用冷却曲线来诠释铸铁的凝固

实验一铸件凝固动态曲线测定1.实验目的合金液相线到固相线之间的温度间隔谓之结晶间隔，凝固过程中逐渐液相线等温面和固相线等温面之间的区域谓之凝固区域，反映凝固区域由表及里推移的最直观方法是凝固动态曲线，凝固区域是液固并存区。

它的宽、窄、结构，向铸件中推进的速度以及最终推进到铸件中心的时间，对铸件的质量，如缩孔、缩松热裂，偏析等的形成都有影响。

因此它是研究铸件凝固问题重要领域之一。

本实验的目的在于学会测定铸件凝固动态曲线，对凝固区域结构建立起直观认识，验证铸件凝固的平方根定律。

2.实验原理如下图所示，由一维铸件表面至中心安放六根热电偶测得相应的六条冷却曲线，如图（a）所示，再以时间为横坐标轴，以铸件表面至中心的六根热电偶的安装位置，即以铸件表面至中心之距离为纵坐标轴，如图（a）每根冷却曲线与液相线和固相线的交点分别向下引出垂线，与各热电偶的位置线相交，得到的相应交点，把交点连接起来就构成了凝固动态曲线，所得之图即为凝固动态图如图（c）所示。

图（c）左边曲线同液相线相对应（如有过冷，则与一个略低的等温线相对应）。

它表示不同时间铸件断面中凝固开始的部位，故谓之“凝固始液”。

它实质上表示了铸件断面中液相线等温面从铸件表面向中心推进，在不同时间所处之部位，该曲线之斜率就表示液相线等温面向中心推进至速度。

图（c）右边曲线同固相线相对应，它表示不同时间铸件断面中凝固结束的部位，故谓之“凝固终夜”。

它实质上表示了铸件断面中固相线等温面在不同时间时所处之部位，它的斜率就表示了固相线等温面向铸件中心推进的速度。

在凝固动态图（c）上可以看出具有结晶间隔的合金在每个时间，从铸件表面至中心参在固相区（铸件表面至凝固终液），凝固区（凝固终波至凝固始波之垂直距离）和液相区三个区域。

在图上可以看出铸件凝固过程即是凝固区域不断推向铸件中心液相区随之不断缩小以至于消失之过程。

凝固终波到达铸件中心就表示铸件凝固过程已经结束。

所以动态曲线测定原理实际上就是把具有温度-时间坐标的多根冷却曲线转变成具有距离-时间坐标的凝固动态曲线图。

科目钢液凝固原理基本课题第一讲金属结晶的条件授课日期07年9月7日，9月8日课时 4授课方式讲解法授课班级连铸技师班选用教具无教学目的掌握金属结晶的热力学条件，动力学条件，金属的结晶过程，晶核的形成方式及条件，晶体的长大方式，晶粒大小对金属性能的影响，结晶过程中晶粒的控制教学重点金属结晶的动力学条件，结晶过程中晶粒的控制教学难点晶核的形成方式及长大方式授课内容金属结晶的条件新课引入钢液的凝固是一个复杂的物理化学变化过程，伴随有形态、体积、组织结构、性能、成分的变化。

一、液态金属的冷却曲线（三种不同冷却曲线）结晶过程中的热：结晶潜热（相变热）和逸散热（向周围环境的散热）1、结晶潜热=散热冷却速度很慢的平衡冷却结晶在恒温下进行冷却曲线出现水平台阶2、晶潜热＞散热冷却速度较快结晶过程中出现温度回升3、晶潜热＜散热冷却速度很快结晶过程温度在不断下降（小体积或局部区域）附：说明相变热和结晶潜热、理论结晶温度T m和实际结晶温度T n 过冷度△T的概念二、结晶的热力学条件热力学第二定律：在等温等压过程中，体系的自发过程沿着自由能减少的方向进行自由能G=H-TS （H—热焓S—熵T—绝对温度）即△G＜0对于固体其G固= H固-TS固与温度的关系见下图对于液体其G液= H液-TS液与温度的关系见下图G L，Gs随T↑而↓但G L↓>Gs. ↓相交点对应的温度为Tm。

讨论：1) T=Tm时，G L=Gs △G=0 动态平衡，不熔化也不结晶；相交点对应的温度为Tm。

2) T<Tm时，G L<Gs △G＜0 L→S 结晶3) T>Tm时，G L>Gs △G＞0 S→L 熔化可见，结晶的热力学条件是：G L<Gs 或ΔG = Gs—G L<0结晶满足了热力学条件只是说明结晶具备了可能性，但能不能实现还依赖于动力学条件三、结晶的动力学条件1、金属的结晶过程结晶的一般过程是由形核和长大两个过程交错从叠组合而成的过程。

第五章：冷却曲线和体积变化曲线查看选择的铸件合金的冷却曲线和体积变化（膨胀或收缩）的曲线，点击Model(方案)…Materials List（材料列表）然后点击Curves（冷却曲线）选项，显示如下：白色线代表冷却曲线（凝固百分比VS温度）左边的坐标代表温度；黑色线代表体积变化率（in%）以右坐标表示。

正值代表膨胀，负值代表收缩。

左边的深蓝区域代表液相区，中间浅蓝区域代表液相到固相转变区域，右边深蓝区域则代表固相区。

C点的垂直线代表临界固相点。

N点的垂直线代表Niyama点（模拟过程中计算温度梯度和冷却率的函数）。

L和S线分别是液相线和固相线。

如要将设置的曲线依照系统参数设置，点击 Reset按钮。

冷却曲线和临界固相率冷却曲线描述了铸件内某点的温度随着时间的如何改变。

液态铸造合金在某初始时间，某初始温度（一般为浇注温度）开始，这是曲线的起点。

随着铸件将热量（过热）散失到外模中，开始冷却，一直保持液态直到开始凝固。

凝固开始的点称作液相点。

曲线如下图所示：液态金属到达液相点，开始凝固，首先铸件的一小部分凝固，然后随着铸件热量的散失，越来越多部分开始凝固。

在液态向固态转换过程中，由于熔化潜热的原因，冷却速率逐渐降低。

随着金属的凝固，金属基体的晶格形成会使金属释放热量，释放的热量降低金属的冷却速度，这种速度不会像全液态或者全固态冷却速度那么快。

液固转变的曲线如下：液相点时间温度合金完全凝固，也就是达到了固相点。

到达此点后，金属冷却加快，因为不能释放更多的潜热，因此固相冷却曲线的梯度更高一点，如下：液相点固相点在SOLIDCast中，液固相点都做了垂直线。

一个以L线表示，一个以S线表示，如下图所示随着铸件的凝固，铸件从全液态向全固态转变。

依靠液态金属的流动来补充任何可能发生的收缩，避免铸件内产生缩孔缩松缺陷。

随着金属越来越呈现固态，有一点液态金属不再流动，我们称作此点位临界凝固点。

通常以完全凝固的百分比表示。

共晶白口铸铁冷却曲线
共晶白口铸铁的冷却曲线主要分为两个阶段：
1. 凝固阶段：凝固阶段是该材料从液态到固态的过程。

在这个阶段，材料温度逐渐降低，直到达到凝固温度。

在凝固过程中，材料的体积会发生变化。

2. 冷却阶段：冷却阶段是固态材料温度进一步降低的过程。

在这个阶段中，材料的体积不再变化，并且可以通过测量材料温度随时间的变化来绘制冷却曲线。

冷却曲线通常具有一个陡峭的下降段，表明材料快速冷却，然后逐渐趋于平缓，表明冷却速率逐渐减慢。

共晶白口铸铁的冷却曲线可以给出材料的固化过程以及冷却速率的信息。

这些信息对于决定铸件性能、做铸件缺陷分析和制定最佳冷却方法都很重要。

铸件凝固过程降温曲线的测定与应用
铸件凝固过程降温曲线的测定与应用
作者：岳文甲;杨光明;苏超;刘双;陈著强
作者机构：保定长城精工铸造有限公司,河北保定072250;上海大众汽车模具有限公司,上海200000;保定长城精工铸造有限公司,河北保定072250;保定长城精工铸造有限公司,河北保定072250;保定长城精工铸造有限公司,河北保定072250
来源：铸造
ISSN：1001-4977
年：2013
卷：062
期：007
页码：691-693
页数：3
中图分类：TG244
正文语种：chi
关键词：测温;降温曲线;打箱时间
摘要：为准确计算打箱时间,避免铸件产生缺陷和提高生产效率,采用热电偶对铸件从浇注到最后凝固的温度进行测量,绘制了铸件降温曲线,得到了不同重量灰铁铸件的砂箱移动时间及打箱时间.根据该曲线进一步对生产工艺进行调整,从而使铸件质量得到保证.。