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1、铸件成型-液态金属凝固过程,适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯,对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制,成本低，原材料来源广泛， 价格低廉,一般不需要昂贵的设备,是某些塑性很差的材料(如铸铁等)制造其毛坯或零件的唯一成型工艺,液态成型优 点,工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制,液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差,液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品 质量不够稳定,由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴 有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低,液态成型缺 点,液态成型技术缺点的主要表象,缺 陷,缩孔: 在凝固过程中，由于收缩后得不到合金
2、液的补充， 在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔.,缩松: 铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域 较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。,应力：固态相变收缩/膨胀引起,变形、冷裂：凝固过程中，冷却慢的部分对快的部分产生拉应力，本质上为内应力超过金属的强度极限,内应力,热应力,机械应力,铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。,铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。,热裂：收缩时，不同部位存在不同的收缩应力,液态成型缺点的主要原因是,收
3、 缩,从L-S过程中的体积变化,是缺陷形成，固相析出，溶质再分配的过程。,液-固金属的结构特点,第一章 液态金属的结构和性质,液态金属的结构,液态金属的性质,什么是液态金属,液态中原子分布随机。原子间的交互作用能决定了原子/团的排列无序。 固体中原子分布规律，长程有序。,1.1金属的加热膨胀和熔化,1.1.1 膨胀的原因： （1）原子振动加剧振幅增大 （2）“空穴”的产生,1.1.2 膨胀的结果,（1）原子振幅增大； （2）活化原子数增多； （3）缺陷增多,1.2.1定义 金属从规则的原子排列突变为紊乱的 非晶质的过程。 该过程中吸收的热量除了使体积膨胀做 功外，还增加了系统的内能。,1.2.
4、 熔化,1.2.2原子停留时间：,A系数； Q激活能 kBoltzmann常数 T温度,根据不同T和对应的Q， 可以判定相应的。 一般，室温金属原子的约为105s；熔点附近时 约为10-4s,1.2.3 原子平均能量与温度的关系,1.2.4温度变化-三种起伏,在熔化状态下，因温度升高，液 体中存在温度起伏，能量起伏，结 构起伏。,1.2.5熔化的位置-晶界,从晶界开始熔化-热脆性,热脆性： Fe-C合金中，S通常以FeS的形式存在与晶界中，其熔点为985，而在热加工中Fe-C合金的加工温度一般在1150-1200，因此，热加工会出现沿晶界断裂的现象。,二、液态金属的结构判定 2.1 间接法 -
5、通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。 （1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热,2.2 直接法 X射线或中子线分析研究液态金属的原子排列。 液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内，与 其固态的排列方式基本一致，即近程有序。但由于原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化，热运动增强。,（1）原子间仍保持较强的结合能，平均原 子间距增加不大； （2）原子排列在较小距离内仍具有一定规 律性，原子集团呈“近程有序排列”； （3）原子集团处在“能量起伏”状态； （4）原子集团处在“结构起伏”状态；,液体状态的结构特点：,近程有序-时聚时散，此起彼伏-结构起伏,液体中形核
6、的可能性,当原子团的尺寸较大、稳定且原子排列与金属晶格接近，可能成为晶核,1500时液态金属原子的状态,1200时液态金属原子的状态,三、液态金属与固态金属特征对比,Ms Ml Vl=1+(35)%Vs,体积变化不大 -原子间作用力较大 原子分布具有一定规律性 -近程有序,因此，液态金属从结构上讲只是固态金属中原子热运动加剧，原子排列规律性相对较差，而不是原子间结合能（力）完全被破坏。,特例-82Au和18Si 共晶,液态金硅合金表面,金硅共晶合金在360时即开始熔化，此温度比组成物金属的熔点低了大约1000。 表面长程有序？,3.2 液态金属的性质,液态金属的表面现象,液态金属的黏性,液态金
7、属的基本性质,液态金属的基本性质,1、熔点，熔化热 纯金属：确定的温度，并对应一个熔化热。 合金：属于一个范围；其熔化热为从固相线到液相线间所吸收的所有热量。,2、沸点和蒸发热 -各种金属的沸点差别较大，且沸点与熔点无直接关系。 -液态金属的蒸发热远远高于熔化热-相对与气相而言，液相和固相的原子分布特征更为接近。,3、热膨胀冷收缩,绝大多数金属均热胀冷缩，这是原子热运动的结果 特例 镓、铋、硅 利用Si的凝固特点制备Al-Si合金，意义何在？ 收缩性，液态下流动性良好，凝固时补缩能力强，热裂倾向小。,液态金属的黏性,（一） 动力黏度和运动黏度,动力黏度,（）温度 温度高则粘度？,影响粘度的因素
8、：,0 原子平衡位置时的振动周期 原子平衡位置时的间距 Q原子移动的激活能,温度对黏度的影响有两项-如何影响？,设想：当T很大时，升高T，会出现T对黏度的影响超过第二项，即温度升高，黏度增大-原子热运动增大过剩，宏观上增大了液态金属流动的阻力。,设想：当T很小时，升高T，会存在T对黏度的影响小于第二项的区域，即温度升高，黏度降低。,一般情况下，浇注温度都不会高于熔点，因此温度上升，黏度下降-第二项起主导作用。,浇注温度为什么一般不高于熔点?,当浇注温度大于熔点时，空气中的氧气会在晶粒边界发生反应，形成硬壳，破坏了晶粒间的联系。当冷却后，进行加工（锻压、拉拔等）或使用时，工件会发生断裂、破裂。,
9、影响粘度的因素：,（2） 非金属夹杂物 杂质含量增大，黏度增大 （3） 成分 Fe-C合金中，C%增大，黏度降低（亚共晶）； 难熔化合物的粘度高；Al2O3，MnS，SiO2 共晶成分合金粘度低于非共晶合金。,铸钢的流动性,铸铁的流动性,（二）合金黏度对铸件（浇注）质量的影响 1、动力黏度高，充型过程中的运动阻力就大， 易造成浇不到。 2、对高黏度合金，可提高浇注速度以保持液态金属的流动形态。 3、对杂质的净化,Stokes公式 合金液中的气泡和非金属夹杂物在金属液中的上浮速度：,适用对象直径小于0.1mm的球形气泡或杂质。,结论：1、杂质半径越小，杂质上浮速率越小 2、杂质与母液密度越接近，
10、杂质上浮速 率越小 3、合金液黏度越小，有利于杂质上浮,二、 液态合金的表面现象,（一）分子压力： 由于任何相界面处表相分子受力不均匀,表相分子有向体相运动的趋势因而表相对体相产生一种压力,称为“分子压力”。这是产生表面张力的根源。,表面张力,- 为表面张力系数，即表面张力，N/m - 液膜单位长度上所受的绷紧的力,定义： = F/b -液体表面相邻两部分单位长度上的牵引力,E=W=Fl=bl=S - =E/S -膜单位面积上的能量，erg/cm2,（二）弯曲液面的附加压力,1. 附加压力：当相界面为曲面时，还会产生另一种压力，称为附加压力。附加压力定义为： PA=Pr-P 其中:P和Pr分别
11、为平相界面和弯曲相界面时体相所受的压力。可见,附加压力是任意形状界面时比平界面时多出的压力。,2.弯曲液面的附加压力,附加压力：设想在液态钎料内部形成一个球形的气泡,气泡的半径为r,当温度一定时液体所受的压力为P。当压力P发生微小变化时,则气泡的表面积A和体积V均发生微小改变dA和dV,则有： 对于球形气泡 V=4r3/3, dV= 4r2dr A= 4r2, dA= 8rdr 所以：dA/dV=2/r 故： PA=2/r 可见附加压力与表面张力成正比, 与界面曲率半径成反比。 气泡法测定附加压力示意图,（三）影响表面张力的因素,1. 熔点（原子结合力） 熔点高的物质，其原子结合力大，表面张力
12、大 2. 温度 多数金属和合金，温度升高，表面张力降低-如何解释？ 但少数合金，如铸铁、碳钢、铜及其合金等随温度升高表面张力升高。,3. 溶质 使表面张力降低 表面活性物质，即 d/dc0,具有负吸附作用；,什么是正负吸附？ -PA ，即外界压力，液体内部溶质趋于向表面迁移，造成CfaceCinner，此为正吸附。,PA=2/r PA=P-P0,（四）界面现象,1、两个概念 内聚功 附着功,内聚功,对于截面积为1cm2的液柱，分成两个部分后，其增加的界面能是 2lg 由外力克服液体本身内聚力而产生的功，称为内聚功，W内= 2lg,附着功,E=lg + sg-sl,E为实现上述过程所需的最小外力
13、功，即 W附着功= E=lg + sg-sl,（2）固-液-气界面张力,固体表面的液滴及表面张力的示意,平衡时， sg=sl+lgcos cos=（sg-sl）/lg,平衡时， sl=sg+lgcos（180-） cos=（sg-sl）/lg,根据力的平衡原理：,附着功和润湿角的关系,可知 W附着功= lg（1+cos ） 显然，=1800， W附着功= 0；完全不润湿 =0， W附着功= W内聚功；完全润湿,W附着功= lg + sg-sl,（五） 对铸型工艺的影响,冶炼正常的合金液，不润湿型壁，有助于防止机械粘沙。但对于薄壁，棱角处，需要克服附加压头。,不浸润时管孔中的附加压头,表面张力引
14、起的附加压力， 因此附加的静压头要大于h。,（六） 对冶金熔炼的影响,Al熔化时，容易与氧气反应，生成Al2O3。漂浮在Al液表面，起到保护作用。 如加入Li，Bi，Sb等，会导致表面张力下降，Al翻滚，氧化严重。 相反，Si，Cu，Zn等加入后，Al液表面张力下降不明显。,（七） 对铸型的要求,一般情况下，Ml不会进入到铸型的细孔中。但是，如果钢水氧化后存在FeO，则会具有良好的润湿功能，其结果？ - 铸件表面粘砂 因此，对于砂型浇注时，需要在型腔内适当刷涂涂料。,结束,思考题 1、通过哪些现象和实验说明金属熔化并不是原子间的结合力全部被破坏？ 2、在熔化温度下，金属吸收热量而金属温度不变，熔化潜热的本质是什么？ 3、纯金属和实际金属在结构上有何异同？试分析铸铁的液态结构。 4、表面张力对液态金属成型的影响。,
