材料成型原理

材料成型原理1第一页，共五十二页，2022年，8月28日§1-1材料的固液转变1.物质的“三态”转变及相转变2第二页，共五十二页，2022年，8月28日水的“三态”与温度、压力的关系碳的“三态”与温度、压力的关系3第三页，共五十二页，2022年，8月28日2.金属从固态熔化为液态时的状态变化固态原子在平衡位置振动振动频率加快，振幅增大达到新的平衡位置，晶格常数变化超过原子激活能原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴离位原子达到某一数值加热加热加热金属由固态转变为液态体积膨胀，电阻、粘度发生变化温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸4第四页，共五十二页，2022年，8月28日表1几种金属的熔化潜热与气化潜热5第五页，共五十二页，2022年，8月28日

液态金属在结构上更像固态而不是气态，原子之间仍然具有很高的结合能。6第六页，共五十二页，2022年，8月28日l）组成：原子团、游离原子和空穴2）特征：“近程有序”、“远程无序”近程有序——相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性远程无序——不具备平移、对称性§1-2液态金属的结构7第七页，共五十二页，2022年，8月28日

原子间能量不均匀性，存在能量起伏原子团是时聚时散，此起彼伏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

分起伏三种起伏影响液态金属的凝固过程，对产品质量产生重要的影响微观特点：8第八页，共五十二页，2022年，8月28日液态金属结构示意图

9第九页，共五十二页，2022年，8月28日

金属由液态转变为固态的凝固过程，实质：

原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程

10第十页，共五十二页，2022年，8月28日§1-3液态金属的性质一、粘度（Viscosity）1.粘度的实质及影响因素液态金属是有粘性的流体流体在层界面上的质点相对另一层界面上质点作相对运动时，会产生摩擦阻力11第十一页，共五十二页，2022年，8月28日牛顿粘性定律12第十二页，共五十二页，2022年，8月28日0du/dyτ粘塑料流体假塑料流体胀塑料流体CBADA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系13第十三页，共五十二页，2022年，8月28日τ——平行于X方向作用于液体表面（X-Z面）的外加切应力VX——液体在X方向的运动速度dVX/dy——表示沿Y方向的速度梯度粘度定义：当相距1cm的两个平行液层间产生1cm/s的相对速度时，在界面1cm2面积上产生的摩擦力，称为粘滞系数或粘度14第十四页，共五十二页，2022年，8月28日液体粘度常用单位为Pa·S或

MPa·S粘度的物理意义：作用于液体表面的应力τ与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数粘度15第十五页，共五十二页，2022年，8月28日富林克尔表达式：粘度的本质：原子间的结合力kb——Bolzmann常数；U——原子离位激活能τ0——原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为10-13秒）δ——液体各原子层之间的间距16第十六页，共五十二页，2022年，8月28日影响粘度的因素（1）化学成分Fe-C合金的粘度Al-Si合金的粘度17第十七页，共五十二页，2022年，8月28日a）LiquidNib）LiquidCo液体的粘度与温度的关系（2）温度T（3）非金属夹杂物夹杂物18第十八页，共五十二页，2022年，8月28日2.粘度在材料成形中的作用（1）对液态金属净化的影响（除去夹杂和气泡）——Stokes公式杂质上浮速率19第十九页，共五十二页，2022年，8月28日流体流动的类型---层流及湍流（2）对液态合金流动阻力的影响雷诺实验

1883年英国物理学家OsboneReynolds20第二十页，共五十二页，2022年，8月28日层流：流体质点的运动轨迹光滑而有规则；各部分的分层流动互不掺混、扰动，流场是稳定的，整个流场呈一簇互相平行的流线特点：

*流体质点做直线运动；*流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；*流动阻力来源于层间粘性摩擦力。

(a)层流21第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日(b)过渡流(c)湍流湍流：与层流运动相反；是很粗糙的、不规则的混乱的、随机性的，流动流体质点做复杂无规则的运动（紊流）特点：主体做轴向运动，同时有径向脉动；流体质点的脉动。22第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日雷诺数（Reynolds）Re—流体流动状态的判据Re≤2300层流Re≥2300紊流层流：流动阻力大粘度大，流动阻力大材料成形过程中，金属液的流动方式为紊流23第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日动力粘度与运动粘度运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度ν——

适用于较大外力作用下的流体力学流动，由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略动力学粘度η——

在外力作用非常小的情况下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数η有关24第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日（3）对凝固过程中液态合金对流的影响粘度大，对流强度小25第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响

在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动性质属于层流。26第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日二、表面张力——液体的物性参数表面：液体或固态同空气或真空接触的界面1.表面张力的实质27第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日界面与表面的差别：界面泛指两相之间的交界面

表面专指液体或固体与气体或真空之间的界面，

确切的说，是指液体或固体在真空下的表面28第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日2.表面张力及其产生的原因表面张力是气/液界面现象，它的的大小与液相和气相的性质有关实质：物体倾向于减小其表面积而产生的力产生根源：表面层的分子或原子受力不均，质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各向相等的张力29第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日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由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表面能30第三十页，共五十二页，2022年，8月28日表面自由能：产生新的单位面积表面时系统自由能的增量表明：表面张力就是单位长度上的力负号:由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功31第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日表面能及表面张力区别：1）从不同角度描述同一表面现象，大小相等2）不同的物理概念，单位不同，表面张力的单位为力/距离（如N/m），表面能的单位为能量/面积（如J/m2）表面能或表面张力是界面能或界面张力的特例32第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日润湿角——衡量界面张力的标志杨氏方程式33第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日

润湿现象>90o<90o=0o=180oAbsolutewettingNowettingGoodwettingBadwetting34第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日

例如：水银与玻璃间及金属液与SiO2间，由于两者难以结合，所以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角就很小。35第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日影响表面张力的因素1）熔点熔点、沸点2）温度

T3）溶质元素表面张力结合力表面张力溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类：36第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日两类溶质：A.使液态金属表面张力降低

→溶质对该金属称为液态金属的表面活性元素

→具有正吸附作用

→溶质在表面之浓度大于溶质在内部的浓度；B.使液态金属表面张力增加

→溶质对该金属称为液态金属的非表面活性元素

→具有负吸附作用

→溶质在表面之浓度小于溶质在内部的浓度。活性和非活性物质必须是指某种溶质对某种金属而言。

37第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日毛细现象3.表面张力在材料成形中的意义拉普拉斯（Laplace）方程

任意曲面：曲面是球面：r1=r2

由于表面张力的作用产生了一个附加压力Δp38第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日<90o，液体润湿管壁>90o，液体不润湿管壁39第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日当固一液互相润湿时，Δp有利于液体的充填，否则反之。表明:

→半径越小，附加压力越大，

→凸面液体（如液珠）r0，附加压力Δp为正；

→凹面液体（如液体中的气泡）r0，附加压力Δp为负；

→平面液体r=∞，附加压力Δp=0。40第四十页，共五十二页，2022年，8月28日浮在水面的白天鹅41第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日天鹅羽根的模型(b)微观模型(a)宏观模型42第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日半固态——指合金在液相线和固相线之间的状态

液相固相半固态区液相+固相温度TabcAlSiAl-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半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。43第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日☆铸造产品中的很多缺陷如:热裂纹、缩孔等产生于凝固过程中的半固态阶段☆强烈搅拌正在凝固的金属，可得到具有近球状晶粒结构的半固态金属这种半固态金属可用于金属零部件的成形加工

44第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日流变铸造的发展→液态金属冷却到液/固两相区后，液态金属就开始结晶。→通过对液态金属的连续搅拌，迫使枝晶破碎而维持固相质点尺寸在100-200μm左右，→随着冷却散热不断增多，形成一种可以流动的半固态金属浆料。→浆料中固体组分所占比例较低时，粘度较低；随着固体组分的增加，粘度逐渐增加。45第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日→当固体组分达50%时，如果停止搅拌，粘度可达106Pa·s。→这样高粘度的半固态金属，就像固体一样可以搬运。→当它被剪切时，其粘度迅速下降，仍能保持流动的特性，可象粘性液体一样以极低的粘度进行成形加工。★把这种半固态金属浆料直接铸成锭或在压力下制成铸件，称为流变铸造。46第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日

流变铸造是金属或合金在凝固温度区间给于强烈的搅拌，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（