1-材料成形理论基础

材料成形工艺基础
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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
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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。
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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
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1.2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。
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1.2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。
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1.2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。
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1.3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)。 凝固方式取决于凝固区域的宽度,而凝固区域的宽 度取决于合金的结晶温度范围和冷却强度。
控制铸件的工艺原则：
顺序凝固 同时凝固
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1.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则
铸件的凝固方式 a b c
逐层凝固方式:a) 恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金在 凝固过程中,断面上的固体和液体由一条 界线（凝固前沿）清楚地分开。随着温 度的下降，固体层不断加厚，逐步达到 铸件中心。
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1.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则
铸件的凝固方式 a b c
糊状凝固C） 合金的结晶温度范围很宽，液、固两相 共存区贯穿铸件的整个断面。在凝固区 域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的 液体。这种凝固方式先呈糊状，然后整 体凝固
非共晶合金没有一个确定的 熔点，它的凝固结晶是在一 个温度区间内完成的，属非 恒温结晶。
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1.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则
中间凝固b）
铸件的凝固方式 a b c
大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和 糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面 上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，
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第二节 金属与合金的铸造性能
合金在铸造成形过程中，容易获得外形正 确、内部健全铸件的性能。 充型能力 收缩
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2.1合金的充型能力
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。即液 态金属反映铸型型腔的能力。充型能力与金属液本身 的流动能力及铸型性质等因素有关。 流动性(fluidity)：液态金属本身流动的能力。流动性 与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关 充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型） 和内因（流动性）的共同结果。外因一定时，流动性 就是充型能力。
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2.1合金的充型能力
用测定给定条件下的流动性来表示液态 金属的充型能力
影响因素： 浇注条件 合金成分 铸件结构
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2.1合金的充型能力
纯金属及共晶成分的合金: 很好的流动性
从铸型表面到中心，液态合金逐层凝固，由于已凝固层的 内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。 共晶成分合金的凝固温度最低，相同浇注温度下其过热度 最大，延长了合金处于液态的时间，故流动性最好
非共晶合金:流动性差
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2.2合金的收缩
收缩：在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小 •液态金属浇入铸型后，金属温度下降，空穴数量减少，原子 间距离缩短，液态金属的体积减小。体收缩(volume
contraction)。
•温度继续下降，发生由液态到固态的状态变化，原子间距离 进一步缩短；体收缩 •金属凝固完毕后，在固态下继续冷却，原子间距离还要缩 短。线收缩(linear contraction)。 导致缩孔，缩松，裂纹，变形，内应力等缺陷
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2.2合金的收缩
收缩的三个阶 段： 液态收缩 凝固收缩 固态收缩
合金收缩 率是3阶段 收缩率之 和。
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2.2合金的收缩
收缩的三个阶段： 液态收缩 金属处于液态，体积的缩小表现为型腔内液面 的降低。液态收缩系数αV液的因素很多，如合金成分、 温度、气体和夹杂物含量等。 凝固收缩 型腔内液面的降低
固态收缩，铸件各个方向上都表现出线尺寸的缩小。因 此，这个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响最大。金 属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的根本原 因。
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