2.凝固温度场的测定

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1、凝固温度场的测定一、意义和目的铸件温度场是指浇注后，某一时刻铸件内部的温度分布规律。在温度场中，向着铸件中心的方向上单位长度的温度变化率称为温度梯度。本实验主要是测定凝固时期各个时刻的铸件温度场。铸件凝固时期的温度场越陡，即温度梯度越大，则铸件冷却得越快，它的凝固速度就越大。某一时刻铸件温度场中温度相同点所组成的面称为等温面。对于在一个温度范围（结晶间隔）内凝固的合金而言，铸件断面中由达到液相线温度的点所组成的面，称为液相线等温面，或称为液相边界。同样，由达到固相线温度的点组成的面，称为固相线等温面

2、，或称为固相边界。凝固过程中，铸件断面上液相边界和固相边界之间的区域谓之凝固区域，也就是铸件凝固过程中凝固并存区域。阐明凝固时期各个时刻的凝固区域大小和它从铸件表面向铸件中心移动规律的曲线，称为凝固动态曲线。测定凝固动态曲线能够比较全面地描绘铸件凝固过程和研究这种过程。凝固区域的大小即宽度决定了铸件的凝固方式，即逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。凝固区域于狭窄，铸件越是倾向于逐层凝固方式。这种凝固方式的铸件容易形成集中缩孔，便于采取措施（例如用冒口）去除铸件中的集中缩孔；铸件的热裂倾向性小和

3、金属液充型能力较好。凝固区域越宽，铸件越是倾向于糊状凝固方式。这种凝固方式的铸件容易形成分散性的缩孔即缩松，即使采用冒口亦难以消除这种缩松；铸件的热裂倾向性大和金属液充型能力差。金属和铸型两方面的各种因素决定了凝固区域的宽窄，也就是决定了铸件的凝固方式。例如合金的结晶间隔（液相线到固相线之间的温度间隔）越大，铸件的凝固区域就越宽，糊状凝固方式的倾向性就越大。反之，结晶间隔越小，则铸件的凝固区域越窄，逐层凝固方式的倾向越大。当合金的化学成分一定时，也就是结晶间隔大小一定时，铸型冷却能力越大，铸件温度场

4、就越陡，温度梯度就越大，凝固区域就越窄，强化了逐渐逐层凝固的倾向，可以削弱铸件糊状凝固的倾向。将液态金属在同一浇注温度下同时注入几个同样的铸型，经过不同的时间间隔，分别使铸型中尚未凝固的残余液体流失，获得固态金属硬壳，这种研究凝固的方法称为倾出法。此法所得到的硬壳内表面叫倾出边界，所得到的硬壳厚度即为该时间间隔内，倾出边界向铸件中心推进的距离。在凝固动态曲线图上再标上不同时间间隔内所得到的硬壳厚度的点，并且连结成线，则就可以得到倾出边界动态曲线。在凝固动态曲线上，如果倾出边界靠近液相边界而远离固相边

5、界，则说明该合金凝固时初生晶粒容易搭成牢固的晶粒骨架。晶粒骨架中可能存在较多的、被骨架分隔成许多孤立的小熔池，倾出时骨架中有较多的残余金属液。这意味着这种合金使铸件在凝固时期可能较早地产生固态收缩，具有这种特征的合金就容易产生晶间缩松和热裂。可以用合金的结晶间隔△tc与铸件温度场的温度降dt（近似地表示温度梯度）的比值来判断铸件的凝固方式。当时，铸件倾向于逐层凝固；时，铸件倾向于糊状凝固。本实验的目的是：1．掌握测定铸件温度场、凝固动态曲线和倾出边界动态曲线的方法。2．为学习“铸件的凝固”章节打下基

6、础。二、测定原理测定铸件温度场的原理是把具有温度——时间坐标的多根冷却曲线图转换成坐标为温度——距离的铸件温度场图。在该图上可绘制出凝固时期各个时刻的铸件温度场。测定凝固动态曲线的原理是把多根冷却曲线图转换成坐标为距离——时间的凝固动态曲线图。测定铸件断面上不同点的多根冷却曲线图是绘制这两种图的基本依据。1．测定多根冷却曲线的方法如图1所示，有一组热电偶的热端面在型腔中的不同位置上，离铸件表面的距离分别为x0、x1、x2、x3、x4和x5。铸件为圆柱形，半径为R。x5在铸件中心上，即x5=R。用多点

7、自动记录电子电位差计装置，浇注金属液后即可绘制出自浇注后至任意时刻的铸件断面上各测温点的冷却曲线。图1测定铸件断面上各点的冷却曲线1——热电偶2——砂型3——金属型2．绘制铸件温度场图和凝固动态曲线图如图2所示，图中（A）表示合金状态图的一角，浇注金属液后的成份为mm，其结晶间隔△tc=tL-ts。图中（B）为图2-1中各测温点的冷却曲线，其纵坐标为温度，横坐标为时间。图中（C）为根据（B）绘制的铸件温度场图。绘制方法是以温度为纵坐标，距离为横坐标。横坐标上标出各测温点离铸件表面的距离x0到x5。圆

8、柱形铸件直径为2R（R为半径）x5=R，故x5在铸件中心线上。绘制从浇注完毕到x5处凝固结束，τ0、τ1、τ2、τ3、τ4、τ5和τ6各时刻的温度场。在图（B）上找到τ0到τ6各时刻的各测温点x0到x5的温度，再将此温度按图（C）横坐标上标距一一相应标出，再连成线，即可得图（C）。例如，在τ2时刻，由图（B）可知x0处温度已远低于固相线温度ts，x1处温度为ts，x2处温度略低于液相线温度tL，而x3、x4和x5处温度皆等于tL。在图（C）上对应于横坐标分别标出各测温