金属的流动

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第二节 液态金属停止流动机理
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研究液态金属停止流动机理的目的是考察影响液态金属流
动性能的因素，并进而提高液态金属的充型能力。
典型合金流动性比较实验： 以纯金属Al和宽结晶温度范围的Al-Sn5%合金为例(图2－3)。 纯Al无结晶温度范围，Al-Sn5%结晶温度范围为425℃，过热温
在不利的情况下，由于液态金属的充型能力不好，则可能在
铸件上产生“浇不足”、“冷隔”等缺陷。
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液态金属的流动性
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液态金属的流动性是用浇注“流动性试样”的方法衡量 的。在实际中，是将试样的结构和铸型性质固定不变，在相 同浇注条件下，例如在液相线以上相同的过热度或在同一的
固定条件下所测得的合金流动性表示合金的充型能力。因此，
可以认为合金的流动性是在确定条件下的充型能力。
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液态金属Байду номын сангаас流动性
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一般用测定给定条件下的流动性来表示液态金属的充型 能力。测定方法有： 螺旋试样法（spiral sample test） 真空流动性测定法 (vacuum fluidity test)
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假设以某成分合金浇注一水平棒形试样， 合金的充型能力以 l 表示（图2-6）。在一定
的浇注条件下： I=vτ (2-1)
式中 v—在静压头H作用下液态金属在型
腔中的平均流速； τ—液态金属进入型腔到停止流动的时间， 可近似地认为等于浇注时间τ浇 。
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典型合金流动状况的分析
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第三节 影响充型能力的因素
液态金属充型能力的计算：
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液态金属是在过热情况下充填铸型的，与铸型之间发生着强 烈的热交换，是一个不稳定的传热过程。因此，液态金属对铸型
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螺旋试样法（spiral sample test）
表2-1 一些合金的流动 性（螺旋形式样，沟槽 断面8×8mm）
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动。
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典型合金流动性比较实验
上述实验结果表明纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围
合金与宽结晶温度范围合金的流动状况有明显的差异，这种
差异很大程度上取决于金属停止流动的机理。
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螺旋试样法（spiral sample test）
优点：操作简单、灵敏度高、对比形象、可供金属液流动相当
长的距离，铸型水平度影响较小。
缺点：金属流线弯曲，沿途阻力损失较大，流程越长，散热越 多，故金属的流动条件和温度条件都在随时改变，这必然影响 到所测流动性的准确度。此外，各次试验所用的铸型条件也很 难精确控制，每做一次试验要造一次铸型，这都影响流动性的 测量精度。
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液态金属充型能力的计算
从水力学中已知：
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式中H—液态金属的静压头； μ—流量消耗系数。 这里关键是流动时间τ的计算。根据 液态金属不同的停止流动机理，τ有不同 的计算方法。
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液态金属的流动性
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金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂， 获得优质铸件有影响。金属的流动性好，气体和杂质易于上 浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。良好 的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属的补缩，
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第二章 液态金属的流动与充型
第一节 基本概念
第二节 液态金属停止流动机理 第三节 影响充型能力的因素 第四节 充型过程与铸坯质量
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以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，
因此有利于这些缺陷的防止。
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液态金属的流动性
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流动性好的合金充型能力强，流动性差的合金充型能力
也就较差。但是，可以通过改善外界条件提高其充型能力。
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液态金属停止流动机理
纯金属、共晶合金、窄结晶温度范围合金
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实验结果表明纯金属、共晶合金或窄结晶温度范围合金与宽结晶温度范围合 金的流动状况有明显的差异，这种差异很大程度上取决于金属停止流动的机理。
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如图2－1所示，该方法有两个特点，一是在浇口杯上设置了
高坝和低坝溢流槽，从而有效地控制浇注过程中金属液静压头的
变化。二是将试样制成螺旋试样，一方面可以保证金属液流动的 长度，同时可以减小铸型摆放不平对测量结果的影响。这种方法 由于操作简单，在生产和科研中广泛应用。
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第二章 液态金属的流动与充型
李莉娟 上海大学材料科学与工程学院
2012.9
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第一章 液态金属的结构和性质
第一节 金属的膨胀及熔化
第二节 液态金属的结构 第三节 液态金属的性质
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的填充也是一个不稳定的流动过程。由于影响此过程的因素很多，
因此从理论上对液态金属的充型能力进行计算很困难。许多学者 为简化计算，对过程作了各种假设，并且由于对液态金属停止流 动机理的不同认识，得出了许多不同的计算公式。
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液态金属充型能力的计算
第四节 液态金属的研究方法
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司母戊鼎（商朝时期） 高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重875公斤 （中国历史博物馆）
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浇注温度下，浇注各种合金的流动性试样，以试样的长度或
试样某处的厚薄程度表示该合金的流动性。
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液态金属的流动性
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由于影响液态金属充型能力的因素很多，很难对各种合
金在不同的铸造条件下的充型能力进行比较，所以，常常用
真空流动性测定法 (vacuum fluidity test)
优点：铸型条件和液态金属的充型压头稳 定；真空度可以随液态金属的密度不同而 改变，使各种金属能在相同的压头下填充， 从而增加了试验结果的可比性；可以观察 充填过程，记录流动长度与时间的关系。 缺点：实验装置比较复杂。
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第一节 基本概念
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充型能力(mold-filling capacity)：液态金属充满铸型型腔，获得形状完 整、轮廓清晰的铸件的能力。充型能力与金属液本身的流动能力及铸 型性质等因素有关。 流动性(fluidity)：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的成分、 温度、杂质含量及其物理性质有关。表2-1给出了一些合金的流动性。 充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型）和内因（流动性） 的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。
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螺旋试样法（spiral sample test）
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螺旋试样法（spiral sample test）
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典型合金流动性比较实验
Al-Sn5%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。说明液态金属的温度 是沿程下降的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到
一定数量时，便结成了一个连续的网络，发生堵塞，停止流
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液态金属停止流动机理
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如图2-4所示，纯金属和窄结晶温度范围合金 停止流动的过程可以分为以下几个阶段: (a) 过热量未完全散失前为纯液态流动（图 2-4a)。 (b) 冷的前端在型壁上凝固结壳（图2-4ｂ)。 (c) 后边的金属液在被加热的管道中流动， 冷却强度下降。如图２-４ｃ所示，由于液流 通过I区终点时，尚有一定的过热度，将已经 凝固的壳重新熔化，为第II区。所以，该区是 先形成凝固壳，又被完全熔化。第III区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，在 该区的终点金属液耗尽了过热热量。在IV区，液相和固相具有相同的温度——结晶温度。 由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞。 前端液态金属凝固收缩，形成吸力，产生喇叭状缩孔 。
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液态金属充型能力的计算
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对于宽结晶温度范围的合金，其液流前端不断地与型壁冷
的表面接触，当阻塞区Δx的固相量达到某一临界值时，流动停
止。在这种情况下可利用牛顿定律建立热平衡方程式。为使问
题简化，对过程作如下假设：①铸型与液态金属接触表面的温
度在浇注过程中不变；②液态金属在型腔中以等速流动；③液 流横断面上各点温度是均匀的；④热量按垂直于型壁的方向传 导，液流表面无热辐射，沿液流方向无热流。
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引言
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液态金属的充型作为金属液态加工的第一步，不仅影响 着铸坯的外观形状，同时也直接影响着铸坯的内在质量。铸 坯内部的气孔（blow hole/gas porosity）、夹杂(inclusion)和冷 隔(cold shut)等许多缺陷都与充型过程有关。由于液态金属充 型能力与其流动性密切相关，因此，本次课同时介绍流动与 充型这两个密切相关又有区别的问题。
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典型合金流动性比较实验
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典型合金流动性比较实验
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，其末端仍保持有热的金 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 生长的柱状晶相接触，金属的流动通道被堵塞。
度为83℃。实验结果如表2－2所示。
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典型合金流动性比较实验
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