材料加工原理课件第4讲

3.1

液态金属的流动性与充型能力液态金属充型流动的特点：流动中被冷却，温度降低，粘度增大→流速和流动状态会变化短时间、短流道流动，多局部阻力→非稳定流动流动中降温、结晶→停止流动，与金属的凝固方式有关液态金属的充型能力充型是指液态金属充填铸型型腔的过程；液态金属的充型能力(Mold

Filling

Capacity)是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，否则会产生“浇不足”的缺陷。金属液的流动性——液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性好的液态金属，充型能力强，易于充满薄

而复杂的型腔，有利于金属液中气体、杂质的上

浮并排除，有利于对铸件凝固时的收缩进行补缩；流动性不好的液态金属，充型能力弱，铸件易产生浇不足、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。

6

0.45%C铸钢：200mm出气口浇口杯4.3%C铸铁：1800mm合金的螺旋形流动性实验

实验与模拟均证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。

液态金属的充型能力取决于：内因——金属本身的流动性(流动能力)；外因——铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素。影响充型能力的因素是通过2个途径起作用的：影响金属与铸型之间的热交换作用，从而改变金属液的流动时间；影响金属液在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速。影响液态金属充型性的最主要的因素金属性质浇注条件铸型条件A.

金属性质①

合金种类不同的合金，充型性差异很大。。例如：灰铸铁充型能力最好，铸钢的充型性②

合金的成分同种合金中，成分不同，结晶特征不同，充型性差异很大。纯金属和共晶成分的合金非共晶成分的合金合金的凝固特性1)逐层凝固2)体积凝固3)中间凝固合金的结晶温度范围越宽，充型性越差。纯金属（小两相区合金）的停止流理充型能力强宽结晶温度区合金的停止流理前端析出15~20％的固相量时，流动就停止。③金属的物理性质比热、密度、导热系数、结晶潜热等。液态合金的比热容和密度越大，导热系数越小，凝固时结晶潜热得越多，合金处于液态的时间越长，因而充型性越好。此外，液态金属中的不溶杂质和气体对流动充型性也有很大影响。B.

浇注条件①

浇注温度②

充型压力C.

铸型条件①

铸型性质②

铸型温度③

铸件结构总结：在实际生产中，必须根据具体情况找出其中的主要因素并采取相应的措施，才能有效地提高液态金属的充型能力。金属铸造成形时，一般应尽量选用共晶成分合金，或结晶温度范围小的合金；并尽量提高金属液的品质，金属液越纯净，含气体、夹杂物越少，流动性越好。对于特定的金属，可采取提高浇注温度和充型压头、合理设置浇注系统和改进铸件结构等措施来提高液态金属的充型能力。充型过程的物理模型l

v

tv

2gH影响充型能力的因素及提高充型能力的措施第一类因素——金属性质方面：1，c1,1,L,,,T(结晶特点)第二类因素——铸型性质方面：2，c2,2,T型，涂料层，透气性第三类因素——浇注条件方面：T浇，H(压头)，外力场第四类因素——铸件结构方面：铸件厚度，结构复杂程度(型腔)P

TL

T型2gH

F1

kL

c1

(T浇

Tk

)l

3.2液态金属凝固过程中的流动1、自然对流由密度差引起的浮力流液态金属凝固过程中的流动1、自然对流由密度差引起的浮力流液态金属凝固过程中的流动2、强迫对流（外加压力 动）冲击力：F

=

2ρg

S

H涡流：v

·r

=

const3.2.2凝固过程中液相区的液体流动

d

xdy则在y方向上的梯度：dy

2d

d

2vdy

x

根据牛顿定律：0

gTd

dy

l

y

2

d

vx0

Tdy

2

2

1

g

T根据边界条件求解：

l

y

l

vx

0

T

12

gTl

2

y

3T

0

0

T

m21

TTm

T

yl无量纲化l

y

l

vx

l

vx

0

33212

2

gTl0

TT

12

G

1

3

对流强度的

Grashof

Number温度对流浓度对流

2GT

2

gTl3

0

T

2

2

gCl3GC

0

C

液态金属在枝晶间的流动3.3

材料的流变行为物体按流变学特性分类单纯物体的流变特性复杂物体的流变特性合金的流变（半固态）加工流变性能的力学模型材料的简单流变性能理想物体的流变性能帕斯卡体Pascal

body（理想液体）欧几里德体

Euclid

body

（绝对刚体）单纯材料的流变性能虎克体Hookebody牛顿体Newton

body圣维南体Saint

Venantbody–机械模型符号Hooke

body

Newton

body

Saint

Venant

bodyPH

PN

PfsSPs机械模型及符号材料的复杂流变性能（1）串联体“—”（2）并联体

“|”P1L1P2P3L2L3PP1

L1P2

L2P3

L3LPPP开尔文体（Kelvin

body）机械模型结构公式：K=H

|

N本构方程为：t>0微分方程的解为：

G

ttt

dt

G0

1

exp0

0

exp

G

t

t

麦克斯韦体（Maxwell

body）结构公式：M

=

H-N本构方程为：t>0微分方程的解为：ttt

dt

G0

exp0

0

exp

G

t

t

GG

施韦道夫体（Schwedoff

body）结构公式：Sch=H

-[（H

-

N）|

S]

=H-

M|

S本构方程为：微分方程的解为：

S

S

G1

G2

G1

S

SStSdt

G

G

G

G

t

t

t02

1G1G2tG1G2G1

G2

01

20G

G

1

2

exp

exp

宾汉体（Bingham

body）结构公式：B=

H-（N|S）本构方程为：微分方程的解为：

S

G

G

S

SSttdt

G

t0

exp

exp

G

t

t

G0

S0铸造Al-Si合金的流变特性合金的流变性能与半固态铸造半固态流变铸造流程半固态合金流变性能力学模型在凝固温度范围内（液相至固相）合金的流变性能的力学模型可由宾汉体串联开尔文体组合而成。T=H1

—

(S

|

N1)

—

(H2

|

N2)式中，T为合金本身流变模型代号。本构方程建立结晶温度范围内合金的应力－应变本构方程，求得合金流变性参数：

2

12

1

1

1 2

2221211

2

S