铸造缺陷预测
理论：不同缺陷看不同的量
概述
铸造仿真显示“这里有缺陷”，到底是根据什么计算出来的？
显示的不是缺陷本身，而是把容易产生缺陷的条件做成了指标。铸造缺陷大致分为浇注时产生的（浇不足、卷入氧化膜和空气）、凝固时产生的（缩孔、缩松、热裂）以及冷却后的变形。充型时计算金属液的速度和温度，凝固时计算“哪里最后凝固”以及“该处能否持续得到补缩”。在此基础上，把金属液表面速度、被固相包围的孤立液相区、Niyama判据这类温度梯度与冷却速度的组合等作为缺陷指标显示出来。指标按经验阈值判定，因此前提是与同种合金、同种铸造方法的试制结果比较并调整。
三个指标
v为下落高度h获得的金属液速度，Ny为Niyama判据（G为温度梯度，Ṫ为冷却速度），V_feed为补偿凝固收缩所需的金属液体积（β为凝固收缩率，m为铸件质量，ρ为密度）。
“轻轻浇注”的科学
“要平稳浇注”的经验由来已久，但用卷入氧化膜的机理来解释，并给出约0.5 m/s这一具体速度参考的，是英国John Campbell等人在1990年代的研究。铝合金表面形成的氧化膜极薄，但被折叠卷入后会以双层膜（bifilm）的形式残留在内部，成为气孔和裂纹的起点。这一观点大大改变了浇注系统设计，金属液表面速度也成为仿真中的重要指标。
算例
Ny单位为√(K·s)/mm。阈值1仅为示例，不是通用合格标准。0.5 m/s也是特定铝合金铸造条件下的参考，不能凭速度保证不卷入氧化膜。补缩量只是所假设参考体积与体积收缩率的乘积。
例1：下落高度与金属液速度
| 下落高度 | 流速 | 与铝合金参考值0.5 m/s之比 |
|---|---|---|
| 12.7 mm | 0.50 m/s | 1.0 |
| 50 mm | 0.99 m/s | 2.0 |
| 100 mm | 1.40 m/s | 2.8 |
| 300 mm | 2.43 m/s | 4.9 |
仅13 mm的落差就达到参考速度。从浇口向铸型底部下落几十到几百毫米的设计，几乎必然使液面紊乱并卷入氧化膜。
例2：三个位置的Niyama判据
| 位置 | 温度梯度G | 冷却速度 | Ny | 判断（参考值1） |
|---|---|---|---|---|
| A 薄壁 | 3.0 K/mm | 4.0 K/s | 1.50 | 致密 |
| B 截面中心 | 0.6 K/mm | 0.5 K/s | 0.85 | 需注意 |
| C 热节 | 0.2 K/mm | 0.3 K/s | 0.37 | 缩松风险 |
G和冷却速度为说明用的数值。厚大部位中心和热节处温度梯度小，补缩通道过早闭合，因此Ny较小。
例3：补偿凝固收缩所需的金属液
| 铸件 | 体积 | 凝固收缩率 | 所需补缩量 |
|---|---|---|---|
| 铝合金 1 kg | 370 cm³ | 6% | 22 cm³ |
| 钢 10 kg | 1,282 cm³ | 3% | 38 cm³ |
收缩率为代表值。只要这么多金属液能按凝固顺序从冒口一直补缩到最后，就不会产生缩孔。冒口本身必须远大于这个量，并且比铸件晚凝固。
仿真中Niyama判据全部在1以上，试制却出现了缩松。应该怀疑什么？
应怀疑阈值和热条件两方面。Niyama判据的阈值原本来自钢的实验，对凝固范围宽的铝合金等，有时使用远小于1的值，而且数值还随单位制（K/mm还是K/cm）而变。也就是说，“1以上就安全”对某些合金和定义并不成立。另一方面是热条件：铸型与铸件之间的换热系数取常数时，没有计入收缩产生间隙使散热变慢的效应，容易高估温度梯度。此外，金属液中氢含量高时，即使收缩小也会形成气孔，这在Niyama判据中看不出来。把试制剖面上缩松的位置与Ny分布叠加，重新确定该合金的阈值，是最快的办法。
实务流程
- 准备包括浇道和冒口的几何，以及合金和铸型的温度相关物性。
- 用充型分析确认金属液表面速度、浇不足和卷入风险。
- 用凝固分析确认孤立液相、Niyama判据和最后凝固位置。
- 修改浇道、冒口和冷铁，反复直到指标改善。
- 与试制件的X射线检查和剖面比较，校准阈值和传热参数。
“位置对了，大小不对”
仿真预测的缩孔位置与试制吻合，大小却相差两倍以上，这种情况很常见。位置主要由形状和凝固顺序决定，比较容易算准；大小则受收缩量、补缩路径、铸型膨胀、气体含量等众多因素影响。实际做法是用“出在哪里”来做设计判断，“出多少”则作为经试制校正后的趋势来看待。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 沿用其他合金的阈值 | 漏判或误判 | 用试制校准 |
| 界面换热取常数 | 高估温度梯度 | 考虑间隙形成 |
| 省略充型只算凝固 | 初始温度分布错误 | 从充型开始分析 |
| 允许金属液下落的浇道 | 卷入氧化膜 | 从底部平稳充填 |
| 忽略溶解气体 | 漏判气孔 | 控制金属液含氢量 |
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常见问题
铸造仿真能预测哪些缺陷？
典型的有浇不足（充满前就凝固）、卷入氧化膜和空气、缩孔和缩松（凝固收缩补缩不足）、气孔、热裂以及残余应力引起的变形。充型分析求金属液流动和温度，凝固分析求凝固顺序和温度梯度，再用各类缺陷的判据指出危险部位。
金属液流速为什么重要？
金属液表面运动太快，表面氧化膜会被折叠卷入内部，成为裂纹的起点。铝合金一般以流速不超过约0.5 m/s来设计浇道。自由下落只需12.7 mm高度就达到0.5 m/s，下落100 mm就达1.4 m/s，因此应避免从浇口向下冲的设计，改为从底部平稳充填。
Niyama判据是什么？
凝固末期的温度梯度G除以冷却速度平方根的值。数值越小，金属液越难补缩到该处，越容易产生缩松（微小缩孔）。钢常以约1（K·s）^0.5/mm为参考，算例中热节处只有0.37，需要改善补缩。阈值随合金和单位定义而变，应通过与试制比较来确定。
参考资料与检验范围
所列数值是基于文中假设的教学参考计算。资料用于理论和设置参考，不证明已在各软件中复现这些数值。工程决策须按实际条件验证。