第一章 液态金属凝固原理 PPT
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液态金属性质ppt课件
结晶。
图1-2 液态金属结构示意图
1.1.2 粘度理论
液态金属是有粘性的流体。 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方
向运动。 在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运
动时，会产生摩擦阻力。 当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，
在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘 度。 粘度的单位是Pa·s。
►►液相成型
固态金属
按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体
凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列 的物质称为晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
多晶体
大多数金属通常是由位向不同的小单晶 （晶粒）组成，属于多晶体。
在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频 率约为1013 次/s。
液态金属？
由相关热力学公式可得：
W dF
dA dA
此式表明，表面张力就是单位面积上的自由能。 式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系 统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。
图1-1 700℃液 态铝中原子密
度分布线
可见液态原子分布曲线是介于 4r 2 0 曲线与固态时的 分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接 近，其配位数与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大， 而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。
金属由液态转变为固态的凝团过程，实质上就是原子 由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，
从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态 或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态） 的转变均属于结晶过程。
图1-2 液态金属结构示意图
1.1.2 粘度理论
液态金属是有粘性的流体。 流体在层流流动状态下，流体中的所有液层按平行方
向运动。 在层界面上的质点相对另一层界面上的质点作相对运
动时，会产生摩擦阻力。 当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，
在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘 度。 粘度的单位是Pa·s。
►►液相成型
固态金属
按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体
凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列 的物质称为晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
多晶体
大多数金属通常是由位向不同的小单晶 （晶粒）组成，属于多晶体。
在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频 率约为1013 次/s。
液态金属？
由相关热力学公式可得：
W dF
dA dA
此式表明，表面张力就是单位面积上的自由能。 式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系 统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。
图1-1 700℃液 态铝中原子密
度分布线
可见液态原子分布曲线是介于 4r 2 0 曲线与固态时的 分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。
其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接 近，其配位数与固态时相当。
第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大， 而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。
金属由液态转变为固态的凝团过程，实质上就是原子 由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，
从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态 或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态） 的转变均属于结晶过程。
金属凝固原理(共15张PPT)
第11页，共15页。
四、影响因素
1. 金属性质方面
1）强生核剂——生核
1）低的浇注温度——过热度低，游离晶粒多、易残存
成23分） ）过宽溶冷结质区晶元宽温素度度含X范量围较 的高，合平金衡和分小配的系温数度偏梯离度G1较—远∆—T— o L c 13低12（厚改图b（23综1（ 第第2使2%） ） ） ） ） ） ） ）蓄2壁变1合2二二内5C） — ） ）低溶强凝激索晶型－热 铸 界 应 节 节 部u的质生微—游固冷辛等 粒壁合5系件面用温浇元核观过离期晶：轴 铸铸游和从金数，前溶度注素剂结热晶间游界晶 件件离熔铸的砂沿质梯b温含构热直的离面晶 结结体——型宏型溶再度度量：量接对理前核 晶晶中———游观铸质分G较晶散来流论方的 组组杂——生型离结L造分配变高粒失自：：存来 织织质延—核壁的构较布、小， 内 过 在 源的 的 微过缓a晶晶浇金状成.，平部冷等控控粒热稳—粒粒注属态分凝衡的熔轴制制的度定—脱的期型（过固分结体晶生低凝游落增间铸宏冷区配构中的核，固离、殖和造观及域系形的晶能游壳晶枝作凝更成晶加数态非核力离层残晶用固易分粒宽偏，均；。晶的存熔初获均游，离如质粒形断期得化离有树生多成、1—的等、理较利枝核、，晶—激轴微论远于晶；易有粒等冷晶观分—等、残助增轴晶（成析—轴胞存于殖晶游尤分宏晶成状激等数离在波观的分晶冷、量。高动结增过等晶抑温）晶加冷亚的制（浇。组—区结游铸次注织—宽构离件要下三∆度形；形因T）个Xc态成素晶o，稳）（区共定主的晶的导形团凝因成内固素过部壳）程的层；两—相—结充构分形条态件及。这些结构形态的细化程度。 （2）对晶4粒）游离凝过程固的作用时长时、激烈的对流——晶粒游离
第4页，共15页。
第5页，共15页。
二、基本原理——晶粒游离
1. 液体金属流动 （1）流动原因
四、影响因素
1. 金属性质方面
1）强生核剂——生核
1）低的浇注温度——过热度低，游离晶粒多、易残存
成23分） ）过宽溶冷结质区晶元宽温素度度含X范量围较 的高，合平金衡和分小配的系温数度偏梯离度G1较—远∆—T— o L c 13低12（厚改图b（23综1（ 第第2使2%） ） ） ） ） ） ） ）蓄2壁变1合2二二内5C） — ） ）低溶强凝激索晶型－热 铸 界 应 节 节 部u的质生微—游固冷辛等 粒壁合5系件面用温浇元核观过离期晶：轴 铸铸游和从金数，前溶度注素剂结热晶间游界晶 件件离熔铸的砂沿质梯b温含构热直的离面晶 结结体——型宏型溶再度度量：量接对理前核 晶晶中———游观铸质分G较晶散来流论方的 组组杂——生型离结L造分配变高粒失自：：存来 织织质延—核壁的构较布、小， 内 过 在 源的 的 微过缓a晶晶浇金状成.，平部冷等控控粒热稳—粒粒注属态分凝衡的熔轴制制的度定—脱的期型（过固分结体晶生低凝游落增间铸宏冷区配构中的核，固离、殖和造观及域系形的晶能游壳晶枝作凝更成晶加数态非核力离层残晶用固易分粒宽偏，均；。晶的存熔初获均游，离如质粒形断期得化离有树生多成、1—的等、理较利枝核、，晶—激轴微论远于晶；易有粒等冷晶观分—等、残助增轴晶（成析—轴胞存于殖晶游尤分宏晶成状激等数离在波观的分晶冷、量。高动结增过等晶抑温）晶加冷亚的制（浇。组—区结游铸次注织—宽构离件要下三∆度形；形因T）个Xc态成素晶o，稳）（区共定主的晶的导形团凝因成内固素过部壳）程的层；两—相—结充构分形条态件及。这些结构形态的细化程度。 （2）对晶4粒）游离凝过程固的作用时长时、激烈的对流——晶粒游离
第4页，共15页。
第5页，共15页。
二、基本原理——晶粒游离
1. 液体金属流动 （1）流动原因
液态金属凝固原理讲解
•竞争淘汰:离开型壁的距离越远， 取向不利的晶体被淘汰得就越多， 柱状晶的方向就越集中，同时晶 粒的平均尺寸也就越大。
2、内部柱状晶区的形成
凝固壳层→界面处晶粒单向散热→ 晶粒逆热流方向择优生长而形成柱 状晶
柱状晶区影响因素： （1）铸型导热能力： 铸型导热能
力越强，有利于柱状区形成； （2）合金成分：溶质含量越少，
1.4 金属结晶组织和凝固缺陷的控制
• 晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质 和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱 状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
完全柱状晶
完全等轴晶
1、表面细晶粒区的形成
形成原因：
（1）铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无 方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。
铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比
例以及晶粒大小。
1.4.2 铸件晶粒组织的控制
（1）柱状晶（组织致密、晶粒粗大、 各向异性）：
生长过程中凝固区域窄，横向 生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不 能充分发展，分枝少，结晶后显微 缩松等晶间杂质少，组织致密。
• 细晶区形成的前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层。
2、内部柱状晶区的形成
• 稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始 • 内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束 • 柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。 • 生长方式：择优生长
•择优生长:各枝晶主干方向互不 相同，主干与热流方向相平行的 枝晶生长迅速，优先向内伸展并 抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰 掉取向不利的晶体过程中发展成 柱状晶组织。
溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核 （2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体
2、内部柱状晶区的形成
凝固壳层→界面处晶粒单向散热→ 晶粒逆热流方向择优生长而形成柱 状晶
柱状晶区影响因素： （1）铸型导热能力： 铸型导热能
力越强，有利于柱状区形成； （2）合金成分：溶质含量越少，
1.4 金属结晶组织和凝固缺陷的控制
• 晶区数目以及柱状晶区和等轴晶区的相对宽度随合金性质 和具体凝固条件而变化，在一定条件下，可获得完全由柱 状晶或等轴晶所组成的宏观结晶组织 ：
完全柱状晶
完全等轴晶
1、表面细晶粒区的形成
形成原因：
（1）铸型壁附近熔体受到强烈的激冷作用而大量形核，形成无 方向性的表面细等轴晶组织，也叫“激冷晶”。
铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比
例以及晶粒大小。
1.4.2 铸件晶粒组织的控制
（1）柱状晶（组织致密、晶粒粗大、 各向异性）：
生长过程中凝固区域窄，横向 生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不 能充分发展，分枝少，结晶后显微 缩松等晶间杂质少，组织致密。
• 细晶区形成的前提：抑制铸件形成稳定的凝固壳层。
2、内部柱状晶区的形成
• 稳定凝固壳层产生→→柱状晶区开始 • 内部等轴晶区形成→→柱状晶区结束 • 柱状晶区的宽度及存在取决于上述两个因素综合作用结果。 • 生长方式：择优生长
•择优生长:各枝晶主干方向互不 相同，主干与热流方向相平行的 枝晶生长迅速，优先向内伸展并 抑制相邻枝晶的生长。逐渐淘汰 掉取向不利的晶体过程中发展成 柱状晶组织。
溶质原子富集而使界面前方成分过冷增大发生非均匀形核 （2）随对流漂移到铸件中心的自由小晶体
《金属的凝固特点》课件
。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
《液态金属的凝固》课件
《液态金属的凝固》PPT 课件
液态金属在工业界和科技领域拥有广泛的应用。本次课件将带您领略液态金 属凝固的惊奇世界。
液态金属凝固渐有序排列并形成 晶体。晶体的长大导致固态化。
表面张力
表面张力越大，固态金属的形态越规则。表面张力 也会影响凝固速度。
过冷现象
液态金属降温时，在本应结晶的温度下仍未结晶而 保持液态态势。可以通过添加晶核或增加凝固度来
快速冷却技术
利用快速冷却先对合金进行淬火处理，让金属快速 形变，形成亚晶状态，获得优化的力学性能。
电磁悬浮熔炉
通过在电磁场中悬浮液态金属，消除熔炼容器的物 理接触和热影响，避免金属污染，制备高纯度金属。
凝固过程的模拟与优化
液态金属凝固过程可以通过数值模拟进行优化，以达到更好的机械性能和良好的成型效果。 • 开发多尺度模拟技术 • 提高数值模拟精度 • 结合实验验证模拟结果
液态金属凝固的应用领域
汽车制造
液态金属可制造高强度和轻质 零件，如车架、刹车片等。
3D打印
利用增材制造技术，可以制造 出复杂形状的金属零部件。
电子器件
液态金属可用于导电涂层、承 载电路等领域。
液态金属的凝固：现象和应用
液态金属凝固可以带来革命性的变革，可以制造更轻便、更高强度的结构件或电子元器件。相信液态金属凝固 技术在不久的将来会迎来更广泛的应用。
常见的液态金属材料
铝
轻质、强度高、导电性好，应用广泛。
钛
密度小、强度高、抗腐、生物相容性好，具有 良好的结构材料潜力。
镁
密度小、强度高、韧性好，并可以降低磁性。
锆
具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用 于生物医学领域。
凝固过程和影响因素
1
液态金属在工业界和科技领域拥有广泛的应用。本次课件将带您领略液态金 属凝固的惊奇世界。
液态金属凝固渐有序排列并形成 晶体。晶体的长大导致固态化。
表面张力
表面张力越大，固态金属的形态越规则。表面张力 也会影响凝固速度。
过冷现象
液态金属降温时，在本应结晶的温度下仍未结晶而 保持液态态势。可以通过添加晶核或增加凝固度来
快速冷却技术
利用快速冷却先对合金进行淬火处理，让金属快速 形变，形成亚晶状态，获得优化的力学性能。
电磁悬浮熔炉
通过在电磁场中悬浮液态金属，消除熔炼容器的物 理接触和热影响，避免金属污染，制备高纯度金属。
凝固过程的模拟与优化
液态金属凝固过程可以通过数值模拟进行优化，以达到更好的机械性能和良好的成型效果。 • 开发多尺度模拟技术 • 提高数值模拟精度 • 结合实验验证模拟结果
液态金属凝固的应用领域
汽车制造
液态金属可制造高强度和轻质 零件，如车架、刹车片等。
3D打印
利用增材制造技术，可以制造 出复杂形状的金属零部件。
电子器件
液态金属可用于导电涂层、承 载电路等领域。
液态金属的凝固：现象和应用
液态金属凝固可以带来革命性的变革，可以制造更轻便、更高强度的结构件或电子元器件。相信液态金属凝固 技术在不久的将来会迎来更广泛的应用。
常见的液态金属材料
铝
轻质、强度高、导电性好，应用广泛。
钛
密度小、强度高、抗腐、生物相容性好，具有 良好的结构材料潜力。
镁
密度小、强度高、韧性好，并可以降低磁性。
锆
具有良好的生物相容性和耐腐蚀性，广泛应用 于生物医学领域。
凝固过程和影响因素
1
金属的凝固成形PPT优秀课件
充型能力越强。 3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
17
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
18
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
4
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
17
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
18
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
4
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
金属凝固原理ppt课件
3、通过大量的实验研究，Chalmers及大野笃美等人 提出“激冷等轴晶游离”理论，Jackson、Southi等 人提出“枝晶熔断”及“结晶雨”理论，以此为指 导可有效控制结晶过程和凝固组织。在这些理论的 基础上，机械及超声波振动、机械及电磁液相搅拌、 孕育处理、变质处理等技术得以发展与推广并仍在 不断改进及完善。
可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。 西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来 发现近十件石墨为球形的铸铁农具。
层叠铸造：王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出 土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。
大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当 阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年： 50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被 看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
1
AR 2
A
DL2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
例： 小尺寸铸件 金属型 快速凝固 凝固时间极短 （几秒） 溶质的扩散和对流的作用将不明显，导 热成为SP的控制环节。
可锻铸铁、球墨铸铁：战国时期已有白心、黑心可锻铸铁。 西汉时期此技术达成熟，成为铸作坊中的常规工艺。近年来 发现近十件石墨为球形的铸铁农具。
层叠铸造：王莽时代，一次铸184枚铜钱、河南温县窑出 土的2000年前叠箱浇注的铸件，一组18个马嚼子。
大型及特大型铸件：沧州铁狮子：公元953年：50吨；当 阳铁塔：公元1061年，50吨；正定铜佛：公元971年： 50吨；永乐大钟：公元1418年，46吨。
“王冠上的明珠” 航空发动机是航空航 天器的核心部件，其发展水平已成为一个国 家科技水平、军事实力和综合国力的重要标 志之一。人类航空史上航空动力技术的每一 次重大革命性进展，无不与凝固技术的突破 和进步相关。
“金融经济”、“网络经济”、“知识经济”等 意识的强烈冲击→传统的金属材料成形加工工业被 看成了“老气横秋”的“夕阳工业”。
1
AR 2
A
DL2
mls( )
3、Flemings等从工程的角度出发，进一步考 虑了SP两相区的液相流动效应，提出局部溶 质再分配方程等理论模型。
4、俄裔捷克铸造工程师Chvorinov通过对大量 冷却曲线的分析，巧妙地引入铸件模数的概 念，导出了著名的平方根定律，至今仍是铸 造工艺设计的理论依据2 之一。
例： 小尺寸铸件 金属型 快速凝固 凝固时间极短 （几秒） 溶质的扩散和对流的作用将不明显，导 热成为SP的控制环节。
液态成形基础416PPT课件
20 03.12.2020
定向凝固的不足： （1）浪费金属和工时，增加成本； （2）易使铸件产生变形和裂纹；
用途： 主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、
铸钢件等。 注意：
结晶范围很宽的合金，补缩效果很差， 难以避免显微缩松的产生
21 03.12.2020
3.铸造内应力(Internal stress) （1）内应力的形成
7 03.12.2020
二、液态合金的铸造性能 主要包括：充型能力、收缩性 1、合金的充型能力 充型能力：液态合金充满铸型型腔的能力
8 03.12.2020
影响合金充型能力的主要因素 （1）合金的流动性（液态合金本身的流动能力） 显然，流动性好，充型能力高
影响流动性的主要因素：合金的种类、 合金的成分、杂质等 1）合金的种类 与熔点、热导率、粘度等 有关；例铸钢
(1)收缩过程三阶段：
(1)液态收缩 从浇注温度t浇到凝固开始温 度t液间的收缩 (2)凝固收缩 从凝固开始温度t液到凝固终 止温度t固间的收缩 (3)固态收缩 从凝固终止温度t固到室温t室
间的收缩
14 03.12.2020
(2)影响收缩的因素：
1)化学成分 碳素钢，C％↑，凝固收缩↑ ， 固态收缩↓； 灰铸铁，C％、Si％↑，收缩率↓ ；S％↑，收 缩率↑
由于合金的液态收缩和凝固收缩得不到补充而在 铸件内部形成的孔洞
（1）缩孔的形成 动画6
（2）缩松的形成 动画7
16 03.12.2020
基本结论(conclusions) 形状特征：缩孔 容积较大，多呈倒圆锥形 缩松 分散而细小 凝固方式：逐层凝固合金，易形成缩孔； 糊状凝固合金易形成缩松
缺陷部位：缩孔总是出现在铸件最后凝固的 部位，一般在上部
定向凝固的不足： （1）浪费金属和工时，增加成本； （2）易使铸件产生变形和裂纹；
用途： 主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、
铸钢件等。 注意：
结晶范围很宽的合金，补缩效果很差， 难以避免显微缩松的产生
21 03.12.2020
3.铸造内应力(Internal stress) （1）内应力的形成
7 03.12.2020
二、液态合金的铸造性能 主要包括：充型能力、收缩性 1、合金的充型能力 充型能力：液态合金充满铸型型腔的能力
8 03.12.2020
影响合金充型能力的主要因素 （1）合金的流动性（液态合金本身的流动能力） 显然，流动性好，充型能力高
影响流动性的主要因素：合金的种类、 合金的成分、杂质等 1）合金的种类 与熔点、热导率、粘度等 有关；例铸钢
(1)收缩过程三阶段：
(1)液态收缩 从浇注温度t浇到凝固开始温 度t液间的收缩 (2)凝固收缩 从凝固开始温度t液到凝固终 止温度t固间的收缩 (3)固态收缩 从凝固终止温度t固到室温t室
间的收缩
14 03.12.2020
(2)影响收缩的因素：
1)化学成分 碳素钢，C％↑，凝固收缩↑ ， 固态收缩↓； 灰铸铁，C％、Si％↑，收缩率↓ ；S％↑，收 缩率↑
由于合金的液态收缩和凝固收缩得不到补充而在 铸件内部形成的孔洞
（1）缩孔的形成 动画6
（2）缩松的形成 动画7
16 03.12.2020
基本结论(conclusions) 形状特征：缩孔 容积较大，多呈倒圆锥形 缩松 分散而细小 凝固方式：逐层凝固合金，易形成缩孔； 糊状凝固合金易形成缩松
缺陷部位：缩孔总是出现在铸件最后凝固的 部位，一般在上部
第一章液态金属凝固原理13精品PPT课件
凝固过程的热阻主要包括： 液态金属的热阻、已凝固 金属的热阻、中间层的热 阻、铸型的热阻等。
1.1 金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
各部分的热阻随铸造条件的不同而不同，因此，在铸件 凝固过程中，对热交换起决定作用的热阻随铸造条件不同而 改变，使得不同铸造条件下具有不同的热交换特点。
液态金属浇入铸型后， 铸件与铸型间的热交换 主要有四种典型形式。
3．金属凝固层热阻起决定作用
铸件在水冷金属型中凝固时，金 属型的冷却能力远大于金属凝固 层的导热能力。当液态金属浇入 型腔之后，金属的表面温度便由 熔点突然降至很低的温度，造成 铸件金属凝固层的温差很大，金 属型的温差很小（如图1.7），可 忽略不计。热交换主要取决于金 属凝固层的导热。
1.1 金属凝固的温度场
对于一维稳定温度场， 其温度梯度为
gradt=dt/dx
在同一瞬间，温度场中 等温线密集处温度梯度较 大，等温线稀疏处温度梯 度较小。
1.1 金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
基本传热方式有三种：传导、对流和辐射。 如图示出了典型金属凝固过程中的主要传热方式。 铸件与铸型的传热主要是传导传热。
负号表示导热方向永远沿着温度降低的方向。
1.1 金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
铸件与铸型的传热过程： 铸件凝固期间与铸型的热交换，主要是将液态金属的显热 （过热热量）和凝固潜热通过一系列热阻传给铸型和环境。
热阻：热交换系统中某组元的厚度与该组元导热系数之比 ( D/λ )称为该组元的热阻。
主要方法：数学分析法（解析法）、数值计算法和实验测 定法。
本章重点：认识液态金属的凝固规律，掌握凝固过程的 控制途径，以防止产生凝固缺陷、改善铸件组织、提高 铸件质量和性能。
1.1 金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
各部分的热阻随铸造条件的不同而不同，因此，在铸件 凝固过程中，对热交换起决定作用的热阻随铸造条件不同而 改变，使得不同铸造条件下具有不同的热交换特点。
液态金属浇入铸型后， 铸件与铸型间的热交换 主要有四种典型形式。
3．金属凝固层热阻起决定作用
铸件在水冷金属型中凝固时，金 属型的冷却能力远大于金属凝固 层的导热能力。当液态金属浇入 型腔之后，金属的表面温度便由 熔点突然降至很低的温度，造成 铸件金属凝固层的温差很大，金 属型的温差很小（如图1.7），可 忽略不计。热交换主要取决于金 属凝固层的导热。
1.1 金属凝固的温度场
对于一维稳定温度场， 其温度梯度为
gradt=dt/dx
在同一瞬间，温度场中 等温线密集处温度梯度较 大，等温线稀疏处温度梯 度较小。
1.1 金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
基本传热方式有三种：传导、对流和辐射。 如图示出了典型金属凝固过程中的主要传热方式。 铸件与铸型的传热主要是传导传热。
负号表示导热方向永远沿着温度降低的方向。
1.1 金属凝固的温度场
2、凝固过程中传热的方式与特点
铸件与铸型的传热过程： 铸件凝固期间与铸型的热交换，主要是将液态金属的显热 （过热热量）和凝固潜热通过一系列热阻传给铸型和环境。
热阻：热交换系统中某组元的厚度与该组元导热系数之比 ( D/λ )称为该组元的热阻。
主要方法：数学分析法（解析法）、数值计算法和实验测 定法。
本章重点：认识液态金属的凝固规律，掌握凝固过程的 控制途径，以防止产生凝固缺陷、改善铸件组织、提高 铸件质量和性能。
金属凝固原理课件
形核速率
描述形核过程的快慢，与温度、过 冷度等因素有关。
晶体的长大与生长形态
晶体长大
晶核形成后，周围的原子或分子 继续附着到晶核上，使晶体逐渐
长大的过程。
生长形态
晶体生长过程中形成的外观形态， 如树枝状、柱状、球状等。
生长速率
晶体长大的速度，通常与温度梯 度、溶质浓度等因素有关。
04
金属凝固过程中的组织与性能
02
金属凝固过程中的传热与传质
传热与传质的基本概念
传热
指热量从高温处传递到低温处的 现象，是热量传递的一种方式。
传质
指物质从一处传递到另一处的现 象，是物质传递的一种方式。
金属凝固过程中的传热与传质现象
传热现 象
在金属凝固过程中，热量从液态传递 到固态，使液态金属逐渐冷却并转变 为固态。
传质现 象
03
金属凝固过程中的形核与长大
形核的基本概念
形核
指在液态金属中形成固相 晶核的过程。
形核过程
在液态金属冷却过程中， 原子或分子的排列逐渐变 得有序，最终形成固体晶 格结构。
形核率
单位时间内形成的晶核数量。
形核机制与形核速率
均质形核
在液态金属中自发形成晶核的过 程，需要克服能量障碍。
异质形核
在金属中的杂质或界面上形成晶核 的过程，通常较容易发生。
02
金属凝固是金属材料制备和加工 过程中最重要的物理过程之一， 对金属材料的性能和应用具有重 要影响。
金属凝固的物理过程
01
02
03
冷却过程
金属液体在冷却过程中， 原子逐渐失去液态的无序 性，开始形成固态晶格结 构的过程。
形核过程
在金属液体冷却到熔点以 下时，原子开始聚集形成 晶核的过程，是金属凝固 的起始点。
描述形核过程的快慢，与温度、过 冷度等因素有关。
晶体的长大与生长形态
晶体长大
晶核形成后，周围的原子或分子 继续附着到晶核上，使晶体逐渐
长大的过程。
生长形态
晶体生长过程中形成的外观形态， 如树枝状、柱状、球状等。
生长速率
晶体长大的速度，通常与温度梯 度、溶质浓度等因素有关。
04
金属凝固过程中的组织与性能
02
金属凝固过程中的传热与传质
传热与传质的基本概念
传热
指热量从高温处传递到低温处的 现象，是热量传递的一种方式。
传质
指物质从一处传递到另一处的现 象，是物质传递的一种方式。
金属凝固过程中的传热与传质现象
传热现 象
在金属凝固过程中，热量从液态传递 到固态，使液态金属逐渐冷却并转变 为固态。
传质现 象
03
金属凝固过程中的形核与长大
形核的基本概念
形核
指在液态金属中形成固相 晶核的过程。
形核过程
在液态金属冷却过程中， 原子或分子的排列逐渐变 得有序，最终形成固体晶 格结构。
形核率
单位时间内形成的晶核数量。
形核机制与形核速率
均质形核
在液态金属中自发形成晶核的过 程，需要克服能量障碍。
异质形核
在金属中的杂质或界面上形成晶核 的过程，通常较容易发生。
02
金属凝固是金属材料制备和加工 过程中最重要的物理过程之一， 对金属材料的性能和应用具有重 要影响。
金属凝固的物理过程
01
02
03
冷却过程
金属液体在冷却过程中， 原子逐渐失去液态的无序 性，开始形成固态晶格结 构的过程。
形核过程
在金属液体冷却到熔点以 下时，原子开始聚集形成 晶核的过程，是金属凝固 的起始点。
纯金属的凝固 ppt文档
a. 液体中原子间的平均距离比固体中略大。
b. 液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常 在8~11的范围内。
c. 上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构 的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大， 故熔化时体积略为收缩。
金属的液态结构
• 金属结构理论认为，液体中原子堆集是密集的，但排列 不那么规则。
3.2 结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
一、结晶的过冷现象 (Undercooling phenomenon of crystallization)
纯金属液体在平衡结晶温 度Tm时，不会结晶。
温度 T
T
Tm
只有冷却到Tm以下的某个
Tn
温度才开始形核，而后长 大并放出大量潜热，使温度回升到略低 NhomakorabeaTm温度。
时间 t 图3.4 纯金属的冷却曲线
结晶完成后，由于没有潜 热放出，温度继续下降。
结晶的热力学条件
过冷度 平衡结晶温度Tm与实际温度Tn之差， T=Tm－Tn
二、结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
当T<Tm 时，由于△S的变化很小，可视为常数，所以
G V L m T T L m m L m 1 T T m L m T m T m T L m T m T
该式表明，过冷度越大，结晶的驱动力也越大。
3.3 形核规律 (Formation of Nuclei)
纯金属的凝固
3.1 纯金属的结晶过程 (Crystallization Process of Pure Metals)
b. 液体中原子的配位数比密排结构晶体的配位数减小，通常 在8~11的范围内。
c. 上述两点均导致熔化时体积略为增加，但对非密排结构 的晶体如 Sb，Bi，Ga，Ge等，则液态时配全数反而增大， 故熔化时体积略为收缩。
金属的液态结构
• 金属结构理论认为，液体中原子堆集是密集的，但排列 不那么规则。
3.2 结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
一、结晶的过冷现象 (Undercooling phenomenon of crystallization)
纯金属液体在平衡结晶温 度Tm时，不会结晶。
温度 T
T
Tm
只有冷却到Tm以下的某个
Tn
温度才开始形核，而后长 大并放出大量潜热，使温度回升到略低 NhomakorabeaTm温度。
时间 t 图3.4 纯金属的冷却曲线
结晶完成后，由于没有潜 热放出，温度继续下降。
结晶的热力学条件
过冷度 平衡结晶温度Tm与实际温度Tn之差， T=Tm－Tn
二、结晶的热力学条件 (Thermodynamic Conditions of Crystallization)
当T<Tm 时，由于△S的变化很小，可视为常数，所以
G V L m T T L m m L m 1 T T m L m T m T m T L m T m T
该式表明，过冷度越大，结晶的驱动力也越大。
3.3 形核规律 (Formation of Nuclei)
纯金属的凝固
3.1 纯金属的结晶过程 (Crystallization Process of Pure Metals)
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4
一、金属凝固的温度场
热流方向与温度梯度方向相反
5
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
6
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
7
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
9
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
10
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
17
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
11
一、金属凝固的温度场
铸型性质的影响
12
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”
21
二、金属的凝固方式
22
二、金属的凝固方式
4、金属凝固方式对铸件质量的影响
23
二、金属的凝固方式
24
二、金属的凝固方式
25
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。
26
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。
13
二、金属的凝固方式
凝固区宽度决
定金属的凝固
方式
14
二、金属的凝固方式
1、凝固动态曲线
15
二、金属的凝固方式
2、凝固区域及其结构
16
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。
29
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
30
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
31
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
中心等轴晶区的形成
32
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
19
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
1 23
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 。
20
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。
2
一、金属凝固的温度场
3
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
27
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
28
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
18
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。
34
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
中心等轴晶区的形成
35
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
一、金属凝固的温度场
热流方向与温度梯度方向相反
5
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
6
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
7
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
9
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
10
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
17
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
11
一、金属凝固的温度场
铸型性质的影响
12
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”
21
二、金属的凝固方式
22
二、金属的凝固方式
4、金属凝固方式对铸件质量的影响
23
二、金属的凝固方式
24
二、金属的凝固方式
25
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。
26
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。
13
二、金属的凝固方式
凝固区宽度决
定金属的凝固
方式
14
二、金属的凝固方式
1、凝固动态曲线
15
二、金属的凝固方式
2、凝固区域及其结构
16
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。
29
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
30
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
31
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
1 23
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