材料成形原理123章.docx

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材料成形原理123章

绪论

材料成形：

将材料加工成具有一定形状、尺寸和性能要求的零部件或毛坯的工艺方法。

材料成形主要方法：

除去加工法、连接加工法、变形加工法、液态及粉末成形加工法。

液态金属的结构和性质

在熔点附近，空穴数目可以达到原子总数的1%

金属由固态变为液态，体积膨胀为3%·5%

熔化潜热：

在熔点温度的固态，变为同温度下的液态，金属要吸收大量的热量

原子在固态的规则排列熔化后紊乱程度不大，液态金属原子间结合键只破坏了一部分，液态金属的结构应接近固态金属而远离气态金属（熔点和过热度不大时）。

纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子和空穴组成的。

结构起伏：

原子集团和空穴的变化现象。

实际合金熔体的结构是极其复杂的，包含各种化学成分的原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡等，是一种混浊的液体。

液态金属中存在温度起伏、相起伏和浓度起伏。

液态金属的粘度：

粘度的本质是原子间的结合力。

影响粘度的因素：

化学成分、温度和夹杂物。

化学成分：

难溶化合物的液体粘度较高，而熔点低的共晶成分的合金粘度低，对于共晶成分的合金，异类原子之间不发生结合，而同类原子聚合时，由于异类原子的存在而使它的聚合缓慢，晶坯的形成拖后，故粘度较非共晶成分低。

非金属夹杂物：

夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体系，液相流动时的内摩擦力增加，粘度增加。

粘度意义：

对液态金属净化的影响；对液态合金流动阻力的影响；对凝固过程中液态合金对流的影响。

液体以层流方式流动时，流动阻力大，金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流，有利于顺利充填型腔。

但在充型后期或狭窄的枝晶间的补缩和细薄铸件中呈现为层流。

温度差和浓度差产生的浮力，是液态合金对流的驱动力，粘度越大，对流强度越小。

表面张力：

一小部分的液体在大气中单独存在时，力图保持球形状态，说明总有一个力使其趋向球状

表面张力的实质是质点间的作用力，是由质点间的作用力不平衡引起的，指向液体内部的合力是表面张力产生的根源。

表面自由能即单位面积自由能，表面能或表面张力是界面能或界面张力的一个特例，对于液体来说，表面张力和表面能大小相等，只是单位不同，体现为从不同角度来描述同一现象。

影响表面张力的因素：

熔点、温度和溶质元素。

金属微粒的熔点随其尺寸减小而降低，熔点越高，表面张力越大。

表面活性元素：

使表面张力降低的元素

正吸附：

溶质在界面层的浓度大于在溶液内部的浓度

加入溶质改变表面张力的原理在于它改变了表面层质点的力场分布不对称程度。

正负吸附的原理在于自然界中系统的自由能总是自发降低

表面张力意义：

毛细管现象：

将内径很细的玻璃管，插入能润湿玻璃管的液体中，则管内液面上升，且呈凹面状；...

产生部位：

狭窄管口，裂缝和细孔

浇铸薄小铸件时必须提高浇注温度和压力，以克服附加压力的阻碍。

金属凝固后期，枝晶间存在的微小液膜小至微米时，表面张力对铸件的凝固过程的补缩状况对金属是否出现热裂缺陷具有重大影响。

熔焊过程中，熔渣和合金液两相应不润湿，否则不易将其从合金液去除，导致焊缝处夹渣缺陷的产生。

晶体的形核及生长、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷都与表面张力联系密切。

液态成形中的流动与传热

液态成形是将熔化的金属或合金在重力或其他外力作用下注入铸型的型腔中，待其冷却凝固后获得与型腔形状相同的铸件的一种成形方法

或：

液态成形是液态金属充满型腔并凝固后获得符合要求的毛坯或零件的工艺技术。

液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又与外界条件密切相关，是各种因素的综合反映，充型能力可以通过改变外界条件提高。

液态金属本身的流动能力称为流动性，是由金属的成分、温度、杂质含量决定的，可认为是确定条件下的充型能力。

流动性越好，气体和杂质越易于上浮，使金属得以净化，良好的流动性有利于防止缩孔缩松热裂等缺陷。

流动性越好，充型能力越强。

具有最大溶解度的合金，其流动性最小。

在液态金属前面析出15%~20%液相时，液态金属就停止流动。

影响充型能力的因素：

1.金属性质方面的因素。

这类因素是内因，决定了金属本身的流动能力—流动性。

合金的成分：

纯金属和共晶成分的地方出现最大值，即流动性最好。

结晶潜热：

约占液态金属含热量的85%--90%，其余为过热量。

纯金属和共晶成分合金凝固过程释放的潜热越多，凝固过程进行的越缓慢，流动性越好。

金属的比热容、密度、热导率：

比热容和密度大的合金，因本身含有较多的热量，在相同的过热度下保持液态的时间较长，流动性好；热导率小的合金，热量散失慢，同时，凝固期间液固两相并存的两相区小，流动阻力小，流动性好。

金属中加入合金元素后，一般都使热导率明显下降，流动性上升。

粘度

表面张力：

对薄壁铸件、铸件的细薄部分、棱角的成形有影响，为克服附加压力的阻碍，必须在正常压头上增加一个附加压头h。

2.铸型性质方面的因素：

铸型的蓄热系数：

表示铸型从其中的金属中吸收并储存于自身中热量的能力。

蓄热系数越大，激冷能力越强，金属于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降，可采用涂料调整蓄热系数。

铸型的温度：

预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高充型能力。

3.浇铸条件方面的因素:

浇注温度：

具有决定性的影响，在比较低的浇注温度下，铸钢的流动性随含碳量的增加而提高。

对于薄壁铸件或流动性差的合金，通常采用提高浇注温度改善充型能力的措施，一般铸钢的浇注温度为1520~1620

充型压头：

增加金属静压头的方法提高充型能力，也可采用压力铸造、低压铸造、真空吸铸。

浇注系统的结构：

结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况下充型能力越差。

设计浇注系统时，要合理安排内浇道在铸件上位置，选择恰当的浇注系统结构和组件的断面积。

4.铸件结构方面的因素：

铸件的折算厚度：

铸件壁越薄，折算厚度越小，越不容易被充满。

垂直壁易充满，要正确选择浇注位置。

铸件的复杂程度

凝固过程中的液体流动：

自然对流：

由密度差和凝固收缩引起的液体流动。

浮力流：

由密度差引起的流动。

双扩散对流：

由传热、传质和溶质再分配引起的液态合金密度不均匀，密度小的液相上浮，密度大的液相下沉。

强迫对流：

由液体受到各种方式的驱动力而产生，如压力头，机械搅动，铸型振动及外加电磁场等。

凝固收缩等引起的对流主要产生在枝晶之间。

枝晶间的液体流动就是在糊状区的补缩流动，宽结晶温度范围的合金，树枝晶发达，凝固过程最后的补缩往往得不到液流的补充，而形成缩松。

凝固过程中的热量传输，传导传热、对流换热、辐射换热。

热传导为主要方式。

铸件冷却凝固过程实质上是铸件内部过热热量和潜热不断向外散失的过程。

测温法测温度场是通过向被测件内安放热电偶实现的，主要技术是放置热电偶的位置的选择和数据的处理。

动态凝固曲线的水平距离很小或等于零时，这时铸件的凝固区很小或者没有，称这种凝固方式为层状凝固方式。

一般的，具有层状凝固方式的铸件，凝固过程容易补缩，组织致密，性能好；具有体积凝固方式的铸件，不易补缩，易产生缩松、夹杂、开裂等缺陷，铸件的性能差。

影响凝固方式的因素是合金的化学成分和铸件断面的温度梯度。

铸件的凝固时间是指液态金属充满铸型时刻至凝固完毕所需要的时间。

凝固速度：

单位时间凝固层增长的厚度。

xx定律：

铸件凝固层厚度与凝固时间的平方根成正比。

金属型的凝固系数一般较大。

折算厚度法则考虑到了铸件形状这个因素，因而它更接近实际，是对平方根定律的修订和发展。

液态金属的凝固形核及生长方式

液态金属的凝固过程决定着凝固后的显微组织，并影响随后冷却过程中的相变、过饱和相的析出、铸件的热处理过程及凝固过程中的偏析、气体析出、补缩过程和裂纹形成等，对铸件的质量、性能以及工艺过程都有极其重要的作用。

由于结构高度紊乱的液相具有更高的熵值，液相自由能将以更大的速率随着温度的升高而降低。

对于给定金属，结晶潜热与平衡结晶温度是定值，故自由能差仅与过冷度有关，因此液态金属的凝固过程的驱动力是由过冷度提供的，过冷度越大，驱动力也越大。

晶核的形成和长大是同时进行的，即在晶核长大的同时又会产生新的结晶核心。

凝固过程总的来说是由于体系自由能减低自发进行的，但在形核时，体系自由能的变化是由体积自由能的降低和界面自由能的升高组成的，当能量以降低为主时，就发生凝固现象。

高能态区：

固态晶粒与液态间的界面。

生核或晶体的长大，是液态中的原子不断晶面向固态晶粒堆积的过程，是固液界面不断的向前推进的过程。

热力学能障与动力学能障都与界面状态密切相关。

热力学能障是由被迫处于高自由能过渡状态的界面原子产生的，它能直接影响到系统自由能的大小，界面自由能即属于这种情况；动力学能障是由金属原子穿越界面过程引起的，它与结晶驱动力无关，仅取决于界面的结构和性质，激活自由能即属于这种情况。

液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的，正是由于存在这三个起伏，才能克服凝固过程中的两个能障，使凝固过程不断的进行下去。

液态金属在一定的过冷度下，临界晶核必由相起伏提供，临界形核功由能量起伏提供。

凝固过程中产生的固液界面使体系的自由能增加，导致凝固过程不可能瞬时完成，也不可能同时在很大的范围内进行，只能逐渐的形核生长，逐渐的克服两个能障，才能完成液体到固体的转变。

同时，界面的形态与特征又影响着晶体的形核和生长，因此，高能态的界面范围不断缩小，至凝固结束成为范围很小的晶界。

形核：

亚稳态的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内形成稳定存在的晶态小质点的过程。

形核的首要条件是系统必须处于亚稳态以提供相变驱动力，其次，要通过起伏作用克服能障才能形成稳定存在的晶核并确保其进一步生长。

均质形核：

在没有任何外来界面的均匀熔体中的形核过程。

晶核的全部固液界面都由形核过程产生，因此热力学能障打，所需驱动力也较大。

异质形核：

在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程。

形核速率：

单位时间、单位体积生成固相核心的数目。

过冷度开始增大时，形核速率随其增加急剧增大，但当过冷度过大时，由于液体粘度迅速增大，原子活动能力迅速降低，形核速率下降。

均质形核过冷度约为金属熔点的0.18~0.2倍，实际金属结晶的过冷度远小于这个数值。

当结晶相完全不润湿基底时，球冠晶核实际上时一个与均质形核无异的球体，基底不起任何促进形核作用，液态金属只能进行均质形核，形核所需临界过冷度最大。

当结晶相与基底完全润湿时，球冠晶核已不复存在，基底时现成的晶面，结晶可以不必通过形核直接在基底上生长，所需形核功为零，基底具有最大促进形核作用。

异质形核的临界过冷度随润湿角的减小而迅速降低。

同一物质的基底，促进形核的能力也随曲率的方向和大小而异，凹面基底形核能力最强，平面底次之，凸面底最弱，对凸界面基底而言，形核能力随曲率的增大而减小。

异质形核影响因素：

过冷度：

过冷度越大形核速率越大

界面：

若夹杂物基底与晶核润湿，则形核速率大

液态金属的过热及持续时间的影响：

当液态金属的过热温度接近或超过异质核心的熔点时，异质核心将会熔化或其表面活性消失，失去了夹杂物应有特性，从而减少了活性夹杂物数量，形核速率降低。

宏观长大是讨论固液界面所具有的形态，微观长大是讨论液相中的原子向固液界面堆积的方式。

晶体的宏观长大方式取决于固液界面前方液体中的温度分布，即温度梯度。

正温度梯度：

液相温度高于界面温度

平面方式xx：

固液界面前方液体过冷区域及过冷度极小，晶体生长时凝固潜热的析出方向与晶体生长方向相反，一旦某一晶体生长伸入液相区就会被重新熔化，导致晶体以平面状生长。

树枝晶xx方式：

固液界面前过冷区域较大，离界面越远的区域过冷度越大，晶体生长时凝固潜热析出方向与晶体生长方向一致，界面上凸起的晶体将快速伸入过冷液中，成为树枝状晶生长方式。

粗糙界面：

界面固相一侧的点阵位置只有50%左右被固相原子所占据，这些原子散乱的随机分布在界面上，形成一个坑坑洼洼凸凹不平的界面层

平整界面：

固相表面的点阵位置几乎全部被固相原子锁占据，只留下少数空位，或者在充满固相原子的界面上存在有少数不稳定的、孤立的固相原子，从而形成了一个总体上是平整光滑的界面。

显微尺度下，粗糙界面由于其原子散乱分布的统计均匀性反而显得比较光滑，平整界面则由一些轮廓分明的小平面构成，粗糙界面的生长方式成为非小平面生长方式，平整界面以小平面生长。

晶体的长大机制是指在结晶过程中晶体结晶面的生长方式。

连续生长机制：

固液界面在原子尺度呈粗糙结构时，界面上的空位构成了晶体生长所必需的台阶，使得液相原子能够连续的往上堆砌，并随机的受到固相中较多近邻原子的键合。

界面的粗糙使原子的堆砌变得容易，另外，固相与液相之间在结构和键合能方面的差别较小，容易在界面过渡层内得到调节，因此动力学能障小，不需要很大的过冷度来驱动原子进入晶体，并能得到较大的生长速率。

晶体的二维生长：

二维晶核：

在平整界面上形成一个原子厚度的核心。

由于二维核心的形成，产生了台阶，液相中的原子可源源不断的沿台阶堆砌，使晶体侧向生长，当台阶完全填满后，又在新的平整界面上产生新的二维台阶，如此继续下去，完成凝固过程。

晶体从缺陷处生长：

螺旋位错生长：

通过原子在台阶上的不断堆砌，围绕着露头而旋转生长，不断的向着液相纵深发展，最终在晶体表面形成螺旋形的卷线。

旋转孪晶生长：

孪晶的旋转边界上存在着许多台阶可供碳原子堆砌

反射孪晶生长：

由反射孪晶面所构成的凹角也是晶体生长的一种台阶源。