第一章液态金属凝固原理
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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
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
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。
/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；
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。
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。
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 。
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
ห้องสมุดไป่ตู้传热方向
中间层
砂型铸造
7
金属型铸造
(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
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”。
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
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”
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。
中心等轴晶区的形成
33
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
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
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
23
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
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
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。
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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；
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。
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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。
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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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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
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
ห้องสมุดไป่ตู้传热方向
中间层
砂型铸造
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金属型铸造
(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
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
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
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”。
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
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”
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。
中心等轴晶区的形成
33
四、金属结晶组织和凝固缺陷的控制
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