Page 103 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第三章 铸造凝固过程模拟与缺陷控制

中，液态金属的充型流动会对铸件的初始温度分布和凝固顺序产生重要影响。
通过构建包含传热、传质和动量传输方程的多物理场耦合模型，并结合恰当
的数值求解方式，像有限元法、有限体积法等，对该模型进行求解，能够获取铸

件在凝固过程中温度场、浓度场和速度场的分布及变化状况。通过分析这些场变
量的分布特点，可以预测缩孔可能出现的位置和程度。当发现铸件某些部位存在
补缩不充分的情况，也就是液态金属的收缩无法得到有效补充时，就可以判定该
部位可能会形成缩孔。

2. 机械应力分析法
机械应力分析法是依据铸件凝固过程中机械应力分布状况来预测缩孔的一种
方法。在铸件凝固过程中，由于各部分的冷却速率不同，会导致收缩不一致，进
而产生机械应力。当这种机械应力超出材料的屈服强度时，铸件就会发生塑性变

形；若应力持续增大，超过材料的抗拉强度，就会产生裂纹，进而可能形成缩孔。
在铸件的厚壁部位和薄壁部位，由于冷却速度有别，厚壁部位冷却较慢，收缩滞
后，而薄壁部位冷却较快，先完成收缩。这种收缩的不同步会在两者交接处产生
较大的机械应力。当应力达到一定程度时，就会在该部位引发裂纹，随着裂纹的

扩展，液态金属无法填充这些裂纹区域，最终形成缩孔。通过建立铸件凝固过程
的力学模型，考虑材料的热物理性能、收缩特性以及铸件与铸型之间的相互作用
等因素，运用有限元分析等数值方法求解该模型，可以得到铸件在凝固过程中的
机械应力分布情况。通过对机械应力分布的分析，找出应力集中区域和可能产生

裂纹的位置，进而预测缩孔的形成。如果在模拟结果中发现某些区域的应力值超
过了材料的极限强度，就可以判断这些区域存在较高的缩孔形成风险，为采取相
应的预防措施提供依据，如优化铸件结构设计、调整冷却方式等，以降低机械应
力，减少缩孔缺陷的产生。

六、偏析数值预测方法

（一）数学模型法
数学模型法是依据合金凝固过程中的溶质扩散理论、热动态平衡原理以及相

关物理化学定律来构建数学模型，进而预测偏析现象。在合金凝固期间，溶质原
子于固相和液相中的溶解度有差异，这会引发溶质再分配。数学模型借助描述溶
质原子在固液界面的扩散、液相中的对流扩散以及固相中的反扩散等过程，对溶

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