金屬成型原理

金屬液態(tài)到固態(tài)的現(xiàn)象：結(jié)晶，溶溶質(zhì)的傳遞，凝固，晶體長大，氣體析出，氣孔的形成，非金屬雜質(zhì)形成夾渣金屬體積的變化鑄件凝固方式:逐層凝固方式（隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，逐步到達鑄件中心），體積凝固方式（鑄件凝固的某一段時間內(nèi)，其凝固區(qū)域在某一時刻貫穿整個鑄件斷面是，則在凝固區(qū)域里既有已結(jié)晶的晶體也有未凝固的液體），中間凝固方式（鑄件斷面溫度梯度較大，鑄件斷面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谇懊娑咧g）：什么是溶質(zhì)再分配及其影響P43溶質(zhì)再分配：從形核開始知道結(jié)晶完畢，在整個過程中，固、液兩相內(nèi)部將不斷進行著溶質(zhì)元素的重新分布的過程。影響：對結(jié)晶過程影響宏觀及微觀成分偏析現(xiàn)象、晶體的生長形態(tài)、組織分布及氣孔、裂紋、縮松縮孔等諸多方面，從一定程度上決定了合金材料的各種性能。研究鑄件溫度場的方法：實測法，數(shù)學解析法，數(shù)值模擬法。過冷的兩種方式熱過冷僅由熔體實際溫度分布所決定的過冷狀態(tài)。成分過冷由溶質(zhì)再分配導致界面前方熔體成分及其凝固溫度發(fā)生變化而引起的過冷。熱過冷和成分過冷之間的根本區(qū)別是前者僅受傳熱過程控制，后者則同時受傳熱過程和傳質(zhì)過程制約。在晶體生長過程中，界面前方的熱過冷只不過是成分過冷在C0=0時的一個特例，兩者在本質(zhì)上是一致的。它們對晶體生長過程的影響也相同。充型的影響及因素充型能力：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整，輪廓清晰的鑄件的能力。液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流動能力（流動性）同時又受外界條件，如鑄型性質(zhì)，澆注條件，鑄件結(jié)構(gòu)等的影響。流動性：鑄造性能之一，與金屬的成分、溫度、雜質(zhì)含量及其物理性質(zhì)有關。充型的影響1＞、影響金屬與鑄型之間的熱交換，而改變金屬液流動的時間2＞、影響金屬液在鑄型中的水力學條件，而改變金屬液的流動充型的影響因素及改善措施a金屬性質(zhì)方面因素（1）合金的化學成分（2）結(jié)晶潛熱（3）金屬的熱物理性能（4）黏度（5）表面張力措施：（1）正確選擇合金成分（2）合理的熔煉工藝b鑄型性質(zhì)方面的因素（1）鑄型的蓄熱系數(shù)（2）鑄型的溫度（3）鑄型中的氣體（少）c澆注條件方面的因素（1）澆注溫度（高）（2）充型壓頭（增加金屬液靜壓頭）（3）澆澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（復雜越差）d鑄件結(jié)構(gòu)方面因素折算厚度（大）和復雜程度（簡單）三種起伏分別是：能量起伏、結(jié)構(gòu)起伏及濃度起伏什么叫液態(tài)成型：是將熔化成液態(tài)的金屬澆入鑄型后一次制成需要形狀和性能的零件。什么叫偏析、為什么會產(chǎn)生偏析偏析：合金在凝固過程中發(fā)生的化學成分不均勻的現(xiàn)象。分類：微觀偏析，分為胞裝偏析、枝晶偏析和晶界偏析宏觀偏析，正偏析、逆偏析和密度偏析。晶界偏析的危害要高于晶內(nèi)偏析，容易引起熱裂產(chǎn)生，降低合金塑性，必須予以防止。采取均勻化退火。10.影響粘度的因素：溫度、熔點、夾雜11主應力法：是金屬塑性成形中求解變形力的一種近似解的方法?；疽c如下：（1）根據(jù)實際變形區(qū)情況，將問題簡化為平面問題或軸對稱問題，并選用相應的坐標系（2）根據(jù)變形時金屬流動的方向，沿變形整個截面切取一個包含接觸面在內(nèi)的基元體，且設作用于該基元體上的正應力為均勻分布的主應力，接觸面上的摩擦力用于庫倫摩擦條件或常摩擦條件表示。（3）應用簡化的塑性條件，既假定接觸面上的正應力為主應力，忽略了摩擦力對塑性條件的影響（4）聯(lián)立求解簡化的平衡方程和塑性條件，并利用邊界條件確定積分常數(shù)，求得接觸面上的應力分布，進而求解變形力平?jīng)_頭壓入半無限體問題應力偏張量應力莫爾圓盈利莫爾圓：是點應力狀態(tài)的一種幾何表達。溶質(zhì)再分配：從形核開始知道結(jié)晶完畢，在整個過程中，固、液兩相內(nèi)部將不斷進行著溶質(zhì)元素的重新分布的過程。平衡結(jié)晶：結(jié)晶過程中，固、液兩相都能通過充分傳質(zhì)而使成分完全均勻并完全達到平衡相圖對應溫度的平衡成分。非平衡結(jié)晶：如果在單相合金的結(jié)晶過程中，固、液兩相的均勻化來不及通過傳質(zhì)而充分進行，則除界面處能處于局部平衡狀態(tài)外，兩相平均成分勢必要偏離平衡圖所確定的數(shù)值。15..表面張力是表面上存在的一個平行于表面且各向大小相等的張力。本質(zhì)：表面張力是由于物質(zhì)在表面上的質(zhì)點受力不均勻而產(chǎn)生的。影響界面張力的因素：熔點f，溫度I，溶質(zhì)（降低的稱為表面活性物質(zhì)，增加的稱為非表面活性物質(zhì)）。形核：亞穩(wěn)定的液態(tài)金屬通過起伏作用在某些微觀區(qū)域內(nèi)形成穩(wěn)定的晶態(tài)小質(zhì)點的過程。形核的首要條件是體系必須處于亞冷態(tài)，即存在一定過冷度，以提供相變驅(qū)動力，其次需要克服熱力學能障形成穩(wěn)定存在的晶核并保證其進一步生長。均質(zhì)形核：是在沒有任何外來界面的均勻熔體中的形核過程，也稱自發(fā)形核。只有大于臨界半徑的晶胚才能作為晶核穩(wěn)定存在，此時的晶胚稱為臨界晶胚。對于均質(zhì)形核過程，臨界晶核由過冷熔體中的相起伏提供，而臨界形核功由能量起伏提供。非均質(zhì)形核：在不均勻的熔體中依靠外來雜質(zhì)或型壁界面提供的襯底進行形核的過程，也稱異質(zhì)形核或非自發(fā)形核。晶體生長：是液相中原子不斷向晶體表面堆砌的過程，即固液界面不斷地像液相中推移的過程。驅(qū)動力是體積自由能差值AGV，大小取決于界面溫度和合金成分。晶體的生長主要受界面生長動力學過程，傳熱過程，傳質(zhì)過程三方面的影響。過冷度大小是由界面附近的溫度條件和成分條件決定。由于這種生長機理的界面原子遷移速度較高，故晶體的生長速度最后將由傳熱過程或傳質(zhì)過程決定。氣體元素在金屬中可以以固溶體，化合物以及氣態(tài)等三種形態(tài)存在。氣體析出：（1）擴散逸出（難以實現(xiàn)）（2）與金屬內(nèi)的某元素形成化合物（3）以氣泡的形式從液態(tài)金屬中逸出（通過氣泡的生核長大和上浮過程完成）等影響氣體因素：（1）金屬液原始含氣量C0,C0過高，凝固前沿的液相能較早析出氣泡，形狀接近團球形。C0不高時，就依附縮孔較遲析出。（2）冷卻速度，冷卻速度越快，凝固區(qū)域越小，枝晶不易封閉液相，氣體來不及擴散，氣孔不易形成。（3）合金成分，不同成分的合金，原始含氣量C0、分配系數(shù)k0,擴散系數(shù)DL以及合金收縮大小和凝固區(qū)域各不相同。K0越小，合金液收縮越大，結(jié)晶溫度范圍越大的合金，容易產(chǎn)生氣孔和氣縮孔。（4）氣體性質(zhì)，氣體的擴散系數(shù)DL大擴散速度越快，則容易析出，不易產(chǎn)生氣孔。防止析出性氣孔的措施：（1）減少金屬液的吸氣量，采取烘干、除濕等措施，防止爐料、空氣、鑄型、澆包等方面的氣體進入金屬液。（2）對金屬液進行除氣處理，常用方法①浮游去氣，向金屬液中吹入不溶于金屬的氣體②氧化去氣，對能溶解氧的金屬液，可先吹氧去氫，再脫氧（3）阻止金屬液中氣體析出提高鑄件冷卻速度，如金屬型鑄造等方法，提高鑄件凝固的外壓，如密封加壓等方法（4）型（芯）砂處理減少砂型（芯）在澆注時的發(fā)氣量，使?jié)沧r產(chǎn)生的氣體容易從砂型（芯）中排除，例如多扎排氣孔，使用薄壁或空心和中間填焦炭快的砂芯等方法。塑性變形主要通過滑移和孿生與滑移比攣生的特點1＞攣生也是一種純的切變與滑移相同2攣生切變是一種均勻的切變，滑移屬于不均勻的切變，切變集中在滑移平面上3攣生切變結(jié)果雖不是均勻晶格類型，但發(fā)生了一部分勁歌轉(zhuǎn)動，而滑移不發(fā)生晶轉(zhuǎn)4滑移除了不全位錯運動會在滑移面上造成層錯外，一般滑移面上不留下痕跡，發(fā)生攣生后，晶格內(nèi)部將出現(xiàn)攣晶和攣晶界5攣晶形成時，往往需要較高的應力，一旦產(chǎn)生攣生切變后，其速度很快隨著在和下降，新的攣生有需要較高應力，攣生拉伸曲線為鋸齒形的變化21.晶體缺陷：點缺陷（空位），位錯（刃型位錯和螺型位錯），面缺陷（1堆垛層錯是在原子的堆積次序中出現(xiàn)了錯排2晶界3亞晶粒及亞晶界）柏氏矢量：為了描述晶體中位錯線附近原子錯排情況或晶格畸變情況刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直，螺型位錯柏氏矢量平行與位錯線23位錯的運動1、為錯的滑移：位錯線沿著滑移面，位錯移動方向垂直柏氏矢量2、為錯的攀移：位錯線垂直于滑移面3、位錯交割：刃+刃-割階-各自移動刃+螺-刃割。位錯線繼滑移螺+螺-不動的位錯4、交滑移5、位錯塞積多晶體變形方式晶內(nèi)變形：主要方式：滑移和攣生晶間變形：晶粒間的轉(zhuǎn)動和移動----晶間聯(lián)系破壞------顯微裂紋加工硬化：在金屬冷塑性變形過程中，金屬變形抗力不斷提高的現(xiàn)象消除方法：退火靜態(tài)回復：如果升高溫度，由于原子動能的增加，就會產(chǎn)生向穩(wěn)定狀態(tài)的改變降低了儲蓄能主要運動：點缺陷的運動和點缺陷的互相結(jié)合應用：消除應力退火，提高抗腐蝕能力靜態(tài)在結(jié)晶：當金屬加熱至高溫時，將形成位錯密度很低的新晶體，這些新的晶粒不斷增加和擴大，逐漸全部取代已變形的高位錯密度的晶體金屬塑性：指固體材料在外力作用下發(fā)生永久變形而又不破壞其完整性的能力影響金屬塑性的因素：晶格類型，化學成分，組織結(jié)構(gòu)，變形溫度和速度，受力狀況應力狀態(tài)對塑性的影響主應力圖中壓應力個數(shù)越多，數(shù)值越大，凈水壓力越大，金屬塑性越好。原因：1，拉應力促進晶間變形，加速境界破壞，壓應力反之，隨三向壓縮作用的增強，晶間變形愈加困難，從而提高金屬塑性。壓應力有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形引起的各種微觀破壞，而拉應力則相反，它促使各種破壞發(fā)展、擴大。三向壓應力能抵消由于變形不均勻所引起的附加應力提高金屬塑性的途徑1，提高材料成分與組織的均勻性2，合理選擇變形溫度和變形速度合理選擇變形方式增量理論：（流動理論）描述材料處于塑性狀態(tài)時，應力與應變增量或應變速率之間的關系理論全量理論：在校塑性變形和大塑性變形滿足簡單加載的情況下，應力主軸和全量應變主軸重合，應力和應變之間存在著單值對應關系簡單加載：在加載過程中物體內(nèi)任一點的各應力分量按同一比例增加按摩擦性質(zhì)分類：干摩擦，流體摩擦，邊界摩擦庫倫摩擦力條件（）最大摩擦力條件（）摩擦不變條件（）摩擦系數(shù)影響因素：1金屬種類和化學成分2工具表面狀態(tài)3變形溫度4結(jié)仇面上單位壓力5變形速度摩擦系數(shù)的測定方法：1夾鉗--軋制法2圓環(huán)鐓粗法塑性成型常用的潤滑劑：液體潤滑劑和固體潤滑劑鑄件宏觀結(jié)晶組織的形成及其影響因素鑄件的結(jié)晶組織宏觀：鑄態(tài)晶粒的形態(tài)、大小、取向和分布等情況微觀：晶粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形態(tài)、共晶團內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)形態(tài)、及這些結(jié)構(gòu)形態(tài)的細化程度鑄件的宏觀組織的特征：表面細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、內(nèi)部等軸晶區(qū)表面細晶區(qū)：當液態(tài)金屬澆入溫度較低的鑄型中時，型壁附近熔體受到強烈的激冷而大量生核。這些晶核過冷熔體中迅速生長并互相抑制，從而形成無方向性的的表面細等軸晶區(qū)組織。柱狀晶區(qū)：由表面細晶區(qū)發(fā)展而成，處于凝固界面前沿的晶粒在垂直型壁的單向熱流的作用下，便以枝晶狀單向延伸生長，且優(yōu)先向內(nèi)伸展并抑制相鄰枝晶生長。內(nèi)部等軸晶區(qū)：由于前沿液體散熱困難，冷速變慢，而且熔液溫差減小，阻止了柱狀晶的生長，當整個熔液溫度降至熔點以下時，熔液中出現(xiàn)許多晶核并沿各個方向長大，就形成內(nèi)部等軸晶區(qū)晶粒游離的產(chǎn)生液態(tài)金屬的流動產(chǎn)生直接過冷熔體中的非均質(zhì)生核產(chǎn)生型壁晶粒的脫落形成枝晶熔斷和增殖引起液面晶粒沉積引起提高晶粒游離的工藝措施：降低澆注溫度、強化液流對型壁沖刷、合理控制冷卻條件縮頸的形成：晶粒的生長過程中，引起前沿液態(tài)金屬凝固點降低而使實際過冷度減小且溶質(zhì)偏析越大，實際過冷度越小，生長越慢。由于晶體根部靠近型壁，偏析最嚴重，生長受到強烈抑制，而遠離根部的其他位置由于溶質(zhì)易于均化，生長較快。因而產(chǎn)生根部縮頸。由于根部縮頸易于被液流卷入而產(chǎn)生游離。故有利于晶粒游離。等軸晶組織的特點：晶界面積大，雜質(zhì)和缺陷分布比較分散，位向不同，故性能均勻而穩(wěn)定沒有方向性，枝晶比較發(fā)達。顯微縮松較多，凝固后組織不夠致密。等軸晶的獲得和細化：影響因素：金屬性質(zhì)（寬結(jié)晶范圍、小溫度梯度、溶質(zhì)含量越高）、澆注條件（低溫澆注和采用合理澆注工藝）鑄型性質(zhì)和鑄件結(jié)構(gòu)一：合理控制熱學條件（1）低溫澆注和采用合理澆注工藝（多孔澆注）（2）合理控制冷卻條件薄壁件：使用冷卻能力強的鑄型厚壁件：使用冷卻能力小的鑄型確保等軸晶形成，同時采用細化晶粒的措施。二：孕育處理（向液態(tài)金屬中添加少量物質(zhì)達到細化晶粒、改善組織的方法）孕育主要是影響生核過程和促進晶粒游離以細化晶粒變質(zhì)是改變晶體的生長機理，從而影響晶體形貌三：動態(tài)晶粒細化方法：（1）機械振動（2）超聲波（3）攪拌（4）流變鑄造形核劑作用機理：1直接作為外加晶核；2與液相中某些元素組成較穩(wěn)定的化合物且欲細化相有界面共格對應關系3在液相中造成很大的微區(qū)富集而迫使結(jié)晶提前彌散析出孕育工藝保證孕育劑均與溶解前提，