金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)
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%)。
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。
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。
第一章液态金属的结构和性质
Ws Wα −α + Wβ − β = − Wα − β = σ α − β 2 2
由于Wα-α=2σα，Wβ-β=2σβ，代入上式，则：
σ α − β = σ α + σ β − Wα − β
由此可见，形成α-β界面所作的功Wα-β越大， 则界面能就越小。这也就是说，两相间结合力越 大，则界面能越小。
f 层＝ 32 32η = Re Dνρ
0.092
f 紊＝
0.092 Re
0.2
＝
(Dvρ)
0.2
η0.2
f为流体流动时的阻力系数
所以，层流时阻力大。在金属浇铸系统和型腔中的流动一 般为紊流，但在充型的后期或狭窄的补缩流和细壁铸件中， 则呈现为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
2）粘度在材料成形中的意义 ③对凝固过程中液态合金对流的影响 粘度越大对流强度越小
第一章 液态金属的结构和性质 1.1 材料的固液转变
1、相变 气体
化 升 凝 化
蒸 结
凝
发
固体
熔化 凝固
液体
相变化过程：液体蒸发、气体凝聚、多晶转变。一定条件 下相之间的转变过程。即：相变过程。 相平衡；多相系统中，当每一相物体生成速度与消失速度 相等时。即宏观上相间无物质转变移动，便是平衡状态。
金属由液态转变 为固态的过程。
d.合金元素和夹杂物
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
2）粘度在材料成形中的意义 ①对液态金属净化的影响（即除去夹杂和气泡） 运动粘度:
η ν= ρ
动力粘度除以密度
运动粘度:适用于较大外力作用下的水力学流 动。如浇铸系统的计算 动力粘度:适用于外力作用非常小的情况下。如 夹杂的上浮和凝固补缩
1-材料成形理论基础
材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。
液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。
这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。
所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。
2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。
3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。
粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。
表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕 育，就会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则 排列的各自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生 成和长大，直至液体全部耗尽为止。
51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。
一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。
凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。
631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。
宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。
71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。
金属液态成形工艺原理讲稿
金属液态成形工艺原理讲稿一、引言金属液态成形工艺是一种重要的金属加工方法，它利用金属在液态状态下的可塑性，通过施加外力，将金属材料压制成所需形状的工艺过程。
金属液态成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等众多领域，具有高效、精确、灵活的特点。
本文将介绍金属液态成形工艺的原理和应用。
二、金属液态成形工艺的原理金属液态成形工艺主要依靠金属在液态状态下的可塑性来实现材料的变形。
在液态状态下，金属具有较高的流动性和可塑性，可以通过施加外力使金属流动，从而制造出复杂形状的金属构件。
金属液态成形工艺的主要原理包括以下几点： 1. 温度控制：金属液态成形工艺需要将金属升温到液态状态，通常通过加热设备控制金属的温度。
2. 施加外力：在金属材料处于液态状态时，需要施加适当的外力，如压力、压力冲击等，以实现对金属的形状变化和压制成型。
3. 液态流动：金属在液态状态下具有较高的流动性，可以通过控制液态金属的流动轨迹和速度，实现对金属的精确塑性变形。
4. 液态金属的熔化和凝固特性：金属在液态和固态之间的相变过程对金属液态成形工艺具有重要影响。
不同金属具有不同的熔化温度和凝固温度，需要根据具体金属材料选择合适的工艺参数。
三、金属液态成形工艺的应用金属液态成形工艺在许多领域都有广泛的应用，具有以下几个优点： 1. 高效生产：金属液态成形工艺可以实现多工位、多工序的同时进行，提高了生产效率。
2. 精确成形：金属液态成形工艺可以制造出复杂形状的金属构件，加工精度高，尺寸和形状可控性强。
3. 节约材料：金属液态成形工艺可以使金属材料得到较好的填充，减少了材料的浪费。
4. 节约能源：金属液态成形工艺可以在短时间内实现金属材料的加热和冷却，节约了能源消耗。
金属液态成形工艺在以下领域有广泛的应用： 1. 航空航天：金属液态成形工艺可以制造出高强度和轻质的航空航天零部件，提高了飞行器的性能和燃油效率。
2. 汽车制造：金属液态成形工艺可以制造出汽车发动机缸体、曲轴等零部件，提高了汽车的动力性能和燃油效率。
液态成形概述
注意2个过程： （1）充填型腔； （2）凝固冷却
金属液态成型
定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting， 是将金属加热到液态，使其具有流动性，然后 浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金 属在重力场或外力场的作用下充满型腔，冷却 并凝固成具有型腔形状的铸件。
实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中
复合材料制备）
现代铸造
我国已成功地生产出了世界上最大的轧
钢机机架铸钢件（重410t）和长江三峡 电站巨型水轮机的特大型铸件
感受铸造
砂型sand mould铸造工艺流程图
型砂molding sand配制造型砂型干燥 工装准备炉料准备合金冶炼 芯砂core sand配制造芯core making型芯干燥
青铜文化
司母辛觥
豕尊
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓
长55.7厘米
剑锷锋芒犀利
锋能割断头发
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
三星堆
立人像铸于商代晚期，人像
高172厘米，底座高90厘米， 通高262厘米，是世界上最 大的青铜立人像，被尊称为 “世界铜像之王”。
突目面具铸于商代晚期，原
件高64.5厘米，宽138厘米， 眼球柱状外突长达13.5厘米， 其造型在世界上亦属首见。
第一篇 液态成形原理
第一章 概述
第二章 液态金属的结构与性质 第三章 液态成形过程的传热
第章 液态金属的结晶
第五章 铸件凝固组织的形成及控制
第六章 铸件中缺陷及其控制
第一章
液态材料 浇注 铸型模腔
概述
凝固 固态毛坯
金属的铸造工艺
陶瓷的注浆成形
塑料的注射成形
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。
金属液态成形工艺原理
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
式中：
P杯 —— 浇口杯液面压力 P腔 —— 型腔内的液面压力 v杯 —— 浇口杯液面金属流动速度 v内 —— 内浇口出口金属流动速度 hi —— 浇注系统中某段的流体压头损失
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算结果
计算条件： a. 浇注系统为充满流动
封闭式浇注系统； 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。
b. 浇口杯液面保持不变
c. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
γ —— 重度（=ρg）
2. 充填上半型 设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P内
v内2 2g
hi
3. 充填整个铸型
设充填时需要金属液m，充填时间为t，则
m
F内 t 2gH均
式中 m为充填铸型所需金属液； t为充填时间； 为流量系数； H均为充型平均静压头。
学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
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、金属的外表张力、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。
第1章液态金属的结构和性质
什么是液态金属
液态中原子分 布随机。原子 间的交互作用 能决定了原子/ 团的排列无序。 固体中原子分 布规律，长程 有序。
1.1金属的加热膨胀和熔化
1.1.1 膨胀的原因： （1）原子振动加剧振幅增大 （2）“空穴”的产生
1.1.2 膨胀的结果 （1）原子振幅增大； （2）活化原子数增多； （3）缺陷增多
3. 溶质 使表面张力降低 — 表面活性物质，即 dσ/dc<0，具有正吸附作用； 使表面张力升高 —非活性物质；即 PA=2σ/r dσ/dc>0,具有负吸附作用； PA=P-P0 什么是正负吸附？ σ↓ ----PA↓ ，即外界压力↓，液体内部溶质 趋于向表面迁移，造成Cface>Cinner，此为正 吸附。
工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀 性、致密性一般较差
液态成型 缺 点
液态成形零件易出现缩孔、缩 松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、 裂纹等缺陷，产品 质量不够稳 定 由于铸件内部晶粒粗大，组织 不均匀，且常伴 有缺陷，其力 学性能比同类材料的塑性成形 低
二、液态金属的结构判定 2.1 间接法 --通过比较固液态和固气态转变的物理 性质的变化判断。
（1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和汽化潜热
2.2 直接法 — X射线或中子线分析研究液态金属 的原子排列。
液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内， 与 其固态的排列方式基本一致，即近程有序。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。
Fe-C合金中，C%增大，黏度降低（亚共晶）； 难熔化合物的粘度高；Al2O3，MnS，SiO2 共晶成分合金粘度低于非共晶合金。
液态金属的结构与性质
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成
金属液各种精炼工艺，希望尽可能彻底地脱去金属液中 的非金属夹杂物和气体，无论是铸件型腔中还是焊接熔池 中的金属液，残留的夹杂物和气泡都应该在金属完全凝固 前排除出去，否则易形成夹杂或气孔，破坏金属的连续性
粘度大会抑制金属液在型腔内的对流，间接效果：降低晶粒 细化效果；减轻区域偏析
④对液态金属净化的影响
※斯托克斯公式： Ｖ＝２g(ρ液-ρ杂)r２/9η
仅当ρ杂≤ρ液，夹杂才能上浮，η越大，夹杂 及气泡越难以排除
粘度对成形质量的影响
• 影响铸件轮廓的清晰程度； • 影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向； • 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成： • 对焊缝的质量的影响。
粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响
意义：N1 与 r1 均描绘了液体的原子排布情况
二、 由物质熔化过程认识液体结构
表 表 1-1 金属熔化时典型的体积变化Vm/VS 明
Crystal Structure
Tm
Vm / Vs
Sm
液
Matter
Type
(K)
(%)
(J.K-1.mol-1)
Na
bcc
370
2.6
7.03
体
Sc
bcc
302
四、 液态金属的结构特征
“能量起伏” —原子间能量不均匀性 • “结构起伏”—液体中大量不停“游动”着的
局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏 • “浓度起伏” ——同种元素及不同元素之间
的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子 容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表 现为游动原子团簇之间存在着成分差异 。
S S
表面能及表面张力从不同角度描述同一表面现 象。虽然表面张力与表面自由能是不同的物理 概念，但其大小完全相同，单位也可以互换。
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。
金属凝固原理第2章液态金属的结构和性质
小结： 液体金属的结构是由许多瞬时的、游 动的、近程有序的原子集团和空隙组 成，原子集团间存在能量起伏、结构起
影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向:
由于凝固收缩形成压 力差而造成的自然对流 均属于层流性质，此时
粘度对层流的影响就会
直接影响到铸件的质量。
二、液态金属的表面张力
1.表面张力的实质 2.影响表面张力的因素 3.表面张力在材料成形生产技术中的意义
1.表面张力的实质
（1）表面张力及其产生的原因
液体或固体同空气或真空接触的面叫 表面。表面具有特殊性质，由此产生的现 象——表面现象。 如荷叶上的水珠呈球状，雨水总是以滴 状的形式从天空落下。
伏和浓度起伏。
§2-3 液态金属（合金）的性质
液态合金有各种性质，与材料成形过程 关系特别密切的主要有两个性质： 一、液态金属（合金）的粘度
二、液态金属（合金）的表面张力
一、液态金属（合金）的粘度
1. 液态合金的粘度及其影响因素 2. 粘度在材料成形中的意义
1.液态金属的粘度及其影响因素 （1）粘度的定义及意义
几乎不润湿。相反，同一金属（或合金）液固
之间，由于两者容易结合，界面张力与润湿角 就很小。 通过测定润湿角可比较不同液态金属表面 张力的大小。
2.影响表面张力的因素
（1）熔点 （2）温度 （3）溶质元素
（1）熔点 界面张力的实质是质点间的作用力， 故原子间的结合力大的物质，其熔点、 沸点高，则表面张力往往就大。材料成 形过程中常用的几种金属的表面张力与 熔点的关系如下表所示:
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
15
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）：
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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。
液态金属的结构和性质
系统（液相）能量起伏的含义：
（1）某一瞬时，各微观体积能量不同；
（2）不同瞬时，某一微观体积能量分布不同。
液相能量起伏呈正态分
出
布。在具高能量的微观区 现
成核，其能量可补偿表面
几 率
能，克服能垒。
能量起伏大小
小结
液态（相）金属结构 结构：长程无序而近程有序，即液态金属由
近程有序排列的原子集团构成。原子集团：能
1.1 液态金属的结构
1.1.1 液体与固体、气体结构比较及衍射特征 1.1.2 由物质熔化过程认识液态金属的结构 1.1.3 液态金属结构的理论模型
液态金属结构 是指在液态金属中原子或离子 的排列或分布的状态。
决定液态金属原子(或离子)分布规律的是原 子之间的交互作用能。所有的关于液态金属结 构的模型和理论，都是力图说明其原子排列与 原子间交互作用能之间的关系，用一种比较严 密的物理和数学表达式来描述结构，并用它来 解释液态金属的各种物理化学性质。
金属液态结构的研究方法
直接测定法：即用X射线衍射、中子衍射等手 段直接测定金属的液态结构，研究液态金属原 子的排列情况；
间接法：即测定对结构敏感的物性，如密度、 黏度和电阻率等，然后根据敏感物性推断金属
液态结构的变化。
1.1.1液体与固体、气体结构比较及衍射特征
晶体： 平移、对称性特征（长程有序）
异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力
及黏度随之提高）
若溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合 金液的黏度将会明显高于纯溶剂金属液的黏度，
因为合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。
表面活性元素 当合金液中存在表面活性元素 （如向Al-Si合金中添加的变质元素Na）时，由 于冷却过程中表面活性元素抑制原子集团的聚集 长大，使金属液黏度降低。
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
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1.3.3 遗传性的影响因素
1.4 半固态金属的流变性
在液态成型过程中，熔体有较大的过热度时，在浇注前或 浇注时可近似为牛顿流体。但当合金处于凝固过程，开始 析出一定体积分数的固相后，合金即开始具有固相特征， 无流动性。但随着半固态铸造工艺的出现，通过压铸或挤 压装置对半固态浆料施加较大的作用力，使其具有良好的 充型能力，此时流动的半固态金属已不再遵循牛顿流体的 运动规律，而呈现相应的流变特性。
1.1.2 液态金属结构
例-[铸铁]
铸铁是含铁、碳、硅、锰、硫等元素的复杂多元合金；
1.2 液态金属的性质
黏度 表面张力
1.2.1 黏度
定义
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-毛细管法
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-振荡容器法（扭摆法）
1.2.1 黏度
1.4.1 半固态铸造
1.4.1 半固态铸造
1.4.2 半固态金属的流变性
对于非牛顿流体，根据其切应力与速度梯度之间的关 系，有宾汉体（Bingham Body）、开尔文体（Kelvin Body）、麦克斯韦体（Maxwell Body）、施韦道夫体 （Schwedoff Body）等类型。
贾志宏 江苏大学材料学院
2011.6
[导入案例]
众所周知，世界上所有 的元素或化合物均以固 体、液体或气体的形式 存在，其存在方式取决 于温度和压力条件；
1.1 液态金属的结构
熔化过程
固相→液相的相变； 两种观点
（1）认为金属固→液转变是通过单个原子间的分离途径来实现 的，即有规则排列的固相晶体直接分裂成单独的原子；
测量方法 （1）座滴法
座滴法，其基本思路是测 量置于水平基体上一静止液滴 的外形曲线，得到相应的几何 参数计算出表面张力。
1 gZ 2 1.641X
2 1.641X Z
1.2.2 表面张力
（2）最大气泡压力法
利用一插入金属熔体的毛细管，吹入惰性气体，
测量毛细管尖端产生的最大气泡压力，然后通过公式 计算得到表面张力。
对成型过程的影响 -毛细现象
假设液体中有一
半径为r的球形气泡
1.2.2 表面张力
1.3 遗传性
20世纪20年代，法国的学者Levi通过对Fe-C系合金的 研究发现片状石墨组织与炉料中石墨的尺寸有关，首 次提出了金属遗传性的概念。随后的研究工作表明， 在相同的生产条件下，合金的组织和性能取决于微观 组织和质量，其原始状态对合金熔体及最终产品微观 结构的特殊影响，即称之为“遗传性”。
（2）认为熔化机制是以原子集团为单位，通过逐步分解的方式 进行，即固相首先裂解成若干小的原子集团；
1.1.1 液态金属结构的研究方法
间接方法
通过固→液态、固→气态转变后一些物理性质的变化判断液态 的原子结合状况；
也采用诸如内耗技术、电阻率测定、黏度等物性参数的变化来得到液态 金属结构变化的信息；
2
பைடு நூலகம்
n 0
g
r
dr
r0
1.1.2 液态金属结构
理想液态金属的结构 理想液态金属指没有任何杂质及缺陷的纯金属熔体
途径
从物质熔化（汽化）过程对纯金属液态结构的认识 通过偶分布函数 径向分布函数和配位数
1.1.2 液态金属结构
1.1.2 液态金属结构
图1-5 纯金属的偶分布函数 （a）液态Cu在熔点附近的偶分布函数 （b）液态Fe在熔点附近的偶分布函数
原子间结合力大的物质，其熔点高，表面张力也大。
1.2.2 表面张力 （2）温度
对于多数金属和合金，温度升高，表面张力降低
1.2.2 表面张力
（3）溶质
使表面张力降低的溶质元素，称为该金属的表面活性物 质；使表面张力增加的溶质元素，称为该金属的非表面 性物质。
1.2.2 表面张力
1.2.2 表面张力
1.1.2 液态金属结构
1.1.2 液态金属结构
理想液态金属的结构模型 液态金属结构具有“短程有序,长程无序”特点的同时,存在
“能量起伏”和“结构起伏”两种起伏作用 如何理解?
1.1.2 液态金属结构
图1-6 液态Al的偶分布函 数随温度的变化关系
1.1.2 液态金属结构
实际液态金属的结构模型
直接法
通过液态金属的x射线衍射、中子衍射等结构分析手段研究液态 的原子排列情况；
通常采用实验测得衍射强度经过一定的数据处理，得到相关分布函数以 定量描述液态金属的结构
1.1.1 液态金属结构的研究方法
分布函数
偶分布函数 径向分布函数
偶势 配位数
1.1.1 液态金属结构的研究方法
实际液态金属的特征：有杂质；多组元；
实际金属和合金的液体在微观上是由成分和结构不同的游动原 子集团、空穴和许多固态、气态或液态杂质或化合物组成，同样具 有“短程有序、长程无序”结构特点，并存在着能量起伏、结构起 伏及浓度起伏等三种起伏作用
1.1.2 液态金属结构
1.1.2 液态金属结构
图1-7 二元合金的偏结构因子 （a）Al-Mg（b）Ag-Sb
1.4.1 半固态铸造
所谓金属半固态成型，就是在其凝固过程中，对金属施加剧烈的搅拌 或扰动、或改变金属的热状态、或加入晶粒细化剂、或进行快速凝固， 即改变初生固相的形核和长大过程，得到一种液态金属熔体中均匀地 悬浮着一定球状初生固相的固-液混合浆料（即半固态浆料），然后利 用此浆料进行成型的工艺。
gr r r4dr
80
r
1.2.2 表面张力
（2）基于波动理论的方程
Cahn等根据非均匀系统中密度波动理论，将表面张力 表达为：
其中，第一项代表由偶然的密度波动引起的表面不均匀性 对表面张力的贡献；第二项为密度梯度对表面张力的贡献。
1.2.2 表面张力
影响因素
（1）熔点
rP 2
1
2rg
3P
103
2
1 6
rg
P
106
1.2.2 表面张力
理论计算
（1）Fowler公式
利用统计热力学方法建立了气-液界面作用的分子 间力和表面张力之间的关系。
假设液-气界面存在一个密度不连续的表面：
n2 0
1.3.1 金属遗传性
广义上说，金属的遗传性理解为在结构上（或在物性 方面），由原始炉料通过熔体阶段向铸造合金的信息 传递。
具体体现在原始炉料通过熔体阶段对合金零件凝固组 织、力学性能以及凝固缺陷的影响。
1.3.1 金属遗传性
1 力学性能的遗传性
金属及合金遗传性在力学性能方面可利用合金“遗传系数” 的概念进行衡量
偶分布函数
定义：对于粒子数为V，体积N的体系中，假设均 为平衡态的单原子金属熔体。选取其中任一原子并作为 坐标原点（r=0），则在距离该原子r处的厚度为dr的球 壳中能找到的原子数dN如（1-1）所示。
dN 4r2dr N gr
V
式中 定义g(r)为偶分布函数，也称之为双体分布函数。
1.2.1 黏度
测定方法-旋转法
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-振荡片法
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
理论计算法
B-G公式
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
黏度的影响因素
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
黏度对液态成型过程的影响
1.2.1 黏度
1.1.1 液态金属结构的研究方法
gr
1
1
2 2n r 00
0
Q
I Nf
2
1sinQrdQ
Q 4 sin
1.1.1 液态金属结构的研究方法
径向分布函数 定义：
物理含义：
1.1.1 液态金属结构的研究方法
偶势
配位数
rm
Z
2
4r
1.2.2 表面张力
现象-液体与环境接触的表面具有特殊性质，如荷
叶上的水珠、天空中的雨滴等，都呈近似球状的形态。
定义-金属熔体表面上的质点受到一个指向液体内
部的力，使液体表面有自动缩小的趋势，这样的作用 力称之为表面张力。
1.2.2 表面张力
1.2.2 表面张力
表面张力的衡量
1.2.2 表面张力
而对于半固态金属在成型过程中遵循的流变特性，主 要满足宾汉体的流变特性，即其切应力与速度梯度的 关系
1.4.2 半固态金属的流变性
1.4.2 半固态金属的流变性
1.4.2 半固态金属的流变性
1.4.2 半固态金属的流变性
1.3.3 遗传性的影响因素
1.3.3 遗传性的影响因素
2 熔 体 结 构
1.3.3 遗传性的影响因素
3 工艺条件
液态金属的热速处理，即在合金熔炼时，将熔体过热到液 相线以上一定温度（一般为高于液相线250℃~350℃）， 然后再迅速冷却到浇注温度进行浇注的工艺。
1.3.3 遗传性的影响因素
1.3.1 金属遗传性
2 微观组织的遗传性
1.3.1 金属遗传性
1.3.1 金属遗传性
3 凝固缺陷的遗传性
1.3.1 金属遗传性
1.3.2 金属遗传机制
1.3.2 金属遗传机制
1.3.3 遗传性的影响因素
1 原始炉料
炉料，即原始铸锭，作为金属遗传性中遗传信息的载体当 然对铸件的凝固组织及力学性能起到重要的影响。研究证 实，炉料的保存状态（如存储环境及时间）、原始组织 （如晶粒度、变形量等）、熔化过程（如熔化速度、保温 温度及时间等）等对遗传性都会产生一定的影响。