海南大学：《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）Chapter 9 材料加工成形的流动现象与力学基础

第九拿材科加工成形的 流动现象与力学基出

第九章 材料加工成形的 流动现象与力学基础

目录 >熔融液体的流动性 >熔融液体的充型能力

➢ 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

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

P=P 浇口杯 直浇口 铸铁件 横浇口 内浇口 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

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

宁宏观 微观 等轴品 铸型 柱状品 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

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，是材料的主要俦造性能之一。 ◆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，合金液和俦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

1.1 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。 Liquid Metal viscosity 25TT Li Na 400

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，俦型的温度 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

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R.大于临界雷诺数(Rc=2300),属于紊流流动。 b 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

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，R.为25000，远大于 R。对于一些水平浇注的薄壁俦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。 对轻合金优质俦件浇注系统，当R。<20000时，液流 表面的氧化膜不会破碎，若R.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R。≤10000 横浇道内R.≤7000 内浇道R。≤1100 效果较佳 型腔内侧R≤280

如：ZL104合金在670°C浇注时，液流在直径为20 mm 的直浇道中以50 cm/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