金属凝固过程模拟

金属凝固过程模拟
金属凝固过程模拟

Numerical simulationongradientcooling behavior of jumbo slab ingot

Abstract: Shrinkage porosity defect is often found in an air cooled jumbo steel ingot, which will influencethe quality of the final rolled plates. In practical production, some rolled plates are frequently rejected dueto the serious shrinkage porosity of the ingot. To improve the quality of the ingot, a new cooling method, gradient cooling process (in which the upper part of the ingot is air cooled and the lower part is spray

cooled) was put forward in this study. The solidification behaviors for a 60 t jumbo slab ingot under gradient cooling condition were simulated using the ProCast software, and the results were compared with those of an ingot by air cooling condition. The solidifying tendency, temperature field and distribution of shrinkage porosities in the ingot under different cooling conditions were analyzed. Simulation results show that under gradient cooling condition the solidification of the slab ingot progresses in an upward manner along the vertical z axis and in a centripetal manner along the horizontal x and y axes. Gradient cooling can efficiently reduce shrinkage porosity of the jumbo slab ingot by optimizing the solidification sequence, and making the position of shrinkage porosity move from near the middle height of the ingot (under air cooling condition) towards the head of the ingot; and the secondary shrinkage is eliminated. In addition, the solidification time of the ingot under gradient cooling is 7.3 h in this simulation, which is 2.7 h faster than that under air cooling. A 60 t jumbo slab ingot was successfully produced under gradient cooling condition. The ingot was rolled to a plate with a thickness of 100 mm and length of 18,000 mm, and ultrasonic flaw detection was performed. Some porosity was found along the axis of the plate at 4,900 - 6,000 mm from the head of the plate, indicating that the position of the defect is moved towards the head of the ingot. This distribution trend of the defect is consistent with the simulated result.

Key words: gradient cooling; slab ingot; temperature field; shrinkage; numerical simulation

1 Numerical simulation method

ProCast software was used for simulation in this study. The solidification time of the jumbo ingot is much longer than tis filling time, so the initial temperature of the ingot was set as the pouring temperature T p, which was 1,580 oC for the steel used in this study. The initial temperatures of the cast iron mould and the heat insulation plate were taken as the ambient temperature of 25 oC.

Boundary conditions were set according to Q = h eff (T hot–T cold), where Q is heat flux; h

is equivalent interface heat transfer coefficient; T hot is the hot surface eff

temperature;and T cold is the cold surface temperature. The heat transfer coefficient between mould and ingot was 1,800 W·K-1·m-2.The heat transfer coefficient between heat insulation plate and ingot was 20 W·K-1·m-2. The upper half of the mould wall was air cooled at a heat transfer coefficient of 10 W·K-1·m-2. The lower half was spray cooled at a heat transfer coefficient of

1,000 W·K-1·m-2 [10].

1 - Heat insulation plate,

2 - Ingot,

3 - Cast iron mould,

4 - Inlet

2 Experimental parameters

A 60 t rectangular steel ingot was employed in this study and its dimensions were length 2,700 mm, width 1,000 mm and height 3,600 mm. The composition of the ingot is listed in Table 1; and the finite element model of the experimental ingot is shown in Fig. 1(a). The cooling condition was gradient cooling. The upper half of the mould wall was air cooled, and the lower half was water spray cooled, as shown in Fig. 1(b). The liquidus temperature of the steel is 1,524.8 oC, and the solidus temperature is 1,494.8 oC. The latent heat of the steel is 2.7×102 kJ ·kg -1. The physical parameters of the ingot, mould and heat insulation plate for numerical simulation are listed in Table 2.For comparison, the numerical simulation for the ingot solidified under the condition of air cooling was also performed.

Table 1: Compositions of experimental steel ingot

Fig. 1: Finite element model of experimental ingot (a) and cooling location (b)

Table 2: Physical parameters of ingot, mould and heat insulation plate for numerical simulation

Mo Ni Ti Cu Fe 0.025 0.4 0.017 0.15 Bal.

Material

Specific heat Thermal conductivity Density (kg ·m -3)

(kJ ·kg -1·K -1) (W ·K -1·m -1 ) Sol Solid-li Liquid

Fig. 2: Physical parameters of ingot: specific heat (a) and thermal conductivity (b)

Fig. 3: Physical parameters of mould: specific heat (a) and thermal conductivity (b) 3 Results and analysis

3.1 Solidification process of the slab ingot under gradient cooling

The solidification process under the condition of gradient cooling on the narrow plane of the middle of the jumbo slab ingot is shown in Fig. 4. As shown in Fig. 4(a), the lower portion of the ingot shows a big temperature gradient along the transverse direction of the y axis due to the water spray cooling outside of the wall. For example, the temperature at position A decreased quickly to 1,159 oC. The upper portion of the ingot has a small temperature gradient along thetransverse and longitudinal directions due to the air cooling outside. The solidification with time is shown in Figs. 4(a) to(e). The solidification of the slab ingot progressed gradually upwards from the bottom along the longitudinal z axis at the low temperature zone, and radically from the wall towards the center along the transverse y axis. The solidification rate of the lower portion was fast. Generally, the solidification of the ingot began upwards from the bottom at a certain gradient, and finished at the casting head. This solidification method is able to ensure an open interior feeding channel and effectively reduces shrinkage porosities, therefore significantly improves the ingot quality.

id quid Ingot (steel) Fig. 2(a) Fig. 2(b) 7,400

7,200 7,000 Mould (cast iron) Fig. 3(a)

Fig. 3(b)

7,300

Heat

insulation plate 1.05 0.75 600

(a) 15 min (b) 130 min (c) 215 min(d) 297 min (e) 382 min

Fig. 4: Solidification process of slab ingot under condition of gradient cooling 3.2 Solidification time of ingot under different cooling conditions

The solidifying time is very important to ingot production because it determines the de-moulding time, production cycle, and economic profits. The solidifying time of the investigated ingot is 10 h under the condition of air cooling and 7.3 h under gradient cooling, which gives a 27% improvement of production efficiency under gradient cooling.

3.3Shrinkage porosity distribution under different cooling conditions Temperature distributions after 6 h air cooling and gradientcooling are shown in Fig.

5. Spot B at the middle and upper portion of z axis, as shown in Fig. 5(a), has a temperature of1,524 oC and has not solidified under air cooling. While the upper portion solidified earlier than did the lower portion and this leads to secondary shrinkage at the core of the slab ingot.While the solidification progress of the ingot under gradient cooling, as shown in Fig. 5(b), ensures an open feeding channel which significantly inhibits secondary shrinkage.

The distribution of the shrinkage porosities after solidification under different cooling conditions is shown in Fig. 6. The shrinkage position under the condition of air cooling is 1,900 mm from the bottom of the ingot near themiddle height along the central axis as shown in Fig. 6(a). Figure 6(b) shows that the shrinkage position is moved towards the head of the ingot, and even raised to inside the riser under gradient cooling in this study. Therefore, the secondary shrinkage is inhibited and the ingot quality is significantly improved. The simulation results show the possibility of elimination of shrinkage porosities under gradient cooling. The distribution of shrinkage porosities after solidification in production practice may not be the same as the simulation results, but the distribution trend of shrinkage porosities is

valuable and could provide theoretical guidance for industrial production.

Fig. 5: Temperature distributions of ingot after 6Fig. 6: Distribution of shrinkage porosities under the

h air cooling (a) and gradient cooling (b)conditon of air cooling (a) and gradient cooling (b)

4.Production practice for a 60 t jumbo slab ingot

In this study a 60 t jumbo slab ingot was produced by gradient cooling using the same parameters as indicated in Section 2. The melting and pouring process was 60 t EF (Electric Furnace) →LF (Ladle Furnace) →VD (Vacuum Deoxidation). The pouringtemperature was 1,580 oC. Figure 7 shows the picture of the 60 t jumbo slab ingot prepared under gradient cooling condition. It was rolled along the axial direction to a plate with a thickness of 100 mm and length of 18,000 mm. The quality of the ingot can be validated by detection results of the plate indirectly.

The TUD280 ultrasonic flaw detection results show that there are shrinkage porosities along the axis of the steel plate and at 4,900 – 6,000 mm from the head of the steel plate, as shown in Fig. 8. The position of the defect is moved towards the head of the ingot from near the middle of the ingot under air cooling condition. The size and quantity of the defects are acceptable according to the nondestructive detection standard GB2970-2004 III. This indicates that the gradient cooling process can improve the internal soundness of jumbo slab ingots by changing the distribution trend of shrinkage porosity.

Fig. 7: Picture of the 60 t slab ingot by gradient cooling

Fig. 8: Distribution of defects in plate rolled using ingot under gradient cooling

5Conclusions

(1)Under gradient cooling condition the solidification of the slab ingot progresses in an upward manner along the vertical z axis and in a centripetal manner along the horizontal x and y axes. Gradient cooling can efficiently reduce shrinkage porosity of the jumbo slab ingot by optimizing the solidification sequence, and making the position of shrinkage porosity move towards the head of the ingot or even inside the riser and the secondary shrinkage is eliminated.

(2)The significantly accelerated cooling rate under the gradient cooling process improves the production efficiency.The solidifying time under gradient cooling condition is 2.7 h less than that under air cooling conditon for a 60 t steel ingot in this study.

(3) A 60 t ingot was prepared under gradient cooling, and the ultrasonic flaw detection shows that after the ingot is rolled to a plate, some porosity can be found along the axis of the plate, but the position of the defect is moved towards to the head of the ingot. This distribution trend of the defect is consistent with the simulated result. References

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大型扁锭梯度冷却特性的数值模拟

摘要:缩松缺陷往往被发现在一个空气冷却的巨型钢锭,这将影响最终轧制板的质量。在实际生产中,由于一些冷轧板频率因此拒绝锭的严重缩孔。提高钢锭质量,一个新的冷却方法,梯度冷却过程(其中钢锭上部空气COO在这项研究中,导致了较低的部分是喷雾冷却)。利用ProCAST软件模拟了60 t大型钢锭温度梯度冷却条件下的凝固行为对空气冷却条件下的锭坯进行了比较。凝固的趋势,温度场分布在钢锭缩孔在不同的条件进行了分析。仿真结果表明,在梯度冷却条件下,平板锭的凝固沿垂直轴向上向上,并且在一个百分方式沿X轴和Y轴。梯度冷却可以通过优化凝固顺序,有效地降低大型板坯锭的收缩率缩松缩松从靠近锭中间高度的(在空气冷却条件下)向锭头方向移动,消除二次收缩。此外,凝固的在这一模拟中,梯度冷却锭的离子时间是7.3小时,比空气冷却快2.7小时。在梯度冷却条件下成功地制备了一种60吨巨型平板锭条件。该锭被卷到一个板的厚度为100毫米,长度为18000毫米,并进行超声波探伤。一些孔隙度被发现沿板的轴线在4900—6000毫米,从该盘的头部,表明该位置的缺陷是向的锭头。这种缺陷的分布趋势与模拟结果是一致的。

关键词:梯度冷却;扁锭;温度场;收缩;数值模拟

1数值模拟方法

ProCAST软件进行本研究模拟。对大型钢锭凝固时间比TIS充盈时间更长,所以锭的初始温度为浇注温度TP,这是1580oC对于本研究中所用的钢。的铸铁模具初始温度和保温板为25oC.环境温度

根据Q=Heff边界条件(是–Rcold),其中Q是热通量;Heff等效界面传热系数;特热面温度;和Tcold是山坳三维表面温度。钢锭之间的传热系数为1800 W·K-1·m-2.the传热系数保温板锭之间为20 W·K-1·M-2。上半部分模具的壁是空气冷却,在10 W M-2·K-1·传热系数。下半部分喷雾冷却的传热系数1000 W·K-1·M-2 [ 10 ]。

1 -隔热板2锭3铸铁模具4口

2实验参数

在这项研究中,它的尺寸为60吨矩形钢锭,长度为2700毫米,宽1000毫米和高度3600毫米。在表1中列出了锭的成分;实验锭的单元模型如图1所示(一)。冷却条件为梯度冷却。模具壁上半部分空气冷却,下半部为水喷雾冷却,如图1(乙)。钢的液相线温度1524.8oC,和固相线温度是1494.8oC.潜热的钢是2.7×102 kJ··。我的物理参数ngot,数值模拟模具隔热板列于表2。相比之下,对钢锭的空气冷却条件下凝固数值模拟还高Rmed。

表1实验用钢锭的组成

图1实验锭的有限元模型(一)和冷却位置(二) 表2:用于数值模拟的锭、模、隔热板的物理参数

图2:锭的物理参数:比热(一)和导热率(二)

图3:模具的物理参数:比热(一)和导热率(二) 3.结果与分析

3.1梯度冷却下的板坯凝固过程

Mo Ni Ti Cu Fe 0.025 0.4 0.017 0.15 Bal. Material

Specific heat

Thermal

conductivity

Density (kg ·m -3) (kJ ·kg -1·K -1) (W ·K -1·m -1 )

Sol id Solid-li quid Liquid Ingot (steel) Fig.

2(a) Fig. 2(b) 7,4

00 7,200 7,000

Mould (cast iron) Fig. 3(a) Fig. 3(b) 7,300

Heat

insulation plate 1.05 0.75

600

在大型板坯连铸中间,在梯度冷却条件下凝固过程如图4所示。如图4(1),该锭的下一部分沿Y轴由于水喷淋冷却壁外横向温度梯度过大。例如,在位置1159o温度迅速下降 C.对钢锭的上部有一个小的温度梯度沿横向和纵向方向由于空气冷却外。凝固的时间是在无花果显示。4(一)(电子)。铸坯的凝固过程从底部沿纵向轴线在低温区逐渐向上,并从根本上沿壁向中心方向发展横向轴。低分的凝固速度快。一般来说,在钢锭凝固开始向上在一定的梯度从底部,并在浇注完成克头。这凝固的方法能够保证一个开放的室内饲养通道,有效减少缩孔,因此显著提高钢锭质量。

图4:在梯度冷却条件下,板坯凝固过程

3.2在不同冷却条件下的凝固时间

凝固时间对锭坯的生产是非常重要的,因为它决定了成型时间,生产周期,经济效益。所研究的锭的凝固时间为10小时空气冷却和梯度冷却7.3小时的情况下,梯度冷却条件下的生产效率提高了27%。

不同冷却条件下的缩松分布

6小时后,温度分布梯度冷却空气冷却,如图5所示。点B在Z轴的中部和上部,如图5(a),具有温度of1524oC和N空气冷却凝固。而上部凝固比下部,这导致继发性收缩在扁锭的核心。而固化程序RESS的钢锭在梯度冷却,如图5(b),确保一个开放的进料通道显著抑制二次收缩。

在不同的冷却条件下凝固,如图6所示的缩孔分布。在空气冷却条件下的收缩位置为1900毫米锭的中间高度附近沿中心轴底部,如图6所示(一)。图6(二)显示,该收缩位置被移向锭头,甚至提升到内部在梯度降温下的立管。因此,二

次收缩是抑制和锭质量显着改善。仿真结果表明,消除的可能性在梯度冷却的缩松离子。在生产实践中凝固后缩孔的分布不可能像仿真结果相同,但分布缩松化趋势是有价值的,可以为工业生产提供理论指导。

图6:5小时空气冷却(一)和梯度冷却后锭的温度分布

图6:分布的缩孔在保证空气冷却(a)和(b)梯度冷却

4巨型平板锭的生产实践

在这项研究中,使用相同的参数,在第2节所示的梯度冷却产生的60吨巨型板坯锭。熔炼和浇注工艺为60 T EF(电炉)→LF(钢包F炉)→VD(真空脱氧)。的效果是1580oC.如图7所示的60吨大型钢锭温度梯度冷却条件下制备的图片。它被卷沿轴向方向板的厚度为100毫米和18000毫米的长度。通过间接检测板的检测结果,验证了该方法的有效性。

tud280的超声波探伤结果表明有缩孔沿钢板的轴和4900–6000毫米钢板的头部,如图8所示。TH缺陷的电子位置向在空气冷却条件下的锭中间的锭头移动。根据无损检测方法的缺陷的大小和数量是可以接受的无损检测标准gb2970-2004 III,这表明梯度冷却过程可以通过改变收缩分布趋势提高大型板坯钢锭内部质量孔隙度。

图7:60吨平板锭的梯度冷却

图8:在梯度冷却作用下,用锭轧制的缺陷分布

5结论

(1)梯度冷却条件下板坯钢锭凝固过程中沿垂直轴上的方式和一种向心的方式沿X轴和Y轴。梯度通过优化凝固顺序,有效地降低大型板坯锭的缩松,使缩松位置朝着锭头方向移动甚至内部的立管和二次收缩被淘汰。

(2)显着加速冷却速度下的梯度冷却工艺提高了生产效率,在梯度冷却条件下的凝固时间小于2.7小时。一个60吨钢锭在研究空气冷却条件。

(3)在梯度冷却条件下制备了60锭锭,并将超声波探伤结果显示,当锭卷到一个板上时,可以在板的轴线上找到一些孔隙率缺陷的位置移动向上的锭头。这种缺陷的分布趋势与模拟结果是一致的。

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铸造成型工艺

名词解释 1.材料成形技术:利用生产工具对各种原材料进行增值加工或处理,材料制备成具一定结构形式和形状工件的方法 2.液态成型:将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中,待其冷却凝固,以获得毛坯或零件的生产方法 3.逐层凝固:纯金属和共晶成分的合金在凝固中不存在固液两相并存的凝固区,所以固液分界面清晰可见,一直向铸件中心移动(铸铁) 4.糊状凝固:铸件在结晶过程中,当结晶温度范围很宽且铸件界面上的温度梯度较小,则不存在固相层,固液两相共存的凝固区贯穿整个区域(铸钢) 5.同时凝固原则:铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近,甚至是同时完成凝固过程,无先后的差异及明显的方向性 6.顺序凝固原则:在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施,使铸件远离冒口的部位先凝固,然后是靠近冒口的部位凝固,最后才是冒口本身凝固。 7.均衡凝固原则:利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方式 8.砂型铸造:以型砂(SiO2)为铸型、在重力下充型的液态成形工艺方法 9.金属型铸造:以金属为铸型、在重力下的液态成形方法。 10.熔模铸:以蜡为模型,以若干层耐火材料为铸型材料,成形铸型后,熔去蜡模形成型腔,最终在重力下成形的液态成形方法 11.压力铸:把液态或半液态的金属在高压作用下,快速充填铸型,并在高压下凝固而获得铸型的方法 12.低压铸造:是液态金属在较小的压力(20—80Kpa)作用下,使金属液由下而上对铸型进项充型,并在此压力下凝固成型的铸造工艺 13.反重力铸造:液态金属在与重力相反方向力的作用下完成充型,凝固和补缩的铸造成型 14.离心铸造:将液态金属浇注到高速旋转的铸型中,使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法 15.消失模铸造:用泡沫塑料制成带有浇冒系统的模型,覆上涂料,用干砂造型,无需取模,直接浇注的铸件方法 16.浇注系统:液态金属流入型腔的通道的总称,通常由浇口杯,直浇道,直浇道窝,横浇道和内浇道组成 17.阻流界面:在浇注系统各组元中,截面积最小的部分称为阻流截面 18.集渣包:横浇道上被局部加大加高的部分 19.浇口比:直浇道,横浇道,内浇道截面积之比 20.热节:在壁的相互连接处由于壁厚增加,凝固速度最慢,最容易形成收缩类缺陷 分型面:两半铸型相互接触的表面。分为平直和曲面。作用:便于造型、下芯和起模具。 21.砂芯:为了起模方便并形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位,所采用的砂块 22.芯头:伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分芯头种类:垂直芯头、水平芯头、特殊结构的芯头 23.冒口:铸型内用于储存金属液的空腔,在铸件凝固过程中补给金属,起到防止缩孔,缩松,排气和集渣的作用 冒口=冒口区+轴线缩松区+末端区 24.冒口的补缩距离:冒口补缩后形成的致密冒口区和致密末端区之和 25.补贴:为实现顺序凝固和增强补缩效果,在靠近冒口的壁厚上补加倾斜的金属块 26.均衡凝固:利用铸铁件石墨的共晶膨胀消除缩松的工艺方法 27.缩孔与缩松:液态合金在冷凝过程中,若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充,则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为锁孔,细小而分散的称为缩松 28.收缩时间分数:铸铁件表观收缩时间与铸件凝固时间的比值 29.补缩量:铸件从浇注系统,冒口抽吸的补缩液量收缩模数:均衡凝固时均衡点的模数 30.复合材料:由有机高分子,无机非金属和金属等几类不同材料人工复合而成的新型材料。它既保留原组分的主要特征,又获得了原组分不具备的优越性能 31.机械加工余量:在铸件加工表面上流出的、准备切削去的金属厚度。 32.冒口补缩通道:末端多了一个散热面,散热快—构成一个朝向冒口而递增的温度梯度;存在平行于轴线的散热表面,形成一个朝向冒口的楔形的补缩通道 33.工艺出品率:铸件质量占铸件及浇注系统(含冒口)质量的比例 34.反重力铸造:指液态金属在与重力方向相反方向力的作用下完成充型,补缩和凝固过程的铸造成型方法 35.离心铸造:指将液态金属浇入高速旋转的铸型中,使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成型的方法

液态金属凝固过程中的传热与传质

液态金属凝固过程中的传热与传质 摘要:液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长,从而影响凝固组织。本文介绍了液态金属凝固的原理,凝固过程中传热“一热、二迁、三传”的特点,以及凝固过程中的传质及其基本问题。传热与传质的研究方法包括解析法、实验法、数值模拟法等。我国许多研究者对凝固过程中的传热和传质问题进行了研究,高新技术方面热质传递现象的机理和特有规律是今后重点发展的研究领域。 关键词:金属凝固;传热和传质;界面;溶质再分配 在金属的热态成形过程中,常常伴随着金属液的流动、气体的流动、金属件内部和它周围介质间的热量交换和物质转移现象,即动量传输、热量传输和质量传输现象。液态金属熔体中传热和传质过程的改变会影响晶体的形核和生长,从而影响凝固组织[1-2]。因此,只有正确和深入研究金属凝固过程中的传输现象,才能有助于建立正确的凝固过程理论模型。 1 金属凝固过程的传热与传质 1.1 金属凝固过程中的传热 在凝固过程中,伴随着潜热的释放、液相与固相降温放出物理热,定向凝固时,还需外加热源使凝固过程以特定的方式进行,各种热流被及时导出,凝固才能维持。宏观上讲,凝固方式和进程主要是由热流控制的。金属凝固过程的传热特点可以简明的归结为“一热、二迁、三传”[3-5]。 “一热”即在凝固过程中热量的传输是第一重要的,它是金属凝固过程能否进行的驱动力。凝固过程首先是从液体金属传出热量开始的。高温的液体金属浇入温度较低的铸型时,金属所含的热量通过液体金属、已凝固的固体金属、金属-铸型的界面和铸型的热阻而传出。凝固是一个有热源非稳态传热过程。 “二迁”指在金属凝固时存在着两个界面,即固相-液相间界面和金属-铸型间界面,这两个界面随着凝固进程而发生动态迁移,并使得界面上的传热现象变得极为复杂。图1为纯金属浇入铸型后发生的传热模型示意,由图可见在凝固过程中随着固相-液相间界面向液相区域迁移,液态金属逐步变为固态,并在凝固前沿释放出凝固潜热,并随着凝固进程而非线性地变化。在金属凝固过程中,由于金属的凝固收缩和铸型的膨胀,在金属和铸型间形成金属和铸型间的界面,由于接触不完全,它们之间存在着界面热阻。接触情况不断地变化,在一定条件下,会形成一个间隙(也称气隙),因此这里的传热不知是一种简单的传导,而是同时存在微观的对流和辐射传热。 “三传”即金属的凝固过程是一个同时包含动量传输、质量传输和热量传输的三传耦合的三维传热物理过程。在热量传输过程中也同时存在有导热、对流和辐射换热三种传热方式。一个从宏观上看是一维传热的单向凝固的金属,由于凝固过程中的界面现象使传热过程在微观变得非常复杂。当固/液界面是凹凸不平或生长为枝晶状时,在这个凝固前沿上,热总是垂直于这些界面的不同方位从液相传入固相,因而发生微观的三维传热现象。在金属和铸型界面上的传热也不只是一种简单的传导,而是同时存在微观的对流和辐射传热。

纯金属的凝固习题与答案

纯金属的凝固习题与答案 1 说明下列基本概念 凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界晶核形核功、形核率、生长线速度、光滑界面、粗糙界面、动态过冷度、柱状晶、等轴晶、树枝状晶、单晶、非晶态、微晶、液晶。 2 当球状晶核在液相中形成时,系统自由能的变化为σππ233 44r G r G V +?=?,(1)求临界 晶核半径c r ;(2)证明V V c c G A G c ?- ==?2 31 σ(c V 为临界晶核体积);(3)说明上式的物理意 义。 3 试比较均匀形核与非均匀形核的异同点,说明为什么非均匀形核往往比均匀形核更容易进行。 4 何谓动态过冷度?说明动态过冷度与晶体生长的关系。在单晶制备时控制动态过冷度的意义? 5 分析在负温度梯度下,液态金属结晶出树枝晶的过程。 6 在同样的负温度梯下,为什么Pb 结晶出树枝状晶而Si 的结晶界面却是平整的? 7 实际生产中怎样控制铸件的晶粒大小?试举例说明。 8 何谓非晶态金属?简述几种制备非晶态金属的方法。非晶态金属与晶态金属的结构和性能有什么不同。 9 何谓急冷凝固技术?在急冷条件下会得到哪些不同于一般晶体的组织、结构?能获得何种新材料? . 计算当压力增加到500×105Pa 时锡的熔点的变化,已知在105Pa 下,锡的熔点为505K ,熔化热7196J/mol ,摩尔质量为118.8× 10-3kg/mol ,固体锡的体积质量7.30×103kg/m 3,熔化时的体积变化为+2.7%。 2. 考虑在一个大气压下液态铝的凝固,对于不同程度的过冷度,即:ΔT=1,10,100和200℃,计算: (a)临界晶核尺寸;(b)半径为r*的团簇个数; (c)从液态转变到固态时,单位体积的自由能变化ΔGv ; (d)从液态转变到固态时,临界尺寸r*处的自由能的变化 ΔGv 。 铝的熔点T m =993K ,单位体积熔化热ΔH f =1.836×109J/m 3,固液界面自由能γsc =93J/m 2 , 原子体积V 0=1.66 ×10-29m 3。 3. (a)已知液态纯镍在1.1013×105Pa(1个大气压),过冷度为319℃时发生均匀形核。设临界晶核半径为1nm ,纯镍的熔点为

金属凝固原理复习资料

金属凝固原理复习题部分参考答案 (杨连锋2009年1月) 2004年 二 写出界面稳定性动力学理论的判别式,并结合该式说明界面能,温度梯度,浓度梯度对界面稳定性的影响。 答:判别式, 2 01()()2 (1)m c v D s g m v D g G T k ωωωω * *??- ??? =-Γ- ++?? -- ??? ,()s ω的正负决定 着干扰振幅是增长还是衰减,从而决定固液界面稳定性。第一项是由界面能决定的,界面能不可能是负值,所以第一项始终为负值,界面能的增加有利于固液界面的稳定。第二项是由温度梯度决定的,温度梯度为正,界面稳定,温度梯度为负,界面不稳定。第三项恒为正,表明该项总使界面不稳定,固液界面前沿形成的浓度梯度不利于界面稳定,溶质沿界面扩散也不利于界面稳定。 三 写出溶质有效分配系数E k 的表达式,并说明液相中的对流及晶体生长速度对E k 的影 响。若不考虑初始过渡区,什么样的条件下才可能有0s C C * = 答:0 00 (1)N L s v E D C k k C k k e δ*- = = +- 可以看出,搅拌对流愈强时,扩散层厚度N δ愈小, 故s C * 愈小。生长速度愈大时,s C * 愈向0C 接近。(1)慢的生长速度和最大的对流时,N L v D δ《1,0E k k = ;(2)大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时,N L v D δ》1,E k =1 (3)液相中有对流,但属于部分混合情况时,0 1E k k <<。1E k =时,0 s C C * = ,即在 大的生长速度或者液相中没有任何对流而只有扩散时。 四 写出宏观偏析的判别式,指出产生正偏析,负偏析,和不产生偏析的生长条件。 答:0 1s q q C k C k = -+,s C 是溶质的平均浓度,0C 是液相的原始成分,q 是枝晶 内溶质分布的决定因素,它是合金凝固收缩率β,凝固速度u 和流动速度v 的函数, (1)(1)v q u β=-- 。0s C C =,即 1p u v β β =- -时,q=1,无宏观偏析。0s C C >时,对于01k <的合金来说,为正偏析,此时 1p u v β β >- -。0s C C <时,对于01k <的合金来 说,为负偏析,此时 1p u v β β <- -。 五 解:用2m m m m r m m k r T V T V T H H σσ?=- ?=- ? ??计算

材料成形原理课后习题解答汇总

材料成型原理 第一章(第二章的内容) 第一部分:液态金属凝固学 1.1 答:(1)纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。原子集团的空穴或 裂纹内分布着排列无规则的游离的原子,这样的结构处于瞬息万变的状态,液体内部 存在着能量起伏。 (2)实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡 组成的鱼目混珠的“混浊”液体,也就是说,实际的液态合金除了存在能量起伏外, 还存在结构起伏。 1.2答:液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。表面张力对应于液-气的交界面,而 界面张力对应于固-液、液-气、固-固、固-气、液-液、气-气的交界面。 表面张力σ和界面张力ρ的关系如(1)ρ=2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时,r为球面的半径;(2)ρ=σ(1/r1+1/r2),式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。 附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。 1.3答:液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素;不同点:流动性是确 定条件下的冲型能力,它是液态金属本身的流动能力,由液态合金的成分、温度、杂 质含量决定,与外界因素无关。而冲型能力首先取决于流动性,同时又与铸件结构、 浇注条件及铸型等条件有关。 提高液态金属的冲型能力的措施: (1)金属性质方面:①改善合金成分;②结晶潜热L要大;③比热、密度、导热系大; ④粘度、表面张力大。 (2)铸型性质方面:①蓄热系数大;②适当提高铸型温度;③提高透气性。 (3)浇注条件方面:①提高浇注温度;②提高浇注压力。 (4)铸件结构方面:①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度; ②降低结构复杂程度。 1.4 解:浇注模型如下:

铸件充型凝固过程数值模拟

铸件充型凝固过程数值模拟 1 概述 欲获得健全的铸件,必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的,就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算,分析工艺参数对工艺实施结果的影响,便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化,以及寻求工艺问题的尽快解决办法。 铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域,包括熔融金属流动和传热数值计算,主要用于液态金属充填铸型过程;铸件铸型传热过程数值计算,主要用于铸件凝固过程;应力应变数值计算,用于铸件凝固和冷却过程;晶体形核和生长数值计算,主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测;传热传质传动量数值计算,主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等,另外可以通过数值计算,提出合理的铸造工艺参数,包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前,用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝 固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟,逐渐为铸造厂家在实际生产中采用,下面主要介绍这两种数值试验

方法。 1.1 数学模型 熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律,假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体,并忽略湍流作用,则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。 质量守恒方程 ? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1) 动量守恒方程 ?(ρ u)/? t+u?(ρ u)/? x+v?(ρ u)/? y+w?(ρ u) /?z = -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ g x (2-2a) ?(ρ v)/? t+u?(ρ v)/? x+v?(ρ v)/? y+w?(ρ v) /?z = -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ

过冷温度对金属凝固的影响

过冷度对金属凝固的影响 金属材料作为支撑国民生活富裕及安全的基础结构材料而大量使用。随着材料使用方法的多样化,对材料特性的要求也日益严格。因此,利用现代科学技术开发出高质量和高性能的钢铁材料将具有重大的现实意义。 金属的凝固过程对金属的机械性能特点有重大影响,它决定着该零件组织,包括各种相的形态,大小和分布,直接影响到该零件后面的加工处理工艺,间接地影响了工件的加工性能和使用性能。而对于铸件和焊接件来说,结晶过程基本上就决定了它的使用性能和使用寿命,而对尚需进一步加工的铸锭来说,结晶过程既直接影响了它的轧制和锻压工艺性能,又不同程度地影响着其制品的使用性能。因此,研究和控制金属的结晶过程,已成为了提高金属力学性能和工艺性能的重要手段。而金属的结晶过程总是伴随着过冷,可以说研究金属的结晶过程就是相当于研究结晶过程对过冷的控制。 1过冷度的概念 1.1几种过冷定义 过冷:金属理论凝固温度与实际温度之差。即图1中的ΔT。 图1:过冷度 热过冷:金属凝固时所需过冷度完全由传热所提供。仅由熔体实际温度分布决定。 成分过冷:凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化,引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。这种由固-液界面前方溶质再分配引起的过冷,称为成分过冷。由界面前方的实际温度和液相线温度分布两者共同决定。成分过冷不仅受热扩散的控制,更受溶质扩散的控制。

1.2过冷现象 实验表明纯金属的实际凝固温度Tn总比其熔点Tm低,这种现象叫做过冷。金属实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差,称为过冷度,用△T表示。其大小取决于: 1)液态金属的本性,金属不同,△T也不同; 2)纯度越高,△T越大; 3)冷却速度越快,△T越大。但无论多慢也不能在Tm结晶。 2金属结晶的必要条件 2.1过冷是结晶的必要条件 由热力学规律可知,在等温等压条件下,物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。如果液相的自由能比固相的自由能低,那么金属将自发地从固相转变为液相,即金属发生熔化。如果液相的自由能高于固相的自由能,那么液相将自发地转变为固相,即金属发生结晶,从而使系统的自由能降低,处于更为稳定的状态。结晶过程的驱动力:液相金属和固相金属的自由能之差,即体积自由能的下降就是促进这种转变的驱动力。而结晶的阻力就是其表面能。二者的大小与温度的关系如图2。 图2:液相和固相自由能随温度的变化 低值温度自由能:熵的物理意义是表征系统中原子排列混乱程度的参数。温度升髙,原子的活动能力提高,因而原子排列的混乱程度増加,即熵值增加,系统的自由能也就随着温度的升高而降低。 纯金属液,固两相自由能随温度变化规律:

(完整word版)第三章__纯金属的凝固答案

第三章纯金属的凝固 本章主要内容: 液态金属的结构; 金属结晶过程:金属结晶的条件,过冷,热力学分析,结构条件 晶核的形成:均匀形核:能量分析,临界晶核,形核功,形核率,非均匀形核:形核功,形核率 晶体的长大:动态过冷度(晶体长大的条件),固液界面微观结构,晶体长大机制,晶体长大形态:温度梯度,平面长大,树枝状长大、结晶理论的应用实例:铸锭晶粒度的控制,单晶制备,定向凝固,非晶态金属 一、填空 1..在液态金属中进行均质形核时,需要__结构_起伏和____能量起伏。 1.金属凝固的必要条件是__________过冷度和能量起伏_____________。 2.细化铸锭晶粒的基本方法是:(1)___控制过冷度_,(2)___变质处理__,(3)____振动、搅拌等____。 5、形成临界晶核时体积自由能的减小只能补偿新增表面能的____2/3____。 6、液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括(体积自由能)和(表面自由能)两部分,其中__表面_____ 自由能是形核的阻力,____体积___自由能是形核的动力;临界晶核半径r K与过冷度△T呈__反比_ T L T r m m ? - = σ2 _ 关系,临界形核功△G K等于____ ()2 2 3 3 16 T L T G m m k? ? = ? σ π 表面能的1/3___。 7 动态过冷度是______晶核长大时固液界面(前沿)的过冷度___。 8 在工厂生产条件下,过冷度增大,则临界晶核半径__减小___,金属结晶冷却速度越快,N/G比值___越大_____,晶粒越细_小。 9 制备单晶的基本原理是__保证一个晶核形成并长大__,主要方法有____尖端成核法和___垂直提拉法。 10. 获得非晶合金的基本方法是_____快速冷却___________。 11 铸锭典型的三层组织是______细晶粒区________, ___柱状晶区____, _____等轴晶区____。 12 纯金属凝固时,其临界晶核半径的大小、晶粒大小主要决定于_______过冷度_______________。 14 液态金属凝固时,异质形核需要的过冷度比均质形核小,这是因为_异质形核时固相质点可作为晶核长大,其临界形核功较小。 15、液态金属凝固过程中晶体长大的方式有(垂直长大方式)和(横向长大方式),其中大多数金属采用(垂直长大方式)方式长大。 二、名词解释 过冷度,临界晶核,临界晶核半径,自发形核,结构起伏、能量起伏,形核功,形核率,变质处理, 异质形核,非晶态金属、光滑界面、粗糙界面、温度梯度、 三、判断 1 纯金属中含有少量杂质在热力学上是稳定的。(√) 2 临界半径r K大小仅与过冷度有关。(×)

凝固模拟实验

凝固模拟实验 【实验性质】综合性实验;学时:4 ;选做实验 1实验目的 通过模拟实验了解实际高温钢液凝固过程,观察以下三种现象: (1)直接观察自然对流现象,目测其流速,观察宏观组织(Λ形偏析)形成的过程及“沟槽”产生的方位。 (2)观察结晶雨现象导致钢锭底部的负偏析(沉积锥)。 (3)观察凝固过程中氯化铵形成的基本晶形。 2实验原理及设备 2.1实验原理 金属凝固过程是从液态转化为固态的过程,从微观来讲,凝固就是金属原子从无序状态到有序状态的排序过程。也就是液态中无规则原子集团转变为原子按一定规则排列的固态结晶。从宏观来讲,是把液态金属所储藏的热和凝固潜热通过模壁转移到外界,使液态金属转变成为具有一定形状的固体金属。整个凝固过程将发生一系列的物理化学变化。 凝固过程的收缩,密度的差异以及温度场的变化而产生的自然对流现象对钢坯的质量影响是特别显著的。特别是在模铸生产中,大型镇静钢锭由于成分不均匀性而产生Λ形偏析(也就是冶金中常说的倒V形偏析,偏析部位表现在钢锭的柱状晶带上),以及钢锭底部的沉积锥偏析等内部缺陷。 2.1.1 倒“V”形偏析的形成 含有不同物质的熔体在凝固过程中,由于温度、密度、体积以及温度场的变化,液体中会产生对流现象。这种对流现象使流动的液体在通过柱状晶凝固前沿时不易凝固,随着柱状晶的生长延伸而夹入中间,形成带有一定角度的液体流。在选分结晶过程中,高熔点的物质首先结晶,低熔点的物质向液体中扩散,形成液体流中低熔点的物质富集,我们称为正偏析。在钢锭的表现形式称为“Λ”形偏析或称倒“V”形偏析。在钢坯的横断面上通过低倍腐蚀表现得形状又称为“方框形”偏析或称“锭形”偏析。 2.1.2 沉积锥偏析 熔体在凝固过程由于选分结晶,高熔点的物质首先形核结晶称为固体。密度小的物质上浮,密度大的物体自然下落。根据形核机理,在一定温度下会形成大量的晶体,由于其密度大于熔体而下落,在下落过程逐渐长大,此现象称为结晶雨。柱状晶向中心生在阻碍了边沿晶体的下落,在底部形成一个锥体,称为沉积锥。由于高熔点的物质成分富集,所以称为负偏析。 2.1.3 减少偏析生成的措施 (1)提高熔体的纯洁度,减少钢中有害元素。 (2)改善熔体的凝固条件控制浇注过程的注温、注速。 (3)改善熔体凝固过程的动力学条件。 2.2实验方法 本实验采用NH4Cl-H2O溶液模拟钢锭凝固过程,NH4Cl-H2O系二元相图如图1所示。由于NH4Cl-H2O溶液的透明性和NH4Cl-H2O树枝晶体的半透明性,因而可以观察晶体及凝固结构形成的过程,更可形象地观察到晶体的结构。再者氯化铵溶液熔化焓低,便于模拟实验操作。由图1可知,氯化铵溶液的浓度超过19.7%以后为过共晶系,实验中可采用35%的

材料科学基础试题及答案

第一章 原子排列与晶体结构 1. fcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,密排面的堆垛顺序是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,把原子视为刚性球时,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ;bcc 结构的密排方向是 ,密排面是 ,致密度为 ,配位数是 ,晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 ;hcp 结构的密排方向是 ,密排面 是 ,密排面的堆垛顺序是 ,致密度为 ,配位数是 ,, 晶胞中原子数为 ,原子的半径r 与点阵常数a 的关系是 。 2. Al 的点阵常数为0.4049nm ,其结构原子体积是 ,每个晶胞中八面体间隙数为 ,四面体间隙数为 。 3. 纯铁冷却时在912ε 发生同素异晶转变是从 结构转变为 结构,配位数 ,致密度降低 ,晶体体积 ,原子半径发生 。 4. 在面心立方晶胞中画出)(211晶面和]211[晶向,指出﹤110﹥中位于(111)平 面上的方向。在hcp 晶胞的(0001)面上标出)(0121晶面和]0121[晶向。 5. 求]111[和]120[两晶向所决定的晶面。 6 在铅的(100)平面上,1mm 2有多少原子?已知铅为fcc 面心立方结构,其原子半径R=0.175×10-6mm 。 第二章 合金相结构 一、 填空 1) 随着溶质浓度的增大,单相固溶体合金的强度 ,塑性 ,导电性 ,形成间隙固溶体时,固溶体的点阵常数 。 2) 影响置换固溶体溶解度大小的主要因素是(1) ; (2) ;(3) ;(4) 和环境因素。 3) 置换式固溶体的不均匀性主要表现为 和 。 4) 按照溶质原子进入溶剂点阵的位置区分,固溶体可分为 和 。 5) 无序固溶体转变为有序固溶体时,合金性能变化的一般规律是强度和硬度 ,塑性 ,导电性 。 6)间隙固溶体是 ,间隙化合物是 。 二、 问答 1、 分析氢,氮,碳,硼在?-Fe 和?-Fe 中形成固溶体的类型,进入点阵中的位置和固溶度大小。已知元素的原子半径如下:氢:0.046nm ,氮:0.071nm ,碳:0.077nm ,硼:0.091nm ,?-Fe :0.124nm ,?-Fe :0.126nm 。 2、简述形成有序固溶体的必要条件。 第三章 纯金属的凝固 1. 填空 1. 在液态纯金属中进行均质形核时,需要 起伏和 起伏。 2 液态金属均质形核时,体系自由能的变化包括两部分,其中 自由能

凝固过程模拟仿真课程论文

凝固过程模拟仿真课程论 文 铸造过程数值模拟的研究发展现状 (Research on the development status of numerical simulation of casting process) 学院名称:材料科学与工程学院 专业班级:复合材料1102 学生姓名:不知道 学号:3110703451 指导教师:怯喜周

铸造过程数值模拟的研究发展现状 摘要:随着电子计算机技术的飞速发展,铸造工艺计算机辅助设计CAD,铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。工业发达国家制定的下一代制造(NGM)计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分,并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测,评判铸造工艺设计的合理性,以减少工艺实验的次数,降低工艺设计成本,提高工艺出品率和合格率。 关键词:凝固模拟;数值仿真;铸造CAE;CAD;铸造充型; Research on the development status of numerical simulation of casting process Abstract: with the rapid development of computer technology, computer aided design of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includes modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidification process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate. Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling; 1 前言 凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的地位。从熔岩冻结为地壳到

液态金属的传热与凝固方式

第五章 液态金属的传热与凝固方式 1. 试分析铸件在金属型,砂型,保温型中凝固时的传热过程,并讨论在上述几种情况影响传热的限制性环节及温度场的特点。 答: (1)砂型: 2λ 远小于1λ ,铸件冷却缓慢断面上的温差很小,而铸型内表面被铸件加热到很高的温度,而外表面仍处于较低的温度。砂型本身的热物理性质是主要因素(限制环节)。 (2)金属型: a.铸件较厚,涂料较厚。 铸件的冷却和铸型的加热都不十分激烈,大部分温度降在中间层,而铸型和铸件上温度分布均匀。 传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。 b.当涂料层很厚时,铸件的冷却和铸型的加热都很激烈,有明显的温度梯度界面热量很小,可忽略。 传热过程取决于铸件、铸型的热物理性质。 (3)保温型: 与砂型情况类似,只是铸型比铸件的冷却更缓慢,铸型界面处温度梯度较大,而外部温度低(接近金属型后涂料)。 2.试应用凝固动态曲线分析铸件的凝固特征,根据铸件的动态凝固曲线能否判断其停止流动的过程。 答: ①某一时刻的各区宽度,L 、L+S 、S 、L+S 宽度分别为,逐层、体积、中间凝固方式。 ②结壳早晚:

停止流动的过程: 两线重合或垂直距离小,流动管道中晶体长大阻塞而停止流动。 两线垂直距离大,液体中析出晶体较多,连成网络而阻塞。 两线垂直中等,管道壁有一部分柱状晶,中心有等轴晶,使剩余的液体停止流动。 3. 试证明铁在熔点浇入铝制容器中,铝型内表明不会熔化。 已知:铁液熔点t 10=1539℃ λ1=23.26()k m w ?,k kg J C ?=9211,3 1kg 6900m =ρ 铝液熔点660℃,λ2=23.26()k m w ?,k kg J C ?=9212,3 kg 6900m =ρ, t 20=20℃。 解:起始边界温度t F 2 120 2101b b t b t b t F ++= ()()c c t p c b p c b 00F 2222111166064.642k 64.9152 .174549.121572092732.1745427315399.121572.17459.12157<==+?++?= ====λλ 不会熔化。 4. 用契福利诺夫定律计算铸件的凝固时间,误差来源于几方面?半径相同的圆柱和球哪个误差大?大铸件与小铸件哪个误差大?金属型和砂型哪个误差大? 契福利诺夫定律:22 K R =τ 答: ⑴误差来自: ①金属型和接触面是无限大的平面,铸件和铸型的壁厚都是半无限大的; ② 与金属液接触的铸型表面温度浇注后立即达到金属表面温度,且以后保持 结壳晚 结壳早 结壳正常

材料成型原理课后题答案

第三章: 8:实际金属液态合金结构与理想纯金属液态结构有何不同 答:纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的,是近程有序的。液态中存在着很大的能量起伏。而实际金属中存在大量的杂质原子,形成夹杂物,除了存在结构起伏和能量起伏外还存在浓度起伏。 12:简述液态金属的表面张力的实质及其影响因数。 答:实质:表面张力是表面能的物理表现,是是由原子间的作用力及其在表面和内部间排列状态的差别引起的。 影响因数:熔点、温度和溶质元素。 13:简述界面现象对液态成形过程的影响。 答:表面张力会产生一个附加压力,当固液相互润湿时,附加压力有助于液体的充填。液态成形所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的,使铸件的表面得以光洁。凝固后期,表面张力对铸件凝固过程的补索状况,及是否出现热裂缺陷有重大影响。 15:简述过冷度与液态金属凝固的关系。 答:过冷度就是凝固的驱动力,过冷度越大,凝固的驱动力也越大;过冷度为零时,驱动力不存在。液态金属不会在没有过冷度的情况下凝固。 16:用动力学理论阐述液态金属完成凝固的过程。 答:高能态的液态原子变成低能态的固态原子,必须越过高能态的界面,界面具有界面能。生核或晶粒的长大是液态原子不断地向固体晶粒堆积的过程,是固液界面不断向前推进的过程。只有液态金属中那些具有高能态的原子才能越过更高能态的界面成为固体中的原子,从而完成凝固过程。 17:简述异质形核与均质形核的区别。 答:均质形核是依靠液态金属内部自身的结构自发形核,异质形核是依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发的形核。 异质形核与固体杂质接触,减少了表面自由能的增加。 异质形核形核功小,形核所需的结构起伏和能量起伏就小,形核容易,所需过冷度小。 18:什么条件下晶体以平面的方式生长什么条件下晶体以树枝晶方式生长 答:①平面方式长大:固液界面前方的液体正温度梯度分布,固液界面前方的过冷区域及过冷度极小,晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体的生长方向相反。 ②树枝晶方式生长:固液界面前方的液体负温度梯度分布,固液界面前方的过冷区域较大,且距离固液界面越远过冷度越大,晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体生长的方向相同。 19:简述晶体的微观长大方式及长大速率。 答:①连续生长机理--粗糙界面的生长:动力学过冷度小,生长速率快。②二维生长机理--光滑界面生长:过冷度影响大,生长速度慢。③从缺陷处生长机理--非完整界面生长:所需过冷度较大,生长速度位于以上二者之间。 20:为生么要研究液态金属凝固过程中的溶质再分配它受那些因素的影响 答:液态金属在凝固过程中的各组元会按一定的规律分配,它决定着凝固组织的成分分布和组织结构,液态合金凝固过程中溶质的传输,使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。掌握凝固过程中的溶质再分配的规律,是控制晶体生长行为的重要因素,也是在生产实践中控制各种凝固偏析的基础。 凝固过程中溶质的再分配是合金热力和动力学共同作用的结果,不同的凝固

金属凝固理论重点总结

金属凝固理论复习资料 一、名词解释 1.能量起伏:金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的,一些原子的能量超过原子 的平均能量,有些原子的能量则远小于平均能量,这种能量的不均匀性称为“能量起伏” 2.结构起伏:液态金属中的原子集团处于瞬息万变的状态,时而长大时而变小,时而产生 时而消失,此起彼落,犹如在不停顿地游动。这种结构的瞬息变化称为结构起伏。 3.浓度起伏:不同原子间结合力存在差别,在金属液原子团簇之间存在着成分差异。这种 成分的不均匀性称为浓度起伏。 4.熔化潜热:将金属加热到至熔点时,金属体积突然膨胀,等于固态金属从热力学温度零 度加热到熔点的总膨胀量,金属的其他性质如电阻,粘性等发生突变,吸收的热能。 5.充型能力: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。 6.成分过冷:由溶质再分配导致的界面前方熔体成分及其凝固温度发生变化而引起的过 冷。 7.热过冷:仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为热过冷 8.宏观偏析:又称长程偏析或区域偏析,指较大范围内的化学成分不均匀现象,表现为铸 件各部位之间化学成分的差异。 9.微观偏析:微观偏析是指微小范围(约一个晶粒范围)内的化学成分不均匀现象,按位 置不同可分为晶内偏析(枝晶偏析)和晶界偏析。 10.微观偏析 (1)晶内偏析:在一个晶粒内出现的成分不均匀现象,常产生于有一定结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。 (2)晶界偏析:溶质元素和非金属夹杂物富集与晶界,使晶界和晶内的化学成分出现差异。它会降低合金的塑性和高温性能,又会增加热裂倾向。 11.宏观偏析: (1)正常偏析:当合金溶质分配系数k<1时,凝固界面的液相中将有一部分被排出,随着温度的降低,溶质的浓度将逐渐增加,越是后来结晶的固相,溶质浓度越高,当k>1时相反。正常偏析存在使铸件的性能不均匀,在随后的加工中难以消除。 (2)逆偏析:即k<1时,铸件表面或底部含溶质元素较多,而中心部分或上部分含溶质较少。 (3)V形偏析和逆V形偏析:常出现在大型铸锭中,一般呈锥形,偏析中含有较高的碳以及硫和磷等杂质。 (4)带状偏析:它总是和凝固的固-液界面相平行。 (5)重力偏析:由于重力的作用而出现化学成分不均匀的现象,常产生于金属凝固前和刚刚开始凝固之际。 枝晶偏析:由于固溶体合金多按枝晶方式生长,分支本身分支与分支间的成分是不均匀的,故称为~。 12.正偏析:指溶质含量高于其平均溶质含量的区域 13.负偏析:降低该区的溶质浓度,使该区C5降低,产生的偏析。(溶质含量低于其平均溶 质含量的区域) 14.重力偏析:由于沿垂直方向逐层凝固而产生的正常偏析和固液相之间或互不相容的液相 之间有的密度不同,在凝固过程中发生沉浮现象造成的。 15.过热度:指金属熔点与液态金属温度之差。 16.过冷度:理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度

铸造工艺中液态金属凝固成形的关键问题

铸造工艺中液态金属凝固成形的关键问题 液态金属通过冷却凝固最终获得合格的、满足各种使用要求的铸件。山东伊莱特重工跟您一起探讨:以下的关键问题是在生产过程中应予以妥善解决的。 (一)结晶及凝固组织的形成与控制液体金属的结构,晶核的形成与长大,晶粒的大小、方向和形态等与铸件的凝固组织密切相关,它们以铸件的物理性能和力学性能有着重大的影响。控制铸件的凝固组织的目的就是为了获得所希望的组织,欲控制凝固组织,就必须对其形成机理、形成过程和影响因素有全面的了解和深入研究。目前山东伊莱特重工有限公司已建立的有效控制组织的方法有变质、孕育、动态结晶、顺序凝固、快速凝固等。 (二)铸件尺寸精度和表面粗糙度控制现代制造的许多领域,对铸件尺寸精度和外观质量的要求愈来愈高,技术改变着铸造只能提供毛坯的传统观念,其目的在于降低物耗、能耗、工耗,并且改善产品的内外质量,争取市场和高效益。然而,铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素(如铸型表面的作用、凝固热应力、凝固收缩等)的影响和制约,控制难度很大。铸件是液态成形的,实现净形化具有独特的优越性,在结构方面铸件的内腔和外形用铸造方法一次成形,使其接近零件的最终形状,使加工和组装工序减至最少;在尺寸精度和表面质量方面,使铸件能接近产品的最终要求,做到无余量或小余量;另一方面,被保留的铸造原始表面有益于保持铸件的耐蚀和耐疲劳等优越性能,从而提高产品寿命。努力提高铸件的尺寸精度和降

低表面粗糙度,推进铸件近净形技术的发展是未来的方向。 (三)铸造缺陷的防止与控制铸造缺陷是造成废品的主要原因,是对铸件质量的严重威胁。由于方方面面的原因,存在于铸件的缺陷五花八门,由于凝固成形时条件的差异,缺陷的种类表现为形态和表现部位不尺相同。如液态金属的凝固收缩会形成缩孔、缩松;凝固期间元素在固相和液相中的再分配会赞成偏析;冷却过程中热应力的集中会造成铸件裂纹和变形。应根据产生的原因和出现的程度不同,采取相应措施加以控制,使之消除或降至最低程度。此外,还有许多缺陷,如有夹杂物、气孔、冷隔等,出现在充填过程中,它们不仅与合金种类有关,而且还与具体成形工艺有关。总之,防止、消除和控制各类。更多问题请百度咨询山东伊莱特重工有限公司。

第二章 纯金属结晶作业答案

第二章纯金属的结晶 (一) 填空题 1.金属结晶两个密切联系的基本过程是形核和长大。 2 在金属学中,通常把金属从液态向固态的转变称为结晶,通常把金属从一种结构的固态向另一种结构的固态的转变称为相变。 3.当对金属液体进行变质处理时,变质剂的作用是增加非均质形核的形核率来细化晶粒 4.液态金属结晶时,获得细晶粒组织的主要方法是控制过冷度、加入结构类型相同的形核剂、振动、搅动 5.金属冷却时的结晶过程是一个放热过程。 6.液态金属的结构特点为长程无序,短程有序。 7.如果其他条件相同,则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的细小,高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的粗大,采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的细小,薄铸件的晶粒比厚铸件细小。 8.过冷度是金属相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变,即平衡相变温度与该实际转变温度之差。一般金属结晶时,过冷度越大,则晶粒越细小。 9、固态相变的驱动力是新、旧两相间的自由能差。 10、金属结晶的热力学条件为金属液必须过冷。 11、金属结晶的结构条件为在过冷金属液中具有尺寸较大的相起伏,即晶坯。 12、铸锭的宏观组织包括外表面细晶区、中间等轴晶区和心部等轴晶区。 (二) 判断题 1 凡是由液态金属冷却结晶的过程都可分为两个阶段。即先形核,形核停止以后,便发生长大,使晶粒充满整个容积。( ×) 2.凡是由液体凝固成固体的过程都是结晶过程。( ×) 3.近代研究表明:液态金属的结构与固态金属比较接近,而与气态相差较远。( √) 4.金属由液态转变成固态的过程,是由近程有序排列向远程有序排列转变的过程。( √) 5.当纯金属结晶时,形核率随过冷度的增加而不断增加。( ×) P41+7 6.在结晶过程中,当晶核成长时,晶核的长大速度随过冷度的增大而增大,但当过冷度很大时,晶核的长大速度则很快减小。( √) P53 图2-33 7.金属结晶时,冷却速度愈大,则其结晶后的晶粒愈细。( √) P53-12 8.所有相变的基本过程都是形核和核长大的过程。( √) 9.在其它条件相同时,金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的铸件晶粒更细(√) 10.在其它条件相同时,高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的铸件晶粒更细。( ×) 11.在其它条件相同时,铸成薄件的晶粒比铸成厚件的晶粒更细。( √) 12. 金属的理论结晶温度总是高于实际结晶温度。( √) 14.在实际生产条件下,金属凝固时的过冷度都很小(<20℃),其主要原因是由于非均匀形核的结果。(√) 15.过冷是结晶的必要条件,无论过冷度大小,均能保证结晶过程得以进行。

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