凝固區(qū)域大小和它從鑄件表面向鑄件中心移動規(guī)律的曲線，稱為凝固動態(tài)曲線。測定凝固動態(tài)曲線能夠比較全面地描繪鑄件凝固過程和研究這種過程。凝固區(qū)域的大小即寬度決定了鑄件的凝固方式，即逐層凝固方式、糊狀凝固方式和中間凝固方式。凝固區(qū)域于狹窄，鑄件越是傾向于逐層凝固方式。這種凝固方式的鑄件容易形成集中縮孔，便于采取措施（例如用冒口）去除鑄件中的集中縮孔；鑄件的熱裂傾向性小和金屬液充型能力較好。凝固區(qū)域越寬，鑄件越是傾向于糊狀凝固方式。這種凝固方式的鑄件容易形成分散性的縮孔即縮松，即使采用冒口亦難以消除這種縮松；鑄件的熱裂傾向性大和金屬液充型能力差。金屬和鑄型兩方面的各種因素決定了凝固區(qū)域的寬窄，也就是決定了鑄件的凝固方式。例如合金的結(jié)晶間隔（液相線到固相線之間的溫度間隔）越大，鑄件的凝固區(qū)域就越寬，糊狀凝固方式的傾向性就越大。反之，結(jié)晶間隔越小，則鑄件的凝固區(qū)域越窄，逐層凝固方式的傾向越大。當合金的化學(xué)成分一定時，也就是結(jié)晶間隔大小一定時，鑄型冷卻能力越大，鑄件溫度場就越陡，溫度梯度就越大，凝固區(qū)域就越窄，強化了逐漸逐層凝固的傾向，可以削弱鑄件糊狀凝固的傾向。將液態(tài)金屬在同一澆注溫度下同時注入幾個同樣的鑄型，經(jīng)過不同的時間間隔，分別使鑄型中尚未凝固的殘余液體流失，獲得固態(tài)金屬硬殼，這種研究凝固的方法稱為傾出法。此法所得到的硬殼內(nèi)表面叫傾出邊界，所得到的硬殼厚度即為該時間間隔內(nèi)，傾出邊界向鑄件中心推進的距離。在凝固動態(tài)曲線圖上再標上不同時間間隔內(nèi)所得到的硬殼厚度的點，并且連結(jié)成線，則就可以得到傾出邊界動態(tài)曲線。在凝固動態(tài)曲線上，如果傾出邊界靠近液相邊界而遠離固相邊界，則說明該合金凝固時初生晶粒容易搭成牢固的晶粒骨架。晶粒骨架中可能存在較多的、被骨架分隔成許多孤立的小熔池，傾出時骨架中有較多的殘余金屬液。這意味著這種合金使鑄件在凝固時期可能較早地產(chǎn)生固態(tài)收縮，具有這種特征的合金就容易產(chǎn)生晶間縮松和熱裂?？梢杂煤辖鸬慕Y(jié)晶間隔tc與鑄件溫度場的溫度降dt（近似地表示溫度梯度）的比值來判斷鑄件的凝固方式。當 時，鑄件傾向于逐層凝固； 時，鑄件傾向于糊狀凝固。本實驗的目的是：1掌握測定鑄件溫度場、凝固動態(tài)曲線和傾出邊界動態(tài)曲線的方法。2為學(xué)習(xí)“鑄件的凝固”章節(jié)打下基礎(chǔ)。二、測定原理測定鑄件溫度場的原理是把具有溫度時間坐標的多根冷卻曲線圖轉(zhuǎn)換成坐標為溫度距離的鑄件溫度場圖。在該圖上可繪制出凝固時期各個時刻的鑄件溫度場。測定凝固動態(tài)曲線的原理是把多根冷卻曲線圖轉(zhuǎn)換成坐標為距離時間的凝固動態(tài)曲線圖。測定鑄件斷面上不同點的多根冷卻曲線圖是繪制這兩種圖的基本依據(jù)。1測定多根冷卻曲線的方法如圖1所示，有一組熱電偶的熱端面在型腔中的不同位置上，離鑄件表面的距離分別為x0、x1、x2、x3、x4和x5。鑄件為圓柱形，半徑為R。x5在鑄件中心上，即x5=R。用多點自動記錄電子電位差計裝置，澆注金屬液后即可繪制出自澆注后至任意時刻的鑄件斷面上各測溫點的冷卻曲線。圖1 測定鑄件斷面上各點的冷卻曲線1熱電偶 2砂型 3金屬型2繪制鑄件溫度場圖和凝固動態(tài)曲線圖如圖2所示，圖中（A）表示合金狀態(tài)圖的一角，澆注金屬液后的成份為mm，其結(jié)晶間隔tc=tL-ts。圖中（B）為圖2-1中各測溫點的冷卻曲線，其縱坐標為溫度，橫坐標為時間。圖中（C）為根據(jù)（B）繪制的鑄件溫度場圖。繪制方法是以溫度為縱坐標，距離為橫坐標。橫坐標上標出各測溫點離鑄件表面的距離x0到x5。圓柱形鑄件直徑為2R（R為半徑）x5=R，故x5在鑄件中心線上。繪制從澆注完畢到x5處凝固結(jié)束，0、1、2、3、4、5和6各時刻的溫度場。在圖（B）上找到0到6各時刻的各測溫點x0到x5的溫度，再將此溫度按圖（C）橫坐標上標距一一相應(yīng)標出，再連成線，即可得圖（C）。例如，在2時刻，由圖（B）可知x0處溫度已遠低于固相線溫度ts，x1處溫度為ts，x2處溫度略低于液相線溫度tL，而x3、x4和x5處溫度皆等于tL。在圖（C）上對應(yīng)于橫坐標分別標出各測溫點的溫度，連成線即畫出2時刻的鑄件溫度場。在圖（B）、（C）上2時刻各測溫點溫度皆以符號表示。鑄件另外一半雖未設(shè)置測溫點，但應(yīng)是對稱于實測的溫度場的另一半曲線。圖（C）中非實測的各時刻的另一半溫度場曲線以虛線表示。從圖2（C）上可以分析以下問題：（1）由于已知tL和ts，故此可以測出凝固時期各個時刻的凝固區(qū)域?qū)挾龋约八院畏N速度向鑄件中心推進；（2）鑄件凝固完畢的時間；（3）可以測出凝固時期各個時刻的溫度降dt，當已知結(jié)晶間隔tc值時即可求得各個時刻的之比值，從而可以判定各個時刻的凝固方式的傾向性。圖2中圖（D）是凝固動態(tài)曲線圖，它也是根據(jù)圖（B）繪制的。圖（D）的橫坐標為時間；縱坐標為鑄件表面至中心的距離，可以用有因次的熱電偶熱端離鑄件表面的距離x0x5表示，亦可以用無因次距離x0/Rx5/R表示。無因次距離中分子x0x5為各個熱電偶熱端離鑄件表面的距離，分母R為圓柱形鑄件的半徑，因為x5=R，所以x5/R=1。固相邊界到達x5/R=1處，則表示鑄件已凝固完畢。采用無因次距離x/R作橫坐標，即用x/R、坐標系目的是使測定的結(jié)果具有可比性，并使得測定的結(jié)果具有比較廣泛的意義，可用于與實驗鑄件尺寸有差別的情況下。圖2 鑄件溫度場和凝固動態(tài)曲線圖的繪制（A）合金狀態(tài)圖一角 （B）各測溫點x0x5的冷卻曲線圖（C）鑄件溫度場圖 （D）凝固動態(tài)曲線圖tL 液相線溫度 ts固相線溫度在圖2中圖（B）的每根冷卻曲線與液相線和固相線交點上，分別往下引出垂線，使之與圖（D）上的各橫坐標線相交而得到相應(yīng)的交點。每條橫坐標線上可得到兩個交點，例如x0線上可得到a、b兩點，a點為x0處達到液相線溫度的時間，而b點為x0處達到固相線溫度的時間。即每條x0x5橫坐標上左邊的點為該處達到液相線溫度的時間而右邊的點則為達到固相線溫度的時間。將x0x5上達到液相線溫度的交點相連，在圖（D）上得到“液相邊界”線；達到固相線溫度的交點相連，則得到“固相邊界”線。圖2中的圖（D）即為凝固動態(tài)曲線圖。圖（D）中的“液相邊界”線表示鑄件斷面中開始凝固的部位和時刻，實質(zhì)上是表示液相線等溫面從鑄件表面向中心推進的動態(tài)特征。該曲線之斜率就表示液相線等溫面向中心推進的深度。圖（D）中的“固相邊界”線則表示鑄件斷面中凝固完畢的部位和時刻，實質(zhì)上是表示固相線等溫面從鑄件表面向中心推進的動態(tài)特征。同樣，該曲線的斜率表示固相線等溫面向中心推進的速度。在圖2的圖（D）上再畫出該種合金的傾出邊界動態(tài)曲線，則可以顯示其凝固區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)特征。從圖2（D）上可以分析以下問題：（1）從其縱坐標上看，具有結(jié)晶間隔的合金在每一時刻，從鑄件表面至固相邊界為固相區(qū)；固相邊界至液相邊界之間的縱向距離為凝固區(qū)域?qū)挾榷合噙吔缰凌T件中心為液相區(qū)。鑄件凝固過程實際上是凝固區(qū)域；不斷推向鑄件中心，液相區(qū)隨之不斷地縮小以至于消失的過程。固相邊界到達鑄件中心就表示鑄件凝固過程已結(jié)束。（2）表征了每一時刻的凝固區(qū)域?qū)挾燃澳虆^(qū)域動態(tài)特征。（3）同傾出邊界動態(tài)曲線結(jié)合起來，可以顯示出凝固區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)特征。三、實驗內(nèi)容：1測定的金屬：純鋁（Al）和鋁銅合金（ZL201，含銅4.55.3%重量比）為測定對象。純鋁：熔點660，比重2.7克/厘米3。鋁銅二元狀態(tài)圖如圖3所示。從該圖上可知在平衡狀態(tài)下，ZL201的液相溫度tL為660，固相線溫度ts為580548。ZL201的結(jié)晶間隔溫度范圍為80108。2鑄件溫度場和凝固動態(tài)曲線的測定：所用的鑄型及熱電偶的安裝位置如圖1所示。金屬型（鑄鐵金屬型）結(jié)構(gòu)參數(shù)及測溫點的位置如表2-1所示。圖3 鋁銅二元狀態(tài)圖表2-1鑄鐵金屬型尺寸及測溫點位置（參閱圖1）（毫米）金屬型高度H金屬型壁厚測溫點離鑄件表面之距離測溫點高H圓柱形鑄件半徑Rx0x1x2x3x4x58030510203040504050用鎳-鉻、鎳-鋁熱電偶測溫和用XWT-664六筆臺式記錄儀自動測繪出各測溫點的冷卻曲線。純鋁和ZL201各澆一個試樣鑄件。3步驟：（1）按x0x5各測溫點位置裝好熱電偶，它們伸入鑄型之高度必須為H，然后造好平面砂型（見圖1之2）作鑄型的底面。用熱源（燒熱的鐵棍等）接觸熱電偶之熱端面以檢查測溫系統(tǒng)是否有故障。（2）在平面砂型上放好金屬型，要注意防止從分型面處跑火。純鋁和ZL201它們的澆注溫度都為7505。（3）盡快澆注，從金屬型頂部澆入，澆滿鑄型。純鋁的和ZL201的各澆一個。（4）金屬溫度降到500，測定結(jié)束。整理實驗場地，從臺式記錄儀上取下記錄。4用殘余金屬液流失法測定金屬殼厚度，確定傾出邊界向鑄件中心的移動距離。測定的金屬為純鋁和ZL201。鑄型結(jié)構(gòu)見圖1，只是型腔內(nèi)不裝測溫的熱電偶。測定步驟如下：(1) 造好平面砂型作為鑄型的底面，放上兩組（每組有四個）金屬型，分別澆注純鋁和ZL201個四個試樣鑄件。(2) 純鋁和ZL201的澆注溫度都為7505，四個鑄型澆入純鋁，另一組四個鑄型澆入ZL201。每個鑄型澆畢立刻就撳秒表。(3) 澆畢。等待一定的時間后，提起金屬型即可使未凝固的金屬液流失，得到凝固的金屬殼，殼之內(nèi)表面即為傾出邊界。可參考表2-2所示的澆畢后等待時間（即金屬殼的凝固時間）來提取金屬型：金屬型序號1234純鋁10152025ZL2015101520在實際操作時應(yīng)注意ZL201試樣鑄件應(yīng)當提取第一個金屬型過早，可能還未結(jié)殼，金屬液會全部流失；后面的幾個金屬型如果等待時間過長，金屬形提取得過晚，則可能根本無殘余金屬液的流失而得不到金屬殼，此時表征著傾出邊界已達到鑄件中心。 （4）從流失金屬液后所得到的金屬殼的頂面以下15毫米處鋸開，測量鋸開處三點的金屬殼厚度，取其平均值作為殼厚。此殼厚即為在相應(yīng)的殼的凝固時間內(nèi)，傾出邊界向鑄件中心推進的距離。 （5）觀察流失金屬液后所得到的金屬殼內(nèi)表面的情況，分析傾出邊界的表面特征。四、實驗報告的主要內(nèi)容和要求1實驗名稱2測定結(jié)果按下表列出殘余金屬液流失法的測定結(jié)果：合金種類金屬殼編號澆注溫度澆畢后到提取金屬型時間（秒