材料成形原理华科

第一篇液态成形理论基础第一章液态成形理论基础第二章液态成形中的流动和传热第三章液态金属的凝固形核及生长方式第四章单相合金与多相合金的凝固第五章铸件凝固组织的形成与控制第六章特殊条件下的凝固当前1页，总共39页。第一章液体金属的结构和性质

凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。主要研究对象——液体金属液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金属这一过程的理论和技术。§1-1材料的固液转变当前2页，总共39页。凝固现象的广泛性：自然界的物质通常存在三种状态，即气态、液态和固态。在一定的条件下，物质可以在三种状态之间转变。物质从液态转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观上的定义。从微观上看，可以定义为物质原子或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。当前3页，总共39页。水凝结成雪花晶体当前4页，总共39页。*SchematicofthermoplasticInjectionmoldingmachine塑料注射成型后的凝固当前5页，总共39页。液体金属（钢水）浇注后凝固成固体金属当前6页，总共39页。材料的固液转变H2O的“三态”转变图1-2

H2O的压力－温度相图当前7页，总共39页。固态金属按原子聚集形态分为晶体与非晶体。晶体凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。单晶体在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体多晶体大多数金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。

在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为1013次/s。当前8页，总共39页。液态金属

液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕着平衡结点位置进行振动，但振动的能量和频率要比固态原子高几百万倍。液态金属宏观上呈正电性，具有良好导电、导热和流动性。

固体可以是非晶体也可以是晶体，而液态金属则几乎总是非晶体。当前9页，总共39页。液态金属的热物理性质1.体积变化金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加3%～5%。即原子间距平均只增大1%～1.5％，这说明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有一定的规律性。2．潜热熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1当前10页，总共39页。表1-1一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化当前11页，总共39页。金属由固态变成液态时，原子结合键只破坏一个很小的百分数，只不过它的熔化熵相对于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中原子热运动的混乱程度，与固态相比有所增大。当前12页，总共39页。§2-2液态金属的结构与分析金属由熔点温度的固态变为同温度的液态比其从室温加热至熔点的熵变要小。熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。金属由固态变为液态熵值增加不大，说明原子在固态时的规则排列熔化后紊乱程度不大。这也间接说明液态金属的结构应接近固体金属而远离气态金属。原子之间仍然具有很高的结合能。当前13页，总共39页。液态金属的结构１）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。２）特征：“近程有序”、“远程无序”原子间能量不均匀性，存在能量起伏。原子团是时聚时散，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。液态金属结构示意图当前14页，总共39页。金属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。当前15页，总共39页。X射线衍射分析图1-5是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。横坐标为观测点至某一任意选定的原子（参考中心）的距离，对于三维空间，它相当于以所选原子为球心的一系列球体的半径。纵坐标表示当半径增减一个单位长度时，球体（球壳）内原子个数的变化值，其中（r）称为密度函数。图1-5700℃时液态Al中原子分布曲线当前16页，总共39页。对于固态金属而言，原子在某一平衡位置热振动，因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定距离（点阵常数）的垂线，每一条垂线都有确定的位置r和峰值。但对于液态金属而言，原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线。这是由于液态中的金属原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有固定的位置，而其峰值所对应的位置（r）只是表示衍射过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。当前17页，总共39页。其第一峰值与固态时的衍射线（第一条垂线）极为接近，其配位数与固态时相当。第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且随着r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。当它与所选原子相距太远的距离时，原子排列进入无序状态。表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。当前18页，总共39页。表1-3X射线衍射所得液态和固态金属结构参数

当前19页，总共39页。§１-3液态金属的性质V0YF或Pa.s1、粘度（一）粘度的实质及影响因素当外力F（X）作用于液态表面时，其速度分布如图所示。层与层之间存在内摩擦力。当前20页，总共39页。（二）粘度在材料成形过程中的意义1．对液态金属净化的影响液态金属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。杂质及气泡与金属液的密度不同。根据司托克斯原理，半径0.1cm以下的球形杂质的上浮速度：2．对液态合金流动阻力的影响根据流体力学，Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300为层流。Re的数学式为

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设f为流体流动时的阻力系数，则有当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金属液体的流动成形，以紊流方式流动最好，由于流动阻力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的枝晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。6464当前22页，总共39页。3．对凝固过程中液态合金对流的影响液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力。当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量。

可见粘度η越大对流强度越小。液体对流对结晶组织、溶质分布、偏析、杂质的聚合等产生重要影响。当前23页，总共39页。2、表面张力——液体的物性参数（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的。这就是液珠存在的原因。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。当前24页，总共39页。>90o<90o=0o=180oAbsolutewettingNowetting润湿现象当前25页，总共39页。（二）影响界面张力的因素影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。

1．熔点界面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往就大。

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2．温度大多数金属和合金，如Al、Mg、Zn等，其表面张力随着温度的升高而降低。因温度升高而使液体质点间的结合力减弱所至。但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即温度升高表面张力反而增加。其原因尚不清楚。

3．溶质元素溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，如钢液和铸铁液中的S即为表面活性元素，也称正吸附元素。提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。当前27页，总共39页。金属液的表面张力可以改变铝液中加入第二元素镁液中加入第二元素当前28页，总共39页。P、S、Si对铸铁熔液表面张力的影响当前29页，总共39页。砂型与金属液的润湿性正面图X-X截面图当前30页，总共39页。拉普拉斯—扬方程式

当曲面是球面一部分时，r1=r2，则得到附加压力与曲率半径的关系式

rr当前31页，总共39页。当前32页，总共39页。当前33页，总共39页。§1-4半固态金属的流变性及表观粘度NewtonianIdealFluidIdealplasticNewtonianIdealFluidIdealplasticShearstressRateofdeformationdydv1牛顿流体：非牛顿流体粘度（表观粘度）a＝Kn-1(-剪切速率,n-幂指数系数，K-稠密度)当前34页，总共39页。半固态流变性简介半固态——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ac——固相线当前35页，总共39页。半固态金属的流变性——半固态金属在流动、变形过程中的力学性质。通常采用半固态金属的表观粘度来描述之。简介当前36页，总共39页。流变性伪塑性Pseudo-plasticity半固态金属的稳态粘度随剪切速率（搅拌速度）的增大而减小触变性Thixotropy在剪切力作用下粘度连续降低，而停止剪切时粘度又逐渐恢复，这一过程与时间有关。放置不动时（形成结构）粘度高粘度低用力搅动时（结构被破坏）表观粘度剪切速率当前37页，总共39页。液态压铸树枝晶组织半固态压铸非枝晶组织（Mg-9%Al合金）（Mg-9%Al合金）

半固态镁合金流变压铸成形技术

华中科技大学研究成果当