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金属凝固过程中的收缩现象

发布时间：2018-07-13 中国阀门信息网阅读数：2320　　　　

液态金属浇入铸型后，由于铸型的吸热，金属温度下降，空穴数量减少，原子间距离缩短，液态金属的体积减小。温度继续下降时，液态金属凝固，发生由液态到固态的状态变化，原子间距离进一步缩短；金属凝固完毕后，在固态下继续冷却时，原子间距离还要缩短。铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中，所发生的体积减小现象称为收缩。因此，收缩是铸造合金本身的物理性质。

收缩是铸件中许多缺陷如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基本原因。因此，它是获得符合要求的几何形状和尺寸，以及致密优质铸件的重要铸造性能之一。

任何物体的体积皆与其温度和施于其上的压力有关。在一般铸造条件下，压力的变化可以忽略不计，铸件尺寸的变化，仅取决于温度的变化(如不考虑物态的和同素异形的变化)。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩(volume contraction)。金属在固态时的线尺寸改变量，称为线收缩(linear contraction)。此相对收缩量称为收缩率。

在实际中，通常以相对收缩量表示金属的收缩特性，此相对收缩量称为收缩率。

当温度由t0→t1时，金属的体收缩率和线收缩率为：

金属凝固过程中的收缩现象

式中：V0，V1——金属在t0和t1时的体积；

l0，l1——金属在t0和t1时的长度；

αv，αl----金属在(t0—t1)温度范围内的体收缩系数和线收缩系数。

ε是某一温度区间的相对收缩量，为α与温度差的乘积。因此，ε既与金属的性质有关，又与温度区间的大小有关。

任何一种液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷却到常温都要经历三个互相联系的收缩阶段(图8—1)：1)液态收缩阶段(Ⅰ)， 2)凝固收缩阶段(Ⅱ)， 3)固态收缩阶段(Ⅲ)。

金属凝固过程中的收缩现象

铸造合金在不同阶段的收缩特性是不同的，而且对铸件质量也有不同的影响。

一、液态收缩（liquid contraction）

充满铸型瞬间，液态金属所具有的温度t浇冷却至开始凝固的液相线温度tL的体收缩为液态收缩。由于在此阶段中，金属处于液态，因此体积的缩小仅表现为型腔内液面的降低。液态收缩率用下式表示：

式中： εV液——液体收缩率；

αV液——金属的液态收缩系数；

t浇——液态金属的浇注温度；

tL——液相线温度。

从式中可以看出，提高浇注温度t浇，或因合金成分改变而降低tL,都使εV液增加。

影响液态收缩系数αV液的因素很多，如合金成分、温度、气体和夹杂物含量等。

二、凝固收缩(solidification contraction)

对于纯金属和共晶合金，凝固期间的体收缩只是由于状态的改变，而与温度无关，故具有一个定值(见表8—1)。具有一定结晶温度范围的合金由液态转变为固态时，收缩率既与状态改变时的体积变化有关，又与结晶温度范围有关。

表８—１液态金属物性参数

液态金属注入铸型后，首先在表面形成硬壳，其中尚处于液态的金属在此外壳中冷却时，由于液态收缩合凝固收缩使体积缩小。如果所减小的体积得不到外来金属液的补充，则在铸件中形成集中于某处的或分散的孔洞——缩孔或缩松。因此，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。εV液＋εV凝愈大，缩孔的容积就愈大。

有一些合金，在凝固过程中体积不但不收缩，反而膨胀，如某些Ga合金，Bi-Sb合金，故凝固收缩率为负值。

三、固态收缩(solid contraction)

金属的固态体收缩率用下式表示：

式中: εV固——金属的固态体收缩率；

αV固——金属的固态体收缩系数；

tS——固相线温度；

t0——室温。

在固态收缩阶段，铸件各个方向上都表现出线尺寸的缩小。因此，这个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响最大。为方便起见，常用线收缩率表示固态收缩，即：

式中: εl——金属的线收缩率；

αl——金属的固态线收缩系数。

金属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的根本原因。

四、线收缩的开始温度

对于纯金属和共晶合金，线收缩是在金属完全凝固以后开始的。对于具有一定结晶温度范围的合金，当液态金属的温度稍低于液相线温度时，便开始结晶，但是，由于枝晶还比较少，不能形成连续的骨架，仍为液态收缩性质。当温度继续下降，如降至图8-2虚线所示温度时，枝晶数量增多，彼此相连构成连续的骨架，合金则开始表现为固态的性质，即开始线收缩。实验证明，此时合金中尚有20—45％的残留液体。

图8-2中的虚线为该合金的线收缩开始温度的连线，称为线收缩开始温度线。所以，对于有结晶温度范围的合金，其线收缩不是从完全凝固以后才开始，而是在结晶温度范围中的某一温度开始，这对于铸件中热裂的形成机理是个很重要的概念。

金属凝固过程中的收缩现象

五、线收缩与状态图的关系

一般合金的线收缩和状态图之间有一定的规律，可归纳为以下三种基本类型。

1、共晶型合金(图8-3a)，随着B成分的增加和线收缩开始温度降低，εl沿曲线2急剧下降。在m-n之间的合金线收缩开始温度相同，ε l变化仅与B的含量有关，ε l比较平缓地沿曲线3变化。

2、固溶体合金(图8-3b)，ε l向熔点较低的成分B方向上，沿曲线1平滑地下降。

3、有限固溶体合金(图8-3c)，关于这类合金的ε l的变化规律，可根据前两类合金进行分析。

合金的线收缩还与固态时的相变、气体含量及其析出程度有关。

金属凝固过程中的收缩现象

元素	金属结构	液体配位数	熔点 t熔/℃	熔化热 Q熔/(J.mol-1)	沸点 t沸/℃	气化热 Q汽/(J.mol-1)	蒸气压		密度		熔化体积变化*100
元素	金属结构	液体配位数	熔点 t熔/℃	熔化热 Q熔/(J.mol-1)	沸点 t沸/℃	气化热 Q汽/(J.mol-1)	1mmHg/℃	100mmHg/℃	℃	ρ/(kg.m-3*10-1)	熔化体积变化*100
Li	体心立方	9.8	119	4605	1317	135987	745	1084	400	0.490	1.5
Na	体心立方	9.5	97.8	2637	883	96798	440	696	400	0.854	2.5
K	体心立方	8.0	63.7	2554	760	79046	342	581	400	0.747	2.41
Rb	体心立方	-	39.0	2198	688	75822	294	519	39	1.475	2.5
Cs	体心立方	-	28.5	2093	705	68328	278	515	28	1.84	2.6
Cu	面心立方	-	1083.0	13021	2595	305636	1390	-	1080	7.93	4.2
Ag	面心立方	-	960.5	11304	2212	259581	1367	1865	960.5	9.3	4.99
Au	面心立方	11	1063	12686	2966	342522	1869	2521	1100	17.24	5.19
Al	面心立方	10.6	660.2	10676	2450	284534	1537	2081	900	2.315	6.6
Pb	面心立方	9.4	327.4	5107	1737	177520	987	1417	400	10.51	3.6
Mg	六方密排	-	651	9043	1103	131758	621	909	700	1.536	4.2
Zn	六方密排	10.8	419.5	6698	906	116727	487	736	419.5	6.92	6.9
Cd	六方密排	8.3	321	6112	765		394	611	330	8.01	4.74
Ga	斜方	11	29.92	5610	1983	251208	1315	1726	301	5.905	3.1
In	面心正方	8.5	156.4	3265	2087	225249	1249	1756	164	7.026	2.5
Ti		8.0	303	4312	1457	162489	825	1196	306.5	11.29	3.2
Sn		9.1	231.9	7201	2270	293076	1492	1968	409	6.834	2.6
As	三方	-	814	-	612	-	370	518	-	-	-
Sb	三方	6.1	630.5	39942	1440	167472	886	1223	700	6.45	-0.94
Bi	三方	8.0	271.0	10508	1477	178357	917	1257	300	10.03	-3.32
Se	六方	-	220.0	6280	885	95459	344	546	-	-	15.8
Te	六方	-	450.0	17508	994	107600	520	792	-	-	2.0
Hg	三方	8.3	38.87	1507	357	58531	126.2	261.7	200	13.115	3.6
Fe	体心立方	-	1535	16161	3070	354287	1900	2595	-	-	0.4-4.4
H2O		-	0	5987	100	40611	-	-