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一、金属凝固的温度场
热流方向与温度梯度方向相反
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一、金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
凝固过程中的传热方式
太阳辐射能
冷水 热水
傅里叶导热方程：
q t
n
λ表征物质导热能 力的大小
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一、金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
凝固过程特点—热阻
传热方向
中间层
砂型铸造
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金属型铸造
一、金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
凝固过程特点—热阻
传热方向
中间层
水冷8 金属型铸造
非水冷厚壁金 属型铸造
一、金属凝固的温度场
3、金属凝固温度场的分析方法
数学分析方法
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一、金属凝固的温度场
数值计算法—差分法或有限元法 实验测定法-测温法
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一、金属凝固的温度场
4、影响金属凝固温度场的因素
纯铜、纯铝、低碳钢、灰铸铁等的凝固
属于这种方式。
a）恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金
b）结晶温度范围很窄或断面温度梯度很大
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二、金属的凝固方式
（2）体积凝固 如果合金的结晶温度范围很宽，或因 铸件断面温度场较平坦，铸件心部温 度降至结晶开始温度，凝固区域甚至 贯穿整个铸件断面，而表面温度高于 固相温度，这种情况为“体积凝固方 式”（或“糊状凝固方式”）。 高碳钢、球墨铸铁等凝固属于这种方 式。
金属性质的影响
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一、金属凝固的温度场
铸型性质的影响
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一、金属凝固的温度场
浇注条件的影响
（1）浇注温度不超过液相线以上100℃； （2）砂型铸造增加过热程度，相当于提高铸件凝固时铸型温度，铸件断 面温度梯度减小； （3）金属型铸造时，由于铸型导热能力大，能够迅速传导出去，浇注温 度影响不大。
二、金属的凝固方式
3、金属凝固方式及其影响因素
金属的凝固方式
金属凝固方式一般分为三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。
（1）逐层凝固
恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸
件断面上的凝固区域宽度等于零，断面
上的固体和液体由一条界线清晰地分开，
随着温度的下降，固体层不断加厚，逐
步到达铸件中心，此为“逐层凝固方式”
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二、金属的凝固方式
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二、金属的凝固方式
4、金属凝固方式对铸件质量的影响
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二、金属的凝固方式
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二、金属的凝固方式
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二、金属的凝固方式
5、灰铸铁和球磨铸铁的凝固方式
共同点：都有产生缩松的可能性。 不同点：共晶凝固方式不同；石墨形态不同。
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三、金属的凝固时间
凝固时间：指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需的额时间。 1、砂型铸造时铸件凝固时间——平方根定律及Chvorinov法则
铸件结构的影响 （1）铸件越厚，铸件断面温度梯度越小； （2）铸件凸面和外角部分的冷却速度比平面快，而铸件凹面和内角部分 的冷却速度比平面慢。
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二、金属的凝固方式
凝固区宽度决
定金属的凝固
方式
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二、金属的凝固方式
1、凝固动态曲线
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二、金属的凝固方式
2、凝固区域及其结构
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宽凝固区域：
液固部分：液相占优，凝固的 晶体处于悬浮状态而未连成一 片，固相可以自由移动,其边 界称为“倾出边界”。 固液部分：固相占优，右边的 晶体已连成骨架，但液体还能 在其间移动，为“限制迁移 带”；左边的已接近固相线温 度，固相占绝大部分，骨架之 间的少量液体被分割成互补沟 通的小“熔池”，为“显微迁 移带”，两个带的边界称为 “补缩边界”。
(2)晶粒游离——型壁晶粒脱落、枝晶熔断、晶粒增殖等抑制铸件形成稳定的凝固壳层—
—充分条件。
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
内部柱状晶区的形成
形成原因
成长方向
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
内部柱状晶区的形成
影响因素
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
中心等轴晶区的形成
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
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二、金属的凝固方式
3、金属凝固方式及其影响因素
影响金属凝固方式的因素
（1）合金的结晶温度范围 以二元共晶相图为例说明
1. 逐层凝固 2. 中间凝固 3. 糊状凝固
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温度 温度
成分
固
表层
液
中心
液相线
液相线
固相线
S
固
液
表层
凝固区
中心
表层 中心
合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。
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二、金属的凝固方式
3、金属凝固方式及其影响因素
影响金属凝固方式的因素 （2）铸件的温度梯度
在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之 间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由 宽变窄 。
温度梯度很大的温度场，可以使宽结晶温度 范围的合金按中间凝固方式凝固(如高碳钢在 金属型中凝固)，甚至按逐层凝固方式凝固。 很平坦的温度场，可以使窄结晶温度范围的 合金按体积凝固方式凝固。所以，温度梯度 是凝固方式的重要调节因素。
第一章 液态金属凝固原理
凝固：指从液态向固态转变的相变过程。 传热学——传热过程、凝固方式、凝固时间及凝固缺陷。
结晶：指液态金属向固态金属转变的过程。 物理化学——形核、长大及结晶组织的形成规律。
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一、金属凝固的温度场
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一、金属凝固的温度场
1、温度场的概念
定义：在某一瞬间物体内各点温度分布的情况。
/2
1 /k2M 2
2、金属型铸造时铸件凝固时间——牛顿换热公式及Chvorinov法 则
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
1、铸件典型晶粒组织的形成及其影响因素
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
表层细晶粒区的形成
形成原因
影响因素
晶核来源
(1)过冷熔体中非均质生核——型壁附近熔体内部的大量生核——必要条件；
a）结晶温度范围很宽 b）铸件断面温度平坦
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二、金属的凝固方式
（3）中间凝固 如果合金的结晶范围较窄，或因铸件 断面的温度梯度较大，凝固初期似逐 层凝固——凝固后期似糊状凝固，这 种铸件断面上的凝固区域介于前两者 之间时属于“中间凝固方式”。 中碳钢、白口铸铁等的凝固属于这种 方式。
a）结晶温度范围较窄 b）铸件断面的温度梯度较大
中心等轴晶控制
中心等轴晶区的形成
杰克逊：生长着的柱状晶在凝固界面前方的熔断、游离、增殖导致内部等轴晶晶核的形成。
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
中心等轴晶区的形成
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四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制