凝固
關注創建者：配角 創建時間：2016-11-10
凝固的視頻教程
基于凝固-融化模型的水凝固和冰融化模擬
1.掌握凝固-融化模型仿真基本通用流程，冷凝-融化模型介紹與注意事項； 2.掌握meshing網格劃分過程； 3.掌握CFD-POST后處理過程，體渲染與ios平面； 4.提供源文件與答疑過程；
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凝固的實例教程
不同材質鑄件在工藝制定時，選擇凝固方式對鑄件質量與成品率有關鍵影響。選擇了不恰當的凝固方式是鑄件缺陷惡夢的開始。比如，該用同時凝固工藝的鑄件，你用了定向凝固或均衡凝固方式，那鑄件的廢品率就會大增，做出來的鑄件質量也比較差。
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充分認識各種凝固方式的優缺點，是每位鑄造人必修的功課！
一、定向凝固。
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這是一項一直發展的技術，眾多鑄造技術人員用自己的智慧一直在完善它。
定向凝固是在凝固過程中采用強制手段，在凝固金屬還未凝固的熔體中建立起沿特定方向的溫度梯度。具體方法就是在工藝上采取 各項措施，使鑄件上從遠離冒口或澆注系統的部分到冒口或澆注系統炎間，建立一個逐步遞增的溫度梯度，這樣就可以保證鑄件結構上各部分，按照遠離冒口的、薄的部分先凝固，然后按順序向著冒口或澆注系統的方向凝固，以實現鑄件厚實部分補縮薄細部分，而冒口又最后補縮厚實部分，從而將縮孔移入冒口中，最終獲得致密而合格的鑄件。
定向凝固的優點是：冒口補縮作用好，可以防止產生縮孔和縮松，獲得致密而合格的鑄件。因此，定向凝固對凝固收縮大，結晶范圍較小合金，常 采用這個原則保證鑄件質量。
定向凝固的缺點：因鑄件各部分有較大的溫差，使得鑄件在凝固期間在過渡部位易產生熱裂，凝固后易產生應力和變形。定向凝固原則需要加冒口和補貼，工藝成品率較低，切冒口耗費大量工時，使成本提高。
當前為了克服定向凝固這些缺點，已研究出許多新措施來克服，大家想更多了解定向凝固的知識，可多閱讀相關資料。
二、同時凝固
同時凝固原則是從工藝上采取各種措施，使鑄件結構上各部分之間溫差盡量減小，以達到各部分幾乎同時凝固完畢。
同時凝固的優點：鑄件各部分溫差較小，不易產生熱裂。冷卻后殘留應力和變形也較小，而且不必設置冒口或冒口很小就可達到工藝要求。
展開 這篇短文，只涉及常用的灰鑄鐵和球墨鑄鐵的凝固，最關心的是石墨的析出，希望鑄鐵在凝固過程中不析出Fe3C，所以圖1中以實線表示穩定系。
圖1 簡略的Fe-C合金相圖（凝固部分）
均勻的液相中結晶析出固相（均質生核），晶核的形成需要很大的表面能。對純金屬而言，在金屬液中均質生核，一般都需要將其過冷到其熔點100℃以下。以這種生核方式結晶、凝固，在實驗室中也許能夠做到，在生產條件下，不可能實現這種結晶、凝固的機制。
實際上，各種鑄造合金的結晶、凝固過程，都起始于異質晶核。一般說來，如果晶核的晶格與凝固體晶格的適配性好，合金液在很小的過冷度下就可以開始結晶、凝固。
1、灰鑄鐵、球墨鑄鐵中硅的作用
單純的Fe-C合金，圖1中涉及的一些臨界點的溫度、碳含量見表1。
在平衡條件下，穩定系的共晶溫度TEG（1153℃），只比介穩定系的共晶溫度TEC（1147℃）高6℃。鑄鐵的凝固過程中，冷卻速率略高一點、過冷度略大一點，就會按介穩定系轉變。實際生產條件下，鑄鐵凝固時冷卻速率都比較高、過冷度較大，如果是單純的Fe-C合金，很容易出現白口。對于生產灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件而言，凝固過程中碳不能以Fe3C的形態析出，必須使其按穩定系轉變，因而，加入合金元素，擴大TEG和TEC之間的溫度差，是至關重要的。
Fe-C合金中加入硅，可以提高穩定系的共晶溫度，不過這種作用不太明顯，但是，硅卻可以使介穩定系的共晶溫度顯著降低，從而擴大TEG和TEC之間的溫度差。硅的這種作用參見圖2。
圖2 Fe-C合金中硅含量對共晶溫度的影響
因此，在灰鑄鐵和球墨鑄鐵中，硅都是不可或缺的重要合金元素，能促使碳以石墨的形態析出，有效地抑制Fe3C的形成。
展開 為了解決鑄件中最后凝固位置的縮孔缺陷，冒口是最佳的選用方式，冒口的補縮是通過鑄件凝固時向內部提供熔融金屬來防止缺陷產生。為了使冒口有效補縮，放置的位置及大小就非常重要，這樣才能有足夠的熔體來補償收縮。在FLOW-3D CAST中，已經開發出兩個新工具來幫助設計無缺陷鑄件的冷卻和冒口系統，預測最后的凝固位置和計算熱模數。
最后凝固的區域
最后凝固的區域直接標記出鑄件中最后凝固的位置以及可能形成收縮缺陷的位置。盡管這些位置可以從凝固順序的演變或凝固時間中得到，但始終首選使用更直接的方式來可視化它們。
一種特殊類型的固定顆粒用于識別和可視化最后凍結的位置，稱為“熱節”。使用凝固模型時，將自動輸出此結果。如圖1所示，在相鄰的區域的熔體變為固態時中心位置還未凝固就會自動生成熱節粒子來標示。
圖1. 熱節粒子顯示
除了確定最后凝固的位置之外，這些粒子還具有其他屬性，可用于確定這些位置中的縮孔缺陷的發生可能性和大小及凝固時間，熱節ID和熱節大小。凝固時間顯示完全凝固的時間點。熱節ID顯示了熱節凝固的順序：ID 1是第一個熱節，ID 2是第二個熱節，依此類推。最后，熱節大小可通過以下公式計算：
其中：
hsm（i）是粒子i的熱節大小
t0是粒子位置處的凝固時間
νliq（t）是在時間t處包含粒子的液體區域的體積
圖2顯示所連接液體區域的體積如何隨凝固時間的變化。然后將計算的量標準化，使所有熱節幅度的值都在0和1之間的范圍內。這允許鑄件內不同熱節對孔隙形成的潛在影響進行簡單的比較分析。值越高，凝固過程中連接的液體區域越大，表示在最后凝固的位置出現縮孔缺陷的可能性越大。
圖2 包含熱節粒子的液體體積演變：t3> t2> t1。
展開 (a) (b)
圖 2 鑄件縮孔缺陷(a)、縮孔微觀組織(b)
傳統鑄造工藝，皆以設計補充流道(Feed channel)、進?？?Gate)、冒口(Riser)等來獲得方向性凝固使鑄件得到足夠金屬液補充如圖 3。改善鑄件質量常藉由鑄造方案設計，克服模壁逐漸向中心凝固的現象稱的漸進式凝固(Progressive solidification)狀況，使鑄件每一個部分于凝固過程中都能夠由補充澆道獲得金屬液補充，即所謂定向凝固（Direct Solidification)，主要是利用溫度梯度控制穩定且定向的熱傳方向，使液態金屬在凝固的時候是以單方向往熱傳的反方向進行，延長冷卻凝固時間，降低并改善較厚斷面內部缺陷。
圖 3 漸進式凝固及澆冒口補縮的示意圖
然而，凝固過程中固液界面受到溫度梯度、凝固速度及溶質濃度等影響，可分成四種型態如圖 4所示。固液界面的初始凝固行為導致微小預凝固點生成，若固液界面的液相區溫度高于熔點，此凝固點則再次熔合，呈現Planar的固液界面；當固液界面溫度略低于熔點，預凝固點將持續成長，稱為Cellular現象；當主要固液界面溫度梯度漸緩，會使Cellular成長至Dendrite狀態；甚至溫度梯度達一定臨界點時，液相區不受主要固液界面影響，Free Dendrite于液相區獨立生成。固液界面以Planar形態為佳，輔助方向性凝固減少縮孔的效果，據文獻指出溫度梯度大、凝固速度小、初始濃度小時，則有利于方向性凝固的效果。根據上述原理說明，若能夠利用不同殼模厚度設計，來建立殼模本身的溫度梯度變化，達到控制殼模熱傳，進而影響金屬液凝固速度與方向的傳遞控制，將有效建立出良好的方向性凝固趨勢，促使鑄件缺陷降低與良率改善。
展開 金屬的凝固組織是由成分控制并影響其性能。準確把握金屬凝固組織的形成機理、控制因素和控制途徑，有利于材料組織結構的精確控制和設計，提高材料的綜合性能，優化金屬的性能。
由于凝固組織不透明以及凝固過程中的高溫環境，傳統的表征技術如金相顯微鏡觀察無法動態、完整地觀察整個凝固過程。凝固過程中的一些關鍵信息很難全面捕捉。
高能X射線的出現和發展為研究合金凝固組織提供了一種新的表征方法。特別是同步輻射原位成像技術的應用，使得實時觀察金屬凝固過程的動態演變成為可能，也成為打開認識金屬結晶之門的鑰匙。
同步輻射高能輻射與可見光和X射線一樣，屬于電磁輻射，但不同的是，它是由電子在磁場中以接近光速的曲線運動在同步輻射中產生的。與傳統光源相比，同步輻射中的高能X射線具有能量強、亮度高、穿透性好等特點，能夠滿足金屬枝晶生長實時動態成像觀測的要求。目前，同步輻射原位成像技術已成為實時動態觀察金屬合金凝固組織生長行為的重要手段。
錫鉍合金凝固行為
低熔點錫鉍和錫鉛合金廣泛應用于機械、航空、汽車和其他工業領域。枝晶是凝固過程中最常見的形態特征。對于低熔點合金，由于凝固溫度相對較低，其微觀結構易于觀察。利用同步輻射原位成像技術對這些合金的結構進行了表征，可以獲得動態枝晶生長、斷裂和轉變等一系列微觀組織演化過程。這些信息對預測合金的力學性能具有重要的指導作用。
圖2 （a）錫鉍合金枝晶生長競爭（b）錫鉍合金柱狀晶等軸晶轉變（c）錫鉍合金枝晶臂斷裂現象。
基于歐洲同步輻射設施（ESRF），Mathiesen等人成功地獲得了錫鉍和錫鉛二元合金微觀組織生長的二維圖像。在合金凝固過程中，觀察到柱狀晶等軸晶轉變、枝晶臂斷裂、自由枝晶和新枝晶的一系列形態演變和動態生長行為。
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FLOW-3D CAST 提供詳細的鑄件填充及凝固和模具熱平衡信息，并追蹤工藝過程中各種缺陷，如縮孔、縮松、表面夾渣、卷氣、困氣、沖砂、冷隔、澆不足、機械性能、熱應力和變形等，也可以分析砂型及金屬型溫度分布和其他特殊功能。
壓鑄模塊集成常規壓鑄、半固態壓鑄、擠壓鑄造與應力變形分析，構建全面靈活的解決方案，助力全球制造業實現更高質量與更高效率的工藝升級。
問題：
最近遇到一個仿真項目：一個光滑薄板粘貼在基板上，要求評估膠粘凝固后平面的變形量。作為一位結構仿真工程師，關于膠粘凝固過程的仿真——膠水由液態變為固態，似乎和結構仿真沒什么關系，自己也不知道如何進行計算。
調整完成后，進行水泥灌漿填充底部空隙，待凝固后再做一次精調校驗。
埋設深度：地軌頂面應與比較終地面裝飾層齊平，或高出3-5毫米。
應用與選型建議
應用場景：廣泛應用于機械加工、裝配、焊接、檢測等車間，尤其適合需要經常調整工位的大型非標設備。
成本對比：相較于定制一整塊巨大的鑄鐵平臺，使用地軌拼接的方案通常成本更低，且靈活性更高，是追求高性價比的選擇。
經過15次熱平衡循環后，根據傳感器對比數據，在凝固階段有無冷卻的溫度相差50度以上，整體冷卻時間縮短1-2秒。
對比縮孔縮松結果看到，增加冷卻系統后，縮孔體積明顯降低，其他位置縮孔同樣有所改善。
裂紋是三大缺陷中危害嚴重的一種，分為熱裂和冷裂兩類，多由冷卻凝固收縮受阻產生的內應力導致，當內應力超過鑄鐵材料強度時，就會出現開裂現象。裂紋可分為表面裂紋和內部裂紋，表面裂紋肉眼可見，呈線性或網狀，內部裂紋則需通過專業檢測才能發現。裂紋一旦產生，會快速擴展，破壞平臺的結構完整性。
二次灌漿與凝固
灌漿：初次找平后，向地腳螺栓孔內灌注無收縮混凝土或專用灌漿料。
等待凝固：灌漿后需要靜置養護，通常等待約48小時（具體時間視氣溫和水泥標號而定），待混凝土完全達到強度。
5. 比較終精度精調
混凝土凝固后，緊固地腳螺栓的螺母。
在緊固過程中和緊固后，使用水平儀進行精調，確保工作臺面水平度達到標準。
采用樹脂砂造型結合階梯式澆注系統，搭配三維模擬軟件進行凝固分析，可將傳統工藝中3%的縮孔率降至0.8%以下，有效避免冷隔、夾渣、氣孔等鑄造缺陷。同時，平臺底部采用網格狀或箱體式加強筋設計，在保證剛性的同時，還能減輕15%的重量，實現“輕便與堅固”的雙重平衡。這種加強筋結構能讓平臺的抗彎強度提升30%以上，即便長期受力不均，也不會出現彎曲變形。
時效處理內應力。這是平臺“長期不變形”的核心關鍵。
平臺就位后穿入螺栓，灌注無收縮灌漿料，待凝固后緊固。適用于重載、長期固定的工業場景。
地錨器安裝法（精和密平臺，0級/00級）：預埋地錨器，通過頂部螺紋精和密調節水平。適用于超精和密測量、抗振要求高的環境。
三、安裝調試核心步驟
墊鐵布置
根據平臺尺寸確定墊鐵數量和位置。小型平臺可按“三角形”擺放3組，位于兩端及中間；大型平臺按等間距布置，每1.2-1.5m一組。
精調鎖定：待灌漿層凝固后，使用合像水平儀或激光干涉儀進行比較終精和密調平并鎖死。
精度要求：
水平度：任意1m內≤1mm，全長≤2mm。
平行度：多根并列時，彼此平行度偏差<2mm。
后期養護：
定期校驗：建議每6-12個月進行一次精度復檢。
防銹處理：長期不用時，清理干凈工作面并涂防銹油。
灌漿（可選） ：對于需要埋設的平臺，在調整好后進行水泥灌漿，待凝固后再校驗一次-2-6。
精度驗收參考標準
任意 1m 長度內，水平偏差不大于 1mm。
全長水平偏差不大于 2mm。
多根軌道拼接時，平行度偏差小于 2mm-2-8。
清潔與防銹
徹和底清洗工作面油污，擦干后立即涂抹一層薄薄的防銹油-1-2。
