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1、材料成形原理（第3版）,主编：吴树森，柳玉起 （华中科技大学材料学院）,机械工业出版社,第一篇 液态成形理论基础,第一章 液态成形理论基础 第二章 液态成形中的流动和传热 第三章 液态金属的凝固形核及生长方式 第四章 单相合金与多相合金的凝固 第五章 铸件凝固组织的形成与控制 第六章 特殊条件下的凝固,第一章 液体金属的结构和性质 （Structure and Property of Liquid Metal),凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。,主要研究对象液体金属 液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金属这一过程的理论和技术。包括定性和定量地研究其内在联系和规律；研究新的凝固技术和
2、工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。,凝固现象的广泛性： 自然界的物质通常存在三种状态，即气态、液态和固态。在一定的条件下，物质可以在三种状态之间转变。物质从液态转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观上的定义。从微观上看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。,水凝结成雪花晶体,塑料注射成形后的凝固,液体金属（钢水）浇注后凝固成固体金属,主要研究（学习）内容,（1）液体金属的性质 （2）晶体的生核和长大凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合金的结晶方式单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）
3、,理论基础 物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学。,研究内容 液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法. 影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成分。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要的外在的工艺因素。 液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力等）也能对凝固过程产生重大的影响。,凝固技术发展历程,最古老的艺术、技术之一 冶铸技术 合金配制、凝固控制、组织控制,我国在夏朝已进入青铜器时代。商朝青铜器铸造已很发达。司母戊方鼎是当时最大的青铜器。图案、文字俱全,铸造相当精美。 曾候乙青铜器编钟，是距
4、今2400多年前战国初期铸造的。 战国时期的考工记记载：“金有六齐：六分其金，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡居其一，谓这戈戟之齐；三分其金，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居其二，谓之削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴燧之齐”。是世界上最早的合金配比规律。,20世纪60年代后，研究的重点在经典理论的应用，出现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技术、激光表面重熔技术、半固态铸造、扩散铸造。调压铸造等凝固技术和材料成型方法。 其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来。大野笃美提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论。通过计算机定量地描述液态金属的凝固过程，
5、对凝固组织和凝固缺陷进行预测，在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦合起来进行研究，其结果更接近于实际。国际国内已出现了许多商品化的凝固模拟软件，它们在科研和生产中发挥着重要作用。,凝固学与材料成型 液态成型：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。 连接成型：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特性来决定，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。 塑性成型与液态金属凝固无直接关系，但有重要的间接关系。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 金属切削成型所用的坯料，都是熔化和凝固后的产品。 粉末成型是冶金学的一个分支，粉末是经
6、熔化和凝固而成的。,13,1-1 固体金属的加热、熔化,物质的 常规“三态”转变及相转变,14,铁的压力温度相图,有3个三相点。主要原因是铁有三种不同的固相（同素异构体）：（）Fe，（）Fe和（）Fe。铁和铁具有BCC（体心立方）晶体结构，而铁是FCC（面心立方）结构,固态金属 按原子聚集形态分为晶体与非晶体。 晶体 凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。 单晶体 在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体 多晶体 大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。 在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为1013次/s。,液态金属 液态金属中的原子和固态时一样，均
7、不能自由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。 液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。 固体可以是非晶体也可以是晶体，而液态金属则几乎总是非晶体 。,液态金属的热物理性质 1.体积变化 金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加3-5%。即原子间距平均只增大11.5这说明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有一定的规律性。 2潜热 熔化潜热一般只有升华热的3-7%，即熔化时原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1,表1-1 一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化,这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的熔
8、化熵相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中原子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。,2-2 液态金属的结构与分析,金属由熔点温度的固态变为同温度的液态比其从室温加热至熔点的熵变要小。熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。金属由固态变为液态熵值增加不大，说明原子在固态时的规则排列熔化后紊乱程度不大。这也间接说明液态金属的结构应接近固体金属而远离气态金属。原子之间仍然具有很高的结合能。,X射线衍射分析 图1-5是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。 横坐标为观测点至某一任意选定的原子（参考中心）的距离，对于三维空间，它相当于以所选原子为球心的一系列球体的半径。 纵坐标表示当半径增减一个
9、单位长度时，球体（球壳）内原子个数的变化值，其中（r）称为密度函数。,图1-5 700时液态Al中原子分布曲线,对于固态金属而言，原子在某一平衡位置热振动，因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定距离（点阵常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值。但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线。 这是由于液态中的金属原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有固定的位置，而其峰值所对应的位置（r）只是表示衍射过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。,其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接近，其配位数与固态时相当。 第二峰值虽仍较
10、明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且随着r的增大，峰值与固态 时的偏离也越来越大。 当它与所选原子相距太远的距 离时，原子排列进入无序状态。,表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。,表13 x射线衍射所得液态和固态金属结构参数,液态金属的结构特征 ）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。 ）特征：“近程有序”、“远程无序” 原子间能量不均匀 性，存在能量起伏。 原子团是时聚时散 ，存在结构起伏。 同一种元素在不同 原子团中的分布量，存 在成分起伏。,液态金属结构示意图,金属由液态转变为固态
11、的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。 金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶； 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。,-3 液态金属的性质,或Pa.s,1、粘度 （一）粘度的实质及影响因素 当外力F（X）作用于液态表面时，其速度分布如图所示。层与层之间存在内摩擦力。,影响粘度的因素,（1）金属液的化学成分 （2）温度 （3）非金属夹杂物,Fe-C合金的等粘度线,Al-Si合金的等粘度线,（二）粘度在材料成形过程中的意义 1对液态金
12、属净化的影响 液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。杂质及气泡与金属液的密度不同。 根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形杂质的上浮速度 ：,2对液态合金流动阻力的影响 根据流体力学，Re2300为紊流，Re2300为层流。Re的数学式为,设f为流体流动时的阻力系数，则有,当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金属液体的流动成型，以紊流方式流动最好，由于流动阻力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的枝晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。,64,64,2、表面张力液体的物性参数,（一）表面张力是质点（分子、原子
13、等）间作用力不平衡引起的。这就是液珠存在的原因。当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量。, = 0o, =180o,Absolute wetting,No wetting,润湿现象, 90o, 90o,（二）影响界面张力的因素 影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。 1熔点 界面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。,2温度 大多数金属和合金，如 Al、 Mg、 Zn等，其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而使液体质点间的结合力减弱所至。但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即
14、温度升高表面张力反而增加。其原因尚不清楚。 3溶质元素 溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，如钢液和铸铁液中的S即为表面活性元素，也称正吸附元素。提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。,金属液的表面张力可以改变,铝液中加入第二元素,镁液中加入第二元素,P、S、Si对铸铁熔液表面张力的影响,拉普拉斯扬方程式 当曲面是球面一部分时，r1 = r2，则得到附加压力与曲率半径的关系式,r,r,表面张力与毛细现象：, 90o ，液体润湿管壁, 90o ，液体不润湿管壁,毛细现象,39,半固态指合金在液相线和固相线之间的状
15、态； 或者说：既有液相也有部分固相的状态。,液相,固相,半固态区,液相+固相,温度 T,a,b,c,Al,Si,Al-Si合金的相图,ab液相线,acb固相线,1-4 半固态金属的流变性及表观粘度,40,稳定态下的速度梯度称为剪切速率(shear rate),41,幂定律,图117 剪切速率对表观粘度的影响,图118 冷却速度对表观粘度的影响,表观粘度： 表征半固态浆料的粘性，以区别服从牛顿粘性定律液体的动力粘度。,42,流变铸造是金属或合金在凝固温度区间给予强烈的搅拌，使晶体的生长形态发生变化，由本来是静止状态的树枝晶转变为梅花状或接近于球形的晶粒，然后再施加压力予以成形（如压铸、挤压）的一种方法。（包含了制浆及成形）,图115 流变铸造成形工艺示意图,(a)半固态制浆,（b）移送至压室内,(c)压铸或挤压成形,The end!,
