鑄造金屬凝固原理電子課件1-3章

課程結(jié)構(gòu)凝固理論（熱力學、動力學、傳熱、傳質(zhì)等）凝固組織控制和凝固工藝鑄件凝固過程中的現(xiàn)象鑄造金屬凝固原理

fundamentalsofcastingmetalsolidification第1章導論鑄件質(zhì)量↑組織和性能↑凝固成形化學成分凝固工藝其它1.1鑄造技術(shù)簡介鑄造的概念和特點熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型（在重力、壓力、離心力等作用下），凝固后獲得一定形狀和性能鑄件毛坯或零件的成型方法。鑄造學是一門應用科學。

鑄造的特點多工部、多工序適應范圍很大可生產(chǎn)復合鑄件成本低廉缺陷多。鑄造技術(shù)的發(fā)展概況古代鑄造技術(shù)中國古代傳入歐洲的重大科技成果共22項，其中屬于鑄造方面的就占有5項。（ScienceandCivilizationinChina）

中國的青銅冶鑄技術(shù)中國的合金配比（“六齊”）中國的鐵器中國的鑄造工藝：泥范、金屬型、失蠟法

蓮鶴方壺圖（春秋時期）青銅蟠紐鎛鐘（尺寸22×10×8厘米）曾侯乙編鐘是我國現(xiàn)存最大、保存最完整的一套大型編鐘。1976年出土于湖北隨縣的一座戰(zhàn)國早期墓葬——曾侯乙墓中。出土時，整套編鐘聳立如故。

夏代青銅爵分鑄技術(shù)鑄成的提梁卣（you）

（晚商時期）

中國的合金配比（“六齊”）戰(zhàn)國《周禮·考工記》：“金有六齊：六分其金而錫居一，謂之鐘鼎之齊；五分其金而錫居一，謂之斧斤之齊；四分其金而錫居一，謂之戈戟之齊；三分其金而錫居一，謂之大刃之齊；五分其金而錫居二，謂之削殺矢之齊；金錫半，謂之鑒燧之齊。”中國的冶鐵和鐵器制作技術(shù)20世紀中國考古發(fā)現(xiàn)證明，中國在春秋晚期，鐵器制作就極其繁榮興盛，到了戰(zhàn)國末年，已經(jīng)進入煉鐵和鐵器制造的黃金時代。不斷出土的考古新發(fā)現(xiàn)，有力地證明了歷史上中國冶鐵技術(shù)成熟而趨于完備，遠遠領(lǐng)先于世界各國。20世紀中國考古發(fā)現(xiàn)證明，中國在春秋晚期，鐵器制作就極其繁榮興盛，到了戰(zhàn)國末年，已經(jīng)進入煉鐵和鐵器制造的黃金時代。不斷出土的考古新發(fā)現(xiàn)，有力地證明了歷史上中國冶鐵技術(shù)成熟而趨于完備，遠遠領(lǐng)先于世界各國。冶煉生鐵的技術(shù)最早發(fā)現(xiàn)于中亞,發(fā)展于中國?！豆茏印酚涊d“上有赭者，下有鐵?！迸砰遥╰uo）鼓風技術(shù)把爐溫迅速提高到煉鐵所需要的1200多度。炒鐵技術(shù)：把含碳量過高的可鍛鑄鐵加熱到半流體狀態(tài)，再和鐵礦石粉混和起來不斷“翻炒”，讓鑄鐵中所含碳元素不斷滲出、氧化，從而得到中碳鋼或低碳鋼。如果繼續(xù)炒下去，就得到含碳更低的熟鐵。這種方法始于西漢，東漢的《太平經(jīng)》中就明確記載了炒鐵技術(shù)，在河南鞏縣的古冶鐵遺址中也發(fā)現(xiàn)了以炒鐵制作的鐵幣和炒鐵爐。中國古代冶鐵技術(shù)發(fā)展史，楊寬著戰(zhàn)國鐵鋤滄州鐵獅：鑄造于后周時代（公元953年）的滄州鐵獅子是河北著名的三件寶之一，距今已有1053年的歷史。鐵獅子身高5.5米，身長6.3米，體寬3米，凈重40噸河北興隆出土的戰(zhàn)國鐵钁jué范河北興隆出土的戰(zhàn)國時代鐵范(鐮范)河北藁城商墓出土的鐵刃銅器鑄鐵柔化術(shù)是中國古代鋼鐵業(yè)的另一重大發(fā)明。西方人寫的冶金史著作都認為，白心可鍛鑄鐵是法國人在1722年發(fā)明的，所以又稱“歐洲式可鍛鑄鐵”，黑心可鍛鑄鐵則是美國人在1826年發(fā)明的，又稱“美國式可鍛鑄鐵”。然而，根據(jù)史書記載和考古發(fā)現(xiàn)提供的證明，中國比西方早近兩千年就發(fā)明了制造黑心和白心可鍛鑄鐵的技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵是將普通鑄鐵長時間高溫加熱，使其中的化合碳發(fā)生變化，其性質(zhì)也隨之變化，具有較強的延展性并保持了一定的硬度。這種技術(shù)叫鑄鐵柔化術(shù)。河南洛陽出土的鐵鏟，湖北大冶銅綠山古礦井出土的六角鋤，都是白心可鍛鑄鐵制造的。中國的鑄造工藝：泥范、金屬型、失蠟法現(xiàn)代鑄造技術(shù)凝固理論和技術(shù)計算機技術(shù)的應用先進鑄造材料先進造型方法和設(shè)備計算機在鑄造生產(chǎn)中的應用計算機數(shù)值模擬輔助設(shè)計工藝和設(shè)備控制管理系統(tǒng)鑄造設(shè)備及工藝計算機控制：KW靜壓造型線丹麥Disa公司垂直分型無箱射壓造型線迪砂集團,全球最大的造型線和鑄造技術(shù)供應商。丹麥迪砂(DISA)公司以生產(chǎn)鑄造用的垂直分型無箱射壓造型線而聞名于世，其特點：采用較高的比壓，鑄件的尺寸精度和表面光潔度都較高全線自動化程度高，操作人員僅需控制按鈕基檢查生產(chǎn)線情況，勞動強度低，生產(chǎn)過程中沒有震擊，噪聲低；生產(chǎn)效率高，一般可達450型/時以上。設(shè)備配套簡單，故障少。經(jīng)濟性好，沒有砂箱。輔機也很少。日常維護低。

澆注過程計算機控制先進鑄造材料球鐵、奧貝球鐵、蠕墨鑄鐵鋁鎂鋰系合金鎂合金鈦合金高溫合金鑄造復合材料新工藝和設(shè)備射壓造型：氣流射砂，壓頭壓實；靜壓造型：加砂后，氣流緊實，然后多觸頭壓實；擠壓：氣流射砂，兩型板相對運動，壓實

全自動精密壓鑄機：在日本已占壓鑄機總數(shù)的80％。

凝固理論的發(fā)展概況古代經(jīng)驗控制20世紀50年代經(jīng)典的凝固理論B.Chalmers形核長大、成分過冷；60年代，Jakcson界面結(jié)構(gòu)理論Flemings局部溶質(zhì)再分配方程和流動理論Chvorinov平方根定律70年代大野篤美：晶粒游離和增殖理論W.Kurz數(shù)學模型傳輸過程的耦合1.2關(guān)于凝固技術(shù)現(xiàn)代凝固控制技術(shù)的發(fā)展對各種傳輸過程和物理場的控制實現(xiàn)

定向凝固技術(shù)快速凝固技術(shù)微重力和超重力凝固復合材料凝固技術(shù)半固態(tài)金屬鑄造技術(shù)計算機技術(shù)中國科學院沈陽金屬研究所快速凝固及非平衡合金國家重點實驗室西北工業(yè)大學凝固技術(shù)重點實驗室定向凝固、半固態(tài)凝固、微重力條件下的凝固、聲懸浮技術(shù)等凝固理論的研究對象廣泛存在于自然界和工程技術(shù)領(lǐng)城。

金屬材料制備金屬材料的成形加工無機非金屬材料的合成與晶體生長非平衡新材料的研制凝固過程的多尺度、多學科建模與仿真凝固過程的基本問題凝固組織的形成與控制凝固缺陷的防止與控制鑄件尺寸精度和表面粗糙度控制凝固過程的研究方法數(shù)學解析方法數(shù)值計算方法實驗方法本課程的要求（1）聽課（作筆記）（2）作業(yè)（4）考試（5）對教材、內(nèi)容提出意見和建議第2章液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

StructureandPropertyofLiquidMetal重要性研究方法2.1固體金屬（晶態(tài)）的加熱、熔化固體金屬中原子的作用模型固態(tài)金屬中的周期勢場躍遷幾率能量起伏加熱時原子間作用的變化振動能量增加，頻率和振幅增大。達到激活能的原子數(shù)量增加原子間距（平衡位置）增大，即晶體體積膨脹能量升高

進一步加熱,則達到激活能值的原子數(shù)量也進一步增加，當這些原子的數(shù)量達到某一數(shù)量值時，首先在晶界處的原子跨越勢壘而處于激活狀態(tài),以致能脫離晶粒的表面,而向鄰近的晶粒跳躍,導致原有晶粒失去固定的形狀與尺寸，晶粒間可出現(xiàn)相對流動,稱為晶界粘性流動。此時,金屬處于熔化狀態(tài)。金屬被進一步加熱，其溫度不會進一步升高,而是晶粒表面原子跳躍更頻繁。晶粒進一步瓦解為小的原子集團和游離原子,形成時而集中，時而分散的原子集團、游離原子和空穴。此時,金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。金屬由固態(tài)變成液態(tài),體積膨脹約3%～5%。而且金屬的其他性質(zhì),如電阻、粘性也會發(fā)生突變。在熔點溫度的固態(tài)變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)時,金屬要吸收大量的熱量,稱為熔化潛熱。2.2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)從熔化過程看，結(jié)構(gòu)近固態(tài)而遠氣態(tài)一、液態(tài)金屬的熱物理性能熔化潛熱和汽化潛熱的對比熵值的變化體積變化二、X射線結(jié)構(gòu)分析

橫坐標r為觀測點至某一任意選定的原子（參考中心）的距離，對于三維空間，它相當于以所選原子為球心的一系列球體的半徑?？v坐標表示圍繞所選定原子的半徑為r

，厚度為

dr的一層球殼中原子數(shù)。其中

稱為密度函數(shù)。固態(tài)金屬原子在某一平衡位置熱振動因此衍射結(jié)果得到的原子密度分布曲線是一組相距一定距離（點陣常數(shù)）的垂線，每一條垂線都有確定的位置r和峰值（原子數(shù)）；液態(tài)金屬原子密度分布曲線是一條呈波浪形的連續(xù)曲線。這是由于液態(tài)中的金屬原子是處在瞬息萬變的熱振動和熱運動的狀態(tài)之中，而且原子躍遷頻率很高，以致沒有固定的位置，而其峰值所對應的位置（r）只是表示衍射過程中相鄰原子之間最大幾率的原子間距。x射線衍射所得液態(tài)和固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)三、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)純金屬：瞬息萬變、時聚時散的原子集團,存在結(jié)構(gòu)起伏游離原子孔穴和裂紋能量起伏。實際金屬（化學元素多、過熱度小）：各種成分的原子集團游離原子、空穴、裂紋雜質(zhì)、氣泡存在結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏和成分起伏近程有序2.3液態(tài)金屬的性質(zhì)及對凝固成形的影響液態(tài)金屬的粘滯性（粘度）粘度的實質(zhì)及影響因素動力學粘度和運動學粘度的關(guān)系：富林克爾公式粘度對凝固成形的影響影響液態(tài)金屬的凈化動力阻力勻速斯托克斯公式對液態(tài)金屬流動狀態(tài)和阻力的影響雷諾數(shù)Re=Dvγ/η

流態(tài)：Re>2300紊流；Re<2300層流。影響凝固過程中合金的對流對流的驅(qū)動力：溫差、濃度差→密度差→浮力對流的阻力：粘滯力。對流強度:無量綱的格拉曉夫準則數(shù)（Grashofnumber）影響：溶質(zhì)分布、偏析、夾雜聚合。表面張力和界面張力表面張力的實質(zhì)表面：凝聚相與真空或空氣接觸的面，是一類特殊界面。表面張力：由于質(zhì)點力場不對稱引起。意義單位長度所受的繃緊力N/m單位面積上的能量界面及界面張力式中、分別是液、固兩相的表面張力；為固液兩相的界面張力；是將兩個單位面積結(jié)合或拆開外界所做的功。因此當兩相間的作用力大時，越大，則界面張力越小。潤濕角當<90o時，此時液體能潤濕固體，=0稱絕對潤濕；當＞90o，此時液體不潤濕固體，=180°稱絕對不潤濕。潤濕角是可測定的。影響界面張力的因素熔點：熔點高→原子結(jié)合力大→表面張力大；溫度：大多數(shù)金屬和合金隨溫度的升高而降低。溶質(zhì)元素：表面活性元素：使表面張力下降，正吸附元素非表面活性元素：提高表面張力，負吸附元素。

結(jié)論:合金化可以改變表面張力。表面或界面張力在鑄造成形過程中的意義表（界）面張力對鑄造成形的影響通過產(chǎn)生附加壓力薄小鑄件的成形；砂型鑄造的粘砂；凝固后期縮松、熱裂；熔渣的驅(qū)除復合材料凝固成形過程的特點充型過程的重要性研究內(nèi)容：充型規(guī)律、影響因素、控制方法本章重點流動性和充型能力及其對鑄造過程的影響影響充型能力的因素及改善措施第3章液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)合金的充型能力：液態(tài)合金充滿鑄型，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。重要性：薄壁鑄件的充填、澆不足、冷隔，補縮效果。

3.1液態(tài)金屬充型能力的基本概念流動性：液態(tài)金屬本身的流動能力稱為“流動性，是金屬的鑄造性能之一，與金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有關(guān)。流動性的重要性：氣體、雜質(zhì)的排除、補縮、防裂、充型能力。流動性和充型能力的關(guān)系？流動性試驗：螺旋形、球形、U形、真空試樣等網(wǎng)格測定法該形狀共有169個網(wǎng)格（13×13），共計364條邊，每條網(wǎng)格邊線的直徑為1mm。由于和兩側(cè)直澆道的重合，實際參與計算的邊數(shù)為338條。充填性能指標的計算為每一條充型完整的邊數(shù)計數(shù)為1，將充型完整的邊數(shù)除以整個網(wǎng)格的邊數(shù)338，再乘以100%，充型性能的計算公式如公式所示。每種實驗條件下的實驗至少重復5次，然后取平均值。3.2液態(tài)金屬的停止流動機理和充型能力計算液態(tài)金屬的停止流動機理實驗結(jié)果窄結(jié)晶范圍合金停止流動機理

寬結(jié)晶范圍合金停止流動機理合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，枝晶就越發(fā)達，液流前端析出相對較少的固相量，亦即在相對較短的時間內(nèi)，液態(tài)金屬便停止流動。因此，具有最大溶解度的合金，其流動性最小。液態(tài)金屬充型能力的計算物理模型：流動時間的計算寬凝固溫度范圍合金：

液態(tài)降溫時間+開始凝固到停止流動時間假設(shè)：型腔與液態(tài)金屬接觸面溫度不變；液態(tài)金屬以等速流動；流體橫斷面上溫度均勻；熱量只垂直于型壁傳導，無輻射、對流。第一階段液態(tài)金屬流動時間t′熱平衡方程：

dx第二階段液態(tài)金屬流動時間t″熱平衡方程：在有涂料的情況下?lián)Q熱系數(shù)α可按下式計算3.3影響充型能力的因素及提高充型能力的措施影響充型能力的因素及提高充型能力的措施第Ⅰ類因素——金屬性質(zhì)方面：ρ1，c1,λ1,L,η,σ,結(jié)晶特點)第Ⅱ類因素——鑄型性質(zhì)方面：ρ2，c2,λ2,T型，涂料層，發(fā)氣性和透氣性第Ⅲ類因素——澆注條件方面：T澆，H(壓頭)，外力場第Ⅳ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)第Ⅰ類因素：金屬性質(zhì)方面的因素合金成分合金的流動性與其成分之間存在著一定的規(guī)律性。在流動性曲線上，對應著純金屬、共晶成分和金屬間化合物的地方出現(xiàn)最大值，而有結(jié)晶溫度范圍的地方流動性下降，且在最大結(jié)晶溫度范圍附近出現(xiàn)最小值。合金成分對流動性的影響，主要是成分不同時，合金的凝固特點不同造成的。這是鑄造合金多選用共晶合金或凝固溫度范圍小的合金的根本原因。Fe—C合金流動性與狀態(tài)圖的關(guān)系鑄鐵的流動性和充型能力共晶鑄鐵流動性好碳的影響比鑄鋼要好與含磷、硅量錳和硫的影響

鎳和銅降低鑄鐵的液相線溫度，而稍許提離其流動性，鉻提高液相線溫度，而使充型能力下降。但是，這些元素在一般含量（質(zhì)量分數(shù)小于1％）情況下，對流動性的影響不明顯。在化學成分和澆注溫度相同的情況下，稀土鎂球墨鑄鐵的充型能力比灰鑄鐵好。鑄鋼流動性和充型能力碳、硅、錳、磷、硫、銅的影響結(jié)晶潛熱結(jié)晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的85～90％，但是，它對不同類型合金流動性的影響是不同的。純金屬和共晶成分合金在固定溫度下凝固，在一般的澆注條件下，結(jié)晶潛熱的作用能夠發(fā)揮，是影響流動性的一個重要因素。凝固過程中釋放的潛熱越多,則凝固進行得越緩慢,流動性就越好。對于結(jié)晶溫度范圍較寬的合金，散失約20％潛熱后，晶粒就連成網(wǎng)絡而阻塞流動，大部分結(jié)晶潛熱的作用不能發(fā)揮,所以對流動性的影響不大問題：為什么在相同的過熱度下AI-Si合金的流動性，在共晶成分處并非最大值，而在過共晶區(qū)里繼續(xù)增加?

金屬的比熱、密度和導熱系數(shù)比熱和密度較大的合金，因其本身含有較多的熱量，流動性好。導熱系數(shù)小的合金，熱量散失慢，保持流動的時間長；導熱系數(shù)小，在凝固期間液固并存的兩相區(qū)小,流動阻力小,故流動性好。金屬中加入合金元素后，一般都使導熱系數(shù)明顯下降。但是，有時加入合金元素后初晶組織發(fā)生變化，反而使流動性下降。

液態(tài)金屬的粘度液態(tài)金屬的粘度與其成分、溫度、夾雜物的含量和狀態(tài)等有關(guān)。粘度對層流運動的流速影響較大；對紊流運動的流速影響較小。金屬液在澆注系統(tǒng)或試樣中的流速，一般都是紊流運動，粘度的影響是不明顯的。在充型的最后很短的時間內(nèi),由于通道面積縮小,或由于液流中出現(xiàn)液固混合物時,而此時因溫度下降粘度顯著增加，粘度對流動性才表現(xiàn)出較大的影響。表面張力造型材料一般不被液態(tài)金屬潤濕；液態(tài)金屬表面上有能溶解的氧化物，如鑄鐵和鑄鋼中的氧化亞鐵，則潤濕鑄型；型腔越細薄，棱角的曲率半徑越小，表面張力的影響越大。為克服附加壓力的阻礙，必須在正常的充型壓頭上增加一個附加壓頭。為提高液態(tài)金屬的充型能力，在金屬方面可采取以下措施：正確選擇合金的成分；合理的熔煉工藝；對鋼液進行脫氧時，為什么要先加錳鐵后再加硅鐵？為什么要“高溫出爐，低溫澆注”？第Ⅱ類因素：鑄型性質(zhì)方面的因素鑄型的阻力影響金屬液的充型速度；鑄型與金屬的熱交換強度影響金屬液保持流動的時間；由于鑄型性質(zhì)對金屬液的充型能力有重要的影響，可通過調(diào)整鑄型性質(zhì)來改善金屬的充型能力。鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從金屬吸取并儲存熱量在本身中的能力，大