第二章鑄件的凝固

第二章鑄件的凝固2023/9/161第1頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月第2章 鑄件的凝固4、鑄件的凝固時(shí)間

鑄造必定具有凝固這一過程，絕大多數(shù)的鑄造缺陷是伴隨凝固過程而產(chǎn)生的．所以，認(rèn)識(shí)鑄件的凝固規(guī)律，研究凝固過程的控制途徑，對(duì)于鑄造缺陷的防治，改善鑄件質(zhì)量，提高鑄件的性能從而獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件，有著十分重要的意義！本章主要內(nèi)容：1、鑄件的溫度場２、鑄件的凝固方式３、金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系第2頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1鑄件與鑄型的熱交換特點(diǎn)液態(tài)金屬注入鑄型以后，隨即發(fā)生兩個(gè)過程：一是液態(tài)金屬的溫度不斷下降；二是鑄型受熱溫度上升。實(shí)踐證明，鑄型的內(nèi)表面溫度與其接近的鑄件表面溫度是不同的。這個(gè)現(xiàn)象說明，在鑄件和鑄型之間存在著一個(gè)中間層。該中間層可能是由于金屬收縮使鑄件各方向的尺寸縮小和鑄型受熱后發(fā)生膨脹形成的，可能是鑄型表面的涂料層，也可能是間隙和涂料兼而有之的中間層。因此，鑄件與鑄型之間是一個(gè)“鑄件—中間層—鑄型”的不穩(wěn)定熱交換系統(tǒng)。下面分析“鑄件—中間層—鑄型”不穩(wěn)定熱交換系統(tǒng)在一瞬間的熱交換特點(diǎn)。為了使問題簡化，就假設(shè)鑄件是無限大的板件，其厚度（X方向）為鑄型所限，長和寬伸展到無窮遠(yuǎn)，即Y、Z方向無熱流，并假設(shè)系統(tǒng)中各組元的溫度場是按直線規(guī)律分布的。第3頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1、鑄件在絕熱鑄型中的凝固砂型、石膏型、陶瓷型材料的導(dǎo)熱系數(shù)比金屬鑄件小得多，可稱為絕熱鑄型。鑄件在絕熱鑄型中冷卻凝固時(shí)，由于鑄型導(dǎo)熱系數(shù)小，所以鑄件冷卻緩慢，其斷面上溫差很小。同樣，鑄型內(nèi)表面被鑄件加熱至很高的溫度，而其外表面仍處于較低的溫度，斷面上的溫差很大。絕熱鑄型本身的熱物理性質(zhì)是決定整個(gè)系統(tǒng)熱交換過程的主要因素，亦即鑄件的冷卻強(qiáng)度主要取決于鑄型的熱物理參數(shù)。

第4頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝固較薄的鑄件在工作表面涂有較厚涂料的金屬型中鑄造時(shí)，就屬于這種情況。鑄件的冷卻和鑄型的加熱都不十分激烈，大部分溫度降在中間層上，故這類型的傳熱特點(diǎn)是：鑄件斷面上的溫差和鑄型斷面上的溫差與中間層溫差相比顯得很小，可以忽略不計(jì)。所以，可以認(rèn)為：鑄件和鑄型斷面上的溫度分布實(shí)際上是均勻的，傳熱過程主要取決于涂料層的熱物理性質(zhì)。第5頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3、厚壁金屬型中的凝固當(dāng)金屬型的涂料層很薄時(shí)，鑄件的冷卻和鑄型的加熱都很激烈，鑄件和鑄型斷面上都有很大溫降。這種類型的傳熱特點(diǎn)是：中間層（界面）的熱阻相對(duì)很小，中間層斷面的溫差與鑄件和鑄型的溫差相比較，就顯得很小，可以忽略不計(jì)。因此可以認(rèn)為：鑄型內(nèi)表面溫度和鑄件表面溫度相同，傳熱過程取決于鑄件和鑄型的熱物理性質(zhì)。第6頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月上述金屬鑄型界面熱阻為主的金屬型中的凝固、厚壁金屬型中的凝固說明：金屬型鑄造完全可以用改變涂料厚度或其熱物理性質(zhì)控制鑄件的冷卻強(qiáng)度。例如在生產(chǎn)中，鑄鐵件的金屬型鑄造就是利用涂料防止鑄件產(chǎn)生白口。金屬型鑄造鋁合金件中，常在冒口用的涂料中加入石棉粉增加熱阻，以提高冒口的補(bǔ)縮效果。通過對(duì)四種不同類型鑄造調(diào)節(jié)地分析。可以看出：“鑄件--中間層（界面）---鑄型”系統(tǒng)中各組元的熱阻對(duì)系統(tǒng)的溫度分布影響極大，而熱阻最大的組元是傳熱過程中決定性因素。因此，利用該因素控制鑄件的凝固時(shí)最有效地。

第7頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月4、水冷金屬型中的鑄造（非金屬鑄件在金屬型中冷卻）

通過控制冷卻水溫度和流量使鑄型溫度保持恒定（內(nèi)表面溫度=外表面溫度），若不考慮界面熱阻的情況下，凝固金屬表面溫度等于鑄型溫度。在這種情況下，凝固傳熱的主要熱阻是凝固金屬的熱阻，鑄件中有較大的溫度梯度，系統(tǒng)的溫度分布如圖所示。熔模精密鑄造中用金屬型壓制蠟?zāi)?，在金屬型中制造塑料制品就屬于這種情況。第8頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鑄件的溫度場不穩(wěn)定溫度場：溫度場不僅在空間上變化，并且也隨時(shí)間變化的溫度場穩(wěn)定溫度場：不隨時(shí)間而變的溫度場（即溫度只是坐標(biāo)的函數(shù)）等溫面：空間具有相同溫度點(diǎn)的組合面。等溫線：某個(gè)特殊平面與等溫面相截的交線。溫度梯度（gradT）：對(duì)于一定溫度場，沿等溫面或等溫線某法線方向的溫度變化率。溫度梯度越大，圖形上反映為等溫面（或等溫線）越密集．基礎(chǔ)知識(shí)－－－鑄件溫度場的描述第9頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鑄件的溫度場

凝固過程中的許多現(xiàn)象都是溫度的函數(shù)．現(xiàn)在隨著研究的不斷深入，根據(jù)溫度場的變化可以預(yù)測：凝固區(qū)域的大小及變化；凝固前沿向中心推進(jìn)的速度；縮孔和縮松的位置；凝固時(shí)間等．并能為正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，設(shè)置冒口、冷鐵以及采取其它措施控制凝固過程提供可靠的依據(jù)．下面我們將對(duì)溫度場分析測算的基本方法及影響溫度場的因素進(jìn)行介紹：溫度場分析的一般方法有：實(shí)測法、數(shù)值解析法、數(shù)值模擬法等。第10頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月解析方法是直接應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論和定律去推導(dǎo)和演繹數(shù)學(xué)方程（或模型），得到用函數(shù)形式表示的解，也就是解析解。優(yōu)點(diǎn)：是物理概念及邏輯推理清楚，解的函數(shù)表達(dá)式能夠清楚地表達(dá)溫度場的各種影響因素，有利于直觀分析各參數(shù)變化對(duì)溫度高低的影響。缺點(diǎn)：通常需要采用多種簡化假設(shè)，而這些假設(shè)往往并不適合實(shí)際情況，這就使解的精確程度受到不同程度的影響。目前，只有簡單的一維溫度場（“半無限大”平板、圓柱體、球體）才可能獲得解析解?！?-2鑄件的溫度場１．凝固溫度場的求解方法（一）解析法第11頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月§3-2鑄件的溫度場數(shù)值方法又叫數(shù)值分析法，是用計(jì)算機(jī)程序來求解數(shù)學(xué)模型的近似解，又稱為數(shù)值模擬或計(jì)算機(jī)模擬。1.差分法差分法是把原來求解物體內(nèi)隨空間、時(shí)間連續(xù)分布的溫度問題，轉(zhuǎn)化為求在時(shí)間領(lǐng)域和空間領(lǐng)域內(nèi)有限個(gè)離散點(diǎn)的溫度值問題，再用這些離散點(diǎn)上的溫度值去逼近連續(xù)的溫度分布。差分法的解題基礎(chǔ)是用差商來代替微商，這樣就將熱傳導(dǎo)微分方程轉(zhuǎn)換為以節(jié)點(diǎn)溫度為未知量的線性代數(shù)方程組，得到各節(jié)點(diǎn)的數(shù)值解。根據(jù)不同的差分格式分為：向前差分、向后差分、平均差分、中心差分、加列金格式等。2.有限元法有限元法是根據(jù)變分原理來求解熱傳導(dǎo)問題微分方程的一種數(shù)值計(jì)算方法。有限元法的解題步驟是先將連續(xù)求解域分割為有限個(gè)單元組成的離散化模型，再用變分原理將各單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)方程轉(zhuǎn)化為等價(jià)的線性方程組，最后求解全域內(nèi)的總體合成矩陣。（二）數(shù)值方法第12頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鑄件的溫度場鑄件溫度場測定裝置如圖所示，將一組熱電偶的熱端固定在型腔中的不同位置，利用多點(diǎn)自動(dòng)記錄電子電位儀記錄自金屬液注入型腔起到任意時(shí)刻鑄件斷面上各測溫點(diǎn)的溫度．2．溫度場的測定多點(diǎn)自動(dòng)記錄電子電位計(jì)熱電偶澆注系統(tǒng)鑄型第13頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄件溫度場的繪制方法是：以溫度為縱坐標(biāo)，以離開鑄件表面中心的距離為橫坐標(biāo)，連接各點(diǎn)即得到溫度場．以此類推可繪出各時(shí)刻鑄件斷面的溫度場．2．溫度場的測定場不同測溫點(diǎn)的溫度－時(shí)間曲線斷面上不同時(shí)刻的溫度場表面中心第14頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄型中的全部合金液態(tài)幾乎同時(shí)從澆注溫度很快降至凝固溫度,接近鑄件表面的合金結(jié)晶時(shí)釋放出的結(jié)晶潛熱，阻止了內(nèi)部合金液溫度繼續(xù)下降，而保持在凝固溫度上，在曲線上表現(xiàn)為平臺(tái)。

曲線上的拐點(diǎn)則表示鑄件中該等溫面上發(fā)生凝固的時(shí)刻。所以，注意發(fā)生這種情況的時(shí)刻，就能確定凝固前沿從鑄件表面向內(nèi)部的進(jìn)程。當(dāng)鑄件中心出現(xiàn)拐點(diǎn),整個(gè)鑄件凝固完畢。凝固初期溫度梯度大,而后逐漸緩慢,凝固由表及里進(jìn)行。250mm的純鋁圓柱形鑄件的溫度場曲線上的平臺(tái)曲線上的拐點(diǎn)溫度梯度不同初期大固溶體合金與純金屬,結(jié)晶潛熱很小,不能得到明顯的拐點(diǎn).第15頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月Al－7.55%Si

Al-12.3%Si

共晶型合金鑄件的典型溫度場第16頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月任一瞬間的溫度場是由不同溫度的等溫面組成的。溫度場任何點(diǎn)的溫度沿等溫面法線方向上的增加率成為該點(diǎn)的溫度梯度：

因此，溫度梯度是表示溫度場沿單位長度上的溫度變化速率，也是時(shí)間和空間的函數(shù)。溫度梯度大，鑄件的溫度場陡峻，鑄件的凝固速度大。

2.2鑄件的溫度場2.2.4影響鑄件溫度場的因素第17頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1金屬性質(zhì)的影響（1）金屬的熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）鑄件的凝固是依靠鑄型吸熱而進(jìn)行的，因此鑄件表面溫度比中心部分的溫度低。金屬的熱擴(kuò)散率大，鑄件內(nèi)部的溫度均勻化的能力就大，溫度梯度就小，斷面上溫度分布曲線就比較平坦，反之，溫度分布曲線就比較峻陡。液態(tài)鋁合金的熱擴(kuò)散率比鐵碳合金的大約高9-11倍，所以在相同的鑄型條件下，鋁合金鑄件斷面上的溫度分布曲線平坦得多，具有比較小的溫度梯度。相反，高合金鋼的導(dǎo)溫系數(shù)一般都比普通碳鋼小得多，如高錳鋼的導(dǎo)溫系數(shù)比普通碳鋼小3倍多，所以合金鋼在砂型鑄造時(shí)也有較大的溫度梯度。.第18頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（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，鑄型內(nèi)表面被加熱的溫度也高。因此，鑄件斷面的溫度梯度減小，鑄件的冷卻速度下降，溫度場也較平坦。（3）金屬的凝固溫度金屬的凝固溫度越高，在凝固過程中鑄件表面和鑄型內(nèi)表面的溫度越高，鑄型內(nèi)外表面的溫差就越大，且鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)在高溫段隨溫度的升高而升高，致使鑄件斷面的溫度場有較大的梯度。有色合金鑄件與鑄鋼件和鑄鐵件比較，在凝固過程中有較平坦的溫度場，其凝固溫度低是主要的原因之一。第19頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.2鑄件的溫度場2.鑄型性質(zhì)的影響

鑄件在鑄型中的凝固時(shí)因鑄型吸熱而進(jìn)行的。所以，任何鑄件的凝固速度都受鑄型吸熱速度的支配。鑄型的吸熱速度越大，則鑄件的凝固速度越大，斷面上的溫度場的梯度也就越大。(1)鑄型的蓄熱系數(shù)b2

鑄型的蓄熱系數(shù)越大，對(duì)鑄件的冷卻能力越強(qiáng)，鑄件中的溫度梯度就越大。

第20頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月同一種合金澆注于不同的鑄型中，在不同時(shí)間所測得的鑄件和鑄型的溫度場

第21頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）水冷金屬型具有最大的激冷能力，鑄件斷面上的溫度梯度最大。這是因?yàn)殍T型是靠冷卻水不斷把熱量帶走，型壁的溫度不可能升高，和鑄件表面始終保持著很大的溫差。水冷金屬型材料的導(dǎo)熱系數(shù)越大，冷卻效果就越好。所以，在生產(chǎn)上常用紫銅作為連續(xù)鑄造的水冷金屬型材料。（2）對(duì)于銅鑄型，雖然他的ρ2C2乘積不比鑄鐵型的大，但是銅的導(dǎo)熱系數(shù)非常大，能夠把熱量由內(nèi)表面迅速傳至“后方”，所以內(nèi)表面的溫升也很小，鑄件表面也有較大的溫差。（3）厚壁鑄鐵型的激冷能力不如銅型大。但是，由于鑄鐵的導(dǎo)熱能力也很大，所以型壁內(nèi)表面的溫升也比較小，與鑄件表面之間也有較大的溫差，鑄件斷面上的溫度梯度很大。第22頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）薄壁金屬型在開始時(shí)吸熱速度很大，但是，由于鑄型壁薄，蓄熱有限，型壁溫度很快升高，鑄件的冷卻速度降低，鑄件斷面上的溫度梯度較小。對(duì)于鋁、鎂等合金鑄件，由于他們的凝固溫度低，在凝固時(shí)期型壁不可能被加熱到很高溫度，所以從鑄型外表面向周圍介質(zhì)輻射和對(duì)流散熱作用不大，鑄件的冷卻主要是依靠鑄型本身積蓄熱量，所以厚壁金屬型比薄壁金屬型的冷卻作用大。凝固溫度較高的鑄鐵件和鑄鋼件，在薄壁金屬型中凝固時(shí)，型壁外表面能達(dá)到很高溫度，向周圍介質(zhì)散熱作用很大，尤其是厚大鑄件，由鑄型表面向外散失熱量的速度幾乎能和厚壁金屬型蓄熱相等。所以，金屬型的壁厚，對(duì)于高熔點(diǎn)合金鑄件的冷卻強(qiáng)度影響不十分明顯。第23頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

（5）在砂型鑄造中，由于砂型的導(dǎo)熱能力很低，不能把熱量由內(nèi)表面迅速傳至“后方”，使更厚的砂層參加蓄熱，所以砂型內(nèi)表面溫度在澆注后立即達(dá)到很高溫度，幾乎接近鑄件表面溫度，并且在鑄件凝固時(shí)期基本保持不變。當(dāng)鑄型厚度適當(dāng)時(shí)，型壁外表面的溫度接近周圍介質(zhì)的溫度，向介質(zhì)散熱作用可以忽略不計(jì)，鑄件在砂型中的凝固主要是靠鑄型本身積蓄熱量。因此，砂型的激冷能力很差，鑄件斷面的溫度分布曲線自始至終都很平坦，溫度梯度很小。（6）鑄件在濕砂型中凝固時(shí)，由于砂型里有水分，鑄型內(nèi)表面的熱量不僅由于正常的導(dǎo)熱和輻射，同時(shí)也由于蒸汽的移動(dòng)而轉(zhuǎn)移。而且由于砂粒之間存在水分，使接觸傳熱條件得到改善，提高了鑄型的導(dǎo)熱系數(shù)，也提高鑄型的比熱C。第24頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

所以，與干砂型比較，濕砂型最初具有較顯著的激冷效應(yīng)。但是，這個(gè)激冷效應(yīng)很快就消失，以后和干型的作用基本相同。因此，濕砂型能加速薄壁鑄件或鑄件中薄壁部位（在2~3分鐘內(nèi)凝固的部位）的凝固。用濕型代替干型，對(duì)于厚壁鑄件的凝固速度幾乎沒有影響。(2)鑄型的預(yù)熱溫度在熔模鑄造中為了提高鑄件的精度和減少熱裂等缺陷，型殼在澆注前被預(yù)熱到600-900℃。在金屬型鑄造中，鑄型的預(yù)熱溫度為200-400℃。鑄型預(yù)熱溫度越高冷卻作用就越小，鑄件斷面上的溫度梯度也就越小。第25頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鑄件的溫度場3.澆注條件的影響

液態(tài)金屬的澆注溫度很少超過液相線以上100℃，因此，金屬由于過熱所得到的熱量比結(jié)晶潛熱要小得多，一般不大于凝固期間放出的總熱量的5-6％。

但是，實(shí)驗(yàn)證明，在砂型鑄造中非等到液態(tài)金屬的所有過熱量全部散失，鑄件的凝固實(shí)際上是不會(huì)進(jìn)行的。所以增加過熱程度，相當(dāng)于提高了鑄型的溫度，使鑄件的溫度梯度減小。在金屬型鑄造中，由于鑄型具有較大的導(dǎo)熱能力，而過熱熱量所占比重又很少，能夠迅速傳導(dǎo)出去，所以澆注溫度的影響不十分明顯第26頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2鑄件的溫度場4、鑄件結(jié)構(gòu)的影響(1)鑄件的壁厚厚壁鑄件比簿壁件含有更多的熱量，當(dāng)凝固層逐漸向中心推進(jìn)時(shí)必然要把鑄型加熱到更高的溫度。鑄件越厚大，溫度梯度就越小。簿壁件比厚壁件的溫度梯度大。(2)鑄件的形狀鑄件的棱角和彎曲表面與平面壁的散熱條件不同，在鑄件表面積相同的情況下，向外部凸出的曲面，如球面、圓柱表面、L形鑄件的外角，對(duì)應(yīng)著漸次放寬的鑄型體積，散出的熱量由較大體積的鑄型所吸收，鑄件的冷卻速度比平面鑄件要大。如果鑄件表面是向內(nèi)部凹下的，如圓筒鑄件內(nèi)表面、L或T形鑄件的內(nèi)角，則對(duì)應(yīng)著漸次收縮的鑄型體積，鑄件的冷卻速度比平面部分要小。

(下面以T和L型鑄件為例分析)第27頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月L形和T形鑄件不同時(shí)刻的等固相線外角的冷卻速度大約為平面壁的三倍，而內(nèi)角的冷卻速度最慢。因此，當(dāng)鑄件收縮受阻時(shí)，在內(nèi)角處最容易產(chǎn)生熱裂。內(nèi)直角和內(nèi)圓角的凝固情況

把內(nèi)角改成圓內(nèi)角，由于擴(kuò)大了散熱面積，角上的凝固層加厚，使內(nèi)直角的不良情況得到改善。因此，生產(chǎn)上經(jīng)常采用加大內(nèi)圓角半徑的方法防止熱裂。如果鑄件某斷面必須作成直角，則一定要采取措施加速此處的凝固(如放置外冷鐵)．第28頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3鑄件的凝固方式2.3.1．凝固動(dòng)態(tài)曲線根據(jù)溫度－時(shí)間曲線，將tL和tS與曲線的交點(diǎn)分別標(biāo)注在（x/R，）坐標(biāo)系上，再將各點(diǎn)連接，即得凝固動(dòng)態(tài)曲線。液相邊界－凝固始點(diǎn)固相邊界－凝固終點(diǎn)液相線溫度固相線溫度凝固動(dòng)態(tài)曲線的意義:凝固方式凝固的起始時(shí)間和終了時(shí)間凝固區(qū)域的寬度凝固速度凝固開始凝固終了第29頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3鑄件的凝固方式鑄件凝固過程中，除純金屬和共晶成分合金外，斷面上一般都存在三個(gè)區(qū)域,2.3.2．凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)凝固區(qū)液相區(qū)固相區(qū)部分狀態(tài)圖固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)第30頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3鑄件的凝固方式固－液部分劃分為兩個(gè)帶

右邊的晶體已連成骨架，但液體還能在其間移動(dòng)左邊的已接近固相溫度，固相占絕大部分，骨架之間的少量液體被分割成互補(bǔ)溝通的小“熔池”2.3.2．凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)第31頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.3.3.鑄件的凝固方式（1）逐層凝固圖2-12（a）為恒溫下結(jié)晶的純金屬或共晶成分合金某瞬間的凝固情況。是結(jié)晶溫度，和是鑄件斷面上兩個(gè)不同時(shí)刻的溫度場。從圖中可觀察到，在恒溫下結(jié)晶的純金屬、共晶成分的合金，斷面上液體和固體由一條界線截然分開，沒有“L+S”兩相區(qū)，隨溫度下降，固體層不斷加厚，逐步達(dá)到中心。這種情況為“逐層凝固方式”。對(duì)于結(jié)晶溫度范圍很窄，或斷面溫度梯度很大時(shí)，逐漸斷面的凝固區(qū)域則很窄，也屬于逐層凝固方式（圖2-12（b））。

2-12逐層凝固方式示意圖2-13體積凝固方式示意圖第32頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）體積凝固

若鑄件斷面溫度場較平坦，溫度梯度很?。▓D2-13（a）），或結(jié)晶溫度區(qū)間很寬（圖2-1（b）），鑄件凝固的某一段時(shí)間內(nèi)，某凝固區(qū)域在某時(shí)刻貫穿整個(gè)鑄件斷面時(shí)，則在凝固區(qū)域里既有已結(jié)晶的晶體也有未凝固的液體，這種情況為“體積凝固方式”或稱“糊狀凝固方式”。（3）中間凝固方式圖2-14中間凝固方式示意圖

如果合金的結(jié)晶溫度范圍較窄（圖2-14（a）），或者鑄件斷面的溫度梯度較大（圖2-14（b）），鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛诙咧g時(shí)，則屬于“中間凝固方式”。第33頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）.凝固區(qū)域的寬度

由凝固動(dòng)態(tài)曲線上的”液相邊界“和”固相邊界“之間的縱向距離直接判斷。這個(gè)距離大小是劃分凝固方式的一個(gè)準(zhǔn)則。如果兩條曲線重合在一起，趨向于逐層凝固方式。如果兩條曲線的間距很大，則趨向于體積凝固方式。

第34頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月1.以二元共晶相圖為例說明

1.逐層凝固3.糊狀凝固

2.中間凝固

合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)2.3.4影響鑄件凝固方式的因素合金的結(jié)晶溫度范圍第35頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2023/9/1636第36頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月以碳鋼為例說明

第37頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2、鑄件的溫度梯度的影響

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。

梯度很大的溫度場，可以使寬結(jié)晶溫度范圍的合金按中間凝固方式凝固(加高碳鋼在金屬型中凝固)，甚至按逐層凝固方式凝固。很平坦的溫度場，可以使窄結(jié)晶溫度范圍的合金按體積凝固方式凝固。所以，溫度梯度是凝固方式的重要調(diào)節(jié)因素。第38頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月工業(yè)純鋁（99%Al）在砂型和金屬型中鑄造時(shí)所測得的溫度場合凝固動(dòng)態(tài)曲線

將它在砂型中的凝固動(dòng)態(tài)曲線與上圖中低碳鋼的相應(yīng)曲線比較則可看到，雖然工業(yè)純鋁的結(jié)晶溫度范圍為6度，比低碳鋼的22度小得多，但是低碳鋼為逐層凝固方式，而工業(yè)純鋁卻已體積凝固方式進(jìn)行凝固。其原因是鋁的凝固溫度低、結(jié)晶潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)大，鑄件斷面的溫度場平坦。圖2-16工業(yè)純鋁鑄件斷面的溫度場（a）和凝固動(dòng)態(tài)曲線（圖b）第39頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.4影響鑄件凝固方式的因素

綜上,鑄件的凝固方式由結(jié)晶溫度范圍和溫度梯度共同決定：趨于體積凝固趨于逐層凝固第40頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系1、窄結(jié)晶溫度范圍的合金

金屬澆入鑄型后，首先在型壁處過冷，形成激冷層，然后按柱狀晶的形勢緊密生長，固相界面前沿為平面推進(jìn)的方式.純金屬，共晶類合金、窄結(jié)晶溫度范圍類合金這類合金包括純金屬、共晶成分合金和其它窄結(jié)晶溫度范圍的合金純金屬共晶類合金窄結(jié)晶溫度范圍合金工業(yè)用銅工業(yè)用鋅工業(yè)用錫共晶成分合金近共晶成分合金低碳鋼錫青銅結(jié)晶溫度范圍小的黃銅第41頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于凝固前沿直接與液態(tài)金屬接觸，當(dāng)液態(tài)凝固成為固態(tài)而發(fā)生體積收縮時(shí)，可以不斷地得到液體的補(bǔ)充，所以（1）產(chǎn)生分散縮松的傾向小，而是在鑄件最后凝固部位留下集中縮孔，設(shè)置冒口易消除，因此其合金的補(bǔ)縮特性良好；（2）這類合金鑄件在凝固過程中當(dāng)收縮受阻而產(chǎn)生晶間裂紋時(shí)，也容易得到金屬液的充填，使裂紋愈合，所以鑄件的熱裂傾向小。（3）如果這類合金在充型過程中發(fā)生凝固時(shí)，也具有較好的充型能力。2.3金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系第42頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系2、寬結(jié)晶溫度范圍的合金鋁、鎂合金銅合金鐵碳合金鋁銅合金鋁鎂合金鎂合金錫青銅鋁青銅結(jié)晶溫度范圍大黃銅高碳鋼球墨鑄鐵

這類合金鑄件的凝固區(qū)域?qū)?，液態(tài)金屬的過冷很小，容易發(fā)展為樹枝發(fā)達(dá)的粗大等軸晶組織。（2）由于粗大的等軸晶比較早的兩成晶體骨架，而粗大的等軸晶的高溫強(qiáng)度低，當(dāng)晶間因收縮出現(xiàn)裂紋時(shí)，又得不到液態(tài)金屬的及時(shí)填充使之愈合，故鑄件產(chǎn)生熱裂的傾向大；（1）當(dāng)粗大的等軸晶互相連接以后，便將尚未凝固的液態(tài)金屬分割成一個(gè)個(gè)互不溝通的溶池，最后在鑄件中形成分散性的縮松。采用普通冒口消除縮松是很困難的，往往采用其它措施，如增加冒口的補(bǔ)縮壓力，加速冷卻等.（3）若這類合金在充填過程中發(fā)生凝固，其充型能力也很差。第43頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系

寬結(jié)晶范圍的合金結(jié)晶過程為，在在凝固區(qū)域中靠近固相前沿先形成一批晶粒周圍產(chǎn)生溶質(zhì)富集，停止生長，在富集區(qū)的后面又形成一批小晶粒，這樣下去很快布滿整個(gè)凝固區(qū)域，由于結(jié)晶溫度區(qū)間大，過冷度小，形成的晶粒數(shù)目少，所以形成粗大的等軸晶。粗大的等軸晶比較早地連成晶體骨架，將尚未凝固的液體分割成小的互不溝通的熔池，最后在鑄件中形成微小縮松。同時(shí)熱裂傾向性也大，充型能力也差。2、寬結(jié)晶溫度范圍的合金第44頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系2、寬結(jié)晶溫度范圍的合金

應(yīng)該指出，合金的補(bǔ)縮特性和充型性能是一致的，不僅與凝固方式密切相關(guān)，還受初生晶形態(tài)的影響。1－液相邊界2－初生晶析出終了邊界3－固相邊界4－傾出邊界亞共晶鋁硅合金過共晶鋁硅合金請(qǐng)用剛剛學(xué)過的知識(shí)對(duì)此進(jìn)行分析!!!第45頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4金屬的凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系

3、中等結(jié)晶溫度范圍的合金

這類合金常用的有中碳鋼、高錳鋼、一部分特種黃銅、白口鑄鐵等。凝固區(qū)域?yàn)橹械葘挾?，它們的補(bǔ)縮特性、熱裂傾向性和充型性能介于窄結(jié)晶溫度范圍合金和寬結(jié)晶溫度范圍合金之間。

只給出相應(yīng)的組織形成圖,不在做具體的分析,請(qǐng)同學(xué)們課下思考.第46頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月3-5鑄件的凝固時(shí)間鑄件的凝固時(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.凝固速度:單位時(shí)間凝固層的增長速度.

鑄件的凝固控制，實(shí)質(zhì)上是采取相應(yīng)的工藝措施控制鑄件各部分的凝固速度.所以，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，以保證冒口具有適當(dāng)?shù)某叽绾驼_布置冷鐵。對(duì)于大型或重要鑄件，為了掌握打箱時(shí)間，也需對(duì)凝固時(shí)間進(jìn)行估算?；A(chǔ)知識(shí)簡介確定鑄件凝固時(shí)間的方法：計(jì)算法和實(shí)驗(yàn)法一、凝固時(shí)間的理論計(jì)算（自學(xué)）二、經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法第47頁，課件共53頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄型單位面積在時(shí)間內(nèi)從鑄件吸收的熱量q′應(yīng)該等于在此時(shí)間內(nèi)鑄件凝固了厚度所放出的熱量q".3