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(fù)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(fù)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(xué)特性分類單純物體的流變特性復(fù)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(xué)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(fù)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(xué)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(xué)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