材料成形原理第1章课件

1、材料成形理论基础,华中科技大学材料学院 教师：吴树森，柳玉起，余圣甫等,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,第一章 液体金属的结构和性质（Structure and Property of Liquid Metal),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。包括定性和定量地研究其内在联系和规律；研究新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。,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。,水凝结成雪花晶体,塑料注射成型后的凝固,液体金属（钢水）浇注后凝固成固体金属,主要研究（学习）内容,（1）液体金属的性质

2、（2）晶体的生核和长大凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合金的结晶方式单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）,理论基础 物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学。,研究内容 液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法。 影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成分。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要的外在的工艺因素。 液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力等）也能对凝固过程产生重大的影响。,凝固技术发展历程,最古老的艺术、技术之一 冶铸技术 合金配制、凝固控制、组织控制,我国在夏朝已进入青铜器时代。商朝青铜器铸造已很发达。司母戊方鼎是当时最大的青铜器。图案、文字俱全,铸造相当精美。 曾候乙青铜器编钟，是距今2400多年前战国初期铸造的。 战国时期的考工记记载：“金有六齐：六分其金，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡居其一，谓这戈戟之齐；三分其金，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居其二

3、，谓之削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴燧之齐”。是世界上最早的合金配比规律。,20世纪60年代后，研究的重点在经典理论的应用，出现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技术、激光表面重熔技术、半固态铸造、扩散铸造。调压铸造等凝固技术和材料成型方法。 其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来。大野笃美提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论。通过计算机定量地描述液态金属的凝固过程，对凝固组织和凝固缺陷进行预测，在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦合起来进行研究，其结果更接近于实际。国际国内已出现了许多商品化的凝固模拟软件，它们在科研和生产中发挥着重要作用。,凝固学与材料成形 液态成形：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。 连接成形：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特性来决定，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。 塑性成形：与液态金属凝固无直接关系，但有重要的间接关系。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 金属切削：成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产品。 粉末成形：是冶金学的一个分支，粉末是经熔化和凝固而成的。,1-1

4、材料的固液转变,H2O的 “三态”转变,图1-2H2O的压力温度相图,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。,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 。,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,表1-1 一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化,这就可以认为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

5、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。,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。,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1-5 700时液态Al中原子分布曲线,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

6、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。,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。,表1-3 X射线衍射所得液态和固态金属结构参数,液态金属的结构特征 ）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。 ）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,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

7、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。,-3 液态金属的性质,或Pa.s,1、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。,（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，Re2300为湍流（紊流），Re2300为层流。Re的数学式为,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。,64,64,3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

8、由无量纲的格拉晓夫准则度量，即,可见粘度越大对流强度越小。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。,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。, 90o, 90o, = 0o, =180o,Absolute wetting,No wetting,润湿现象,（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。,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。,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,P、S、Si对铸铁熔液表面张力的影响,砂型与金属液的润湿性,正面图,X-X截面图,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,r,r,

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