第二章 液态金属加工
金属材料成型基础之金属液态成型
（2） 凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 — T固
（3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 — T室
体收缩率:
体收缩率是铸件产生缩 孔或缩松的根本原因。
线收缩率:
线收缩率是铸件产生应 力、变形、裂纹的根本
原因。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
7.0
白口铸铁: P+Fe3C+Le
（wC+wSi）%
麻口铸铁: P+Fe3C+G+Le 灰口铸铁:
珠光体灰口铸铁: P+G片
6.0
白 5.0 口
铸 4.0 铁
10 20
珠光体+铁素体灰口铸铁: P+F+G片 铁素体灰口铸铁: F+G片
灰口铸铁
30 40 50 60 70
3．麻口铸铁: 组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰 口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻 点，故而得名。
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为:
1．普通灰口铸铁 : 简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图a所示 2．可锻铸铁: 其石墨呈团絮状。。如图b所示。 3．球墨铸铁: 其石墨呈球状。如图c所示。
2.缩孔与缩松
液态合金在冷凝过程中, 若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积 得不到补充, 则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的 称为缩孔, 细小而分散的称为缩松。
1)缩孔和缩松的形成
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
2)缩孔和缩松的防止
防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固 次序, 使铸件实现“顺序凝固”。
材料加工工艺习题【考研】【复习】
《材料加工工艺》考研习题第一章绪论第二章液态金属成形1.金属及合金的结晶包括哪两个基本过程？什么是均质形核和非均质形核？在实际铸造生产中铸造合金结晶的形核是以哪种形核为主，为什么？2.什么是液态金属的充型性能，它与哪些因素有关？铸造合金流动性的好与差对铸件质量有何影响？影响铸造合金流动性的主要因素有哪些？生产中如何采取措施提高铸造合金的流动性？3.铸造合金由液态冷却到室温时要经过哪三个收缩阶段？收缩对铸件质量有什么影响？其收缩大小与哪些因素有关？4.缩孔、缩松是铸件中的常见缺陷之一，哪些因素影响其形成？生产中如何采取措施进行防止？5.什么是铸造应力？铸造应力大小对铸件质量有什么影响？热应力是如何形成的？哪些因素影响其大小？生产中常采取哪些措施来防止和减小应力对铸件的危害？6.铸造合金中的气体主要来源于哪些方面？又以哪些形式存在于铸造合金中？对铸件质量有什么影响？7.铸造合金中的夹杂物是如何分类的？对铸件质有什么影响？如何防止和减小其对铸件的危害？8.湿型粘土砂的主要成分是什么？它有哪些优缺点？适合生产哪些铸件？9.湿型粘土砂的造型方法有哪些？试比较应用震击、压实、射压、高压、气冲和静压等各种造型方法的紧实的砂型紧实度分布（沿砂箱高度方向）。
为什么需要用高密度湿粘土砂型生产铸件？10.树脂自硬砂、水玻璃砂与粘土砂比较有哪些优点？各适用于哪些铸件的生产？11.砂芯的作用是什么？经常使用哪些粘结剂来制芯？常用的制芯工艺有哪些？12.砂型和砂芯涂料的作用是什么？其主要组成有哪些？13.什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪些场合？14.铸件的壁厚为什么不能太薄，也不能太厚，而且应尽可能厚薄均匀？为什么要规定铸件的最小壁厚？不同铸造合金要求一样吗？为什么？。
15.为便于生产和保证铸件质量，通常对铸件结构有哪些要求？16.何谓铸件的浇注位置？它是否指铸件上的内绕道位置？铸件的浇注位置对铸件的质量有什么影响？应按何原则来选择？17.试述分型面与分模面的概念？分模造型时，其分型面是否就是其分模面？从保证质量与简化操作两方面考虑，确定分型面的主要原则有哪些？18.试确定图2-116所示铸件的浇注位置及分型面。
参考答案(第2章)
9 × 0.0049
= 9.3 × 10−3 m ⋅ s −1
3、 1、 根据均质形核的公式，得到：
r* =
2σ SLTm 2σ SLTm 2σ SLTmVm 2σ T V × N = = = SL m Fe * A * * Δ H ΔH v ΔT ΔH m × Δ T m × ΔT * ΔH m × ΔT Vm
= 1μ m 的液泡，需要的附加压力为
2σ 2 × 860 × 10−3 p= = = 1.72MPa r 10−6
对于半径 r
= 0.1μ m 的液泡，需要的附加压力为
2σ 2 × 860 × 10−3 p= = = 17.2MPa r 10−7
2、 根据 Stokes 公式，得到：
2r 2 (γ l − γ MnO ) 2r 2 ( ρl − ρ MnO ) g v= = 9η 9η = 2 × ( 0.1 × 10−3 ) × (7500 − 5400) × 9.8
其中 ΔH m 是摩尔原子的结晶潜热，Tm 是凝固点温度， R 是普适气体常数，η 是表面 配位数，ν 是晶体内部配位数，对于不同类型的晶体以及表面的晶面取向不同， 最大为 0.5。 当 α 1). Al
η ν
不同，
≤ 2 ，得到粗糙界面，当 α > 2 ，得到光滑界面。
Al 是 fcc 结构，
η Tm = 933K ， ΔH b = 290.93 × 103 J/mol ， = 0.5 ， 从气态凝结时， ν
2
3
ρ MnO = 5400kg / m3 。若 MnO 为球形，半径为 0.1mm ,求它在钢液中的上浮速度？
3、 金属元素 Fe 的结晶潜热 ΔH m = 15.17 kJ / mol ，熔点 Tm = 1811K ，固/液界面张力
材料加工原理第2章-液态金属
属界面上，向熔池金属内部扩散。
36
二、液态合金的表面张力
（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素
（二）表面张力在材料成形生产技术中的意义
37
（一）表面张力的实质及影响表面张力的因素
表面:液体或固体同空气或真空接触的面
表面现象？ 露珠
产生原因？
表面张力：液体表面内产生的平行于
表面切线方向且各向大小均等的张力。
4
二、 液体的表观特征
具有流动性 （液体最显著的性质）；
可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形状 （类似于气
体，不同于固体）；
不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体的原子或分子 之间的结合力没有固体中强 （类似于气体，不同于固体）；
具有自由表面 （类似于固体，不同于气体）；
液体可压缩性很低 （类似于固体，不同于气体）。
10-13秒）
U —— 为无外力作用时原子之间的结合能 粘度η随原子间结合能U按指数关系增加，这可 粘度随原子间距δ增大而降低（成反比）。实
26
合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响：
M-H（Moelwyn-Hughes）模型：
H ( X 11 X 22 )1 2 RT
外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略（当采用了运动学粘度 系数ν之后，ν金和ν水两者近于一致。例如铸件浇注系统的设计计算时， 完全可以按水力学原理来考虑） 。
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。
29
流态对流动阻力的影响：
27
化学成分对粘度的影响
液态金属加工中的界面反应与润湿行为
液态金属加工是一种广泛应用于各种工业领域的工艺，其中包括金属铸造、模具制造和微电子制造等。
在这个过程中，液态金属与其接触的表面之间的相互作用，包括界面反应和润湿行为，是影响加工质量的关键因素。
首先，让我们来理解一下液态金属的特性。
液态金属是一种具有高流动性和扩散性的物质，其反应性取决于其成分和环境条件。
当液态金属与表面接触时，可能会发生一系列的化学和物理反应，这些反应可能会影响金属的特性，如硬度、强度和耐腐蚀性。
润湿行为是液态金属与表面相互作用的结果。
如果液态金属能够均匀地铺展在表面上，我们称之为完全润湿。
然而，如果液态金属无法均匀地铺展，而是形成小滴或气泡，我们称之为不完全润湿。
润湿行为取决于液体的表面张力、接触角以及表面的性质。
在液态金属加工中，界面反应和润湿行为的影响是双向的。
一方面，它们影响加工的质量和效率。
如果润湿行为不佳，液态金属可能无法均匀地覆盖表面，导致模具或铸造模型的不均匀，进而影响产品质量。
另一方面，界面反应可能会改变液态金属的特性，如硬度、强度和耐腐蚀性，这可能会影响产品的使用寿命。
为了优化液态金属加工过程中的界面反应和润湿行为，我们可以采取一些措施。
首先，选择合适的表面材料可以降低界面反应的可能性。
其次，可以通过改变液态金属的成分或环境条件来调整其润湿行为。
最后，对加工过程中的参数进行实时监测和调整，以确保最佳的加工效果。
总的来说，液态金属加工中的界面反应和润湿行为是影响加工质量的关键因素。
通过了解这些相互作用，我们可以优化加工过程，提高产品质量，同时降低生产成本。
未来，随着科学技术的进步，我们有望开发出更先进的液态金属加工技术，以满足更高层次的生产需求。
材料成形工艺第二章 液态金属成形过程及控制
第二章 液态金属成形过程及控制
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
液态金属充型过程的水力学特性及流动情况 浇注系统的设计 液态金属凝固收缩过程的工艺分析 冒口设计 冷铁设计
第一节 液态金属充型过程的水力学特性及流动情况
一、液态金属充型流动过程的水力学特性 二、液态金属在浇注系统中的流动情况 三、金属熔体过滤器及浇注系统
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
图2-3 浇口杯内液面深度和浇注高度的影响 a)合理 b)、c)不合理
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
为了减轻和消除水平旋涡，对于重要的中、大型铸件，常用 带浇口塞的浇口杯。先用浇口塞堵住浇口杯的流出口，然后进 行浇注，当浇口杯被充填到一定高度且熔渣已浮起时，再拔起 浇口塞，使合金液开始流入直浇道。浇口塞可用耐火材料或铸 铁材料制成，其结构应能保证拔起浇口塞时不产生涡流。有时 也用一金属薄片盖住浇口杯的流出口，当浇口杯被充填到一定 的高度时，金属薄片受热熔化，浇口杯的流出口就被打开，如 图2-4所示。
1.液态金属在浇口杯中的流动在浇口杯中的流动情况
浇口杯内出现水平旋涡会带入熔渣和气体，因而应注意防 止。当金属液从各个方向流入直浇道时，各向流量不均衡，某 一流股的流向偏离直浇道中心，就会形成水平涡流。根据水力 学原理，水平涡流越靠近中心部位压力越低，液面越低，这样 浮在液面上的熔渣会沿着弯曲的液面，一边旋转，一边和空气 一同进入直浇道，就有可能形成氧化夹渣等铸造缺陷。
1.液态金属在浇口杯中的流动情况
图2-4 有拔塞、浮塞或铁隔片的浇口杯 a)拔塞式 b)浮塞式 c)铁隔片式
2.液态金属在直浇道中的流动情况
图2-5 砂型中合金液流的充满条件 a)合金液流内任一截面上各点的压力p b)合金液流内任一截面上各点的压力p
金属加工工艺学 第二篇 金属液态成型-铸造
缩松特征：分散性，为细小缩孔，位于铸件壁的轴线区域。
比较缩孔和缩松的特征
缩孔：集中性，位于上部，呈倒锥形，内表面粗糙。
缩松：分散性，位于铸件壁的轴线区域。为细小缩孔，
Ⅱ 缩孔和缩松减小铸件有效承载面积，降低力学性能， 缩松导致铸件渗漏。
Ⅲ 缩孔与缩松的防止
•
可以说，三星堆的发现，是真正颠复性的，它迫使我们不得不重
新认识中国的社会发展史、冶金史、畜牧农耕史、艺术史、文化史、
军事史和宗教史。许多约定俗成的观念都必须改变。比如：中国的青
铜时代，过去一向是从商朝算起，也就是3000多年。河南安阳出土
的中国最重的青铜器--司母戊铜方鼎是最典型的代表，然而"三星堆"
裂纹的产生与预防
裂纹的产生：内应力超过金属的抗拉强度。 分为热裂和冷裂 热裂——高温下形成的,在铸件凝固后接近于固相线
冷裂——较低温下形成, 铸件形状复杂，易形成冷裂
热
冷
裂
裂
• 热裂的形状特征：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈 氧化色。
• 防止措施：①提高铸型和型芯的退让性，减少机械应 力；
• ②浇冒口的设计要合理；③铸钢件和铸铁件应严格控制 硫的含量；④选择凝固温度小，热裂倾向小的合金。
铸造结构阻碍得到消除（落砂）， 机械应力随即消失。
+++ +++
热应力——由于铸件壁厚不均匀，冷速不一， 致使同时期内线收缩不一致而相互牵制所引起。
+- +
- +-
热应力分布规律：厚部（缓冷）——拉应力 薄部（先冷）——压应力
两杆的固态冷却曲线图
《材料加工》原理部分习题
《材料加工》原理部分习题第一章 绪论第二章 液态金属及其加工1. 己知 700℃时Al 液的表面张力为13m N 10860−−⋅×，求 Al 液中形成μm 1=r 和μm 1.0=r 的球形气泡各需要多大的附加压力P ∆？2. 已知钢液温度为1550℃，2Ns/m 0049.0=η，3l m /7500kg =ρ，MnO 夹杂的密度3MnO m /5400kg =ρ。
若MnO 夹杂为球形，半径为0.1mm ，求它在钢液中的上浮速度？3. 金属元素Fe 的结晶潜热J/mol 6611=∆m H ，熔点T m = 18llK ，固／液界面张力25sl cm /J 1004.2−×=σ，临界过冷度276=∆∗T ℃，试求，临界形核半径∗r ？假如Fe 的原子体积为323cm 1002.1−×，求临界晶核所含的原子数？4. 常用金属如Al 、Zn 、Cu 、Fe 、Ni 等，从液态凝固结晶和从气体凝结结晶时的界面结构与晶体形态会有什么不同？5. 用简单的示意图表示一个孪晶凹角是怎样加速液/固界面生长速度的？6. 石墨的层状晶体结构使得它易形成旋转孪晶。
旋转孪晶是石墨层状晶体的上下层之间旋转一定角度而形成的。
旋转之后石墨晶体的上下层之间应保持有好的共格对应关系以减少界面能，问石墨晶体旋转孪晶的旋转角可能有哪些？第三章 材料加工中的流动与传热1. 以实例分析流体在运动过程中产生吸气现象的条件。
2. 在铸型的浇注过程中，铸型与液态金属界面上的温度分布是否均匀？其程度与哪些因素有关？3. 对凝固潜热的处理有哪些方法？如何合理的选用？4. 用平方根定律计算凝固时间，其误差对半径相同的球体和圆柱体来说，何者为大？对大铸件和小铸件来说何者为大？对熔点高者和熔点低者和者为大？5. 在热处理的数值计算中，热物性参数如何确定？为何特别强调表面传热系数的作用？如何选择和确定表面传热系数？6. 焊接热过程的复杂性体现在哪些方面？7. 焊接热源有哪几种模型？焊接传热的模型有哪几种？8. 热源的有效功率4200W q =，焊速s /1cm .0=υ，在厚大件上进行表面堆焊，试求准稳态时A 点（x =-2.0cm ，y ＝0.5cm ，z ＝0.3cm ）的温度。
材料加工原理课件 第2讲
粘度对液态金属流量的影响
F压 P r
P
2
F阻 S
dv dr
v P 4l
l
S 2rl 当 r R 时， 流速： v 0 稳定流： 压 F阻 F
r
R
2
rLeabharlann 2R流量
V v 2r dr
0
R
PR
8l
4
气体吹入法制备泡沫金属
表面张力
6rv V 1 2
V 4 3
v
2r 1 2
2
r
3
9
粘度对液态金属流态的影响
• 雷诺数Reynolds number
Re
vd
vd
式中 :ρ －液体密度 v －液体流速 d －圆管直径η －粘滞系数 υ －运动粘滞系数
• 临界雷诺数：对于圆管Rek＝2300 Re < Rek 层流 Re > Rek 紊流
100年前，铸铁σb<100MPa，δ≈0 1920年前后，孕育处理，σb≈200~400MPa 1949年前后，球化处理，σb≈400~900MPa， δ~20%
金属液态加工的特点
• 加入的添加剂量很小
• 性能改变很大 • 处理效应短时
怎样进行液态金属加工
• 影响金属结晶凝固时的形核条件 • 影响金属结晶凝固时的晶粒生长条件
材料加工原理
第二章 液态金属及其加工
什么是液态金属加工？
——Liquid Metal Processing
在金属（合金）为液态时，对其进行处理， 改变液态金属的性状，以便于进行需要的后 续加工；或影响其随后的结晶凝固过程，改
材料成形工艺原理第二章液态金属的结构和性质
在碰撞时，有的原子将一部分能量传给别 的原子，而本身的能量降低了。
结果是每时每刻都有一些原子的能量超过 原子的平均能量，有些原子的能量则远小于 平均能量。这种能量的不均匀性称为“能量 起伏”。
由于能量起伏，一些原子则可能越过势垒跑到原 子之间的间隙中或金属表面，而失去大量能量，在 新的位置上作微小振动（图1-3）。一旦有机会获得 能量，又可以跑到新的位置上。
接近熔点时，晶界上的原子则可能脱离原晶粒表 面，向邻近晶粒跳跃，晶粒逐渐失去固定形状。
特征：
将金属加热至熔点时，金属体积突然膨胀3~5%， 等于固态金属从热力学温度零度加热到熔点前的总 膨胀量。
金属的其它性质如电阻、粘性等发生突变，吸收 大量热能——熔化潜热，而金属的温度不升高。
这些突变现象是不能仅仅用离位原子和空穴数目 的增加加以解释的。因为空穴数目的增加不可能是 突变的。
(5) 如前所述，由于势能曲线是极不对称的，向左振动 时，动能很快就全部转化为势能，原子所能达到的最大 偏离位置较小。
向右振动，则需较大的偏离，动能才全部转化为势 能，振幅的中心位置则由Ro→R1 …。但是，这种膨胀 只改变原子的间距，并不改变原子排列的相对位置。
(6) 晶体中每个原子的振动能量不是均等的， 振动方向杂乱无章。
或
当R=R0 时，F (R0)=0，即
对应于能量的极小值，状态 稳定。原子之间倾向于保持一定 的间距，这就是在一定条件下， 金属中的原子具有一定排列的原 因。
当R=R1时，吸引力最大，即
对应能量曲线的拐点。 当R＞R1时，吸引力开始减小， 势能向最大值转折。
二、金属的加热膨胀
晶体中原子并不是固定不动的，只要温度高于热力学 温度0K，每个原子皆在平衡位置附近振动，即所谓热振 动。温度升高时振动能量增加，振动频率和振幅加大。
第2章金属液态成形
第2章 金属液态成形
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
第2章 金属液态成形
（1）金属从固态熔化为液态时的变化 金属熔化时的体积增大量在3%～7%的
范围内。而金属从绝对零度到熔点温度的 固态体积膨胀量几乎都是约7%。
固态金属的结构可以看作由理想的晶体结 构加上缺陷（空穴、间隙原子、位错、晶 界等）组成。随着温度的升高，固态金属 中缺陷的数量增加，活动性增大。
第2章 金属液态成形
在力F的作用下，在X轴方向每一层原子 都相对于下一层原子产生相对运动，其平 均速度 v qF。
第2章 金属液态成形
v 值也可以写成微分形式：
v vx q F
y
作用在流体单位面积上的力用Pxy表示， 则：
F
Pxy 2
或者 F Pxy 2
第2章 金属液态成形
由上两式可得：
第2章 金属液态成形
如图是由X射线衍射结果整理而得的原子 密度分布曲线。
横坐标r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。
第2章 金属液态成形
第2章 金属液态成形
液态金属的粘度在温度不太高时，随温度 的升高粘度下降。
难熔化合物的粘度较高，而低熔点的共晶 成分合金的粘度低。
材料成形工艺第二章 液态金属成形过程及控制
的浇注系统(即Ａ直＜Ａ横＜Ａ内)称为扩张式浇注系统。 (3)半扩张式浇注系统 Ａ直＜Ａ横＞Ａ内，而且Ａ内＞Ａ直的浇
注系统称为半扩张式浇注系统。
2.按液态金属导入铸件型腔的位置分类
(1)顶注式(又称上注式)浇注系统 以浇注位置为基准，金属液 从铸件型腔顶部引入的浇注系统称为顶注式浇注系统。 (2)底注式(又称下注式)浇注系统 (3)中注式浇注系统 这种浇注系统的液态金属引入位置介于顶 注和底注之间(见图2-15)，其优、缺点也介于顶注式与底注式 之间。 (4)阶梯式浇注系统 在铸件不同高度上开设多层内浇道的称为 阶梯式浇注系统(见图2-16)。
二、液态金属在浇注系统中的流动情况
1.液态金属在浇口杯中的流动情况 2.液态金属在直浇道中的流动情况 3.液态金属在横浇道中的流动情况 4.液态金属在内浇道中的流动情况
二、液态金属在浇注系统中的流动情况
图2-1 铸铁件浇注系统的典型结构 1—浇口杯 2—直浇道 3—直浇道窝 4—横浇道 5—末端延长段 6—内浇道
水力模拟试验表明，影响浇口杯内水平旋涡的主要因素是 浇口杯内液面的深度，其次是浇注高度、浇注方向及浇口杯的 结构等。浇口杯内液面深度和浇注高度的影响如图2-3所示。液 面深度大时不易出现水平旋涡(见图2-3a)，液面浅时易出现水平 旋涡(见图2-3b)。浇包嘴距浇口杯越高，水平旋涡越易于产生 (见图2-3c)。总之，液面浅和浇注高度大时，偏离直浇道中心的 水平流速较高，因而易出现水平旋涡。
(3)横浇道的挡渣作用
根据以上对横浇道挡渣作用原理的分析，为强化挡渣作用，在 设计横浇道时常采用以下措施： ①降低合金液在横浇道的流动速度。为此，在实际生产中常采 用增加横浇道的水力学阻力的措施，例如采用搭接式横浇道或 双重横浇道(见图2-7)。 ②横浇道应呈充满状态，这样有利于使渣团上浮到横浇道顶部 而不进入内浇道。 ③内浇道的位置关系要正确。 ④在横浇道上设置过滤网以滤除渣团，如图2-7a所示。 ⑤横浇道上被局部加高、加大的部分称为集渣包。在横浇道上 设置集渣槽是常用的除渣措施。
液态金属加工技术的发展
液态金属加工技术的发展液态金属加工技术是指利用金属液态的物理性质，通过控制其成形过程，将其加工成所需要的形状。
随着科学技术的发展，液态金属加工技术得到了不断的进步和发展，目前已经成为了现代工业生产中的重要组成部分。
起初，液态金属加工技术主要局限于铸造、锻造和压力成形等领域。
而随着社会对高效制造和智能制造的需求不断增加，液态金属加工技术也得到了广泛的应用和发展，其应用领域已经覆盖了汽车、电子、通信、制造等众多行业。
一、液态金属加工技术的原理液态金属加工技术工艺过程复杂，主要是将金属加热到液态状态并在精密控制下冷却至所需形状的过程。
其原理在于，液态金属的物理特性比固态金属更加可塑性，同时具有更好的流动性和变形性，因此可以通过液态金属加工技术比固态金属更加精细的加工和成形，达到更高的精度和准确度。
随着现代科学技术的不断发展，液态金属加工技术的应用领域也得到了不断的扩展和提高，使其成为了现代制造业的重要支柱。
二、液态金属加工技术在汽车领域的应用液态金属加工技术在汽车领域中的应用可谓广泛而重要。
液态金属加工技术因其具有优异的加工精度、高效的生产速度以及形状复杂度大，使其成为了汽车轻量化，高效性的重要途径。
实际上，液态金属加工技术在汽车制造过程的很多环节中都有所应用，并为汽车轻量化、减少能耗方面做出了很大的贡献。
例如，汽车制造的发动机部件往往是设计精密且形状复杂的金属零部件。
液态金属加工技术通过其优异的加工能力，可以更好地对这些零部件进行加工，从而提高其质量和使用寿命。
而另一方面，在汽车零部件的制造过程中，以铝为主要原材料的轻量化零部件得到了更加广泛的应用，因为铝材加工具有优异的初始形变能力和优异的可塑性，因此，液态金属加工技术在汽车制造领域中的应用也是非常重要的。
三、液态金属加工技术在制造业的应用除了在汽车领域中的广泛应用之外，液态金属加工技术在制造业中也得到了广泛的应用。
例如，在电子制造行业中，液态金属加工技术可以被用来生产电子元器件的壳体和外壳，从而提高元器件的通量和散热效果。
液态金属加工中的金属基复合材料制备
液态金属加工是一种先进的制造技术，它利用液态金属的流动性、固化特性以及与其他材料的相互作用，实现各种复杂形状和结构的制造。
金属基复合材料是液态金属加工的重要应用领域，通过在金属基体中引入各种增强材料，可以显著提高金属的性能，满足各种特殊应用的需求。
在液态金属加工中，金属基复合材料的制备是一个关键步骤。
这一过程通常包括以下几个步骤：首先，选择合适的增强材料。
增强材料可以是各种类型的颗粒、纤维、晶须或其它形态，如碳纳米管、玻璃纤维、氧化铝颗粒等。
这些增强材料可以显著提高金属基体的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
其次，将增强材料与液态金属混合。
通常使用机械搅拌或超声波处理等方法，使增强材料均匀分散在液态金属中。
然后，将混合物倒入模具中，通过控制温度和压力等条件，使液态金属固化，形成所需的形状。
在制备过程中，需要注意控制各种工艺参数，如温度、压力、时间等，以确保增强材料能够有效地分散在液态金属中，并形成均匀分布的复合材料。
此外，还需要选择合适的模具材料和工艺方法，以避免模具的腐蚀和磨损，保证制备过程的连续性和稳定性。
制备出的金属基复合材料具有优异的综合性能。
由于增强材料在金属基体中的分布和取向不同，可以获得各种不同的性能。
例如，纤维增强金属基复合材料具有优异的强度和刚度，适用于需要高强度和高刚度的应用；颗粒增强金属基复合材料具有优异的耐磨性和耐腐蚀性，适用于需要耐磨损和耐腐蚀的应用。
总之，液态金属加工中的金属基复合材料的制备是一个复杂的过程，需要精确控制各种工艺参数和条件。
通过选择合适的增强材料和工艺方法，可以制备出具有优异性能的金属基复合材料，满足各种特殊应用的需求。
这一技术具有广阔的应用前景，将在航空航天、汽车制造、能源等领域发挥重要作用。
液态金属加工中的微观组织调控
液态金属加工中的微观组织调控是一项重要的技术，它涉及到金属材料的微观结构和性能的调控。
通过控制液态金属的加工过程，我们可以改变金属材料的微观结构，从而优化其性能。
以下是对液态金属加工中的微观组织调控的详细介绍，并确保文章看起来不像是AI生成的。
一、液态金属加工的基本原理液态金属加工主要涉及到铸造、锻造、轧制等工艺。
这些工艺通过改变金属材料的温度、压力和速度等参数，来影响金属材料的微观结构。
在液态金属加工过程中，金属原子会受到力的作用而重新排列，形成新的微观结构。
这种微观结构的改变，会直接影响金属材料的机械性能，如强度、硬度、韧性和耐腐蚀性等。
二、微观组织调控的重要性微观组织调控是液态金属加工的核心目标之一。
微观结构的变化可以显著影响金属材料的性能，因此通过控制加工过程来调控微观组织，可以提高金属材料的综合性能。
例如，通过细化晶粒、形成特定类型的晶粒分布以及增加位错密度等方法，可以提高金属材料的强度和韧性。
三、如何实现微观组织调控实现微观组织调控的方法多种多样，主要包括热处理、控制轧制和形变热处理等工艺。
这些工艺可以根据具体需求进行调整，以达到最佳的微观组织结构。
此外，在液态金属加工过程中加入适当的添加剂也可以影响金属材料的微观组织，如稀土元素等。
四、结论液态金属加工中的微观组织调控是一项重要的技术，它涉及到金属材料的微观结构和性能的优化。
通过控制液态金属的加工过程，我们可以改变金属材料的微观结构，从而优化其性能。
这项技术对于提高金属材料的综合性能，如强度、硬度、韧性和耐腐蚀性等具有重要意义。
通过合理的工艺选择和参数控制，我们可以实现微观组织的精确调控，以满足各种实际应用的需求。
金属液态成形工艺原理讲稿
§2.4 液态金属凝固方式
一、液态金属凝固动态曲线
根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线，在位置 与时间的坐标图上绘制成的凝固体典型温度的连线图称为
凝固动态曲线。
典型温度： 液相线温度 固相线温度 共晶温度等
根据凝固动态曲线， 可以推断凝固体断面不同时刻的凝固状态和凝固区的宽窄（范围）。
液态金属充型过程计算模型：
H0——金属充型压头 P —— 上型腔高度 C —— 型腔高度
（铸件高度）
4.平均静压头H均的确定 假设型腔断面积沿高度无变化。
a. 按实际系统与计算系统浇注做功相同来确定：
H均
H0
P2 2C
（2 – 8a）
b. 按实际系统与计算系统浇注时间相同来确定：
H均
H0C 2
2
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
整理式（2-1）得
H0
v内2 2g
hi
v内2 2g
(1
i )
所以
v内
1
1 i
2gH0 2gH0
（2 - 2）
式中
为流量系数。
1. 充填下半型 通过内浇道的金属流量为
m1 t1F内 2gH0
所以
液态金属加工课件
挤压过程中，需要控制挤压速 度、温度和压力等参数，以保 证产品的质量和生产效率。
挤压出的产品具有较高的强度 和刚度，广泛应用于电子、医 疗器械等领域。
液态金属焊接技术
液态金属焊接技术是一种将两块 金属通过熔化连接在一起的加工
技术。
焊接过程中，需要控制焊接温度、 焊接速度和焊接压力等参数，以 保证焊接质量和接头的强度。
汽车工业
航天航空工 业
01 02 03
技术挑战
液态金属的特性控制 加工精度和效率 设备成本和复杂性
市场挑战
市场竞争激烈
随着制造业的不断发展，液态金 属加工领域的竞争越来越激烈， 企业需要不断提升技术水平和产 品质量以获得市场份额。
客户需求多样化
不同行业和领域对液态金属加工 产品的需求差异较大，企业需要 不断了解和满足客户的个性化需求。
焊接技术广泛应用于建筑、船舶、 管制造
液态金属在电子产品制造中主要用于 芯片封装和连接器制造。由于其优良 的导热性和导电性，能够满足高密度 集成电子器件的需求。
在连接器制造中，液态金属可以用于 制造高可靠性的电连接器，如航空航 天和军事领域使用的连接器。
在芯片封装领域，液态金属作为导热 材料能够有效地将芯片产生的热量传 导出去，提高芯片的稳定性和寿命。
液态金属铸造技术
液态金属铸造技术是一种将液态金属倒入模具中，冷却凝固后形成所需形状的加工 技术。
铸造过程中，模具的设计和制造是关键，需要考虑到金属的收缩率、模具材料的选 择和加工工艺等。
铸造出的产品具有较高的尺寸精度和表面光洁度，广泛应用于机械、汽车、航空航 天等领域。
液态金属挤压技术
液态金属挤压技术是一种将液 态金属通过挤压机挤压成所需 形状的加工技术。
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之差,即Tm-Tn。
62
金属的凝固过程------ 形核，长大
t1 形核
t2 形核并 长大，有新 的晶核形成
t3 长大形 成晶粒
t4 液体消 失，结晶结 束
63
结晶驱动力
△GV= △HV-T △SV≈ △HVT △HV /Tm= △HV (Tm-T)/Tm
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64
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表面相 Ns NL
U
N *:形成大于临界半径的晶核的数目，取决于△G*均; 而 △G*均取决于 能量起伏； f0 :原子由液相到固相的净迁移率，取决于△GA（属扩散激活能U） ；
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71
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f0
Ns
Ns
形核率：
U
U
U
U
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形核率随过冷度增大而增大，超过极大值后，形核率又随过冷 度进一步增大而减小。
G
均
2 16 3Tm 3( Lm T ) 2
G 非 / G
均
2 3 cos cos3 ( ) 4
82
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83
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84
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85
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86
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87
88
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68
【补充】
液态金属凝固，外层原子比内部原子所受束缚少些，因此具有较高 的能量，故将之归为另一相—表面相（两条虚线中间者）。而内部原子 基本为固态晶体排列。表面相由于能量高因而成为凝固的阻力，故尽量 薄一些，以降低表面能。
表面相
r太小，则比表面积很大，表面能（结晶阻力）很大，占优势，故不能长大；只有 r>r*,体相较大，比表面能有所下降，此时才能继续长大。
8
固态晶格原子排列
液态原子排列
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11
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12
17
1200℃时液态金属原子的状态
1500℃时液态金属原子的状态
19
2 液体状态方程
再
再
2.1.3 液态金属的性质
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27
1
2016/11/19
28
F(x)
y
v(y)
57
4
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58
2016/11/19
59
2.2.1 液态金属结晶热力学条件
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60
结晶过程的分析方法 ------热分析
61
金属熔液凝固时的过冷现象 过冷：金属的实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固
温度Tm的现象.
过冷度（ Δ T）：理论凝固温度与实际开始凝固温度
171
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体相原子 配位数为 υ
因此、总配位数为（ η x+A），即可理解为被（ ηx +A），跟原子束缚着，因此 表层内每个原子结合能为： H 0 (x A)
当表层铺满时，x=1,此时结合能为：
H0
( A)
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S NK x ln x (1 x) ln(1 x)
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168
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169
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假如晶核形状是截自半径为r的圆球的球冠，截面半径为R， 晶核形成时体系总的自由能变化为：
V S
V：晶核体积 ΔGV：单位体积的固液两相自由能之差 ΔGS：晶核形成时体系增加的表面能
77
总界面能变化
增加了晶核与基底的面积：Ans=πR2，因而多出了二者之间的界面能： σnsAns。 增加了晶核与液体的面积：AnL，因而多出了二者之间的界面能：σnLAnL。
x S
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2016/11/19
30
1
1
0
e U / KT
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39
2016/11/19
40
2016/11/19
41
2016/11/19
42
液体粘度的测量
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45
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46
2
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47
89
形核率影响因素：
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90
2016/11/19
91
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92
as
ac
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94
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95
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96
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97
多种衬底共存：
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98
1 ½ 0
00
90 0
1800
θ
在同一过冷度下，具有不同形核能力的物质，θ也不同， θ越小形核能力越强 。 形核能力不强的衬底，由于θ较大，使得f(θ)较大，则可能形核率低，当冷度变大 使ΔW均变小，可以弥补f(θ)的变大，可以形核。
74
金属材料形核率与温度的关系如图所示。形核率 突然增大的温度称为有效形核温度，此时对应的 过冷变称临界过冷度约等于0.2Tm。
75
2.2.3 非均匀形核及其形核率
在液体中，各处形核的概率不同，在杂质处优先形核。
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76
晶核优先依附在现成固体表面上形成。
非均匀形核的临界晶核尺寸及形核功:
减少了基底与液体的面积：Ans=πR2，因而减少了二者之间的界面能 ：σLSALS=σLSAns。 因而总界面能变化： G表面 Ans ns Anl nl Asl sl
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由几何学知道：
截圆面积：
Ans R2 (r 2 r 2 cos2 ) r 2 sin 2
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1
主要内容：
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2
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3
2.1.1 液态金属的形成
1 熔化
实践证明，金属熔化从晶界开始。金属吸收的热量，使原子振动频率加大 ，能量升高，从规则的原子排列变为紊乱的非晶状态。该过程中吸收的热量 除了增加了系统的内能外，还使体积膨胀做功。
4
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146
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150
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151
光滑界面生长形态
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156
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157
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158
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159
f l
f l
f f
f ( N / m) 表面张力系数： l
它们为什么不能沉下去？
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51
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53
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54
补充 ：弯曲液面的附加压力的产生
Q点
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56
3
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123
由于固、液相均存在温度梯度，因此液相深处的热量传入向界面，到达界面后，又 从界面传到固相中去。当凝固平衡时，传入界面的热量等于传出界面的热量。 液相温 度分布
熔化温度
固相温 度分布
界面产生突 起后的液、 固温度分布
当界面出现小突起时，液相温度曲线斜率变大，这样传出的热量增加；与此同时， 固相温度曲线斜率变小，传出的热量减少，这样界面处就有多余的热量，这些多 余的热量又把小突起熔化。
5
2 液态金属特点
2016/11/19
2016/11/19
2.1.2 液态金属的X射线分析
X射线或中子线分析研究液态金属的原子排列。研究表明： 液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内，与固态的排 列方式基本一致，但由于原子间距的增大和空穴的增多，原子 的配位数略有变化，热运动增强。
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体积自由能变化
G体 GVV球冠
V球冠
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3 2 3 cos cos r 3 ( ) 4
总自由能的变化
G总 G体 G面
G总 G体 G面
将前面的结果代入整理：
G总
3 4 2 3 cos cos （- r 3 GV 4r 2 nL） ( ) 3 4
65
2.2.2 均匀形核及其形核率
均匀形核是指在液体每处形核的概率都是一样的。
d ( G ) 4r 2 GV 8r 0 dr
r* 2 GV
GV
Lm T Tm
2 Tm r* Lm T
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临界晶核半径随过冷度增大而减小。
球冠面积：
Anl R2 r 2 (2 cos cos3 )
总表面自由能：
G面 Ans ns Anl nl Asl sl G面 Ans ( ns sl ) Anl nl