金属凝固

第一章液态金属的结构和性质

凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。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。

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。

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%。

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。液态金属的结构特征

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。

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。

液态金属的性质1、粘度

（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2．对液态合金流动阻力的影响3．对凝固过程中液态合金对流的影响

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。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。

金属在凝固过程中强烈搅拌后，即使在较高固相体积分数时，半固态金属仍只有相当低的剪切应力，枝晶被打碎，生成球状微粒结构，具有流变性和触变性，并冠以半固态金属加工技术（Semi-Solid Metal Forming），即SSM。

金属在凝固过程中，进行剧烈搅拌，或者控制固—液态温度区间，得到一种液态金属母液中均匀悬浮一定固相组分的固液混合浆料，这种半固态金属浆料具有流变特性，即半固态金属浆料具有很好的流动性，易于通过普通加工方法制成产品，采用这种既非完全液态，又非完全固态的金属浆料加工成形的方法，就称为半固态金属加工技术。

1. 应用范围广泛，凡具有固液两相区的合金均可实现半固态加工，适用于铸造、挤压、锻压和焊接等多种加工工艺。

2. SSM充形平稳，无湍流和喷溅，加工温度低，凝固收缩小，铸件尺寸精度高，凝固时间短，提高生产率。

3.半固态合金已释放了部分结晶潜热，减轻了对模具等成形装置的热冲击，大幅度提高其寿命。

4.SSM成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，晶粒小，气孔、偏析等缺陷少，力学性能高，接近或达到变形材料。

5.改善制备复合材料中非金属材料的漂浮、偏析和与基体金属不润湿性的技术难题，为复合材料的制备和成形提供有利条件。

6.与固态金属模锻相比，SSM流变应力显著降低，SSM模锻成形速度高，可以成形十分复

杂的零件。

7.节约能源。

影响流变性的因素

1）固相体积分数对表观粘度的影响（2）剪切速率对表观粘度的影响

（3）冷却速度对表观粘度的影响（4）合金成分对表观粘度的影响

常规铸造方法获得的铸造组织是典型枝晶组织。用流变铸造方法生产的半固态金属具有独特的非枝晶、近球形的显微结构。

结晶开始时，搅拌促进了晶核的产生，晶核以枝晶生长方式生长，但由于搅拌的作用，造成晶粒之间互相磨损、剪切及液体对晶粒剧烈冲刷，枝晶臂被打断，形成更多细小晶粒，其自身结构逐渐向蔷薇形演化，随温度下降，最终演化称为简单的球形结构。一旦球形的结构生成。只要在液固区，无论怎样升降合金的温度（不能让合金熔化），也不会变成枝晶。半固态加工技术中一个关键问题是如何制备优质的半固态合金坯料或浆料，制备工艺直接影响半固态锭坯组织结构的均匀性。半固态材料的制备方法大致有液态法、控制凝固法和固态法三种。

半固态金属成形工艺主要分为流变成形和触变成形。将经过搅拌获得的半固态金属浆料保持在其半固态温度条件下直接进行半固态加工，称为流变铸造（Rheocasting）。将半固态浆料冷却凝固成坯料后，再重新加热到半固态温度，然后进行成形加工，称为触变成形

半固态成形的优势：减少凝固缩孔、气孔，零件组织致密；成形温度低，延长模具寿命；尺寸精度高，等等。

高能超声波制备半固态浆料的机理研究声空化及对流作用效果

促进形核，增大形核率

（两种可能机制）活化熔体中的难熔物，使其成为形核基底；空化泡膨胀，气泡表面温度降低，使其表面金属液过冷形核。

抑制枝晶生长（对流、减小边界层）均化熔体（声流作用）阻止晶粒聚集

第二章液态成形中的流动与传热

充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力。

液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，使各种因素的综合反映。

流动性：金属本身的流动能力，称为“流动性”，是金属铸造性能之一。

影响因素（1）金属的成分。（2）液体的温度。（3）杂质的含量和状态及物理特性。

重点：区别流动性和充型能力是两个不同的概念

金属的流动性对于排出其中的气体、杂质和补缩、防裂,获得优质铸件有影响。金属的流动性好，气体和杂质易于上浮，使金属净化，有利于得到没有气孔和杂质的铸件。良好的流动性，能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到金属液的补缩，以及铸件在凝固末期受阻而出现的热裂得到液态金属的弥合，因此，有利于这些缺陷的防止。液态金属的流动性是用浇注“流动性”试样的方法衡量的。

影响充型能力的因素及提高充型能力的措施

影响充型能力的因素大致可以归纳为四类：

第一类因素----金属性质方面的因素（1）金属的密度ρ1（成分）；（2）金属的比热容c1；（3）金属的导热系数λ1；（4）金属的结晶潜热L;（5）金属的粘度η; （6）金属的表面张力σ;（7）金属的结晶特点。

第二类因素------铸型性质方面的因素（1）铸型的蓄热系数b2；（2）铸型的密度ρ2 ；（3）铸型的比热容C2；（4）铸型的导热系数λ2；（5）铸型的温度；（6）铸型的涂料层；（7）