金屬凝固理論——課件整理

1、第一章 緒 論一、金屬材料成型方法 金屬材料成型就是把原來無定型的材料加工成形狀滿足要求的器件。 塑性成形：金屬坯料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形，從而獲得具有一定幾何形狀，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。軋制：金屬通過旋轉(zhuǎn)的軋輥受到壓縮，橫斷面積減小，長度增加的過程。擠壓：金屬在擠壓筒中受推力作用從?？字辛鞒龆迫「鞣N斷面金屬材料的加工方法。舉例：棒、管、型；其它：異型截面。鍛造：鍛錘錘擊工件產(chǎn)生壓縮變形A. 自由鍛：金屬在上下鐵錘及鐵砧間受到?jīng)_擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工。B. 模鍛：金屬在具有一定形狀的鍛模膛內(nèi)受沖擊力或壓力而產(chǎn)生塑性變形的加工。 舉例：飛機(jī)大梁，火箭捆

2、挷環(huán)等沖壓：金屬坯料在沖模之間受壓產(chǎn)生分離或變形的加工方法。二、材料成型方法與組織的關(guān)系 材料成型方法與工件組織有緊密的關(guān)系。如鑄造與軋制比，組織在晶粒形狀、尺寸和取向方面均有明顯差別。柱狀晶 縮孔和氣孔（收縮及氣體逸出引起） 非金屬夾雜物（卷入）熱變形：塑性變形溫度高于該金屬的再結(jié)晶溫度。特征：經(jīng)過回復(fù)和再結(jié)晶組織均勻化，塑性好，消除內(nèi)部缺陷，形成軋制流線/流紋。冷變形：塑性變形溫度低于該金屬的再結(jié)晶溫度。特征：晶粒沿變形最大的方向伸長，形成纖維組織和形變織構(gòu)；晶粒間產(chǎn)生碎晶。金屬產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。三、金屬液態(tài)成型（鑄造）的發(fā)展1、鑄造是一門古老而年輕的科學(xué)。根據(jù)文獻(xiàn)記載和實(shí)物考察，證明我國

3、鑄造生產(chǎn)技術(shù)至少有四千年以上的悠久歷史?？煞謨纱蟀l(fā)展階段： 前兩千年：以青銅鑄造為主，形成燦爛的商周青銅文化。出土的編鐘，鑄造精巧、音律準(zhǔn)確、音色優(yōu)美。 后兩千年：以鑄鐵為主。公元前六世紀(jì)，發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，制造的生產(chǎn)工具取代了青銅。 鑄鐵生產(chǎn)工具的使用促進(jìn)了鑄鐵強(qiáng)韌化的早期發(fā)明。 （1）戰(zhàn)國時(shí)期，我們的先人已經(jīng)能夠通過石墨化熱處理和脫碳熱處理獲得黑心韌性鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。 （2）西漢時(shí)期，鑄鐵中還出現(xiàn)了球狀石墨。而現(xiàn)代球墨鑄鐵是英國人1947年研制成功的。 在我國古代鑄造工藝中，失蠟法是非常常用的一種方法。古代許多精致的青銅藝術(shù)珍品多采用該法制造。如銅像、銅獅等?，F(xiàn)代的熔模鑄造或精密鑄

4、造就是由此發(fā)展而來。 永樂大鐘（明代）鑄造工藝永樂大鐘采用泥范法鑄造。先在地上挖一個(gè)大坑，用草木和三合土做好內(nèi)壁，上面涂上細(xì)泥，把寫好經(jīng)的宣紙反貼在細(xì)泥上，刻好陰字，加熱燒成陶范，然后再一圈圈做好外范。鑄時(shí)，幾十座熔爐同時(shí)開爐，火焰沖天，金花飛濺，銅汁涌流，金屬液沿泥作的槽注入陶范，一次鑄成。大鐘含銅80.5%，含錫16%，還有鉛、鋅、鐵、硅、鎂等元素。這種成分配比，與考工記中的“六齊”項(xiàng)下的“鐘鼎之齊”的記載極其近似。大鐘鑄好后，待到冬天，先每隔一里挖一口井，再沿路挖溝引水，潑水結(jié)冰，然后開始搬運(yùn)。大鐘在冰路上滑行幾十里才到宮中。再滑到冰土堆上，然后建鐘樓，鐘掛于樓頂。春天解凍后，取土而鐘懸

5、。五絕永樂大鐘有“五絕”。第一絕是形大量重、歷史悠久。第二絕，是世界上銘文字?jǐn)?shù)最多的一口大鐘。大鐘奇妙優(yōu)美的音響是第三絕，“幽雅感人、益壽廷年”?？茖W(xué)的力學(xué)結(jié)構(gòu)是永樂大鐘的第四絕。永樂大鐘的懸掛紐是靠一根與鐘體相比顯得很小的銅穿釘連接的。穿釘很小，卻恰在它所能承受四十多噸的剪應(yīng)力范圍之內(nèi)。永樂大鐘第五絕是高超的鑄造工藝。鑄造方法和過程工匠們營造了一個(gè)壯觀而宏大的場(chǎng)面：在地上挖出十米見方的深坑巨穴，先按設(shè)計(jì)好的大鐘模型，分七節(jié)制出供鑄造使用的外范，低溫陰干，焙燒成陶。再根據(jù)鐘體不同斷面的半徑和厚度設(shè)計(jì)刮板模，做出大鐘的內(nèi)范。當(dāng)七個(gè)陶制外圈依次對(duì)接如七級(jí)浮屠之狀時(shí)，渾然一體的大鐘外范便拼裝成功了。

6、為了承受澆鑄的壓力并確保足夠的強(qiáng)度，外范四周用泥土填滿并層層夯實(shí)。鐘鈕旁邊四處不易覺察的疤痕，是四個(gè)澆口的位置。采用最典型的雨淋式澆鑄法：幾十座熔爐沿四條槽道排開，爐內(nèi)大火流金、銅汁鼎沸；地坑里內(nèi)外模范同時(shí)高溫預(yù)熱。當(dāng)爐膛中的銅液相繼奔瀉而出后，這口萬鈞大鐘便一氣呵成?；赝饲榇司?，五百年前的手工作坊式生產(chǎn)，分明已經(jīng)透出了近代大工業(yè)的規(guī)模和氣概。冷卻冷卻也是一道致命的工序?？觾?nèi)是一團(tuán)沒有熄滅的地火和流焰，必須控制冷卻速度防止鐘體炸裂。世界著名的俄羅斯大鐘就因冷卻過程中的閃失出現(xiàn)裂紋，結(jié)果淪為一口啞鐘。而孕育永樂大鐘的地坑此時(shí)是一個(gè)天然的自動(dòng)冷卻系統(tǒng)?？梢韵胂螽?dāng)年勞苦的工匠們付出了多少心血，精心

7、呵護(hù)，才能確保永樂大鐘在平安降溫中平安降生?；瘜W(xué)成分從大鐘頂部一個(gè)微小的砂眼中取出一個(gè)微小的金屬顆粒；從大鐘底部不顯眼的邊緣刮掉一點(diǎn)金屬粉末?；瘜W(xué)定量分析結(jié)果表明，大鐘上下部位的成份是均勻一致的：銅80.54%；錫16.41%；鉛1.12%；鋅0.22%也許為了提高身價(jià)、增添吉祥并加強(qiáng)抗銹蝕能力，大鐘內(nèi)還檢出了0.03%的金和0.04%的銀。青銅的機(jī)械性能曲線顯示，當(dāng)含錫量在15%至17%時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)最高值，聲學(xué)性能也達(dá)到最佳狀態(tài)。是誰為大鐘的合金設(shè)計(jì)了這樣高明的化學(xué)成分？幾十只不同的熔爐如何讓共同熔出的青銅液保持成份一致？我們不由陷入深深的遐想。曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國） 司母戊大方鼎（商代晚期）

8、20世紀(jì)60年代后，研究的重點(diǎn)在經(jīng)典理論的應(yīng)用，出現(xiàn)了快速凝固、定向凝固、等離子熔化技術(shù)、激光表面重熔技術(shù)、半固態(tài)鑄造、調(diào)壓鑄造等凝固技術(shù)和材料成型方法。其后，對(duì)凝固過程的認(rèn)識(shí)逐漸從經(jīng)驗(yàn)主義中擺脫出來。大野篤美提出了晶粒游離和晶粒增殖的理論。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過計(jì)算機(jī)定量地描述液態(tài)金屬的凝固過程，對(duì)凝固組織和凝固缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了許多新的凝固理論和模型。它們將溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、流動(dòng)場(chǎng)耦合起來進(jìn)行研究，其結(jié)果更接近于實(shí)際。國際國內(nèi)已出現(xiàn)了許多商品化的凝固模擬軟件，它們?cè)诳蒲泻蜕a(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。2、鑄造成型的主要特點(diǎn) (1) 能制作復(fù)雜形狀的件。機(jī)器零件自不必說，工藝品的制作

9、是其它方法無法比擬的。如大型銅像，小的首飾等。 (2) 較高的尺寸精度。 (3) 成本低廉。3、本課主要內(nèi)容 研究金屬材料在液態(tài)成型（鑄造）過程中普遍存在的內(nèi)在規(guī)律、缺陷的形成原因及防止措施。謝謝！材料成型與控制專業(yè)2.1 材料的固液轉(zhuǎn)變5、相變2.2 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)一、液態(tài)結(jié)構(gòu)與固態(tài)結(jié)構(gòu)間的異同1、間接研究方法：研究金屬熔化、汽化時(shí)的物理現(xiàn)象間接研究液態(tài)結(jié)構(gòu)。從液態(tài)金屬的熱物理性質(zhì)看，液態(tài)結(jié)構(gòu)更像固態(tài)結(jié)構(gòu)。（1）金屬的汽化潛熱遠(yuǎn)大于熔化潛熱，以鋁為例： 汽化潛熱/熔化潛熱=27.8。氣態(tài)金屬原子間結(jié)合鍵幾乎全部破壞。液態(tài)金屬原子間結(jié)合鍵僅部分被破壞。 所以，液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)類似于固態(tài)金屬。（2）

10、由固態(tài)變液態(tài)，熵的增值相對(duì)于熔點(diǎn)前的熵值并不算大。（熵代表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紊亂性變化）。 即：在熔點(diǎn)附近：液固結(jié)構(gòu)相差不大。2、直接研究方法：通過液態(tài)金屬X射線衍射分析來直接研究金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)。3、液體的流動(dòng)特性像氣體； 但體積特性、熱特性像固體局部原子排列與固體無異近程有序。 因此，關(guān)于液體，有兩種說法：（1）本質(zhì)上是密集的氣體；（2）高度有缺陷的晶體。5、其它方面（1）熔化時(shí)，體積膨脹3%-5%左右；（2）擴(kuò)散系數(shù)：液溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)約10-5cm2/sec 數(shù)量級(jí)；固溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)約10-8cm2/sec 數(shù)量級(jí)。差1000倍。（3）晶態(tài)固晶體、非晶體液非晶體二、理想純金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、原子間保持

11、較強(qiáng)的結(jié)合能；2、原子排列小距離內(nèi)（僅在原子集團(tuán)內(nèi)幾十到幾百個(gè)原子的集團(tuán)）有規(guī)律近程有序；3、原子集團(tuán)處于瞬息萬變狀態(tài)能量起伏；4、原子集團(tuán)之間存在“空穴”，共有電子運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化；（電子難飛躍“空穴”，電阻率升高）5、原子集團(tuán)尺寸、速度與溫度有關(guān)。（溫度升尺寸降、速度大）三、實(shí)際金屬的液態(tài)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1、存在大量雜質(zhì)原子（1）雜質(zhì)是多種多樣的，非一種；（2）雜質(zhì)分布不均勻； 濃度起伏：游動(dòng)原子集團(tuán)之間存在成分不均勻性； 結(jié)合力不同：結(jié)合力強(qiáng)的易聚； 能量起伏：各微觀區(qū)域的能量不同，有的微區(qū)能量高，有的微區(qū)能量低。（3）雜質(zhì)存在方式不同：溶質(zhì)、化合物。 A、B結(jié)合力較強(qiáng)形成新的化學(xué)鍵臨時(shí)不穩(wěn)定化合物

12、；（低溫化合，高溫分解） A、B結(jié)合力非常強(qiáng)形成強(qiáng)而穩(wěn)定的化合物新相； B-B、B-A結(jié)合力小于A-A，則A-A原子聚集B被排斥在集團(tuán)外或液體表面降低表面張力表面活性元素。2、雜質(zhì)的來源（1）常用金屬為多元合金；（2）原材料存在多種雜質(zhì)；（3）熔化時(shí)，被污染（金屬與爐氣、熔劑、爐襯反應(yīng)、吸氣，帶進(jìn)雜質(zhì)）。3、實(shí)際金屬液態(tài)結(jié)構(gòu) 非常復(fù)雜。（1）也存在游動(dòng)原子團(tuán)、空穴及能量起伏；（2）原子團(tuán)、空穴中有各種合金元素及雜質(zhì)元素；（3）存在濃度起伏；（4）存在不穩(wěn)定或穩(wěn)定化合物（固、氣、液）。2.3 液態(tài)金屬的性質(zhì)一、粘度 kB Bolzmann常數(shù)； U 為無外力作用時(shí)原子之間的結(jié)合能； t0 為原子

13、在平衡位置的振動(dòng)周期（對(duì)液 態(tài)金屬約為10-13秒）； 相鄰原子平衡位置的平均距離。2、粘度在材料成形中的意義（1）對(duì)液態(tài)金屬凈化的影響（2）對(duì)液態(tài)合金流動(dòng)阻力的影響（3）對(duì)凝固過程中液態(tài)合金對(duì)流的影響（4）粘度對(duì)成形質(zhì)量的影響（4）粘度對(duì)成形質(zhì)量的影響（4）粘度對(duì)成形質(zhì)量的影響（4）粘度對(duì)成形質(zhì)量的影響二、表面張力1、概念：金屬液表面質(zhì)點(diǎn)因受周圍質(zhì)點(diǎn)對(duì)其作用力不平衡，在表面液膜單位長度上所受的繃緊力，稱表面張力。2、表面張力及其產(chǎn)生的原因3、表面張力的意義2.4 液態(tài)金屬的流動(dòng)性及充型能力一、流動(dòng)性1、概念：液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力。2、影響因素：成分、溫度、雜質(zhì)含量及物理性質(zhì)。與外界因素?zé)o關(guān)

14、。3、作用：好的流動(dòng)性利于缺陷的防止： （1）補(bǔ)縮；（2）防裂；（3）充型；（4）氣體與雜質(zhì)易上浮。4、測(cè)定：澆注流動(dòng)性試樣。 試樣結(jié)構(gòu)、鑄型性質(zhì)、澆注條件相同，改變合金成分，測(cè)試樣長度。二、充型能力 1、概念：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。 充型能力弱則可能產(chǎn)生澆不足、冷隔；充型能力過強(qiáng)則可能產(chǎn)生砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。2、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施 內(nèi)因：自身流動(dòng)性 外因：型的性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響，是各種因素的綜合反映。（1）金屬性質(zhì)1）合金成分純金屬、共晶成分合金和金屬間化合物，有最大流動(dòng)性。（1）凝固點(diǎn)固定；（

15、2）逐層凝固；（3）凝固層內(nèi)表面平滑，阻力?。唬?）流動(dòng)時(shí)間長。相圖中有結(jié)晶溫度范圍的地方流動(dòng)性下降，在最大溫度范圍處，流動(dòng)性最差。（1）凝固溫度區(qū)間；（2）斷面存在兩相區(qū)；（3）前端枝晶數(shù)多，粘度大，流速小。2）結(jié)晶潛熱純金屬、共晶成分合金：凝固點(diǎn)固定，潛熱能發(fā)揮，利于流動(dòng)；結(jié)晶溫度范圍寬的合金：散失部分潛熱后晶粒成網(wǎng)，阻塞流動(dòng)，潛熱難發(fā)揮。對(duì)流動(dòng)性影響不大。3）比熱、密度、導(dǎo)熱系數(shù)比熱、密度大合金：含熱量多，保持液態(tài)時(shí)間長，流動(dòng)性好。導(dǎo)熱系數(shù)小合金：散熱慢，流動(dòng)時(shí)間長。4）粘度層流：影響大。停流前一刻，通道面積小，阻力系數(shù)大。紊流：影響小。實(shí)驗(yàn)證明，除停流前一刻，均為紊流。5）表面張力對(duì)薄

16、壁件，鑄件的細(xì)薄部分有影響；通常不潤濕，阻礙型腔充填。 綜上所述，為提高充型能力，在金屬方面采取以下措施：1）正確選擇合金成分：盡量選共晶或結(jié)晶溫度范圍小的合金；2）合理的熔煉工藝減粘、減表面張力 原材料：去雜質(zhì) 熔煉：少接觸有害氣體 熔化后：脫氧、精煉（2）鑄型性質(zhì)方面因素1）型的蓄熱系數(shù)：指鑄型從金屬吸取并儲(chǔ)存在本身中熱量的能力。 型的蓄熱系數(shù)大型激冷能力強(qiáng)金屬保持液態(tài)時(shí)間短充型能力下降。生產(chǎn)中可用涂料調(diào)整。2）型溫度 預(yù)熱型減小型/金屬液溫差充型能力提高。3）型中氣體 型能發(fā)氣金屬/型間形成氣膜減小摩擦阻力易充型。 但是：氣太多反壓力大，澆不進(jìn)去：翻騰、飛濺。 解決方法：（1）降低含水、發(fā)氣物含量； （2）提高型透氣性。（3）澆注條件方面因素1）澆注溫度 溫度高充型能力強(qiáng)。 但超過某界限，吸氣多、氧化嚴(yán)重，充型能力提高不明顯。 生產(chǎn)中，對(duì)薄壁件及流動(dòng)性差合金，可提高澆溫。 缺點(diǎn)：澆注溫度高組織粗大、縮孔、縮松、粘砂、裂紋易產(chǎn)生。2）充型壓頭 壓力大充型好 生產(chǎn)中，增加金屬靜壓頭。