材料成形原理華科

第一篇液態(tài)成形理論基礎第一章液態(tài)成形理論基礎第二章液態(tài)成形中的流動和傳熱第三章液態(tài)金屬的凝固形核及生長方式第四章單相合金與多相合金的凝固第五章鑄件凝固組織的形成與控制第六章特殊條件下的凝固當前1頁，總共39頁。第一章液體金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

凝固：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的相變過程。主要研究對象——液體金屬液態(tài)金屬凝固學就是研究液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬這一過程的理論和技術?！?-1材料的固液轉(zhuǎn)變當前2頁，總共39頁。凝固現(xiàn)象的廣泛性：自然界的物質(zhì)通常存在三種狀態(tài)，即氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)。在一定的條件下，物質(zhì)可以在三種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變。物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程就是凝固。這是從宏觀上的定義。從微觀上看，可以定義為物質(zhì)原子或分子從較為激烈運動的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則排列的狀態(tài)的過程。當前3頁，總共39頁。水凝結(jié)成雪花晶體當前4頁，總共39頁。*SchematicofthermoplasticInjectionmoldingmachine塑料注射成型后的凝固當前5頁，總共39頁。液體金屬（鋼水）澆注后凝固成固體金屬當前6頁，總共39頁。材料的固液轉(zhuǎn)變H2O的“三態(tài)”轉(zhuǎn)變圖1-2

H2O的壓力－溫度相圖當前7頁，總共39頁。固態(tài)金屬按原子聚集形態(tài)分為晶體與非晶體。晶體凡是原子在空間呈規(guī)則的周期性重復排列的物質(zhì)稱為晶體。單晶體在晶體中所有原子排列位向相同者稱為單晶體多晶體大多數(shù)金屬通常是由位向不同的小單晶（晶粒）組成，屬于多晶體。

在固體中原子被束縛在晶格結(jié)點上，其振動頻率約為1013次/s。當前8頁，總共39頁。液態(tài)金屬

液態(tài)金屬中的原子和固態(tài)時一樣，均不能自由運動，圍繞著平衡結(jié)點位置進行振動，但振動的能量和頻率要比固態(tài)原子高幾百萬倍。液態(tài)金屬宏觀上呈正電性，具有良好導電、導熱和流動性。

固體可以是非晶體也可以是晶體，而液態(tài)金屬則幾乎總是非晶體。當前9頁，總共39頁。液態(tài)金屬的熱物理性質(zhì)1.體積變化金屬熔化，由固體變成液體時，比容僅增加3%～5%。即原子間距平均只增大1%～1.5％，這說明原子間仍有較大的結(jié)合能。液態(tài)原子的結(jié)構(gòu)仍有一定的規(guī)律性。2．潛熱熔化潛熱一般只有升華熱的3%～7%，即熔化時原子間的結(jié)合能僅減小了百分之幾。見表1-1當前10頁，總共39頁。表1-1一些金屬在熔化和汽化時的熱物性質(zhì)變化當前11頁，總共39頁。金屬由固態(tài)變成液態(tài)時，原子結(jié)合鍵只破壞一個很小的百分數(shù)，只不過它的熔化熵相對于固態(tài)時的熵值有較多的增加，表明液態(tài)中原子熱運動的混亂程度，與固態(tài)相比有所增大。當前12頁，總共39頁?！?-2液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析金屬由熔點溫度的固態(tài)變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)比其從室溫加熱至熔點的熵變要小。熵值變化是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)紊亂性變化的量度。金屬由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)熵值增加不大，說明原子在固態(tài)時的規(guī)則排列熔化后紊亂程度不大。這也間接說明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)應接近固體金屬而遠離氣態(tài)金屬。原子之間仍然具有很高的結(jié)合能。當前13頁，總共39頁。液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)１）組成：液態(tài)金屬是由游動的原子團、空穴或裂紋構(gòu)成。２）特征：“近程有序”、“遠程無序”原子間能量不均勻性，存在能量起伏。原子團是時聚時散，存在結(jié)構(gòu)起伏。同一種元素在不同原子團中的分布量，存在成分起伏。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖當前14頁，總共39頁。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的凝結(jié)過程，實質(zhì)上就是原子由近程有序狀態(tài)過渡為長程有序狀態(tài)的過程，從這個意義上理解，金屬從一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）過渡為另一種原子規(guī)則排列狀態(tài)（晶態(tài)）的轉(zhuǎn)變均屬于結(jié)晶過程。金屬從液態(tài)過渡為固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶；金屬從一種固態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶。當前15頁，總共39頁。X射線衍射分析圖1-5是由X射線衍射結(jié)果整理而得的原子密度分布曲線。橫坐標為觀測點至某一任意選定的原子（參考中心）的距離，對于三維空間，它相當于以所選原子為球心的一系列球體的半徑。縱坐標表示當半徑增減一個單位長度時，球體（球殼）內(nèi)原子個數(shù)的變化值，其中（r）稱為密度函數(shù)。圖1-5700℃時液態(tài)Al中原子分布曲線當前16頁，總共39頁。對于固態(tài)金屬而言，原子在某一平衡位置熱振動，因此衍射結(jié)果得到的原子密度分布曲線是一組相距一定距離（點陣常數(shù)）的垂線，每一條垂線都有確定的位置r和峰值。但對于液態(tài)金屬而言，原子密度分布曲線是一條呈波浪形的連續(xù)曲線。這是由于液態(tài)中的金屬原子是處在瞬息萬變的熱振動和熱運動的狀態(tài)之中，而且原子躍遷頻率很高，以致沒有固定的位置，而其峰值所對應的位置（r）只是表示衍射過程中相鄰原子之間最大幾率的原子間距。當前17頁，總共39頁。其第一峰值與固態(tài)時的衍射線（第一條垂線）極為接近，其配位數(shù)與固態(tài)時相當。第二峰值雖仍較明顯，但與固態(tài)時的峰值偏離增大，而且隨著r的增大，峰值與固態(tài)時的偏離也越來越大。當它與所選原子相距太遠的距離時，原子排列進入無序狀態(tài)。表明，液態(tài)金屬中的原子在幾個原子間距的近程范圍內(nèi)，與其固態(tài)時的有序排列相近，只不過由于原子間距的增大和空穴的增多，原子配位數(shù)稍有變化。當前18頁，總共39頁。表1-3X射線衍射所得液態(tài)和固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)

當前19頁，總共39頁?！欤?3液態(tài)金屬的性質(zhì)V0YF或Pa.s1、粘度（一）粘度的實質(zhì)及影響因素當外力F（X）作用于液態(tài)表面時，其速度分布如圖所示。層與層之間存在內(nèi)摩擦力。當前20頁，總共39頁。（二）粘度在材料成形過程中的意義1．對液態(tài)金屬凈化的影響液態(tài)金屬中存在各種夾雜物及氣泡等，必須盡量除去。雜質(zhì)及氣泡與金屬液的密度不同。根據(jù)司托克斯原理，半徑0.1cm以下的球形雜質(zhì)的上浮速度：2．對液態(tài)合金流動阻力的影響根據(jù)流體力學，Re＞2300為湍流（紊流），Re＜2300為層流。Re的數(shù)學式為

當前21頁，總共39頁。

設f為流體流動時的阻力系數(shù)，則有當液體以層流方式流動時，阻力系數(shù)大，流動阻力大。金屬液體的流動成形，以紊流方式流動最好，由于流動阻力小，液態(tài)金屬能順利地充填型腔，故金屬液在澆注系統(tǒng)和型腔中的流動一般為紊流。但在充型的后期或夾窄的枝晶間的補縮流和細薄鑄件中，則呈現(xiàn)為層流。6464當前22頁，總共39頁。3．對凝固過程中液態(tài)合金對流的影響液態(tài)金屬在冷卻和凝固過程中，由于存在溫度差和濃度差而產(chǎn)生浮力，它是液態(tài)合金對流的驅(qū)動力。當浮力大于或等于粘滯力時則產(chǎn)生對流，其對流強度由無量綱的格拉曉夫準則度量。

可見粘度η越大對流強度越小。液體對流對結(jié)晶組織、溶質(zhì)分布、偏析、雜質(zhì)的聚合等產(chǎn)生重要影響。當前23頁，總共39頁。2、表面張力——液體的物性參數(shù)（一）表面張力是質(zhì)點（分子、原子等）間作用力不平衡引起的。這就是液珠存在的原因。當外界所做的功僅用來抵抗表面張力而使系統(tǒng)表面積增大時，該功的大小則等于系統(tǒng)自由能的增量。當前24頁，總共39頁。>90o<90o=0o=180oAbsolutewettingNowetting潤濕現(xiàn)象當前25頁，總共39頁。（二）影響界面張力的因素影響液態(tài)金屬界面張力的因素主要有熔點、溫度和溶質(zhì)元素。

1．熔點界面張力的實質(zhì)是質(zhì)點間的作用力，故原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點、沸點高，則表面張力往往就大。

當前26頁，總共39頁。

2．溫度大多數(shù)金屬和合金，如Al、Mg、Zn等，其表面張力隨著溫度的升高而降低。因溫度升高而使液體質(zhì)點間的結(jié)合力減弱所至。但對于鑄鐵、碳鋼、銅及其合金則相反，即溫度升高表面張力反而增加。其原因尚不清楚。

3．溶質(zhì)元素溶質(zhì)元素對液態(tài)金屬表面張力的影響分二大類。使表面張力降低的溶質(zhì)元素叫表面活性元素，如鋼液和鑄鐵液中的S即為表面活性元素，也稱正吸附元素。提高表面張力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于內(nèi)部含量，稱負吸附元素。當前27頁，總共39頁。金屬液的表面張力可以改變鋁液中加入第二元素鎂液中加入第二元素當前28頁，總共39頁。P、S、Si對鑄鐵熔液表面張力的影響當前29頁，總共39頁。砂型與金屬液的潤濕性正面圖X-X截面圖當前30頁，總共39頁。拉普拉斯—揚方程式

當曲面是球面一部分時，r1=r2，則得到附加壓力與曲率半徑的關系式

rr當前31頁，總共39頁。當前32頁，總共39頁。當前33頁，總共39頁?！?-4半固態(tài)金屬的流變性及表觀粘度NewtonianIdealFluidIdealplasticNewtonianIdealFluidIdealplasticShearstressRateofdeformationdydv1牛頓流體：非牛頓流體粘度（表觀粘度）a＝Kn-1(-剪切速率,n-冪指數(shù)系數(shù)，K-稠密度)當前34頁，總共39頁。半固態(tài)流變性簡介半固態(tài)——指合金在液相線和固相線之間的狀態(tài)

液相固相半固態(tài)區(qū)液相+固相溫度TabcAlSiAl-Si合金的相圖ab——液相線ac——固相線當前35頁，總共39頁。半固態(tài)金屬的流變性——半固態(tài)金屬在流動、變形過程中的力學性質(zhì)。通常采用半固態(tài)金屬的表觀粘度來描述之。簡介當前36頁，總共39頁。流變性偽塑性Pseudo-plasticity半固態(tài)金屬的穩(wěn)態(tài)粘度隨剪切速率（攪拌速度）的增大而減小觸變性Thixotropy在剪切力作用下粘度連續(xù)降低，而停止剪切時粘度又逐漸恢復，這一過程與時間有關。放置不動時（形成結(jié)構(gòu)）粘度高粘度低用力攪動時（結(jié)構(gòu)被破壞）表觀粘度剪切速率當前37頁，總共39頁。液態(tài)壓鑄樹枝晶組織半固態(tài)壓鑄非枝晶組織（Mg-9%Al合金）（Mg-9%Al合金）

半固態(tài)鎂合金流變壓鑄成形技術

華中科技大學研究成果當