考研華科材料人網(wǎng)一章

1材料成型理論基礎(chǔ)液態(tài)成形理論基礎(chǔ)蔡啟舟(Tel:Email:)2009.092引言Introduction(1)什么是材料成形(材料加工)材料——是可以直接制造成產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料成形(材料加工)——通過改變和控制材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，將材料制造成為人類社會所需要的各種零部件和產(chǎn)品的過程。3材料成形的分類熱加工成形——液態(tài)成形、塑性成形、連接成形、粉末成形、熱處理改性、表面加工等。這類成形不只是賦予材料的一定形狀、尺寸和表面狀態(tài)，而且決定材料變成產(chǎn)品后的組織和性能。冷加工成形——傳統(tǒng)的車、銑、鏜、刨、磨等，以及直接利用電能、聲能、化學(xué)能、光能等進(jìn)行的特殊加工，如電火花加工、電解加工、超聲波加工、激光加工等。這類成形主要是賦予材料一定的形狀、尺寸和表面狀態(tài)，尤其是尺寸精度和表面粗糙度，而一般不改變材料內(nèi)部組織和性能。材料成形在人類歷史進(jìn)程中起著重要的作用，材料加工技術(shù)的進(jìn)步是人類社會文明發(fā)展的標(biāo)志，是強(qiáng)盛國力和現(xiàn)代國防的保證，是提高人民生活水平的技術(shù)基礎(chǔ)。4(2)液態(tài)成形的特點(diǎn)液態(tài)成形(鑄造)是發(fā)展最早，也是最基本的金屬加工方法。幾乎一切金屬制品均經(jīng)歷過熔化和鑄造成形的過程:連接成形(熔化焊、激光焊)；塑性成形(坯料是經(jīng)過熔化和凝固而獲得的)；粉末冶金(粉末是經(jīng)熔化和凝固而成的)；金屬切削成形(坯料是熔化和凝固后的產(chǎn)品)。液態(tài)成形加工方法的適用范圍極廣，幾乎可以用它制造任何大小尺寸和復(fù)雜程度的產(chǎn)品：

幾克的金屬假牙幾百噸的大型水輪機(jī)的葉輪、軋鋼機(jī)機(jī)架汽車發(fā)動機(jī)的缸體缸蓋5液態(tài)成形方法現(xiàn)在已經(jīng)從金屬成形發(fā)展到適用各種材料，金字旁的鑄字已經(jīng)不限于鑄造金屬，還可以鑄造陶瓷、有機(jī)高分子材料、復(fù)合材料等幾乎所有的工程材料。液態(tài)成形的另一個特點(diǎn)是，它是一種材料制備和成形一體化技術(shù)。不僅可以通過合金成分的選擇、熔體的改性處理和鑄造方法以及工藝的優(yōu)化來改進(jìn)鑄件的性能，還是新材料開發(fā)的重要手段。單晶材料和非晶材料等新材料的獲得均離不開鑄造方法。6(4)凝固學(xué)的研究對象凝固宏觀：物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程稱為凝固。微觀：是激烈運(yùn)動的液體原子回復(fù)到規(guī)則排列的過程稱為凝固。凝固現(xiàn)象在自然界和工程領(lǐng)域廣為存在。從水的結(jié)冰到火山巖漿的固化：從材料的成形如液態(tài)成形(鑄造)、焊接成形和激光處理等材料加工技術(shù)，到半導(dǎo)體、功能材料及微晶、非晶等新材料的研制，都經(jīng)歷凝固過程。人類使用的大部分金屬制品必須經(jīng)歷過一次或多次的熔化和凝固過程。①凝固現(xiàn)象的廣泛性7液態(tài)金屬凝固學(xué)就是研究液態(tài)金屬(合金)轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬(合金)這一凝固過程的理論及技術(shù)，定性地特別是定量地揭示其內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，探求未知參數(shù)，開拓新的凝固技術(shù)和工藝。凝固學(xué)不僅是材料成形技術(shù)的基礎(chǔ)，同時也是近代新型材料開拓和制備曲基礎(chǔ)。液態(tài)金屬凝固學(xué)的理論基礎(chǔ)是物理化學(xué)、金屬學(xué)、傳熱學(xué)、傳質(zhì)學(xué)和動量傳輸學(xué)等，在此基礎(chǔ)上，闡述液態(tài)金后的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、晶體的生核及長大、宏觀組織及其控制等內(nèi)容。②凝固學(xué)的研究對象8液體金屬的性質(zhì)晶體的生核和長大——凝固熱力學(xué)及動力學(xué)凝固過程中的“三傳”(熱量、質(zhì)量和動量傳輸)具體合金的結(jié)晶方式——單相結(jié)晶、共晶、偏晶、包晶零件的組織控制、缺陷防止

（氣孔、夾雜、縮孔、縮松、成分偏析）③第一篇研究(學(xué)習(xí))的主要內(nèi)容9本課程著重闡述現(xiàn)代材料加工過程中的物理冶金、化學(xué)冶金和力學(xué)冶金以及動量傳輸、熱量傳輸和質(zhì)量傳輸現(xiàn)象，通過論述工程材料在各種成形過程（液態(tài)成形、塑性成形、連接成形等）中所表現(xiàn)出的共性現(xiàn)象，揭示現(xiàn)代材料加工技術(shù)的內(nèi)在規(guī)律和物理本質(zhì)，使學(xué)生掌握現(xiàn)代材料加工方法的實(shí)質(zhì)，為解決材料加工過程中的技術(shù)問題和發(fā)展新的材料加工方法奠定理論基礎(chǔ)。(5)本課程的重要性一級學(xué)科：材料科學(xué)與工程二級學(xué)科：材料物理與化學(xué)、材料學(xué)、材料加工工程材料成形屬于材料加工工程研究的范圍，材料成形與材料學(xué)及材料物理與化學(xué)的關(guān)系極為密切。材料的結(jié)構(gòu)與性能對材料成形過程有十分重要的影響。10本課程的特點(diǎn)：討論現(xiàn)代材料成形過程中的主要工藝方法和過程所涉及到的物理現(xiàn)象及其基本原理，不涉及具體的加工工藝和相關(guān)的參數(shù)。由于材料成形方法繁多，新的加工方法也不斷涌現(xiàn)，本課程沒有也不可能全部包容，但是，不論是現(xiàn)有的，還是將要發(fā)展的材料加工技術(shù)，都將遵循材料科學(xué)與工程所揭示的基本規(guī)律。只要正確認(rèn)識這些規(guī)律，就能夠把握材料加工的實(shí)質(zhì)，解決材料加工過程中所出現(xiàn)的問題，而且還可以發(fā)展新的加工技術(shù)，以滿足不斷增長的社會需要。以金屬材料加工原理為主，兼顧非金屬材料加工。力求打破材料加工專業(yè)界限，拓寬知識領(lǐng)域。11第一章液體金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)（StructureandPropertyofLiquidMetal)12第一節(jié)材料的固液轉(zhuǎn)變原子間的作用力加熱時原子間距的變化隨溫度的上升，原子的熱運(yùn)動加劇，若其獲得的動能大于激活能Q(結(jié)合能或鍵能)時，原子就能越過原來的勢壘，晶體比原先尺寸增大，即晶體受熱而膨脹。13若對晶體進(jìn)一步加熱，金屬處于熔化狀態(tài)。金屬被進(jìn)一步加熱，其溫度不會進(jìn)一步升高，金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。金屬由固態(tài)變成液態(tài)，體積膨脹約3~5％。而且，金屬的其他性質(zhì)，如電阻、粘性也會發(fā)生突變。在熔點(diǎn)溫度的固態(tài)變?yōu)橥瑴囟鹊囊簯B(tài)時，金屬要吸收大量的熱量，稱為熔化潛熱。外界所供給的潛熱，除使體積膨脹作功外，還增加體系的內(nèi)能，在恒壓下：Eq:外界提供的熱能；U為內(nèi)能；pdV為膨脹功；dH熱焓的變化(熔化潛熱)。在等溫條件下，熵值的增量為：141.物理性質(zhì)變化體積只膨脹3~5％，即原子間距平均只增大1~1.5％熔化潛熱只占?xì)饣瘽摕岬?~7％。第二節(jié)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與分析15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。從以上兩表中幾個熱物理參數(shù)的變化情況，可間接地說明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)接近固態(tài)金屬而遠(yuǎn)離氣態(tài)金屬。16橫坐標(biāo)r為觀測點(diǎn)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(dāng)于以所選原子為球心的一系列球體的半徑。縱坐標(biāo)表示當(dāng)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)。2.X射線衍射分析1——實(shí)際液態(tài)鋁原子分布2——理想液態(tài)鋁原子分布3——固態(tài)鋁原子分17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(diǎn)陣常數(shù)）的垂線，每一條垂線都有確定的位置r和峰值。

固態(tài)金屬1——實(shí)際液態(tài)鋁原子分布2——理想液態(tài)鋁原子分布3——固態(tài)鋁原子分18

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(yùn)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(yīng)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。1——實(shí)際液態(tài)鋁原子分布2——理想液態(tài)鋁原子分布3——固態(tài)鋁原子分019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(dāng)。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(dāng)它與所選原子相距太遠(yuǎn)的距離時,原子排列進(jìn)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。

1——實(shí)際液態(tài)鋁原子分布2——理想液態(tài)鋁原子分布3——固態(tài)鋁原子分20X射線衍射所得液態(tài)和固態(tài)金屬結(jié)構(gòu)參數(shù)21l）組成：液態(tài)金屬是由原子集團(tuán)、游動原子、空穴或裂紋組成。2）特征：“近程有序”、“遠(yuǎn)程無序”原子間能量不均勻性，存在能量起伏。

原子團(tuán)是時聚時散，存在結(jié)構(gòu)起伏。

同一種元素在不同原子團(tuán)中的分布量，存在成分起伏。3.液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)22一、液態(tài)金屬的粘度第三節(jié)液態(tài)金屬的性質(zhì)粘度就是介質(zhì)中一部分質(zhì)點(diǎn)對另一部分質(zhì)點(diǎn)作相對運(yùn)動時所受到的阻力，妨礙液體金屬流動的內(nèi)摩擦阻力即為粘度。從純物理意義上說：粘度是流動性的倒數(shù)。

當(dāng)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。1.粘度的實(shí)質(zhì)和影響因素23設(shè)Y方向的速度梯度為dvx/dy，根據(jù)牛頓液體粘滯定律，得：η為動力粘度；A為液層接觸面積24富林克爾在關(guān)于液體結(jié)構(gòu)的理論中，對粘度作了數(shù)學(xué)處理，表達(dá)式為：t0—原子在平衡位置的振動時間；kB—Boltzmann常數(shù)；T—絕對溫度；δ—相鄰原子平衡位置間的平均距離；U—原子移動的激活能25粘度與原子離位激活能U成正比，與其平均距離的三次方成反比，這二者都與原子間的結(jié)合力有關(guān)，因此粘度本質(zhì)上是原子間的結(jié)合力。粘度與溫度的關(guān)系為：在溫度不太高時，η與T成反比。當(dāng)溫度很高時，η與T成正比。夾雜物及合金元素等對粘度也有影響。材料成形過程中的液態(tài)金屬（合金）一般要進(jìn)行各種冶金處理，如孕育、變質(zhì)、凈化處理等對粘度也有顯著影響。如鋁硅合金進(jìn)行變質(zhì)處理后細(xì)化了初生硅或共晶硅，從而使粘度降低。262.粘度在材料成形過程中的意義液態(tài)金屬中往往含有氣泡或其它非金屬夾雜物，如在金屬澆入鑄型或凝固以前，不能排除而保留在鑄件內(nèi)，就會影響鑄件質(zhì)量。粘度對非金屬夾雜物的上浮或下沉影響很大。上浮或下沉速度可用Stokes定律計算。根據(jù)Stokes實(shí)驗(yàn)，粘性液體對于半徑小于0.1mm的球體沉浮時的阻力為：如小球的密度小于液體密度，受浮力作用而上浮，其運(yùn)動的力為所受浮力與本身重力之差，即：(1)對液態(tài)金屬凈化的影響27雜質(zhì)勻速運(yùn)動時：P＝Pc雜質(zhì)上浮的速度著名的Stokes公式28(2)對合金流動阻力的影響流體的流動分層流和紊流，根據(jù)流體力學(xué)，Re＞2300為紊流，Re＜2300為層流。Re的數(shù)學(xué)式為：設(shè)f為流體流動時的阻力系數(shù)，則有：29當(dāng)液體以層流方式流動時，阻力系數(shù)大，流動阻力大。在材料成形過程中金屬液體的流動，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(bǔ)縮流和細(xì)薄鑄件中，則呈現(xiàn)為層流?？傊?，液態(tài)合金的粘度大其流動阻力也大。30(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(dāng)浮力大于或等于粘滯力時則產(chǎn)生對流，其對流強(qiáng)度由無量綱的格拉曉夫準(zhǔn)則度量，即：可見粘度η越大對流強(qiáng)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。

溫度濃度31二、表面張力表面張力是由于液體金屬本身質(zhì)點(diǎn)間的作用力和表面質(zhì)點(diǎn)與相鄰相之質(zhì)點(diǎn)間的作用力不同而引起的。表面張力的大小既與液體本身性質(zhì)有關(guān)，又和與它相接觸的相的性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)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，即1.表面張力的實(shí)質(zhì)表面張力和表面能大小相等，只是單位不同，體現(xiàn)為從不同的角度來描述同一現(xiàn)象。32從廣義而言，任一兩相（固一固、固一液、固一氣、液一氣、液一液）的交界面稱為界面，就出現(xiàn)了界面張力、界面自由能。因此，表面能或表面張力是界面能或界面張力的一個特例。潤濕角是衡量界面張力的標(biāo)志，θ為潤濕角。界面張力達(dá)到平衡時，存在下面的關(guān)系θ<90°潤濕，θ>90°不潤濕θ=0°絕對潤濕，θ=180°絕對不潤濕332.影響表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(diǎn)、溫度和溶質(zhì)元素。(1)熔點(diǎn)

界面張力的實(shí)質(zhì)是質(zhì)點(diǎn)間的作用力，故原子間結(jié)合力大的物質(zhì)，其熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，則表面張力往往就大。34(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(diǎn)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(fù)吸附元素。353.表面或界面張力在材料成形過程中的意義Laplace公式：對于任意形狀的彎曲液面，附加壓力可用下式表示因表面張力而產(chǎn)生的曲面為球面時，r1=r2=r36由于表面張力的作用產(chǎn)生了一個附加壓力p。當(dāng)固一液互相潤濕時，p有利于液體的充填，否則反之。附加壓力與管道半徑成反比。當(dāng)r很小時將產(chǎn)生很大的附加壓力，這對液態(tài)成形（鑄造）過程液態(tài)合金的充型性能和鑄件表面質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。澆注薄小鑄件時必須提高澆注溫度和壓力，以克服附加壓力的阻礙。鑄型或涂料材料應(yīng)選擇與液態(tài)合金不潤濕的，通過產(chǎn)生阻礙液態(tài)合金滲入的附加壓力，從而使鑄件表面得以光潔。界面現(xiàn)象影響到液態(tài)成形的整個過程。晶體成核及生長(球化）、縮松、熱裂、夾雜及氣泡等鑄造缺陷都與界面張力關(guān)系密切。37第四節(jié)半固態(tài)金屬的流變性及表觀粘度合金液在熔點(diǎn)以上過熱溫度較高時，即澆注前或澆注過程中，可視為牛頓粘性體，合金液的粘性對充型性，夾雜物及氣體的排除有重要影響。在凝固溫度范圍內(nèi)，當(dāng)合金液析出20%(體積分?jǐn)?shù))的晶體時，合金已如同固體般不能流動，枝晶間的補(bǔ)縮很困難，這是鑄件或材料產(chǎn)生縮松的根源，長期得不到解決。對于像鋼錠等型材產(chǎn)品，可采用鍛造的再加工方法以消除縮松，而對于鑄件則難以彌合。38所謂流變鑄造是金屬或合金在凝固溫度區(qū)間給以強(qiáng)烈的攪拌，使晶體的生長形態(tài)發(fā)生變化，由本