钢水凝固过程数值模拟
摘要：连铸过程是一个包含流动、传热、凝固等复杂现象的综合过程。由于进入结晶器的高温钢液具有很大的动能，在凝固壳包围的液态金属中存在强烈的湍流流动，这种流动对卷渣、卷气、液穴的形成以及结晶器中温度分布、凝固传热和凝固厚度分布的均匀性都有重要影响关键字：液态成型；数值仿真；铸造
Abstract: Continuous casting process is a complex phenomenon such as flow, heat transfer and solidification of the composite process. Due to the high temperature of mould liquid steel has great momentum, the existing in the liquid metal solidification shell surrounded by strong turbulent flow, the flow volume of slag, gas, liquid hole and the formation of the temperature distribution in crystallizer, the uniformity of solidification heat transfer and solidification thickness distribution have important influence
Key words: liquid molding; The numerical simulation. Casting
一问题描述
结晶器内钢液的流动特性不仅关系到结晶器的传热和夹杂物的上浮,而且还与铸坯裂纹、皱皮、偏析等表面及内部质量有着非常密切的关系。因此，开展连铸机结晶器内钢水流场和温度场以及凝固过程的研究就显得尤为重要。随着连铸技术的发展，对结晶器内的流动过程和优化设计研究受到重视目前研究方法主要是通过水模实验和数值模拟。
本文针对某厂连铸机的生产现状，利用数值模拟的方法,采用Fluent软件模拟此连铸机结晶器内钢液的三维流场、温度场与凝固现象,重点分析不同形状水口对结晶器内流场、温度场以及凝固厚度的影响，揭示物理现象，为优化浸入式水口结构参数提供理论依据。
二模拟方法
1 基本假设
钢液自水口流入结晶器，结晶器内通冷却水进行冷却，钢液经强烈对流冷却和辐射换热逐步形成凝固坯壳，最终凝固的锭坯在出口以恒定拉速拉出。整个计算过程基于以下假设：
a.结晶器内的流动为稳态；
b.结晶器内钢液为不可压缩牛顿流体，物性参数为常数；
c.忽略结晶器壁振动对流动的影响；
d.δ?γ相变潜热远小于凝固潜热，忽略金属固态相变的影响。
2 基本方程
式子中
结晶器内连铸坯弹塑性变形伴随有较大的温度变化在建立其本构方程时应考虑温度的影响因此总应变增量可表示为
方程右边分别为弹性应变量材料性能随温度变化引起的应变增量塑性应变量及热应变量将各应变量相应关系式代入可得坯壳应力应变的本构方程。
3 参数确定及边界条件
1）参数的确定
与温度T 的关系如下
钢液热焓H
s
导热系数: k = 13.86+1.113×102T, J/(m .s .℃)
密度: 液相ρ= 7.1×1033kg/m3 固相ρ= 7.4×103kg/m3热膨胀系数: = 0.435+0.762×10 3T ×10 5, K 1-
泊松比: = 0.278+8.23×10 5-T
2）边界条件
t = 0, T = T0, q
k = q
k
, q
z
= q
0z
。
式中T0 为浇注温度, q
k 为宽边热流密度, q
k
为宽边初始热流密度, q
z
为窄边热流密
度, q
0z
为窄边初始热流密度。
式中，q
k 由宽边热流密度函数与宽边热收缩量共同确定，q
z
由窄边热流密度函数与窄边热
收缩量共同确定，F为施加于凝固前沿的钢水静压力，ρ
l
为钢液密度，h = vt为距离液面高度，由拉速v及时间t确定，由结晶器铜板温度测量结果, 根据数学模型可以计算出结晶器壁的热流量沿拉坯方向的分布。
三模拟结果
由于入口界面面积有差异，结晶器的入口速度有所差别。流线图、对称面上的速度矢量分布图以及不同截面的温度和液体分数等值线图用于说明流场、温度场以及凝固的状态。当钢液由水口浇铸后，以射流的方式进行运动。由水口浇铸出来的钢液大部分冲击到结晶器窄面，遇到壁面后流向发生变化，一小部分钢液向上运动到达顶部后流向水口形成上部回流区，这个回流对弯月面的波动产生影响，同时也对保护渣的熔化起决定作用。另一部分钢液向下旋转后，为主流股，此流股对夹杂物的上浮、结晶器下端以及二冷段的结晶组织产生直接影响，强度随着向下距离的延伸而减弱；该流股又出现了两个分支，其中一部分钢液直接冲击到结晶器出口处，而还有一部分钢液出现漩涡卷吸。相比较两种类型发现，漩涡发生的位置不相同，下部漩涡区较大，经过漩涡后向下流动的流股更倾向于流向对称面而较远离结晶器窄面。这是由于SEN2水口的侧孔面积较小，钢液流出的速度较大，则流股对结晶器窄面的冲击力和冲击深度较大，贴近窄面的流体经过窄面约束后折返角度更大。结晶器内上部循环区较大，这有利于液面稳定。但是，从图8矢量图中也可以看出，SEN2由于水口出口速度增大，
加剧了液面的波动及漩涡，增加了液面卷渣的可能性；同时冲击深度和冲击力的过度增加，会导致结晶器钢液内夹杂物的上浮更加困难，不利于结晶器窄边的初始凝固坯壳的生长。四结论
本文针对两种不同水口类型的结晶器进行了流场、温度场和凝固进行了模拟。结果表明：钢液从水口出口处喷出，其撞击到结晶器侧壁的冲击位置与水口类型相关，沿水口出流方向，钢水分离形成上下两股，并分别发展成两个回流；对于相同断面不同类型的水口，在圆形水口（SEN1）附近，温度分布比较均匀，流场混合充分，在计算区域的出口处凝固要好于方形水口（SEN2）。模拟结果对于优化设计连铸机具有帮助意义。
五参考文献
[1] 于会香，张炯明，王万军等. 板坯连铸浸入式水口出口速度对结晶器流场影响的数值模拟[J].北京科技大学学报,2002
[2] 张桂芳,沈厚发等.薄板坯连铸结晶器流场模拟和验证[J].钢铁钒钛，2005,26（2）：31-34
[3] 叶大伦, 胡建华. 实用无机物热力学数据手册[M] . 北京: 冶金工业出版社,2002.
铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。
钎焊的概念：借助于液态钎料填满固态母材之间的间隙并相互扩散形成结合的一类连接材料方法。根据钎料熔点温度不同，熔点低于450为软钎焊，大于450为硬钎焊，大于900为高温钎焊。软钎焊和硬钎焊的区别：软钎焊的所用钎料的熔点低于450，接头强度低于70兆帕，硬钎焊所用钎料的熔点高于450，接头强度可达500兆帕。 影响钎料润湿性的因素：（1）钎料与母材的成份，钎料与母材在液态和固态均不相互作用，则他们之间的润湿性很差，若钎料能与母材相互溶解并形成化合物，则液态钎料能较好的润湿母材。（2）温度，温度升高，钎料表面张力降低，有助于提高钎料的润湿性。温度过高钎料的润湿性太强，往往容易造成钎料的流失，温度过高坏会引起母材晶粒长大，溶蚀等现象。 (3)金属表面氧化物（4）钎剂可清除氧化膜改善润湿性（5）母材表面的状态粗糙度（6）表面活性物质的影响。 1.钎料应具有合适的熔点； 2.钎料应具有良好的润湿性，能充分填满钎锋的间隙； 3.钎料与母材的扩散作用，应保证他们之间形成牢固的结合； 4.钎料应具有稳定和均匀的成分，应尽量减少钎焊过程中的偏析现象和易挥发元素的消耗等；5所得到的接头应能满足产品的技术要求。 软钎料代号s硬钎料代号b 自钎剂钎料：指机能填充钎缝间隙，又能起钎剂作用的钎料。 作用：填缝，去氧化膜。 要求：1.强还原剂2.还原产物熔点低于钎焊温度3.还原产物粘度低4.还原剂能溶于钎料内5.还原剂最好能降低液态钎料的表面张力，改善钎料的润湿性。 3.1. 钎焊时去膜的必要性母材表面氧化膜的存在，液态钎料不能润湿它们，同样液态钎料被氧化膜包裹时，也不能在母材上铺展（ cu ni fe等的氧化膜易去除 al mg ti cr 等的氧化膜难去除） 3.2钎剂的作用及性能要求清除母材和钎料表面氧化膜利于铺展填缝隔绝空气起保护作用起界面活化作用改善钎料对母材的润湿性能要求（1）钎剂应具有溶解或破坏母材和钎料表面氧化膜的足够能力（2）钎剂的熔点和最低活性
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
一、名词解释 1、铸造：将液态金属浇注到与零件的形状相适应的铸型型腔中冷却后获得铸件的方法。 2、热应力：在凝固冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。 3、收缩：铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中所发生的体积缩小的现象，合金的收缩 一般用体收缩率和线收缩率表示。 4、金属型铸造：用重力浇注将熔融金属注入金属铸型而获得铸件的方法。 5、流动性：熔融金属的流动能力，近于金属本身的化学成分、温度、杂质含量及物理性质 有关，是熔融金属本身固有的性质。 二、填空题 1、手工造型的主要特点是（适应性强）（设备简单）（生产准备时间短）和（成本低），在 （成批）和（大量）生产中采用机械造型。 2、常用的特种铸造方法有（熔模铸造）（金属型铸造）（压力铸造）（低压铸造）和（离心 铸造）。 3、铸件的凝固方式是按（凝固区域宽度大小）来划分的，有（逐层凝固）（中间凝固）和 （糊状凝固）三种凝固方式。纯金属和共晶成分的合金是按（逐层）方式凝固。 4、铸造合金在凝固过程中的收缩分三个阶段，其中（液态收缩和凝固收缩）是铸件产生缩 孔和缩松的根本原因，而（固态）收缩是铸件产生变形、裂纹的根本原因。 5、铸钢铸造性能差的原因主要是（熔点高，流动性差）和（收缩大）。 6、影响合金流动性的内因有（液态合金的化学成分），外因包括（液态合金的导热系数） 和（黏度和液态合金的温度）。 7、铸造生产的优点是（成形方便）（适应性强）和（成本低），缺点是（铸件力学性能较低） （铸件质量不够稳定）和（废品率高）。 三、是非题 1、铸造热应力最终的结论是薄壁或表层受拉。错 2、铸件的主要加工面和重要的工作面浇注时应朝上。错 3、冒口的作用是保证铸件的同时冷却。错 4、铸件上宽大的水平面浇注时应朝下。对 5、铸造生产特别适合于制造受力较大或受力复杂零件的毛坯。错 6、收缩较小的灰铸铁可以采用定向（顺序）凝固原则来减少或消除铸造内应力。错 7、相同的铸件在金属型铸造时，合金的浇注温度应比砂型浇注时低。错 8、压铸由于熔融金属是在高压下快速充型，合金的流动性很强。对 9、铸件的分型面应尽量使重要的加工面和加工基准面在同一砂箱内，以保证铸件精度。对 10、采用震击紧实法紧实砂型时，砂型下层的紧实度小于上层的紧实度。错 11、由于压力铸造具有质量好、效率高、效益好等优点，目前大量应用于黑色金属的 铸造。错 12、熔模铸造所得铸件的尺寸精度高，而表面光洁度较低。错 13、金属型铸造主要用于形状复杂的高熔点难切削加工合金铸件的生产。错 四、选择题 1、形状复杂的高熔点难切削合金精密铸件的铸造应采用（B） A 金属型铸造 B 熔模铸造 C 压力铸造 2、铸造时冒口的主要作用是（B） A 增加局部冷却速度 B 补偿热态金属，排气及集渣 C 提高流动性 3、下列易产生集中缩孔的合金成分是（C） A 0.77%C B 球墨铸铁 C 4.3%C
第17卷第6期2003年12月 华 东 船 舶 工 业 学 院 学 报(自然科学版) Journal of East China Shipbuilding Institute(Natural Science Edition) Vo1117No16 Dec.2003 文章编号:1006-1088(2003)06-0042-06 瞬间液相扩散连接过程数值模拟的研究进展 初雅杰,翟建广,邹家生,陈 铮 (华东船舶工业学院材料与环境工程系,江苏镇江212003) 摘 要:综述了近年来国内外关于瞬间液相扩散连接数值模拟的研究现状,内容涉及了异种材料接头 元素的扩散与反应层形成的模拟,接头变形与应力行为的模拟,并提出了要解决的问题,为今后的研究 提供了一定的借鉴。 关键词:瞬间液相连接;数值模拟;元素扩散;残余应力 中图分类号:TG453 文献标识码:A Progress of the R esearch in the Area of Numerical Simulation of T ransient Liquid Phase Diff usion Bonding CHU Y a2jie,ZHA I Jian2guang,ZO U Jia2sheng,CH EN Zheng (Dept.of Material and Environment Eng.,East China Shipbuilding Institute,Zhenjiang Jiangsu212003,China) Abstract:Reviews the present progress in numerical simulation of transient liquid phase diffusion bonding in recent years.The simulation of element diffusion and formation of reaction layers are discussed in detail. At the same time the simulation of residual stress of the bonding is involved.The problems to be solved are pointed out.It could be useful for the future research. K ey w ords:transient liquid phase bonding;numerical simulation;element diffusion;residual stress 0 引 言 近年来,随着高温合金、陶瓷、复合材料等新材料的迅速发展,这些新材料的连接技术也越来越引起人们的关注。虽然活性钎焊和固相扩散连接以各自的优点成为近年来新材料连接领域的研究热点,但这两种连接方法均有一定的局限性。Peaslee和Boam于1952年首次提出了瞬间液相扩散连接(Tran2 sient Liquid Phase Diffusion Bonding,简称TL P扩散连接)方法[1]。1974年,Duvall成功地进行了Ni基耐热合金的TL P扩散连接,随后TL P扩散连接方法在航空航天等领域得到了广泛的应用。但是由于TL P扩散连接涉及材料、扩散、相变、界面反应、接头应力应变等方面,工艺参数多,虽然已进行了大量的实验研究,但对各种材料的连接机理认识尚不深入[2～4]。一般认为,瞬间液相扩散连接过程的完成受中间层成分、厚度以及保温温度等因素的控制,元素的扩散起主要的作用,由于元素扩散是一个极缓慢的过程,实际构件中接合面间隙又并非一致,因此,为焊接一定的材料,从中间层合金元素的选择、成分的设计到最佳焊接工艺的确定,是一项工作量极大的工作,人们常使用计算机模拟瞬间液相扩散连接收稿日期:2003-04-11 基金项目:江苏省自然科学基金项目(B K2002602) 作者简介:初雅杰(1979-),男,山东烟台人,华东船舶工业学院硕士研究生。
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
第二节常用的铸造方法 (五)离心铸造 离心铸造是将金属液浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型，在离心力的作用下凝固的铸造方法。铸件的轴线与旋转铸型的轴线重合。铸型可用金属型、砂型、陶瓷型、熔模壳型等。 1．离心铸造机 离心铸造机是离心铸造所用的设备，按其旋转轴空间位置的不同分为立式、卧式二种。立式离心铸造机的铸型是绕垂直轴旋转（图2-2-41a）,由于金属液的重力作用,铸件的内表面呈抛物线形,故铸件不易过高,它主要用于铸造高度小于直径的环类、套类及成形铸件。卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转（图2-2-41b），铸件的壁厚较均匀，主要用长度大于直径的管类、套类铸件。 图2-2-41 离心铸造示意图 图 2-2-9 离心铸造 2．离心铸造的特点和应用 与其它铸造方法相比，离心铸造的优点是： （1）优点 1）铸件组织致密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。 2）铸造圆形中空铸件时，不用型芯和浇注系统，简化了工艺过程，降低了金属消耗。 3）提高了金属液的充型能力，改善了充型条件，可用于浇注流动性较差的合金及薄壁铸件。 4）可生产双金属铸件，如钢套内镶铜轴承等，其结合面牢固、耐磨，又可节约贵重金属材料。 5）离心铸造适应性较广，铸造合金的种类几乎不受限制。既合适于铸造中空件，又可以铸造
成形铸件。中空铸件的内径通常为8～3000mm；铸件长度可达8000mm；质量可由几克至十几吨。 但离心铸造不宜生产易偏析的合金（如铅青铜等），铸件内表面较粗糙，尺寸不易控制。 （2）应用 离心铸造主要用于生产各种管、套、环类铸件，如铸铁管、铜套、滑动轴承、缸套、双金属钢背铜套等铸件，也可用于生产齿轮、叶轮、涡轮等成形铸件。 （六）熔模铸造 熔模铸造是指在易熔（如蜡料）制成的模样上包覆若干层耐火涂料，待其干燥硬化后熔出模样而制成型壳，型壳经高温培烧后即可浇注的铸造方法。熔模铸造是精密铸造方法之一。 1．熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程如动画2-2-7所示。 （1）用钢或铜合金等加工制成用来制造压型的母模。 （2）制造压型压型是制造熔模的模具。压模尺寸精度和表面质量要求高，它决定了熔模和铸件的质量。批量大、精度高的铸件所用压型常用钢或铝合金加工制成，小批量生产可用易熔合金浇注而成。 （3）制造模样。模样的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用的为50%石蜡加50%硬脂酸。将其加热只熔融（糊状）状态后压入压型，凝固后取出得到蜡模组。当铸件较小时，常将单个蜡模粘焊在预制好的蜡质浇注系统上制成蜡模组。 动画2-2-7 熔模铸造工艺过程 （4）制造型壳。将蜡模组浸入涂料（石英粉加水玻璃粘结剂）中，取出后在其表面撒上一层石英砂，再放入硬化剂（氯化铵熔液）中进行化学硬化。如此反复涂挂4~9层，得到厚度约5~10mm 的坚硬型壳。然后将结壳后的蜡模组放入90~95℃的热水中，使蜡模熔化并从浇口流出得到中空的型壳。 （5）造型和培烧为加固型壳，防止型壳浇注时变形或破裂，可将其竖放在铁箱中，周围用干砂填紧，此过程称为造型。对于强度高的型壳可不必填砂。为进一步排除型壳内的水分、残留蜡料及其他杂质，提高其强度，还需将装好型壳的铁箱送入加热炉内在900~950℃培烧。 （6）浇注为提高金属液的充型能力，应在型壳培烧出炉后趁热（600~700℃）进行浇注。冷却凝固后清除型壳，便得到一组带有浇注系统的铸件。 2．熔模铸造的特点和应用 由于熔模铸造采用可熔化的一次模，无需起模，故型壳为一整体而无分型面，而且型壳是由耐火度高的材料制成，因此熔模铸造具有下列优点：。 （1）可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件。其最小铸出孔的直径为0.5mm，最小壁厚为0.3mm。 （2）铸件精度高，表面质量好。铸件尺寸公差等级可达：钢铁材料CT7~CT5，铜合金等
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
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展 摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。 关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件
The Application of Numerical Simulation in Mold Filling and Solidification Process Abstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly. Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software
铸件的凝固方式：逐层凝固，中间凝固，糊状凝固 合金的结晶温度范围越小，铸件断面的温度梯度越大，铸件越倾向于逐层凝固方式，也越容易铸造 一，合金的收缩分类及导致的缺陷、缩孔与缩松形成原因及防止 答：分类：1.液态收缩2.凝固收缩3.固态收缩。会导致如缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等缺陷。形成原因：合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大的孔洞叫缩孔，细小而分散的孔叫缩松。防止：1.合理选择铸造合金。2.合理选用凝固原则。铸件的凝固原则分为“顺序凝固”和“同时凝固”两种。实现顺序凝固的办法：1，在铸件的厚大部位安放冒口2.安放冷铁3.设置补贴 浇注位置的选择原则：1.铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸件的下部或处于侧立位置2.大平面的浇注位置是将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷 4.为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件容易产生缩孔的厚大部位置于铸型的顶部和侧面 拔模斜度与结构斜度：为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在制造模样或芯盒时，凡平行于拔模方向上的壁，需给出一定的斜度，此斜度称为拔模斜度（拔模斜度）；铸件上凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的倾斜度，即结构斜度。 浇注系统的分类：1.顶注式浇注系统：优点容易实现顺序凝固和进行补缩。缺点是金属液对铸型冲击大，容易产生飞溅，氧化和卷入空气。适于高度不大，形状简单，薄壁或中等壁厚的铸件。2.中注式浇注系统：其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，便于控制金属夜的流量分布和铸型的热分布。3.底注式浇注系统：优点金属液的充型过程平稳，无飞溅，型腔中的气体易于排出，挡渣效果好，缺点是不能利用金属夜的自重进行补缩 压力铸造的特点：1.生产效率高，便于实现自动化2.获得铸件的尺寸精度高（11~13），表面粗糙度低（3.2~0.8），一些铸件无需机加工可直接使用3.可获得细晶粒组织的铸件，机械强度比砂型铸造高4.便于实在嵌铸 自由锻的基本工序：墩粗和拔长。墩粗是降低高度，增大横截面积。拔长是减小横截面积，增大长度 板料冲压的基本工序：分离工序和变形工序。变形工序：弯曲，拉深 冒口与冷铁：冒口：补给铸件凝固收缩时所需的金属，避免产生缩孔；冷铁：为增加铸件局部冷却速度，在砂型、砂芯表面或型腔内安放的金属激冷物。 焊接的特点：优点：1.接头牢靠，密封性好2.可化大为小，以小拼大3.可实现异种金属的连接4.重量轻，加工装配简单5.焊接结构不可拆卸。缺点：焊接应力变形大，接头容易产生裂纹，夹渣，气孔等缺陷 实现切削加工的三个条件：1.工件与刀具知己要有相对运动即切削运动2.刀具材料必须具有一定的切削能力3.刀具必须具有适当的几何参数即切削角度等 切削用量三要素：切削速度，进给量和背吃刀量 冲孔与落料：落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。这两个过程中坯料变形过程和模具结构相同，只是用途不同。落料是被分离的部分为所需要的工件，而留下的周边部分是废料；冲孔则相反。 一、自由锻工序（种类）及含义，典型零件的自由锻工序、反复镦粗拔长的目的。 答：工序有：拔长、墩粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割。自由锻是金属在锤面与砧面之间受压变形的加工方法。典型工序：1.压肩2.拔长一端切去料头3.调头压肩4.拔长，倒棱，滚圆5.端部拔长切去料头6.全部滚圆并校直。目的：可以提高后续拔长工序的锻造比；同时使晶体更细小，力学性能更好。
铸件合金的凝固与收缩 合金凝固温度范围和铸件温度梯度会对铸件的凝固方式产生影响，化学成分不同、浇注温度和铸件结构会对逐渐的收缩产生影响。 (一)铸件的凝固方式及影响因素 1.铸件的凝固方式 (1)逐层凝固方式 合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。 (2)糊状凝固方式 合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。 (3)中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。 2.凝固方式的影响因素 (1)合金凝固温度范围的影响 合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固;如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固;如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。 (2)铸件温度梯度的影响 增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化;反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。 (二)铸造合金的收缩 铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。它主要包括以下三个阶段： 1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很
大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。 (三)影响合金收缩的因素 1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。 2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。 (四)收缩对铸件质量的影响 1.缩孔和缩松 (1)缩孔的形成 缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。 (2)缩松的形成 宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。(3)缩孔、缩松的防止措施 a)采用定向凝固的原则所谓定向凝固，是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除缩孔、缩松。 b)合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺浇注位置的选择应服从定向凝固原则;内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口;要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。 2.铸造应力、变形和裂纹 在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。 (1)铸造应力的产生 铸造应力按其产生的原因可分为三种： a)热应力铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。 b)固态相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。
小方坯初始凝固三维数值模拟 邓安元赫冀成 摘要：建立了描述小方坯初始凝固的三维数学模型,并用实验数据进行了验证。计算表明:三维模型比二维模型能更好的用来描述小方坯结晶器内的初始凝固和流体流动,凝固时结晶器内的回流区明显减小。 关键词：小方坯初始凝固三维模型流体流动回流区 NUMERICAL VALUE SIMULATION OF INITIAL SOLIDIFICATION OF BILLET Deng Anyuan He Jichen (Northeastern University) Abstract：A mathematical model depicting the initial solidification of the billet is built up and verified with the experimental data.Calculation shows that the 3-dimensional model can more effectively describe the solidification of the billet and flowing of the hot metal in the mould compared with the 2-dimensional model,and the return flow region in the mould is apparently reduced during solidification. Keywords：initial solidification of billet3-dimensional model fluid flow return flow region▲ 1 前言 在连铸过程中,凝固过程对铸坯质量具有决定性的影响,它直接关系到铸坯的表面缺陷和内部组织的形成以及高速连铸技术的实现。铸坯凝固是一个复杂的过程,除流体流动外,还同时伴随有传热、传质以及多相组元的相变。各国冶金工作者对铸坯凝固已做了大量的实验和理论研究工作［1～4］,但大多集中在热传导模型上［1～2］。由于通过引入有效传热系数来表示对流换热的影响,使所得结果与实际有较大的误差,因此,又提出了耦合模型［3～4］。 目前,对连铸结晶器内钢液流动、传热及凝固耦合模型的研究还很不充分,且主要集中在二维模型上［3～4］。二维模型对于圆坯能较好的进行模拟,但对方坯误差较大［3］。本文运用三维耦合模型对小方坯初始凝固进行了数值模拟,并用实验数据加以验证,同时与二维模型进行了对比。 2 数学模型 由于小方坯凝固过程的复杂性,首先对所研究的问题作如下假设: (1)流体流动为不可压缩定常流动;
第一章绪论 1．1选题的背景及意义 铸造行业是一个古老而又非常重要的传统行业，具有数千年的历史。无论过去还是现在，无论发达国家还是发展中国家，铸造行业对国民经济的发展都起着十分重要的作用。据有关资料统计，铸件(按重量计)在机床、内燃机、重型机器中占70％～90％，农业机械中占40％--70％。此外，在冶金工业、能源工业的水电站、火电站与核电站、航空、航天等产业部门都发挥着重要作用。 铸造技术随着科学技术和生产机械化的发展而获得了巨大发展，但我国铸造行业的技术水平与国外相比有较大差距，它严重制约着我国国民经济的发展。我国铸件年产量已超过1000万吨。居世界第二，但其中高性能、优质铸件的比例只占20．7％，丽美国已占40．7％(1998年统计)；精密铸件比例只占2％，而美国已占13％(1994年统计)。又如，服务予航空、航天工业的精密熔模铸造业，全世界销售额为52.3亿美元，其中美国为24.8亿奖元，占47.4％，而中国仅1．8亿美元，只占3.4％。另外，我国铸件重量平均比国外重10％、20％，劳动生产率低5～8倍，而能耗高2倍。再以汽车发动机缸体铸件为例：我国生产的发动机缸体铸件平均壁厚为5.5～6.0mm，而国外只有3.5-4.5mm。我国的轿车生产已有多年历史，但目前发动机铸铁缸体质量仍然是关键技术问题。 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真是铸造学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的重要途径。经历了数十年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟仿真发展已进入工程实用化阶段。铸造生产正在由凭经验走向科学理论指导。铸件充型凝固过程的数值模拟，可以帮助工作人员在实际铸造前对铸件可能出现的某些缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量。缩短试制岗期，降低生产成本。计算机技术的突飞猛进使得这一梦想成为现实。 1．2用计算机技术改造传统铸造行业 1．2．1 铸造过程计算数值模拟的国内外研究概况 随着计算机技术的迅猛发展，计算机在铸造中的应用越来越广泛。60年代初，杰·麦德弗洛桑德把戴森摩尔等人在工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计算，开始了铸件凝固的过程模拟。此后，美国密西根大学的曼.万等人以及日本的大中逸雄等相继开始了凝固过程模拟，并取得了显著的进步。在第50届国际铸造年会举办的“凝固过程计算机模拟”专题讨论会上，深入讨论了铸件凝国过程数值模拟在研究微观组织结构和铸件性能等方面的应用，总结了凝固过程模拟所依据的。系列关系式，并设想利用这些关系式将几何
哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 姓名： 学号： 班级： 材料科学与工程学院
铸件充型凝固过程数值模拟实验报告 实验一：铸件凝固过程数值模拟 一、实验目的 1．学习有限差分法温度场模拟的数学模型和基本思路； 2．掌握用AnyCasting 铸造模拟软件进行温度场模拟的方法。 二、实验原理 1．有限差分法温度场模拟的基本思路： 设计铸造工艺方案→根据定解条件求解能量方程→揭示凝固行为细节→预测凝固缺陷→改进工艺方案，返回第二步循环。 2．有限差分法温度场模拟的数学模型： 222222T T T T L C t x y z t r l 骣抖抖?÷?÷=+++?÷÷?抖抖?桫 三、铸件凝固模拟过程及参数设置 1．凝固模拟过程 铸件、浇冒口等三维实体造型（输出STL 文件）→网格剖分、纯凝固过程参数设置等前处理→凝固温度场和收缩缺陷计算模拟数据→后处理得到动态的液相凝固、铸件色温图和缩孔缺陷等文件。 2．参数设置 铸件材质：AC1B 铸型材质：SM20C 初始条件：上下模500℃，侧模400℃，升液管700℃。 边界条件：所有界面与空气间的界面传热系数都为10W/(m 2?K)，熔融金属液与模具之间的界面传热系数为4000 W/(m 2?K)，各部分模具间和模具与升液管间界面传热系数都为5000 W/(m 2?K)。 四、模拟结果
图1 冷却时间 由于模拟中设置了水冷和空冷条件，所以铸件冷却速度较快。由图1可知凝固首先发生在铸件表面，铸件的轮辋区厚度较薄，冷却速度比轮辐处冷却快。内浇口先于轮辐凝固，在内浇口凝固后升液管内铝合金熔液无法对轮毂进行补缩， 则在轮毂中最后凝固处容易产生缩松缩孔。 图2 冷却率 由冷却率分布情况可知凝固过程中各部分冷却速率不同，可以判断出凝固时 内应力较大的区域，在应力较大区域铸件容易产生裂纹缺陷。 由模拟结果中铸件的温度场情况，合理设置工艺参数减少缩松缩孔及裂纹的 产生，合理布置冷却水管的分布位置。
《材料成型基础》复习题 成型—利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序 一、金属液态成型 1. 何谓铸造**？铸造有哪些特点？试从铸造的特点分析说明铸造是生产毛坯的主要方法？ 答：熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。 2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。 3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。 缺点1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2）铸件质量不够稳定。 2. 何谓合金的铸造性能**?它可以用哪些性能指标来衡量**？铸造性能不好，会引起哪些缺陷？ 铸造性能——合金易于液态成型而获得优质铸件的能力。 合金的铸造性能包括金属的流动性、凝固温度范围和凝固特性、收缩性、吸气性等。 3. 什么是合金的流动性**？影响合金流动性的因素有哪些？（P2） 流动性流动性是指熔融金属的流动能力；合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量 流动性的影响因素1）合金的种类及化学成分{1、越接近共晶成分，流动性就越好。2、选用结晶温度范围窄的合金，以便获得足够的流动性。}2）铸型的特点3）浇注条件 4. 从Fe－Fe3C相图分析，什么样的合金成分具有较好的流动性**？为什么？ 越接近共晶合金流动性越好。 凝固温度范围越窄，则枝状晶越不发达，对金属流动的阻力越小，金属的流动性就越强 5. 试比较灰铸铁、碳钢和铝合金的铸造性能特点。 6. 铸件的凝固方式依照什么来划分？哪些合金倾向于逐层凝固？ 1. 合金的凝固方式（1）逐层凝固方式（图1-5a）合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。 2）糊状凝固方式（图1-5c）合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。 （3）中间凝固方式（图1-5b）大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。 7. 缩孔和缩松是怎样形成的？可采用什么措施防止？ 形成缩孔和缩松的主要原因都是液态收缩和凝固收缩所致；防止措施：a）采用定向凝固的原则b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺c）合理应用冒口、冷铁和补贴 8. 合金收缩由哪三个阶段组成**？各会产生哪些缺陷？影响因素有哪些？如何防止？ 1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 2. 凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 3. 固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。 二）影响收缩的因素1. 化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小。 2. 浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 3. 铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。 缩孔、缩松的防止措施 9. 何谓同时凝固原则和定向（顺序）凝固原则**？对图1所示阶梯型铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。