液体金属的流动与停止流动

1、液态金属的流动与停止流动一、液态金属的流动液体金属流动的形式在金属凝固过程中，液相流动的形式主要可分为三类：自然对流、强制对流 （或强制流动）和亚传输过程引起的流动。 自然对流 自然对流是指由于熔体发生局部的物理性质改变而引起的自发性对流； 浇注时及浇注完毕后液体存在 自然对流自然对流浮力流因凝固收缩引起的流动 浮力流 ：浮力流是最基本、最普遍的对流方式，它是由于凝固过程中的溶质再分配、传热和传质而引起的液相密度不均匀造成的。其中密度小的液相将发生上浮，密度大的液相会下沉。 由于温度差温度差引起的对流强度，格拉晓夫数由于浓度差浓度差引起的对流强度，格拉晓夫数自然对流自然对流的速度取决与格拉晓夫

2、数的大小的速度取决与格拉晓夫数的大小， 可将可将温度温度差和浓度差差和浓度差看做看做引起自然对流引起自然对流的的驱动力！驱动力！液体在枝晶间流动：枝晶凝固时，发生收缩而产生负压，液体被吸入枝晶分枝而产生微观流动。在凝固后期，固相分数较大，渗透率在凝固后期，固相分数较大，渗透率K随体积随体积分数的减小而迅速减小，流动会分数的减小而迅速减小，流动会变得及其变得及其困难。困难。宽结晶范围内的合金，树枝晶发达，因而容易宽结晶范围内的合金，树枝晶发达，因而容易形成缩松缺陷，因此要特别注意补缩。形成缩松缺陷，因此要特别注意补缩。强迫对流 指依靠外力的作用所形成的对指依靠外力的作用所形成的对流。流。 一般采

3、取电磁搅拌或机械搅拌的办法来产生强制对流。通常采用的技术包括：机械搅拌、电磁搅拌、超声振动等。 浇注时存在液流的冲刷（强制对流）液流冲刷浇道、型壁及已凝固层的生长界面。亚传输过程引起的流动这主要包括：在凝固界面上，原子和分子的扩散产生的结晶流，它又称作界面流；液相中的温度梯度导致Soret效应产生的流动;液气界面上温度梯 度或溶质质量分数梯度引起的非均匀分布的界面张力产生的 Marangoni对流，该对流是微重力凝固条件下的主要对流方式。 改变柱状晶的生长方向熔体的流动对柱状晶前沿的溶质富集层产生冲刷作用，使晶体附近的溶质分布不对称，形成迎流一侧的液相中溶质原子浓度较低，而背流一侧的溶质原子却

4、浓度较高，从而会使柱状晶的生长方向发生变化：向迎流一侧倾斜。促进柱状晶向等轴晶的转化细化凝固晶粒熔体的流动显著增加了形核率。晶粒在数量上的增加带来晶粒尺寸的细化。液体流动对金属凝固组织的影响 液态金属的流动对传热、传质过程的影响 对传热行为的影响 加速液体的传热过程 提高液相凝固前沿的温度梯度并促进温度起伏效应的形成 降低熔体内的温度梯度 强迫流动能促进温度的均匀化和过热的散失对传质行为的影响提高熔体内溶质原子的传输能力强烈的紊流作用会使熔体内的成分分布更加均匀。此外，熔体的流动状态还会显著改变液态金属凝固前沿中的溶质分布和溶质原子的再分配，从而可对铸件的凝固组织和成分偏析产生重要影响。 在金

5、属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，图在金属的过热量未散失尽以前为纯液态流动，图a)，为为区。区。 金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，图金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳，图b)，而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷，而后的金属液是在被加热了的沟道中流动，冷却强度下降。由于液流通过却强度下降。由于液流通过区终点时，尚具有一区终点时，尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，为第区。区。所以，该区是先形成凝固壳，又被完全所以，该区是先形成凝固壳，又被完全熔化。熔化。 第第区是未被完全熔化而保留下来的一部分固相区，区是未被完全熔化而保留下来的

6、一部分固相区，在该区的终点金属液耗尽了过热热量。在该区的终点金属液耗尽了过热热量。 在第在第区里，液相和固相具有相同的温度：区里，液相和固相具有相同的温度： 结晶结晶温度。由于在该区的起点处结晶开始较早，断面上温度。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，图结晶完毕也较早，往往在它附近发生堵塞，图c)。二、液态金属停止流动机理二、液态金属停止流动机理纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理停止流动机理 对于宽结晶温度范围的合金，在液态金属对于宽结晶温度范围的合金，在液态金属的过热热量完全散失之前也是

7、纯液态流动。的过热热量完全散失之前也是纯液态流动。 随流动继续向前，液态金属的温度降至合随流动继续向前，液态金属的温度降至合金的液相线以下，液流中开始析出晶体，金的液相线以下，液流中开始析出晶体，顺流前进并不断长大。顺流前进并不断长大。 液流前端由于不断与型壁接触，冷却最快，液流前端由于不断与型壁接触，冷却最快，析出晶粒的数量最多，使金属液的粘度增析出晶粒的数量最多，使金属液的粘度增大，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界大，流速减慢。当晶粒数量达到某一临界值时，便结成一个连续的网络。若造成金值时，便结成一个连续的网络。若造成金属液流流动的压力不能克服此网络的阻力，属液流流动的压力不能克服此网络的阻力，就发生阻塞而停止流动。就发生阻塞而停止流动。 合金的结晶范围越宽，枝晶就越发达，液合金的结晶范围越宽，枝晶就越发达，液流前端析出相对较少的固相量，亦即在相流前端析出相对较少的固相量，亦即在相对较短的时间内，液态金属便停止流动。