海南大材料科学基础课件Chapter 9 材料加工成形的流动现象与力学基础

第九章材料加工成形的

流动现象与力学基础熔融液体的流动性熔融液体的充型能力目录一.熔融液体的流动性

液态成型是指将材料熔化成液体，利用液态材料的流动性在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸的型腔中，经冷却凝固后形成所需要的零件的加工成形方法。优点：工艺灵活性大、适应性强、成形尺寸精度高、

成本低廉等。缺点：劳动强度大、生产条件差、生产率低、

零件力学性能较差等。

为了确保熔体按照设计的速度和位置进入型腔，同时具有组渣、防止卷入气体功能，大部分凝固工程过程熔体由浇包经过成为浇注系统的通道进入型腔。

开始凝固后，存在固相区、固相+液相区（糊状区）和液相区三个区域。

对于金属，糊状区的固相通常呈枝状晶结构，可能有等轴晶和柱状晶两种形式。糊状区与固相区和液相区相连接。

凝固过程中，尺寸小的等轴晶（或枝晶碎片）的沉浮运动使液相区内局部可能出现固液两相区。1.1

熔融液体的水力学特性液态材料本身的流动能力称为流动性，直接影响到成形件的尺寸和形状精度，是材料的主要铸造性能之一。型壁的多孔性、透气性和合金液的不相润湿性，给合金液的运动以特殊边界条件；在充型过程中，合金液和铸型之间有着激烈的热作用、机械作用和化学作用；合金液冲刷型壁，黏度增大，体积收缩，吸收气体、使金属氧化浇注过程是不稳定的流动过程

§型腔内气体压力非恒定

§浇注操作不可能保持浇口杯内液面的绝对稳定

§合金液淹没了内浇道后，随着合金液面上升，充型的

有效压力头逐渐变小1）

黏性流体流动熔化成液体的材料是一种有黏性的流体，黏度大小与材料成分密切相关，流动过程中随熔融液体温度的降低不断增大。当冷却过程中出现结晶时，黏度急剧增加，流速和流态也发生急剧变化。2)

不稳定流动充型过程中，熔融液体温度不断降低，铸型的温度则不断增高，两者间热交换过程处于不稳定状态。熔融液体随着温度降低黏度增加，流动阻力也随之增加，加之充型过程中液流的压头增加或降低，熔融液体的流速和流态也不断变化，因此属于不稳定流动。3)

多孔管中流动铸型往往存在一定粗糙度和孔隙度，可将铸型中浇注系统和型腔看作多孔的管道和容器。熔融液体在多孔管中流动时，往往不能很好地贴附于管壁，难免将外界杂质或气体卷入液流，造成气孔、夹杂或引起金属液的氧化等铸造缺陷。4)

紊流流动

理论计算与实践表明，熔融液体在浇筑系统中流动时，其雷诺数Re大于临界雷诺数(Rec=2300)，属于紊流流动。

当熔体流入限制空间，型壁的限制作用导致建立了环流区，液流落下的液面区域形成一个锥形坑，在附近形成湍流。如：ZL104合金在670°C浇注时，液流在直径为20mm的直浇道中以50cm/s的速度流动时，Re为25000，远大于Rec。对于一些水平浇注的薄壁铸件或厚大铸件充型时，液流上升速度很慢，也有可能得到为层流流动。

对轻合金优质铸件浇注系统，当Re<20000时，液流表面的氧化膜不会破碎，若Re控制在4000～10000，能符合优质铝合金和镁合金铸件要求。研究表明：直浇道内Re≤10000

横浇道内Re≤7000

内浇道Re≤1100

型腔内侧Re≤280效果较佳

可见熔融液体的水力学特性与理想液体差别明显。但由于熔融液体浇注时有一定过热度，浇注系统长度不大，充型时间很短，因此浇道壁上通常不发生结晶现象，黏度变化对流动影响不显著。总体可依据水力学基本公式分析计算。1.2

熔融液体的流动性流动性-熔体流动的能力。是材料的一种物理性能。

流动性与黏度成反比。铸造流动性（充型能力）-取决于熔体自身流动性和

铸型条件（导热性能、流动阻力和浇注条件等）。铸造性-判定材料对铸造的适宜性。流动性是一种重要的铸造性能，对充满铸型、浮渣和补缩能力有重要影响；新开发合金要测定；薄壁铸件流动性是主要矛盾，钢<10mm，铁<5mm就必须考虑流动性问题。浇不足或冷隔缺陷-流动性不良精密铸造铸件的浇不足缺陷（箭头所示）

（汽轮机叶片，ZG2Cr13，未清理，未切除内浇道）对传热过程、传质过程、凝固组织及冶金缺陷有重要影响，直接影响成形件尺寸和精度。流动性好→气体和夹杂物易副处→获得优质成型品熔融液体的流动性一般用浇注螺旋流动性试样，通过测定其长度进行衡量。在固定浇注和铸型（相同工艺）条件下，测量螺旋长度表示。影响因素多，测定条件难精确控制，结果是对比性的，必须注明条件。此外，也可通过真空试样法表示。在一定真空条件下测定金属在石英或金属管内的流动长度。可反映熔体自身的流动能力。1.

凝固过程中的液体流动分类自然对流强迫对流＋1)

自然对流：由液体内部密度差和液态凝固收缩引起的流动，是最基本而又相当普遍的对流方式。密度差引起的称为浮力流，凝固收缩引起的对流主要产生于枝晶间。αT、αC分别为热膨胀系数和溶质膨胀系数，C为溶质浓度，ρ0是温度为T0、溶质浓度为C0时液体的密度。

如果液相内部密度自下而上逐渐增加，则液相是不稳定的，将形成液相对流胞。2）强迫对流

可通过人为方式驱动液体以促使它进行强迫对流，从而达到对凝固组织形态及传热、传质条件加以控制的目的。①电磁或机械搅拌②凝固过程中人为使固相或液相转动③让铸型连续振动④浇注过程中由液流冲击引起液相流动2.凝固过程中液相区的液体流动

须考虑流场与传热、传质间的耦合问题，需联合求解动量方程、能量方程和连续性方程。温差对流模型假设液体中温度分布为一条直线，Tm为平均温度的中心温度，则式中

假设液体中密度分布为也为一条直线，那么，弱液体黏性力大于或等于因密度变化引起的浮力，则液体对流不再发生。切应力梯度可表示为：设αT为液体的温度膨胀系数，则由于温度分布为一条直线，对于y处的温度T有以下关系：代入计算后，从而有：称为成为格拉晓夫数(Grashof)，表示由于温度差所引起的对流强度，该值大则对流强度大。利用边界条件y=±1或y=0时，x=0，求得：式中为相对距离或无量纲距离由于得：同理，浓差引起的对流强度，Grashof数可表示为：ΔC为浓度差，αc为液体的浓度膨胀系数

以低熔点类有机物为例，当支晶定向凝固时，在平行于凝固界面的流速较小时将发生支晶间距增大；当流速增大到一定值时，原来主轴晶将无法生长而在背流处形成新的主轴晶，并与原来的主轴晶竞相生长，获得一种特殊的凝固组织即穗状晶。当流速与凝固界面垂直时，可能产生比较严重的宏观偏析。强烈的紊流可能冲刷新形成的支晶臂而造成晶粒繁殖，对细化等轴晶有一定帮助。3.液态金属在支晶间的流动

对于宽结晶温度范围的合金，存在大范围的液-固两相共存区，凝固得到的实惠树枝晶组织，且初生树枝晶较发达，未凝固的液体会在两相区的支晶间流动。液体通过多孔性介质的速度一般用达西定律表示：K为介质的渗透率，▼p为压力梯度，fL为液相体积分数，η为液体的动力黏度，ρL为液体密度，g为重力加速度

研究表明，两相区的渗透率K主要取决于液相体积分数fL的大小当fL>0.245时，当fL<0.245时，

由此可见，凝固后期液相体积分数较小时，渗透率K随液相体积分数的减少迅速减小，此时树枝状晶体间有的甚至部分接触，流动变得极其困难。

因此，宽结晶温度范围的合金，由于树枝晶发达，凝固过程最后的收缩往往得不到液流补充，易于造成收缩缺陷——缩松，导致产品力学性能、耐压防渗漏性能、耐腐蚀性下降。4.熔融液体的流动性影响因素1）熔融液体的化学成分及结晶特点

从图中可见，共晶成分的合金流动性出现最大值；对于具有一定结晶温度范围的合金，特别是结晶温度范围大的合金，流动性最差，结晶温度范围小的合金流动性好。

由于液体的冷却凝固过程均是从表层逐渐向中心进行，纯金属和共晶成分的合金系在恒温条件下结晶，固、液界面较光滑，因此对液体的流动阻力较小；同时共晶成分合金凝固温度最低，可获得较大的过热度，能推迟合金的凝固过程。过热度高，能明显提高铸造流动性。温度范围窄的合金，一般逐层方式凝固，有利于形成柱状晶，流动阻力小。温度范围宽的合金，倾向于糊状方式凝固，固液共存区域宽，倾向于形成等轴晶。液相前端支晶连成网络流动即终止，流动时间短。2）合金结晶潜热和晶粒形状

结晶过程中结晶潜热越多，凝固过程中保持液态的时间越长，流动性越好。但这一特点受合金结晶温度范围影响，对于结晶温度范围宽的合金，结晶潜热对提高流动性影响较小。过共晶Al-Si合金，初生Si是比较规整的块状晶，不形成坚强网络，有较大结晶潜热。3）合金的物理性质

合金的密度ρ和比热容c较大、热导率λ较小时，因本身含有较多的热量且热量损失较慢，流动性好。

相同条件下，一般液态合金的表面张力越大，流动性越差；液态合金的黏度越大，流动性越差，而液态合金的黏度与其化学成分、温度和夹杂物有关。2.熔融液体的充型能力

熔融液体充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为充填铸件的能力，简称充型能力。

充型能力不足，伴随结晶过程在型腔被充满前形成的晶粒会将充型的通道阻塞，金属液体被迫停止流动，铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件不能获得完整形状；冷隔时，铸件虽可获得完整外形，但因存在未完全溶合的垂直接缝，铸件力学性能严重受损。1.熔融液体充型能力的计算这是一个不稳定的过程

假设用某液态金属浇注圆形截面的水平试棒，一定浇注条件下，液态金属的充型能力以其能流过的长度l表示：v为在静压头H作用下液态金属在型腔中的平均流速，t为液态金属自进入型腔到停止流动的时间H为液态金属的静压头，μ为流速系数由流体力学可知：

纯金属或共晶成分合金，由于液流末端之前的某处从型壁向中心生长的晶粒相接触，通道被阻塞而停止流动，这类液态金属的停止流动时间t可近似认为是试样从表面至中心的凝固时间，可根据热平衡方程求出。

对于宽结晶温度的合金，液流前端由于不断与型壁接触，冷却速最快，最先析出晶粒，当晶粒数量达到某一临界分数值k时，发生阻塞而停止流动。t可分为两部分，一是液态金属从浇注温度Tp降温到液相线温度TL，纯液态流动；二是液态金属从液相线温度TL降温到停止流动时的温度TK，这一段液态金属与前端已析出的固相晶粒一起流动。一定简化条件下，可求出液态金属的流动长度：

可见，影响液态金属充型能力的因素很多。如材质方面的因素、铸型性质方面因素、浇注条件因素和铸件结构方面因素。2.

影响充型能力的因素1）流体的流动性流体的流动性好，充型能力好，反之则差。

流动性是影响充型能力的内因，充型能力的优劣还受外界条件影响。2）浇注条件浇注温度、充型压力和浇注系统结构等。

浇注温度具有决定性影响，一定温度范围内，浇注温度越高，充型能力越好。但浇注温度超过某界限后，氧化吸气严重，铸件易产生缩松、气孔等缺陷。

充型压力越大，充型能力越好。生产中常采用压力铸造或增加静压头高度来提高充型能力，但压力过大或充型速度过高会发生喷射、飞溅和冷隔等现象。

浇注系统结构越复杂（如蛇形浇道），流动阻力越大，相同静压头时，充型能力越小。3.铸型性质及结构

熔融液体充型时，铸型阻力及铸型对流体的冷却能力都将影响流体的充型能力。铸型的储热能力：铸型从流体中吸收和储存热量的能力