金属材料液态成型原理(5-多相合金的结晶)
液态成型
液态成形原理第一章液态金属的结构和性质1.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。
2.晶界粘滞流动：把金属加热到熔点附近时，离位原子数大为增加。
在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒间的相对流动。
(金属的熔化是从晶界开始的)3.熔化潜热：在熔点温度的金属转变为同温度的液态金属时，金属要吸收大量的热量(金属由固态变为液态，体积膨胀约为3~5%)。
4.在熔点和过热度不大时，液态金属的结构是接近固态金属而远离气态金属的。
5.液态金属：是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡所组成的“混浊”液体。
6.粘度（粘滞性）：在作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动的性质。
7.粘滞性的本质：原子间结合力的大小。
8.粘度在材料成形过程中的影响。
A．对液态金属净化的影响-粘度↑杂质和气泡上升的速度↓B．对液态合金流动阻力的影响-粘度↑流动阻力↑C．对液态过程中液态合金对流的影响-粘度↑对流强度↓9.表面张力：液态金属表面有一个平行于表面且各向大小相等的张力。
10.影响表面张力的因素：A．熔点。
熔点↑原子间结合力↑表面张力↑B．温度。
温度↑表面张力↓（但对铁碳合金、铜合金，温度↑表面张力↑）C．溶质原子表面活性元素，使表面张力↓非表面活性元素，使表面张力↑11.充型能力mold-filling capacity：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(充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果) 12.液态金属的流动性：液态金属本身的流动能力。
第二章 液态金属的结晶形核1. 液态金属的凝固是一个体系自由能降低的自发过程。
它的驱动力是由过冷度提供。
2. 过冷度：ΔT=T m -T （T m ：熔点）3. 均质生核homogeneous nucleation :依靠液态金属内部自身结构自发地形核过程。
液态金属成型基础知识
离心铸造：
离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用 下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间 位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。
铸件结构工艺性：
铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷：
1.壁厚合理：设计铸件的时候应首先保证金属液的充型能力，在此 前提下减少铸件壁厚。
2.铸件壁厚力求均匀：防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大 等缺陷，并能减少铸造热应力及因此产生的变形和裂纹等缺陷。
3.铸件壁的连接：铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡。拐弯和交接处 应采用较大的圆弧连接，避免锐角结构而采用大角度过渡，以避免 因应力集中而产生开裂。
2.体积疑固
当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸 件凝固的某段时间内，其液固共存的疑固区域很宽，甚至贯穿整个 铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）
3.中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度
梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积跽固之间， 称为“中间凝固”。
工艺缺点:熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重 量受到铸型（沙壳体）承载能力的限制（一般不超过25公斤）。
用途:成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的 小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。
三、压力铸造
压力铸造是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在 压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种。
为改善铸型的充填条件，在设计铸件的时候必须保证其壁厚不 小于规定的“最小壁厚”。
材料成形原理课后习题解答
材料成型原理第一章（第二章的内容）第一部分：液态金属凝固学1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。
（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。
1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。
表面张力对应于液－气的交界面，而界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。
表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。
附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。
1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。
而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。
提高液态金属的冲型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大;④粘度、表面张力大。
（2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。
（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。
（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。
1.4 解：浇注模型如下：则产生机械粘砂的临界压力ρ＝2σ/r显然 r ＝21×0.1cm ＝0.05cm 则 ρ＝410*5.05.1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为H ＝ρ/（ρ液*g ）＝10*75006000＝0.08m 1.5 解： 由Stokes 公式 上浮速度 92(2v )12r r r －＝ r 为球形杂质半径，γ1为液态金属重度，γ2为杂质重度，η为液态金属粘度γ1＝g*ρ液＝10*7500＝75000γ2＝g 2*ρMnO ＝10*5400＝54000所以上浮速度 v ＝0049.0*95400075000(*10*1.0*223）－）（－＝9.5mm/s 3.1解：（1）对于立方形晶核 △G 方＝－a 3△Gv+6a 2σ①令d △G 方/da ＝0 即 －3a 2△Gv+12a σ＝0，则临界晶核尺寸a *＝4σ/△Gv ，得σ＝4*a △Gv ，代入① △G 方*＝－a *3△Gv ＋6 a *24*a △Gv ＝21 a *2△Gv 均质形核时a *和△G 方*关系式为：△G 方*＝21 a *3△Gv （2）对于球形晶核△G 球*＝－34πr *3△Gv+4πr *2σ 临界晶核半径r *＝2σ/△Gv ，则△G 球*＝32πr *3△Gv 所以△G 球*/△G 方*＝32πr *3△Gv/(21 a *3△Gv) 将r*＝2σ/△Gv ，a *＝4σ/△Gv 代入上式，得△G 球*/△G 方*＝π/6<1，即△G 球*<△G 方*所以球形晶核较立方形晶核更易形成材料成型原理第 3 页 共 16 页3-7解： r 均*＝(2σLC /L)*(Tm/△T)＝319*6.618702731453*10*25.2*25）＋（－cm ＝8.59*10－9m △G 均*＝316πσLC 3*Tm/（L 2*△T 2） ＝316π*262345319*)10*6.61870(2731453*10*10*25.2(）＋（）－＝6.95*10－17J3.2答： 从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。
材料成型基本原理完整版
第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。
Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。
层流比紊流消耗能量大。
2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。
润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。
3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。
4充型能力：充型过程中，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，即液态金属充型能力。
5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围内的近程有序。
拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。
化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。
6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。
能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。
结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。
浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。
材料工程基础-第四章 金属的液态成形与半固态成形
七、 特种铸造
为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在 砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把 这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。
低压铸造
消失模 铸造
熔模铸造
压力铸造
七
种
常
见
特种铸造
金属型 铸造
的 特 种
铸
造
连续铸造
离心铸造
方 法
（1）合金的结晶温度范围
凝固区
合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄， 愈倾向于逐层凝固 。
（2）铸件的温度梯度
在合金结晶温度范围已定的前 提下，凝固区域的宽窄取决与铸 件内外层之间的温度差。若铸件 内外层之间的温度差由小变大， 则其对应的凝固区由宽变窄 。
T浇 T液
T固
T室 成分
温度 温度
T2
S1
(二) 砂型铸造的工艺过程
型砂
铸
铸
模型
型
落
零
造
件
工
图
艺
熔化 浇注
合 冷却 箱 凝固
砂 、 清
检 验
铸 件
图
芯盒
型
理
芯砂
芯
砂型铸造生产过程
(三) 铸造生产的特点
1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的 制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
冷铁
热节：在凝固过程中，铸件 内比周围金属凝固缓慢的节 点或局部区域。
寻找热节的方法
等温线法 内切圆法
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
第七章 金属的液态成形
缩松：分散在铸件内部分散而细小的缩孔，大多分布在 铸件中心轴线处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。形成 的原因与缩孔基本相同。 缩孔及缩松使铸件力学性能下降，防止其发生的主要 措施是“定向凝固”，通过增设冒口、冷铁等一些工艺措施 ，使凝固顺序形成向着冒口方向进行，如下图。远离冒口的 部位先凝固，冒口最后凝固，使缩松和缩孔产生在冒口处。 或在铸件厚大部位增设冷铁，以加快该处的凝固速度。
第七章 金属的液态成形
什么是金属的液态成形: 即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔 中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦 称铸造. 金属的液态成形的作用: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。 按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特 种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）。 其中砂型铸 造产品成本最低，应用最普遍，所生产的铸件要占铸件 总量的80%以上。但工艺过程较复杂不易控制，，铸件内 部常有缩孔、夹渣、气孔、裂纹等缺陷产生，导致铸件 力学性能，特别是冲击性能较低。
• （2） 浇注温度 • 浇注温度越高，液态合金的流动性越好，若过高，铸 件易产生缩松、粘沙等缺陷。一般浇注温度控制在：铸钢 1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。 • （3）铸型填充条件 • 内浇道横截面小、型腔表面粗糙、型砂透气性差都会增加 液态合金的流动阻力；铸型材料的导热性过大，使液体金 属凝固快，同样会降低流动性。
f) 挖砂造型
活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋 条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出 主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人 技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部 分、难以起模的铸件。
活块造型
三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度 需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作 费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生 产的铸件。
金属液态成形
材料成形技术基础第一章 金属液态成形金属液态成形（铸造）：将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。
液态成形的优点：（1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。
分类：铸造从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。
其中砂型铸造工艺如图1-1所示。
图1-1 砂型铸造工艺流程图第一节金属液态成形工艺基础一、熔融合金的流动性及充型液态合金充满型腔是获得形状完整、轮廓清晰合格铸件的保证，铸件的很多缺陷都是在此阶段形成的。
（一）熔融合金的流动性1.流动性 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。
流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。
螺旋形流动性试样衡量合金流动性，如图1-2所示。
在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。
常用合金的流动性数值见表1-1。
表1-1 常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）2. 影响合金流动性的因素（1） 化学成份 纯金属和共晶成分的合金，由于是在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小，同时，共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合金的凝固，故流动性最好；其它成分的合金是在一定温度范围内结晶的，由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。
Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系如图1-3所示。
金属液态成形技术理论
7
目录
§7-1金属液态成形技术理论基础 §7-2常用液态成形技术或铸造工艺方法
§7-3常用合金的铸件生产特点
§7-1金属液态成形技术理论基础
1、铸造在制造业中的地位
金属液态成形技术就是工业生产中铸造，铸造是机械制造业的基础工业，在很大程 度上反映国家的制造业技术水平；铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已 有约6000年的历史，中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期， 工艺上已达到相当高的水平；铸造业是典型的劳动密集型产业，同时也是资源和能源 消耗大户，我国的铸造业虽具有年产3000多万吨的生产能力，但铸件质量尤其是高品 质铸件与美、日、德、法等铸造强国相比还有较大差距。
铸造工艺方法有许多，但其成形原理相同， 基本工序及流程相似。由于大多数金属材料 的熔点较高，故对装盛金属液的“容器”即 铸型的耐热性、退让性、溃散性、回用性等 要求较高。
3）铸造的特点
（1）突出的优点：①能一次性成形大且内腔复杂
的毛坯；②适应性广(铸件形状、大小、合金种类、 生产批量都几乎不受限制) 。
b、合理地浇注条件，采用加压补缩、离心浇注等技术防止（或消除）铸件在凝固 过程中产生缩孔和缩松。
对于体收缩大（或逐层凝固）的合金，宜采用顺序凝固防止铸件产生缩孔缩松尤其 是缩孔。
对于体收缩小（或具有宽结晶温度范围）趋于糊状结晶的合金，由于液固两相共存 区很宽甚至布满整个断面，发达的枝状晶彼此相互交错而把尚未结晶的金属液分割成 许多小而分散的封闭区域，当该区域内的金属液凝固时，收缩得不到外来金属液的补 偿，而形成了分散的小缩孔，即缩松。这类合金即使采用顺序凝固加冒口的措施也很 难彻底消除缩松缺陷。因此，对于气密性要求不高，而要求内应力小的场合可采用同 时凝固措施来满足要求。
成型法的加工原理
成型法的加工原理材料成形方法是零件设计的重要内容，也是加工过程中的关键因素，除了机加工外，金属注射成型、塑性成型以及近年兴起的3D打印都是主要技术，下面就来细数一下这些金属成形工艺的特点。
铸造液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，通常称为金属液态成形或铸造。
工艺流程：液体金属→充型→凝固收缩→铸件工艺特点：1、可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。
2、适应性强，合金种类不受限制，铸件大小几乎不受限制。
3、材料来源广，废品可重熔，设备投资低。
4、废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
铸造分类：（1）砂型铸造（sand casting）在砂型中生产铸件的铸造方法。
钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。
工艺流程：技术特点：1、适合于制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯；2、适应性广，成本低；3、对于某些塑性很差的材料，如铸铁等，砂型铸造是制造其零件或，毛坯的唯一的成形工艺。
应用：汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件（2）熔模铸造(investmentcasting)通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。
常称为“失蜡铸造”。
工艺流程：优点：1、尺寸精度和几何精度高；2、表面粗糙度高；3、能够铸造外型复杂的铸件，且铸造的合金不受限制。
缺点：工序繁杂，费用较高应用：适用于生产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件，如涡轮发动机的叶片等。
（3）压力铸造(die casting)利用高压将金属液高速压入一精密金属模具型腔内，金属液在压力作用下冷却凝固而形成铸件。
工艺流程：优点：1、压铸时金属液体承受压力高，流速快2、产品质量好，尺寸稳定，互换性好；3、生产效率高，压铸模使用次数多；4、适合大批大量生产，经济效益好。
第一章 液态金属的结构与性质
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。
a.结合能U. 粘度随结合能U呈指数关系增加。 b.原子间距δ. 粘度随原子间距增大而减小。 液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度就越高
粘度的本质：原子间的结合力
c.温度T.
总的趋势：随温度T的升高而下降 •由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而2τ0KT /δ3项则与 d.合金元素和夹杂物 温度呈直线关系。 因此，当温度不太高时，指数项eU/KT随温度增 高而急剧变化，因而使粘度下降(反比)。但是当温度很高时，指数 表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高 项eU/KT趋近于1。这时随温度增高，粘度值呈直线增加（正比）。 （显然，这种情况已是接近气态了。）
图1-2 700℃液态铝中原子密 度分布线
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。
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。
材料成型原理与工艺(01)-液态金属成形概论
夹杂物的排除： 夹杂物的排除：
金属液静止处理、真空浇注，加熔剂， 金属液静止处理、真空浇注，加熔剂，过滤法
2012-1-8
凝固区域
固相区、凝固区、液相区
凝固方式
逐层凝固方式 体积凝固（糊状凝固方式） 体积凝固（糊状凝固方式） 中间凝固方式
2012-1-8 22
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较 为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在 固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于 这种凝固方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故 称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄 铜等都是糊状凝固的合金。 中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状 凝固之间,称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口 铸铁等具有中间凝固方式
气压保温浇包
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采用德国KW公司技术的新二线主机，发动机缸体造型生产线。
罗兰门第制芯中心
2012-1-8 16
二、液态金属在铸型中的流动
1、 液态金属充型能力的基本概念 、
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， 叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。 液态金属充填铸型一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的 情况，在充型过程中当液态金属中形成晶粒堵塞充型通道时，流动则停 止，造成铸件“浇不足”缺陷。 液态金属的充型能力（实验-螺旋形试样）：
2012-1-8
18
思考题 1 1. 液态金属成形的概念是什么？液态金属 液态金属成形的概念是什么？ 成形具有哪些优点？ 成形具有哪些优点？ 2. 液态金属成形生产过程。 液态金属成形生产过程。
液态金属成型
gx −
1 ∂P +ν ρ ∂x
∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u ∂ u ∂u ∂u ∂u ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w∂z
∂ 2v ∂ 2v ∂ 2v ∂ v 1 ∂P ∂v ∂v ∂v gy − +ν + + 2 = + u + v + w 2 2 ρ ∂y ∂x ∂y ∂z ∂y ∂z ∂t ∂x gz − 1 ∂P +ν ρ ∂z ∂ 2w ∂ 2w ∂ 2w ∂ w ∂w ∂w ∂w ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w ∂z
五、实验报告 分析总结铝合金的熔炼处理工艺流程，比较精炼处理、 变质处理、 振动以及冷却条件对 铝合金组织及性能的影响。
实验二、液态成型过程 CAE 实验 一、基础理论 计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering，简称 CAE）技术是一门以 CAD/CAM 技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，以计算 力学和传热学、 流体力学等的有限元、 有限差分、 边界元、 结构优化设计及模态分析等方法为 理论基础的新技术。目前液态成型 CAE 主要以铸件的温度场模拟和流动场模拟为主，软件 水平已经达到实用化，国内外均有商品化软件出现。国外主要有德国的 MagmaSoft、美国的 ProCAST、 Flow3D、 韩国的 AnyCAST 等，国内主要有华中科技大学的华铸 CAE、 清华的 FTStar、华北工学院的 CastSoft 等。 1）温度场模拟 温度场模拟主要是利用传热学原理，分析铸件的传热过程，模拟铸件的冷却凝固进程 ，
材料成型原理及工艺第一章液态成型工艺基础理论
态 陷产生，导致成型件力学性能，
成 特别是冲击性能较低。
型 2. 涉及的工序很多，难以精确控
的 制，成型件质量不稳定。
缺 3.由于目前仍以砂型铸造为主，
点：
自动化程度还不很高，且属于热 加工行业，因而工作环境较差。
4.大多数成型件只是毛坯件，需 经过切削加工才能成为零件。
液态成型原理及工艺
冲天炉出铁
液态成型原理及工艺
绪论：
金属液态成型又称为铸造，
金 它是将固态金属熔炼成符合
属 液 态 成 型：
一定要求的液态金属，然后 将液态金属在重力或外力作 用下充填到具有一定形状型 腔中，待其凝固冷却后获得 所需形状和尺寸的毛坯或零 件，即铸件的方法。
制造毛坯或机器零件的重要方法。
液态成型原理及工艺
绪论：
的 游离原子
级，在此范围 内仍具有一定
近
液
的规律性。原
程
态
子集团间的空
结
空穴或裂纹 穴或裂纹内分
布着排列无规
有 序
构
则的游离的原
子。
液态成型原理及工艺
这样的结构不是静止的，而是 处于瞬息万变的状态，即原子 集团、空穴或裂纹的大小、形 态及分布及热运动的状态都处 于无时无刻不在变化的状态。 液态中存在着很大的能量起伏。
液 液态成型件在机械产品中占有重 态 要比例：
成 在机床、内燃机、重型机器中铸 型 件约占70％-90％；在风机、压
的 缩机中占60％-80％；在拖拉机
重 中占50％-70％；在农业机械中
要 占40％-70％；汽车中占20％-30
性 ％。
液态成型原理及工艺
液 态 成 型 的 优 点：
(1) 适应性广，工艺灵活性大
第一节 金属的液态成形原理
决定凝固方式的因素： （1）结晶温度范围 （2）铸件断面温度场分布变化
二 液态合金的充型能力
充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力 : 液态合金充满铸型型腔 , 获得形状完整 , 轮廓清晰的铸件的能力
若充型能力不足，易产生:
1）浇不足: 不能得到完整隙或凹坑 , 机械性能下 降.
2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点 低,过热度大；
3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初 生树枝状晶阻碍液流 。 常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。
逐层凝固（好）
糊状凝固（差）
不同成分合金流动性
（过热度）
碳钢
铸铁
碳钢随着结晶温 度范围的增加而 流动性变差；亚 共晶铸铁随含碳 量的增加流动性 提高。
纵向温度分布曲线
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均 匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺 陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各 种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。 （1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
2)糊状凝固
• 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 • 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
第五章 金属的液态成形与半固态成形
（2）变形：若冷却到室温的铸件内部存在有较大的残余应力，此时铸件
不稳定，将自发通过变形来减小或消除残余应力。
常见变形是翘曲变形，其变形方向是铸件受拉应力处内凹，相反受压应力 处外凸。
（3）裂纹：当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件变产生裂纹。
裂纹按形成的温度范围分为热裂纹和冷裂纹。 • 热裂纹：在结晶温度范围内的固相线附近形成。
③ 铸型性质及铸件结构（外因）
◎ 铸型温度--铸型预热有利于金属液保持较好流动。 ◎ 铸型材料--材料的蓄热能力影响金属降温速度，材料的比热容和导热 率越大，材料的蓄热系数越大，激冷能力就越强，充型能力就越差。
蓄热系数指铸型从金属吸收并储存在本身中热量的能力。 ◎ 铸型排气能力--排气能力差，气体来不及排出，气体压力增大，阻碍 充型。 ◎ 铸件大小及壁厚--铸件壁厚过小，壁厚急剧变化或结构复杂，流动阻力 增加，充型困难。
二、液态成型合金性能
液态成形过程中，合金发生系列物理化学变化，对铸件质量和性能有很大 影响。因此，液态金属必须具有合适的性能。
1、合金的充型能力
（1）概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰、尺寸准 确的铸件的能力。
（2）充型能力对铸造生产的影响：
充型能力强： 易于充满型腔，获得完整铸件； 气体易浮出液面； 易于补缩；
αV，αL——合金由t0到t1温度范围内的体收缩系数和线收缩系数。
合金种类 含碳量%
碳钢
0.35
白口铸铁 3.00
灰铸铁
3.50
浇铸温度℃
1610 1400 1400
液态收缩%
1.6 2.4 3.5
凝固收缩%
3 4.2 0.1
固态收缩%
7.86 5.4~6.3 3.3~4.2
液态成形原理名词解释及简答题
一、名词解释。
过冷度：金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值均质形核：在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程异质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的过程异质形核速率的大小和两方面有关，一方面是过冷度的大小，过冷度越大形核速率越快。
二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定，如果夹杂物的基底和晶核润湿，那么形核速率大。
形核速率：在单位时间单位体积内生成固相核心的数目液态成型：将液态金属浇入铸型之，凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或者铸锭的方法复合材料：有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相固体定向凝固：使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法溶质再分配系数：凝固过程当中，固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数的比值流动性是确定条件下的充型能力，液态金属本身的流动能力叫做流动性液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能力影响充型能力的因素：（1）金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热导率金属的结晶特点。
（2）铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度（3）浇注方面的因素包括液态金属的浇注温度、液态金属的静压头、浇注系统中的压头总损失和影响液态金属凝固过程的因素：主要因素是化学成分冷却速度是影响凝固过程的主要工艺因素液态合金的结构和性质以及冶金处理（孕育处理、变质处理、微合金化）等对液态金属的凝固也有重要影响液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流，自然对流是由于密度差和凝固收缩引起的流动，由密度差引起的对流成为浮力流。
凝固过程中由传热。
传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀，密度小的液相上浮，密度大的下沉，称为双扩散对流，凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶之间，强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流，例如压力头。
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5.1.1 共晶合金结晶的特点及分类
分类
根据其界面结构特征，可将共晶合金分为规则共晶合金 和非规则共晶合金两大类。
规则共晶，也称非小面-非小面共晶，多由金属-金属相 或金属-金属间化合物相组成，如Sn-Pb、Ag-Cu、AlAl3Cu和Al-Al3Ni等都属于此类。该类合金在结晶过程中， 共晶两相均具有非小面生长的粗糙界面。
5.1.3 规则共晶合金的结晶
棒状共晶
其组织特征是一个相组成以棒状或纤维状形态沿着生长 方向规则地分布在另一相的连续基体中；
共晶生长过程中究竟是以棒状还是层状形态生长则取决 于两相的体积比以及第三组元的存在
5.1.3 规则共晶合金的结晶
（1）共晶中两相体积分数的影响
共晶中两相体积分数实际上决定了共晶两相的相与相之间的 界面能，在相同的条件下，共晶合金总是倾向于总界面能最 低的组织形态
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
（2）第三组元对共晶结构的影响
当第三组元在共晶两相中的分配数相差较大时，其在某一相 的固液界面前端的富集，将阻碍该相的继续长大。同时，另 一相的固液前端由于第三组元的富集较少，其长大速度相对 较快。于是，由于“搭桥”作用，落后的一相将被长大的一 相分割成筛网状，继续发展则成为棒状共晶组织
当纤维表面与熔体完全润湿时，纤维即可作为合金液结晶的核心， 晶体不需形核即可直接在纤维表面生长。
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
颗粒增强的金属基复合材料，作为增强相多为陶瓷颗 粒（如Al2O3、ZrO2、TiB2等），可通过外加方式或熔 体内反应生成获得。
增强颗粒对复合材料凝固的影响体现在形核及生长两 个方面。
5.1.3 规则共晶合金的结晶
由于共晶生长时固液界面前端第三组元产生的溶质富集，如同单相合金结 晶类似，在固液界面前端熔体内也会产生成分过冷，随着成分过冷的增加， 也会导致共晶形态的变化。即由宏观平坦的共生界面向胞状共生界面，甚 至是树枝状共晶组织转变。在胞状共晶生长中，共晶两相仍以垂直于固液 界面的方式进行共生生长，因此，两相的层片状或棒状共晶结构（共晶群 体，或称共晶集群）会发生弯曲而形成扇形结构。当第三组元浓度较大， 或在更大的冷却速度下，成分过冷将进一步扩大，此时胞状生长共晶将发 展为树枝状共晶组织，甚至还会导致共晶合金由外生生长到内生生长的转 变。
贾志宏 江苏大学材料学院
2011.6
导入案例
发动机
活塞
连杆
排/进气管 曲轴
导入案例
QT600-3 （正火态）
ZL117 （P变质）
5.1 共晶合金的结晶
5.1 共晶合金的结晶
5.1.1 共晶合金结晶的特点及分类
共晶组织的微观形态特征
与单相合金晶体类似，并随着结晶条件的改变，同样也 呈现出从平面生长、胞状生长到枝晶生长的转变，从柱 状晶（也称共晶群体，eutectic colony）到等轴晶（也称 共晶团，eutectic cell）的不同变化；
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
过冷度、生长 速度、片层间 距之间的关系
当共晶层片间距很小时，因此曲率半径所引起 的过冷的影响是主要的；反之，当层片间距较 大时，成分过冷是主要的影响因素
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
两相共同生长的固液界面称为共生界面；
5.1.2 共晶合金的结晶方式
共晶体 共晶团-球团形辐射状结构 柱状共晶体组织
亚共晶高铬铸 铁
图中组织为初生奥氏体枝晶 +球团形辐射状共晶（M7C3+奥氏体）
5.1.2 共晶合金的结晶方式
（2）共晶合金的共生区
共生区或伪共晶区
共生生长只能发生在某一特定的温度和成分范围内，若 将此范围标在相应的平衡相图上，即称之为共生区或伪共晶 区；
这类合金在一般情况下均按典型的共生生长方式进行结晶。 生长中由于两相彼此合作同时，每一相的生长又都受到另 一相的制约，两相同时以垂直于固液界面的方向析出，形 成了规则排列的层状（即层片状）、棒状（即纤维状）及 介于两者之间的条带状（即碎片状）等形态的共晶组织
5.1.3 规则共晶合金的结晶
层状共晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
但若加快冷却速度，获得更大过 冷的条件下，则倾向于形成板条 状渗碳体共晶组织。这种共晶常 出现在低碳当量的亚共晶白口铸 铁中。共晶转变时，铁液中已存 在较多的先析出奥氏体，共晶奥 氏体必然优先依附于原有奥氏体 枝晶上生长，导致层状共晶的形 成。
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
1. 铸铁的共晶结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
渗碳体共晶由共晶渗碳体和共晶奥氏体组成，也称莱氏体。这两个相 结晶过程中固液界面都为粗糙界面，其共晶生长类似于规则共晶。渗 碳体作为共晶生长中的领先相，一方面以 晶向为择优方向与奥氏体共 生生长，使渗碳体形成层片状；另一方面，渗碳体也在横向（沿 轴方 向）生长，形成包覆型（棒状）共晶。在该共晶开始阶段，莱氏体中 的奥氏体和渗碳体以层片状共生生长方式生长，但在形成渗碳体共晶 温度下，渗碳体的生长速度远高于奥氏体，因而在共晶组织中占有较 大体积分数，奥氏体在渗碳体基体上逐渐形成棒状共晶。
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
棒状共晶的尺寸特征
可用与六边形等面积的半径 作为其共晶组织的特征尺寸
5.1.3 规则共晶合金的结晶
棒状共晶半径与 过冷度、生长速
度的关系
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
非规则共晶（即非小面-小面共晶）中两相性质差异较 大，共生区往往偏向于高熔点的非金属组元一侧。小 面相在共晶生长中的各向异性的生长行为决定了共晶 两相组织的基本特征。由于小面生长本身存在多种生 长机制，因此此类共晶合金比非小面-非小面共晶合金 具有更加复杂的组织形态变化。
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.1.4 非规则共晶合金的结晶
5.2 偏晶与包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
层状共晶的形 核过程，首先是 双相核心的形成
5.1.3 规则共晶合金的结晶
生长
在层状共晶长大过程是双相核心通过“搭桥”方式完成 的，这样就可以由一个晶核生长成一个共晶团（也称之 为共晶晶粒）
Jackson和Hunt提出的J-H模型
5.1.3 规则共晶合金的结晶
J-H模型认为:层状共晶中 相 和 相之间的层片间距 很小， 在长大过程中横向扩散是主 要的
非规则共晶，也称非小面-小面共晶，多由金属-非金属 相组成，如Fe-C、Al-Si、Pb-Sb、Sn-Bi、Al-Ge等共晶 合金。
5.1.2 共晶合金的结晶方式
领先相
领先相是指在熔体中率先析出、且能为第二相提供有效衬底，使第 二相在其表面上析出，从而确保共晶反应得以进行的那个相；
领先相与初生相的区别；
共生区可分为：对称型共生区、非对称型共生区；
5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.2 共晶合金的结晶方式
（3）共晶合金的离异生长
研究表明，在共晶转变中也存在着合金熔体不能进入共生 区的情形。在此情形下，共晶两相没有共同的生长界面，它们 以不同的速度而独立生长。也就是说，两相的析出在空间和时 间上都是彼此分离的，因而形成的组织中没有共生共晶的组织 特征。这种非共生生长的共晶结晶方式称为离异生长，所获得 的组织称为离异共晶。
5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.2 共晶合金的结晶方式
5.1.3 规则共晶合金的结晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
规则共晶合金（即非小面-非小面共晶合金）的两相性质相 近，其共生区成对称型；
两相生长中的固液界面都是各向同性、连续生长的非晶体 学界面，因此决定界面生长的因素是传热过程和两组元在 液相中的扩散，界面本身仍可认为处于局部平衡状态；
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
增强颗粒与凝固界面的相互作用模型
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
5.3.2 颗粒增强复合材料的凝固
层状共晶由于是非小面非小面共晶，其长大速度各 向同性，因此具有球形长大 的前沿；而在共晶组织内， 两相之间呈层片状交迭。
即，在非定向凝固的情 况下，共晶体以球体形式长 大，而球状结构是由两相的 层片层状（ -Al+ Al2Cu）共晶
5.1.3 规则共晶合金的结晶
因此制备过程中，纤维与金属熔体的润湿性是决定该复合材料 制备的关键因素。
5.3.1 纤维增强复合材料的凝固
金属熔体在预制纤维间的凝固，仍遵循前述合金结晶的一般规 律，其特点是预存在的纤维相对其结晶过程的影响。
将纤维相当作熔体内存在的外来界面，当纤维表面与熔体完全不润 湿时，合金结晶形核长大是独立进行的，不可能与纤维表面形成紧 密接触，也就无法获得合格的复合材料组织；
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.1 包晶合金的结晶
5.2.2 偏晶合金的结晶
5.2.2 偏晶合金的结晶