铸件凝固过程缩孔、缩松的预测VIP

铸造过程计算机模拟讲义

复习-铸件凝固过程

缩孔、缩松预测

冒国兵

1内容1、收缩缺陷预测方法及判据2、铸件凝固过程数值模拟工程应用（1）等温曲线法（2）温度梯度法（3）流导法（4）（5）新山英辅（NiYama）判据2

铸件凝固过程数值模拟的主要目的就是要预测铸件凝固过程中缩孔、缩松的形成，从而实现对铸件内部质量的控制。不同合金的缩孔、缩松形成机理不同，需要加以研究而提出相应的缩孔、缩松形成的预测判据。第一节收缩缺陷预测方法及判据下文介绍铸钢件缩孔、缩松的预测。31、等温曲线法

如果铸件各个部位始终保持着与冒口之间的补缩通道，亦即严格遵循顺序凝固原则，缩孔就不会产生。反之，如果这个通道在铸件凝固结束之前截断，就会产生缩孔。反映在温度场上，就是等温线形成了封闭的回路。如图1-1所示。第一节收缩缺陷预测方法及判据4图1－1等温曲线法与等固相率曲线法预测缩孔位置示意图5根据scheil方程，固相率与温度关系是一一对应的，因而，缩孔也就是将在fs＝1（纯金属、共晶合金、窄结晶温度范围的合金）或fs＝fsc（宽结晶温度范围的合金）的封闭回路内产生。（fsc代表临界固相率）本法简单实用，但没有充分考虑收缩缺陷产生的各种条件机理，而且有时等温曲线呈U形而不封闭，实际补缩困难，用此法就无从判断。第一节收缩缺陷预测方法及判据62、温度梯度法铸件在凝固过程中存在着朝向冒口的补缩通道，但在（a）中，温度梯度大，补缩通道的扩张就大，补缩就充分。而（b）中，因温度梯度小，虽也存在补缩通道，但补缩就很困难，冒口无法发挥补缩作用。如图1-2所示。第一节收缩缺陷预测方法及判据7图1－2不同的温度梯度导致补缩难易不同8

温度梯度法就是根据凝固后期的温度梯度大小，来预测是否存在收缩缺陷。

温度梯度可利用温度场的模拟结果定义：第一节收缩缺陷预测方法及判据9如果G<Gc（临界温度梯度），则该单元将产生收缩缺陷。

正如临界固相率一样，临界温度梯度Gc也须通过实验测定，且其影响因数众多（形状、冷速），不同研究者得到的结果差别很大，限制了本法的广泛应用。3、流导法第一节收缩缺陷预测方法及判据10前述两种方法是以凝固后期的温度梯度为出发点处理收缩问题的。而流导法正是基于对流动阻力的考察而提出的。凝固后期残留液相在枝晶间的流动可视为流体在多孔透气性介质内的流动，因而压力损失Δp和流动速度v之间的关系可由达西定律来描述（不考虑重力），则：（1）流导定义第一节收缩缺陷预测方法及判据11上式系数即可视为流动阻力，据此可将流导Kd定义为流动阻力的倒数，即：K－渗透率；gL－体积液相率；μ－动力粘度。（2）数值模拟中流导的应用第一节收缩缺陷预测方法及判据12

Kd应用于数值模拟计算时，当i单元的固相率达到临界固相率附近，则分别计算它与各相邻单元之间的流导：第一节收缩缺陷预测方法及判据13然后在各个流导值中取最大者为单元i的流导，即：如此流导值小于某一临界流导值，则该单元将产生收缩缺陷。铸钢临界流导值:第一节收缩缺陷预测方法及判据14(3)评价就考虑到缩孔形成机理而言，流导法比温度梯度法有改进，但它仍然存在着和前述几种方法同样的缺点，即临界流导的大小因铸件形状、大小和冷速等因数而异。4、（1）与上同理，此值的确定应取单元i与其临近各单元间诸第一节收缩缺陷预测方法及判据15值中的最大值，并以它为该单元的当此值小于某临界值时，将产生缩孔。第一节收缩缺陷预测方法及判据

该方法，摆脱了前述3种方法临界值受铸件形状和大小的制约，相比更为合理。166.新山英辅（NiYama）判据——预测微观缩松在早期凝固模拟中存在各种各样的预测方法，后来逐渐广泛应用新山英辅（NiYama）判据，即：第一节收缩缺陷预测方法及判据17研究表明，值随铸件大小变化，大件取，小件取第一节收缩缺陷预测方法及判据18由于临界值比较固定，因此该判据简单易用，应用较普遍。在NiYama判据中，单元（i，j，k）的温度梯度G为该单元与固相相邻各单元的温度梯度最大值。第一节收缩缺陷预测方法及判据19第二节铸件凝固过程数值模拟工程应用

Fig.2-1立方体铸件及其缺陷20第二节铸件凝固过程数值模拟工程应用

Fig.2-2

T形铸件及其缺陷21第二节铸件凝固过程数值模拟工程应用

Fig.2-3

H形铸件及其缺陷22第二节铸件凝固过程数值模拟工程应用