2.凝固温度场的测定.doc

凝固温度场的测定一、意义和目的铸件温度场是指浇注后，某一时刻铸件内部的温度分布规律。在温度场中，向着铸件中心的方向上单位长度的温度变化率称为温度梯度。本实验主要是测定凝固时期各个时刻的铸件温度场。铸件凝固时期的温度场越陡，即温度梯度越大，则铸件冷却得越快，它的凝固速度就越大。某一时刻铸件温度场中温度相同点所组成的面称为等温面。对于在一个温度范围（结晶间隔）内凝固的合金而言，铸件断面中由达到液相线温度的点所组成的面，称为液相线等温面，或称为液相边界。同样，由达到固相线温度的点组成的面，称为固相线等温面，或称为固相边界。凝固过程中，铸件断面上液相边界和固相边界之间的区域谓之凝固区域，也就是铸件凝固过程中凝固并存区域。阐明凝固时期各个时刻的凝固区域大小和它从铸件表面向铸件中心移动规律的曲线，称为凝固动态曲线。测定凝固动态曲线能够比较全面地描绘铸件凝固过程和研究这种过程。凝固区域的大小即宽度决定了铸件的凝固方式，即逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。凝固区域于狭窄，铸件越是倾向于逐层凝固方式。这种凝固方式的铸件容易形成集中缩孔，便于采取措施（例如用冒口）去除铸件中的集中缩孔；铸件的热裂倾向性小和金属液充型能力较好。凝固区域越宽，铸件越是倾向于糊状凝固方式。这种凝固方式的铸件容易形成分散性的缩孔即缩松，即使采用冒口亦难以消除这种缩松；铸件的热裂倾向性大和金属液充型能力差。金属和铸型两方面的各种因素决定了凝固区域的宽窄，也就是决定了铸件的凝固方式。例如合金的结晶间隔（液相线到固相线之间的温度间隔）越大，铸件的凝固区域就越宽，糊状凝固方式的倾向性就越大。反之，结晶间隔越小，则铸件的凝固区域越窄，逐层凝固方式的倾向越大。当合金的化学成分一定时，也就是结晶间隔大小一定时，铸型冷却能力越大，铸件温度场就越陡，温度梯度就越大，凝固区域就越窄，强化了逐渐逐层凝固的倾向，可以削弱铸件糊状凝固的倾向。将液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型，经过不同的时间间隔，分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失，获得固态金属硬壳，这种研究凝固的方法称为倾出法。此法所得到的硬壳内表面叫倾出边界，所得到的硬壳厚度即为该时间间隔内，倾出边界向铸件中心推进的距离。在凝固动态曲线图上再标上不同时间间隔内所得到的硬壳厚度的点，并且连结成线，则就可以得到倾出边界动态曲线。在凝固动态曲线上，如果倾出边界靠近液相边界而远离固相边界，则说明该合金凝固时初生晶粒容易搭成牢固的晶粒骨架。晶粒骨架中可能存在较多的、被骨架分隔成许多孤立的小熔池，倾出时骨架中有较多的残余金属液。这意味着这种合金使铸件在凝固时期可能较早地产生固态收缩，具有这种特征的合金就容易产生晶间缩松和热裂。可以用合金的结晶间隔tc与铸件温度场的温度降dt（近似地表示温度梯度）的比值来判断铸件的凝固方式。当 时，铸件倾向于逐层凝固； 时，铸件倾向于糊状凝固。本实验的目的是：1掌握测定铸件温度场、凝固动态曲线和倾出边界动态曲线的方法。2为学习“铸件的凝固”章节打下基础。二、测定原理测定铸件温度场的原理是把具有温度时间坐标的多根冷却曲线图转换成坐标为温度距离的铸件温度场图。在该图上可绘制出凝固时期各个时刻的铸件温度场。测定凝固动态曲线的原理是把多根冷却曲线图转换成坐标为距离时间的凝固动态曲线图。测定铸件断面上不同点的多根冷却曲线图是绘制这两种图的基本依据。1测定多根冷却曲线的方法如图1所示，有一组热电偶的热端面在型腔中的不同位置上，离铸件表面的距离分别为x0、x1、x2、x3、x4和x5。铸件为圆柱形，半径为R。x5在铸件中心上，即x5=R。用多点自动记录电子电位差计装置，浇注金属液后即可绘制出自浇注后至任意时刻的铸件断面上各测温点的冷却曲线。图1 测定铸件断面上各点的冷却曲线1热电偶 2砂型 3金属型2绘制铸件温度场图和凝固动态曲线图如图2所示，图中（A）表示合金状态图的一角，浇注金属液后的成份为mm，其结晶间隔tc=tL-ts。图中（B）为图2-1中各测温点的冷却曲线，其纵坐标为温度，横坐标为时间。图中（C）为根据（B）绘制的铸件温度场图。绘制方法是以温度为纵坐标，距离为横坐标。横坐标上标出各测温点离铸件表面的距离x0到x5。圆柱形铸件直径为2R（R为半径）x5=R，故x5在铸件中心线上。绘制从浇注完毕到x5处凝固结束，0、1、2、3、4、5和6各时刻的温度场。在图（B）上找到0到6各时刻的各测温点x0到x5的温度，再将此温度按图（C）横坐标上标距一一相应标出，再连成线，即可得图（C）。例如，在2时刻，由图（B）可知x0处温度已远低于固相线温度ts，x1处温度为ts，x2处温度略低于液相线温度tL，而x3、x4和x5处温度皆等于tL。在图（C）上对应于横坐标分别标出各测温点的温度，连成线即画出2时刻的铸件温度场。在图（B）、（C）上2时刻各测温点温度皆以符号表示。铸件另外一半虽未设置测温点，但应是对称于实测的温度场的另一半曲线。图（C）中非实测的各时刻的另一半温度场曲线以虚线表示。从图2（C）上可以分析以下问题：（1）由于已知tL和ts，故此可以测出凝固时期各个时刻的凝固区域宽度，以及它以何种速度向铸件中心推进；（2）铸件凝固完毕的时间；（3）可以测出凝固时期各个时刻的温度降dt，当已知结晶间隔tc值时即可求得各个时刻的之比值，从而可以判定各个时刻的凝固方式的倾向性。图2中图（D）是凝固动态曲线图，它也是根据图（B）绘制的。图（D）的横坐标为时间；纵坐标为铸件表面至中心的距离，可以用有因次的热电偶热端离铸件表面的距离x0x5表示，亦可以用无因次距离x0/Rx5/R表示。无因次距离中分子x0x5为各个热电偶热端离铸件表面的距离，分母R为圆柱形铸件的半径，因为x5=R，所以x5/R=1。固相边界到达x5/R=1处，则表示铸件已凝固完毕。采用无因次距离x/R作横坐标，即用x/R、坐标系目的是使测定的结果具有可比性，并使得测定的结果具有比较广泛的意义，可用于与实验铸件尺寸有差别的情况下。图2 铸件温度场和凝固动态曲线图的绘制（A）合金状态图一角 （B）各测温点x0x5的冷却曲线图（C）铸件温度场图 （D）凝固动态曲线图tL 液相线温度 ts固相线温度在图2中图（B）的每根冷却曲线与液相线和固相线交点上，分别往下引出垂线，使之与图（D）上的各横坐标线相交而得到相应的交点。每条横坐标线上可得到两个交点，例如x0线上可得到a、b两点，a点为x0处达到液相线温度的时间，而b点为x0处达到固相线温度的时间。即每条x0x5横坐标上左边的点为该处达到液相线温度的时间而右边的点则为达到固相线温度的时间。将x0x5上达到液相线温度的交点相连，在图（D）上得到“液相边界”线；达到固相线温度的交点相连，则得到“固相边界”线。图2中的图（D）即为凝固动态曲线图。图（D）中的“液相边界”线表示铸件断面中开始凝固的部位和时刻，实质上是表示液相线等温面从铸件表面向中心推进的动态特征。该曲线之斜率就表示液相线等温面向中心推进的深度。图（D）中的“固相边界”线则表示铸件断面中凝固完毕的部位和时刻，实质上是表示固相线等温面从铸件表面向中心推进的动态特征。同样，该曲线的斜率表示固相线等温面向中心推进的速度。在图2的图（D）上再画出该种合金的倾出边界动态曲线，则可以显示其凝固区域的显微结构特征。从图2（D）上可以分析以下问题：（1）从其纵坐标上看，具有结晶间隔的合金在每一时刻，从铸件表面至固相边界为固相区；固相边界至液相边界之间的纵向距离为凝固区域宽度而液相边界至铸件中心为液相区。铸件凝固过程实际上是凝固区域；不断推向铸件中心，液相区随之不断地缩小以至于消失的过程。固相边界到达铸件中心就表示铸件凝固过程已结束。（2）表征了每一时刻的凝固区域宽度及凝固区域动态特征。（3）同倾出边界动态曲线结合起来，可以显示出凝固区域的显微结构特征。三、实验内容：1测定的金属：纯铝（Al）和铝铜合金（ZL201，含铜4.55.3%重量比）为测定对象。纯铝：熔点660，比重2.7克/厘米3。铝铜二元状态图如图3所示。从该图上可知在平衡状态下，ZL201的液相温度tL为660，固相线温度ts为580548。ZL201的结晶间隔温度范围为80108。2铸件温度场和凝固动态曲线的测定：所用的铸型及热电偶的安装位置如图1所示。金属型（铸铁金属型）结构参数及测温点的位置如表2-1所示。图3 铝铜二元状态图表2-1铸铁金属型尺寸及测温点位置（参阅图1）（毫米）金属型高度H金属型壁厚测温点离铸件表面之距离测温点高H圆柱形铸件半径Rx0x1x2x3x4x58030510203040504050用镍-铬、镍-铝热电偶测温和用XWT-664六笔台式记录仪自动测绘出各测温点的冷却曲线。纯铝和ZL201各浇一个试样铸件。3步骤：（1）按x0x5各测温点位置装好热电偶，它们伸入铸型之高度必须为H，然后造好平面砂型（见图1之2）作铸型的底面。用热源（烧热的铁棍等）接触热电偶之热端面以检查测温系统是否有故障。（2）在平面砂型上放好金属型，要注意防止从分型面处跑火。纯铝和ZL201它们的浇注温度都为7505。（3）尽快浇注，从金属型顶部浇入，浇满铸型。纯铝的和ZL201的各浇一个。（4）金属温度降到500，测定结束。整理实验场地，从台式记录仪上取下记录。4用残余金属液流失法测定金属壳厚度，确定倾出边界向铸件中心的移动距离。测定的金属为纯铝和ZL201。铸型结构见图1，只是型腔内不装测温的热电偶。测定步骤如下：(1) 造好平面砂型作为铸型的底面，放上两组（每组有四个）金属型，分别浇注纯铝和ZL201个四个试样铸件。(2) 纯铝和ZL201的浇注温度都为7505，四个铸型浇入纯铝，另一组四个铸型浇入ZL201。每个铸型浇毕立刻就揿秒表。(3) 浇毕。等待一定的时间后，提起金属型即可使未凝固的金属液流失，得到凝固的金属壳，壳之内表面即为倾出边界。可参考表2-2所示的浇毕后等待时间（即金属壳的凝固时间）来提取金属型：金属型序号1234纯铝10152025ZL2015101520在实际操作时应注意ZL201试样铸件应当提取第一个金属型过早，可能还未结壳，金属液会全部流失；后面的几个金属型如果等待时间过长，金属形提取得过晚，则可能根本无残余金属液的流失而得不到金属壳，此时表征着倾出边界已达到铸件中心。 （4）从流失金属液后所得到的金属壳的顶面以下15毫米处锯开，测量锯开处三点的金属壳厚度，取其平均值作为壳厚。此壳厚即为在相应的壳的凝固时间内，倾出边界向铸件中心推进的距离。 （5）观察流失金属液后所得到的金属壳内表面的情况，分析倾出边界的表面特征。四、实验报告的主要内容和要求1实验名称2测定结果按下表列出残余金属液流失法的测定结果：合金种类金属壳编号浇注温度浇毕后到提取金属型时间（秒