第一讲 凝固理论-结构与性质

1、材料成形理论基础 武汉工程大学机电工程学院武汉工程大学机电工程学院教师：吴和保教授教师：吴和保教授E-mail：wu_电话：电话一篇第一篇 液态金属凝固学液态金属凝固学（Solidification Theory of Liquid Metals)Chapter 1 Introduction1、凝固的研究对象、凝固的研究对象凝固：物质从液态转变成固态的凝固：物质从液态转变成固态的相变过程相变过程。凝固现象的广泛性凝固现象的广泛性主要研究对象主要研究对象液体金属液体金属1研究对象研究对象 自然界的物质通常存在三种状态，即气态、液态自然界的物质通常存在三种状态，即气态、液

2、态和固态。在一定的条件下，物质可以在三种状态和固态。在一定的条件下，物质可以在三种状态之间转变。物质从液态转变成固态的过程就是凝之间转变。物质从液态转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观上的定义。从微观上看，可以定固。这是从宏观上的定义。从微观上看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。为规则排列的状态的过程。 液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金属这一过程的理论和技术。包括定性和定量地金属这一过程的理论和技术。包括定性和定量地研究其内在联系和规律；研究新的凝固技术和工研究其

3、内在联系和规律；研究新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。型工艺。 水凝结成雪花晶体水凝结成雪花晶体*Schematic of thermoplastic Injection molding machine塑料注射成形后的凝固塑料注射成形后的凝固Fluids 5/18液体金属（钢水）液体金属（钢水）浇注后凝固成浇注后凝固成固体金属固体金属2、主要研究（学习）内容、主要研究（学习）内容（1）液体金属的性质）液体金属的性质（2）晶体的生核和长大）晶体的生核和长大凝固热力学及动力学凝固热力学及动力学（3）凝固过程中的）凝固过程中的

4、“三传三传”（4）具体合金的结晶方式）具体合金的结晶方式单相结晶、共晶单相结晶、共晶（5）零件的组织控制、缺陷防止）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）（气孔、夹杂、缩孔、缩松）2.1理论基础理论基础 物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学。输学。2.2研究内容研究内容 液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法. 影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成分分.不同成分的液

5、态金属具有不同的凝固特性不同成分的液态金属具有不同的凝固特性,这是这是最重要的内在因素最重要的内在因素.依照相图可对凝固特性进行预依照相图可对凝固特性进行预测。测。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要的外在的工艺因素。它对凝固过程和凝固组织有的外在的工艺因素。它对凝固过程和凝固组织有着举足轻重的影响。着举足轻重的影响。 液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力等）也能对凝固过程产生重大的影响。力等）也能对凝固过程产生重大的影

6、响。 3、凝固技术发展历程、凝固技术发展历程最古老的艺术、技术之一最古老的艺术、技术之一冶铸技术冶铸技术合金配制、凝固控制、组织控制合金配制、凝固控制、组织控制3历史与发展历史与发展 我国冶铸技术已有我国冶铸技术已有5000多年的历史。多年的历史。黄帝本黄帝本纪纪载：载：“帝采首山铜铸剑，以天文古字铭之帝采首山铜铸剑，以天文古字铭之”。 史记史记曾有此记载：曾有此记载：“黄帝作宝鼎三，象天黄帝作宝鼎三，象天、地、人、地、人”。 “ “禹收九牧贡金，铸九鼎禹收九牧贡金，铸九鼎”。禹禹“以铜为兵，以铜为兵，以凿伊阙，通龙门，决江导河，东注入海以凿伊阙，通龙门，决江导河，东注入海”开始了开始了铜质工

7、具的应用。铜质工具的应用。墨子墨子：“昔者夏后启使蜚昔者夏后启使蜚廉采金于山川，陶铸于昆吾廉采金于山川，陶铸于昆吾”。 左传左传载宣公三年：载宣公三年：“昔夏之有德也，远方昔夏之有德也，远方图物，贡金九牧，铸鼎象物。图物，贡金九牧，铸鼎象物。桀有昏德，鼎桀有昏德，鼎迁于商。迁于商。商纣爆虐，鼎迁于周。商纣爆虐，鼎迁于周。成王定成王定鼎于郏鄏鼎于郏鄏”，秦本记秦本记载：载：“西周君走来自归西周君走来自归，顿首受罪。，顿首受罪。五十二年周民东亡，其器九鼎五十二年周民东亡，其器九鼎入秦入秦”。 在夏朝已进入青铜器时代。在夏朝已进入青铜器时代。 商朝青铜器铸造已很发达。司母戊方鼎是当时商朝青铜器铸造已

8、很发达。司母戊方鼎是当时最大的青铜器。图案、文字俱全最大的青铜器。图案、文字俱全, ,铸造相当精美。铸造相当精美。 曾候乙青铜器编钟，是距今曾候乙青铜器编钟，是距今2400多年前战国初多年前战国初期铸造的。期铸造的。 战国时期的战国时期的考工记考工记记载：记载：“金有六齐：六金有六齐：六分其金，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金分其金，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡，而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡居其一，谓这戈戟之齐；三分其金，而锡居其一居其一，谓这戈戟之齐；三分其金，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居其二，谓之，谓之大刃之齐；五

9、分其金，而锡居其二，谓之削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴燧之齐削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴燧之齐”。是世。是世界上最早的合金配比规律。界上最早的合金配比规律。 2020世纪世纪6060年代后，研究的重点在经典理论的应年代后，研究的重点在经典理论的应用，出现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技用，出现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技术、激光表面重熔技术、半固态铸造、扩散铸造术、激光表面重熔技术、半固态铸造、扩散铸造、调压铸造等凝固技术和材料成形方法。、调压铸造等凝固技术和材料成形方法。 其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来。大野笃美提出了晶粒游离和晶

10、粒增殖的脱出来。大野笃美提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论。通过计算机定量地描述液态金属的凝固过理论。通过计算机定量地描述液态金属的凝固过程，对凝固组织和凝固缺陷进行预测，在此基础程，对凝固组织和凝固缺陷进行预测，在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温上，出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦合起来进行研究，其结度场、应力场、流动场耦合起来进行研究，其结果更接近于实际。国际上已出现了许多商品化的果更接近于实际。国际上已出现了许多商品化的凝固模拟软件，它们在科研和生产中发挥着重要凝固模拟软件，它们在科研和生产中发挥着重要作用。国内紧随其后，研究开发的凝固模拟软件作用

11、。国内紧随其后，研究开发的凝固模拟软件，在科研和实际生产中得到了较广泛的应用。，在科研和实际生产中得到了较广泛的应用。 4。 凝固学与材料成形凝固学与材料成形 液态成型：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。液态成型：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。 连接成形：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特性连接成形：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特性来决定，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。来决定，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。 塑性成形与液态金属凝固无直接关系，但有重要的间接塑性成形与液态金属凝固无直接关系，但有重要的间接关系。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂纹、关系。

12、凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 金属切削成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产品。金属切削成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产品。合理的凝固过程与产品的性能及其使用安全性和寿命是紧合理的凝固过程与产品的性能及其使用安全性和寿命是紧密联系在一起的。密联系在一起的。 粉末成形是冶金学的一个分支，粉末是经熔化和凝固而粉末成形是冶金学的一个分支，粉末是经熔化和凝固而成的。粉末的生产方式，如雾化、凝固的方式决定着粉末成的。粉末的生产方式，如雾化、凝固的方式决定着粉末的质量，从而影响粉末冶金产品。的质量，从而影响粉末冶金产品。

13、第一章第一章 液体金属的结构和性质液体金属的结构和性质（Structure and Property of Liquid Metal)1-1 固体金属的加热、熔化固体金属的加热、熔化物质的物质的 “三态三态”转变转变水的水的“三态三态”与温度、压力的关系与温度、压力的关系金属熔化时不是所有的原子或大部分的原子的能量都金属熔化时不是所有的原子或大部分的原子的能量都达到或大于达到或大于Q，在熔点附近或过热度不大的液态金在熔点附近或过热度不大的液态金属中仍然存在许多的固态晶粒，液态金属的结构接属中仍然存在许多的固态晶粒，液态金属的结构接近固态而远离气态。近固态而远离气态。一液态金属的热物理性质一液态

14、金属的热物理性质1.1.体积变化体积变化 金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加3-5%3-5%。这说明原子间仍有这说明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有一定的规律性。较大的结合能。液态原子的结构仍有一定的规律性。2 2潜热潜热 熔化潜热一般只有升华热的熔化潜热一般只有升华热的3-7%3-7%，即熔化时原子间，即熔化时原子间的结合能仅减小了百分之几。的结合能仅减小了百分之几。1-2 液态金属的结构液态金属的结构表表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热)(42rr图图23 700液态铝中原子密液态铝中原子密度分布线度分布线图图

15、23 700液态铝中原子密液态铝中原子密度分布线度分布线表表2 23 x3 x射线衍射所得液态和固态金属结构参数射线衍射所得液态和固态金属结构参数配位数配位数 图 液态金属结构示意图 1-3 液态金属的性质液态金属的性质V0YFdydVx/或或Pa.s（一）粘度的实质及影响因素（一）粘度的实质及影响因素 当外力当外力F（X）作用于液态表面时，其速度分布如图所示。层与）作用于液态表面时，其速度分布如图所示。层与层之间存在内摩擦力。层之间存在内摩擦力。粘度与液体金属结构的关系)exp(203TkUTkBB数学模型数学模型关系：关系：1）结合能）结合能U越大，粘度越大；越大，粘度越大；2）原子间距）

16、原子间距增大，粘度减小；增大，粘度减小；3）合金种类）合金种类（二）粘度在材料成形过程中的意义（二）粘度在材料成形过程中的意义1对液态金属净化的影响对液态金属净化的影响 液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。杂质及气泡与金属液的密度不同。量除去。杂质及气泡与金属液的密度不同。 根据司托克斯原理，半径根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形杂质以下的球形杂质的的上浮速度上浮速度 ：2对液态合金流动阻力的影响对液态合金流动阻力的影响 流体的流动分层流和紊流，根据流体力学，流体的流动分层流和紊流，根据流体力学，Re2300为紊流，为紊流，Re230

17、0为层流。为层流。Re的数学式为的数学式为 eDvR 设设f为流体流动时的阻力系数，则有为流体流动时的阻力系数，则有 当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。在材料成形过程中金属液体的流动，以阻力大。在材料成形过程中金属液体的流动，以紊流方式流动最好，由于流动阻力小，液态金属紊流方式流动最好，由于流动阻力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的枝晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。枝晶间的补缩流和细薄铸件

18、中，则呈现为层流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力也大。总之，液态合金的粘度大其流动阻力也大。 64643对凝固过程中液态合金对流的影响对凝固过程中液态合金对流的影响 液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，动力。当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量，即其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量，即 可见粘度可见粘度越大对流强度越小。液体对流对结越大对流强度越小。液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析、杂

19、质的聚合等产生重晶组织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。要影响。 dAdFdAWLGLSSGcoscosLGLSSG（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的。这就是液珠存在的原因。的。这就是液珠存在的原因。 当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量，该功的大小则等于系统自由能的增量， 润湿现象 90o 90o = 0o =180oAbsolute wettingNo wetting（二）影响界面张力的因素（二）影响界面

20、张力的因素 影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。度和溶质元素。1熔点熔点 界面张力的实质是质点间的作用力，故界面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。面张力往往就大。 2温度温度 大多数金属和合金，如大多数金属和合金，如 Al、 Mg、 Zn等，等，其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而使液体质点间的结合力减弱所至。但对于铸铁、而使液体质点间的结合力减弱所至。但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即温

21、度升高表面张力碳钢、铜及其合金则相反，即温度升高表面张力反而增加。其原因尚不清楚。反而增加。其原因尚不清楚。3溶质元素溶质元素 溶质元素对液态金属表面张力的影溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，如钢液和铸铁液中的活性元素，如钢液和铸铁液中的S即为表面活性元即为表面活性元素，也称正吸附元素。提高表面张力的元素叫非素，也称正吸附元素。提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。负吸附元素。金属液的表面张力可以改变铝液中加入第二元素镁液中加

22、入第二元素P、S、Si对铸铁熔液表面张力的影响图图 砂型与金属液的润湿性砂型与金属液的润湿性正面图正面图X-X截面图截面图)11(21rrprpp2rrghrpgl)(2由于表面张力的作用产生了一个附加压力由于表面张力的作用产生了一个附加压力p。当当固一液互相润湿时，固一液互相润湿时，p有利于液体的充填，否则反有利于液体的充填，否则反之。当曲面为球面时附加压力之。当曲面为球面时附加压力p p的数学表达式为的数学表达式为p=2p=2/r /r 附加压力与管道半径成反比。当附加压力与管道半径成反比。当r很小时将产生很大的附加压力，这对液态成形很小时将产生很大的附加压力，这对液态成形（铸造）过程液态

23、合金的充型性能和铸件表面质（铸造）过程液态合金的充型性能和铸件表面质量产生很大影响。量产生很大影响。浇注薄小铸件时必须提高浇注温度和压力，以浇注薄小铸件时必须提高浇注温度和压力，以克服附加压力的阻碍。克服附加压力的阻碍。铸型或涂料材料应铸型或涂料材料应选择与液态合金不润湿的，通选择与液态合金不润湿的，通过，产生阻碍液态合金渗入的附加压力，从而使过，产生阻碍液态合金渗入的附加压力，从而使铸件表面得以光洁。铸件表面得以光洁。界面现象影响到液态成形的整个过程。晶体成核界面现象影响到液态成形的整个过程。晶体成核及生长及生长( (球化）、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造球化）、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺

24、陷都与界面张力关系密切。缺陷都与界面张力关系密切。2-4 流动性及充型能力流动性及充型能力“流动性流动性”液体金属本身的流动能液体金属本身的流动能力力由液态金属本身的成分、温度、杂质含量由液态金属本身的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因素无关。等决定，与外界因素无关。流动性测试方法：流动性测试方法：充型能力充型能力充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸型等诸多条件有关。型等诸多条件有关。一、液态金属流动性及充型能力的基本概念一、液态金属流动性及充型能力的基本概念 “流动性流动性”是液态金属本身的流动能力，由液是液态金属本身的流动能力，由液态金属的成分

25、、温度、杂质含量等决定的，而与态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关。外界因素无关。 液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又与外界条件密切相关，是各的流动能力，同时又与外界条件密切相关，是各种因素的综合反应。种因素的综合反应。 流动性是确定条件下的充型能力。液态合金的流动性是确定条件下的充型能力。液态合金的流动性好，其充型能力强；反之其充型能力差。流动性好，其充型能力强；反之其充型能力差。但这可通过外界条件来提高充型能力。但这可通过外界条件来提高充型能力。 流动性对于获得优质的液态成形产品，有着重流动性对于获得优质的液

26、态成形产品，有着重要的影响。要的影响。 液态合金的流动性可用试验的方法，即浇注螺液态合金的流动性可用试验的方法，即浇注螺旋流动性试样或真空流动性试样来衡量。旋流动性试样或真空流动性试样来衡量。 二、液态金属停止流动的机理二、液态金属停止流动的机理 以纯铝和以纯铝和A15Sn两种金属浇注流动性试样。两种金属浇注流动性试样。A15Sn合金的结晶温度范围约为合金的结晶温度范围约为430。 纯金属流动性试样的宏观组织是柱状晶，试样纯金属流动性试样的宏观组织是柱状晶，试样的末端有缩孔，这说明液态金属停止流动时，其的末端有缩孔，这说明液态金属停止流动时，其末端仍保持有热的金属液。停止流动的原因，是末端仍保

27、持有热的金属液。停止流动的原因，是末端之前的某个部位从型壁向中心生长的柱状晶末端之前的某个部位从型壁向中心生长的柱状晶相接触，金属的流动通道被堵塞。相接触，金属的流动通道被堵塞。 A15Sn合金流动性试样的宏观组织是等轴晶合金流动性试样的宏观组织是等轴晶，离入口处越远，晶粒越细，试样前端向外突出，离入口处越远，晶粒越细，试样前端向外突出。由此可以判断，液态金属的温度是沿程下降的。由此可以判断，液态金属的温度是沿程下降的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一定数量时，便结成一个连续的网络，发生堵塞，定数量时，便结成一个连续的网络，发生堵塞，停止流动。

28、停止流动。 合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液合金的结晶温度范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出少量固相，即在较短的时间，液态金流前端析出少量固相，即在较短的时间，液态金属便停止流动。在液态金属的前端析出属便停止流动。在液态金属的前端析出1520的固相量时，流动就停止。的固相量时，流动就停止。 充型能力的计算充型能力的计算充型过程：液体金属的非稳定的流动过程充型过程：液体金属的非稳定的流动过程l = v t 主要是计算主要是计算流动时间流动时间tghv2充型能力示意图充型时的两种停止流动方式充型时的两种停止流动方式（1）窄凝固范围的合金）窄凝固范围的合金纯金属或结晶温度很窄（如共晶合金）

29、纯金属或结晶温度很窄（如共晶合金） t主要与试样厚度有关（第主要与试样厚度有关（第4章中）章中）（2）宽凝固范围的合金）宽凝固范围的合金结晶温度范围宽结晶温度范围宽 因流动前沿固相太多而停止流动因流动前沿固相太多而停止流动(1)窄凝固范围的合金窄凝固范围的合金(2)宽凝固范围的合金宽凝固范围的合金流动时间流动时间tt1+t2(1)t1过热温度流动段过热温度流动段 (2)t2凝固开始到停止流动时间段凝固开始到停止流动时间段 充型能力充型能力流动长度流动长度l = v t )242(dddd(11TcVtATT）型)272(dddd(11TcVtATT）型)362()(2K11型浇TTTTCKLP

30、FgHlL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及提高充型能力的措施第一类因素第一类因素金属性质方面：金属性质方面： 1，c1, 1, L, , , T(结晶特点结晶特点)第二类因素第二类因素铸型性质方面：铸型性质方面： 2，c2, 2, T型型，涂料层，透气性，涂料层，透气性第三类因素第三类因素浇注条件方面：浇注条件方面： T浇浇，H(压头压头)，外力场，外力场第四类因素第四类因素铸件结构方面：铸件结构方面： 铸件厚度，结构复杂程度铸件厚度，结构复杂程度(型腔型腔) 三三. 影响充型能力的因素影响充型能力的因素 对影响因素进行分析，其目的在于掌握它们的对影响因素进行分析，其

31、目的在于掌握它们的规律以后，能够采取有效的工艺措施提高液态金规律以后，能够采取有效的工艺措施提高液态金属的充型能力。属的充型能力。 1 金属性质方面的因素金属性质方面的因素 1） 合金成分合金成分 合金的流动性与其成分之间存在着一定的规律合金的流动性与其成分之间存在着一定的规律性。在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分性。在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物的地方出现最大值，而有结晶温和金属间化合物的地方出现最大值，而有结晶温度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范度范围的地方流动性下降，且在最大结晶温度范围附近出现最小值。合金成分对流动性的影响，围附近出现最小值。合金成分对

32、流动性的影响，主要是成分不同时，合金的结晶特点不同造成的主要是成分不同时，合金的结晶特点不同造成的。 这是铸造合金多选用共晶合金或凝固温度范围这是铸造合金多选用共晶合金或凝固温度范围小的合金的根本原因。小的合金的根本原因。图图 Fe-C合金状态图与流动性的关系合金状态图与流动性的关系 铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，可是铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，可是铸铁的流动性比铸钢的好。这是由于铸钢的熔点铸铁的流动性比铸钢的好。这是由于铸钢的熔点高，钢液的过热度一般都比铸铁的小，维持液态高，钢液的过热度一般都比铸铁的小，维持液态的流动时间就要短，另外，由于钢液的温度高，的流动时间就要短，另外，

33、由于钢液的温度高，散热快，很快就析出一定数量的枝晶使钢液失去散热快，很快就析出一定数量的枝晶使钢液失去流动能力。流动能力。 初生晶的形态影响流动性，如果初生晶为树枝初生晶的形态影响流动性，如果初生晶为树枝晶，对液体金属流动的阻碍就大，如果初生晶强晶，对液体金属流动的阻碍就大，如果初生晶强度不高，就不易形成网络而阻碍流动，如果初生度不高，就不易形成网络而阻碍流动，如果初生晶为园形、方形等形态，对流动的阻碍就小。晶为园形、方形等形态，对流动的阻碍就小。 2）结晶潜热）结晶潜热 结晶潜热约占液态金属热含量的结晶潜热约占液态金属热含量的8590，但，但是，它对不同类型合金流动性的影响是不同的。是，它对

34、不同类型合金流动性的影响是不同的。 纯金属和共晶成分合金在固定温度下凝固，在纯金属和共晶成分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，一般的浇注条件下，结晶潜热的作用能够发挥，是影响流动性的一个重要因素。凝固过程中释放是影响流动性的一个重要因素。凝固过程中释放的潜热越多的潜热越多,则凝固进行得越缓慢则凝固进行得越缓慢,流动性就越好。流动性就越好。 对于结晶温度范围较宽的合金，散失约对于结晶温度范围较宽的合金，散失约20潜潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶热后，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潜热的作用不能发挥, ,所以对流动性的影响不大。

35、所以对流动性的影响不大。 A1Si合金的流动性合金的流动性, ,在共晶成分处并非最大值在共晶成分处并非最大值, ,而在过共晶区里继续增加而在过共晶区里继续增加, ,是因为初生硅相块状是因为初生硅相块状晶体晶体, ,有较小的机械强度，不形成坚强的网络，结有较小的机械强度，不形成坚强的网络，结晶潜热得以发挥。硅相的结晶潜热比晶潜热得以发挥。硅相的结晶潜热比 a相大三倍。相大三倍。 3）金属的比热、密度和导热系数）金属的比热、密度和导热系数 比热和密度较大的合金，因其本身含有较多的比热和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，流动性好。导热系数小的合金，热量散失热量，流动性好。导热系数小的合金，热量

36、散失馒，保持流动的时间长；导热系数小，在凝固期馒，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间液固并存的两相区小,流动阻力小流动阻力小,故流动性好。故流动性好。 4）液态金属的粘度）液态金属的粘度 液态金属的粘度与其成分、温度、夹杂物的含液态金属的粘度与其成分、温度、夹杂物的含量和状态等有关。量和状态等有关。 粘度对层流运动的流速影响较大粘度对层流运动的流速影响较大; ;对紊流运动的对紊流运动的流速影响较小流速影响较小. .金属液在浇注系统或试样中的流速金属液在浇注系统或试样中的流速, ,一般都是紊流运动一般都是紊流运动. .粘度的影响是不明显的粘度的影响是不明显的. .在充在

37、充型的最后很短的时间内型的最后很短的时间内, ,由于通道面积缩小由于通道面积缩小, ,或由或由于液流中出现液固混合物时于液流中出现液固混合物时, ,而此时因温度下降粘而此时因温度下降粘度显著增加，粘度对流动性才表现出较大的影响度显著增加，粘度对流动性才表现出较大的影响. . 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薄部分的液面是凸。故液态金属在铸型细薄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，表面张力加压力，阻碍对该部分的

38、充填。所以，表面张力对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角的成形有影对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角的成形有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径超小，表面张响。型腔越细薄，棱角的曲率半径超小，表面张力的影响则越大。为克服附加压力用阻碍，必须力的影响则越大。为克服附加压力用阻碍，必须在正常的充型压力上增加一个附加压头。在正常的充型压力上增加一个附加压头。 2铸型性质方面的因素铸型性质方面的因素 铸型的阻力影响金属液的充型速度；铸型与金铸型的阻力影响金属液的充型速度；铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。铸属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。铸型性质对金属液的充型能力有重要的影响。可通型性质对

39、金属液的充型能力有重要的影响。可通过调整铸型性质来改善金属的充型能力。过调整铸型性质来改善金属的充型能力。 1）铸型的蓄热系数）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从金属吸取并储存热铸型的蓄热系数表示铸型从金属吸取并储存热量在本身中的能力。铸型吸取较多的热量而本身量在本身中的能力。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。铸型的导热系数大表示从金属吸持较大的温差。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铸型内表面传导取的热量能很快地由温度较高的铸型内表面传导到温度较低的到温度较低的“后方后方”，使

40、铸型内表面的热量能，使铸型内表面的热量能迅速传走，而保持继续吸取热量的能力。迅速传走，而保持继续吸取热量的能力。 经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数. . 2）铸型的温度）铸型的温度 预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。其充型能力。 3）铸型中的气体）铸型中的气体 铸型具有一定的发气能力，能在金属液与铸型铸型具有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，有利于之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，有利于充型充型3浇注条件方面的因素浇注条件方面的因素1）浇注温度）浇注温度 浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影浇注温度对