绪论材料成型原理ytzhang

四个基本要素。
成分
➢ 在这四大要素中，材料的制备 工艺起关键作用，它能保证材 料的成分和组织，达到需求材 料的性能和使用性能。
➢ 研究与发展材料的目的在于应 用，材料又必须通过合理的工 艺流程才能制备出具有合理价 格与实用价值的工程材料。
性能
工艺
组织
成分-结构-工艺-性能四面体模型
14
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
• 以经典凝固理论为指导，通过大量的实践研究，实现了凝 固组织和凝固过程的优化和控制，使得大型铸钢锭及铸件 的冶金质量得到很大提高。
• 出现了快速凝固、定向凝固、半固态铸造等先进的凝固技 术和材料成形方法。
18
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
第三阶段：20世纪80年代～现在，凝固过程的理论研究进入 了新的时期。表现在：
奥运金镛（青铜钟）在武汉铸造成功 2007年08月10日
8
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
单晶、非晶材料的制取都伴随着凝固现象。
几乎一切金属制品在其生产流程中都要经历一次或一次以上的 凝固过程。
因此，金属的凝固理论和实践远远超出了单纯的铸造学科的范 畴，它已经成为冶金材料学科共同关心的课题，并影响这些学 科的发展。
影响液态金属凝固过程的因素
1. 合金的化学成分是影响液态金属凝固过程的主要因素
不同成分的合金具 有不同的凝固特性， 根据相图可以对 不 同成分的合金的凝 固特性进行预测。
15
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
2. 冷却速率是影响液态金属凝固过程的主要工艺因素 普通工业条件下的冷却速率在10-3～102 oC/s的范围内变化； 快速凝固过程冷速可高达104～109 oC/s，可使材料具有很细 的晶粒（0.1m甚至达到纳米级） 激光表面重熔冷速高达106～109，可以获得非晶组织。
主要学习内容
（1）液体金属的性质 （2）晶体的生核和长大——凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的传热、传质与液体的流动 （4）具体合金的结晶方式——单相结晶、共晶 （5）凝固组织控制、缺陷防止
13
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
➢ 成分、工艺、组织、性能与使
用性能称为材料科学与工程的
(a)
空间
凝
10 mm
固
终
(b)
地面
端
10 mm
空间样品表面光洁，内部均匀致密无明显缺陷 地面样品表面粗糙和微小孔洞，内部存在尺寸较大的气孔
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
可视化铸造技术
― 首先采用计算机模拟软件和现代铸造理 论，模拟铸件充型、凝固过程以及锻件 的锻造过程
• 极端条件下的凝固过程如极低速凝固和特殊条件 下的凝固过程如微重力凝固、超重力凝固的研究；
• 凝固过程的计算机模拟，可以实现铸件凝固过程 的可视化，预测组织和可能的缺陷，提高铸件的 性能/价格比。
19
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
SZII Al-Al3Ni共晶合金宏观形貌
― 其次用X射线实时观察和监测浇注过程 ― 第三通过实际铸、锻件生产并与模拟、
监测结果对比，确定最佳的生产工艺 ― 最后 按工件形成软件包
数值模拟 实时观察 企业试制 软件包
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
总之，凝固与材料制备及研发息息相关
9
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
凝固及其与材料的关系
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
凝固及其与材料的关系
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
液态凝固成形理论研究内容
第一阶段：20世纪50～60年代是经典凝固理论的诞生时期 • 提出了著名的成分过冷理论，首次将传热与传质耦合起 来分析凝固过程的组织形态； • 提出了局部溶质再分配方程等理论模型 • 平方根定律
17
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
第二阶段：20世纪60～80年代，研究重点发在经典凝固理论 的应用
材料成型原理-液态成形理论基础
1
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
绪论
凝固现象 什么是凝固？ 宏观上：物质从液态转变成固态的过程 微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程 凝固现象广泛存在于自然界和工程领域。
2
火山熔岩的固化
水的结冰
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
水凝结成雪花晶体
3ห้องสมุดไป่ตู้
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
工程领域
各种铸件的生产 焊接熔池凝固
6缸小轿车的发动机壳体
6缸小轿车的内部结构
锻件所需的钢坯、钢锭都要经历凝固
钢坯的凝固
4
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
船 用 发 动 机
5
船
3. 液态合金的结构和性质、冶金处理（如孕育处理、变质处理、
微合金化等）及外力（如电磁力、重力、机械力等）的作用，
对液态金属的凝固也有重要影响，如影响凝固组织、形貌、相
组成等。
16
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
液态金属凝固学的发展
凝固过程的理论研究大体上经历了三个阶段：
主要研究对象——液体金属
➢ 液态金属转变成固态这一凝固过程的理论及技术，定 性特别是定量地揭示其内在联系和理论；
➢ 阐述液态金属的结构和性质；
➢ 晶体的形核长大；
➢ 宏观凝固组织及其控制；
➢ 开拓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。
12
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
用
发
动
机
2 万
曲 轴
吨
级
船
用
螺
旋
桨
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
大型船用曲轴
曲拐毛坯
精加工后的曲拐
三峡水轮机转轮
总重450t 直径10m
6
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn
按材料的功能分类
大亚湾核电站
材料成型原理-液态成形理论基础 ytzhang@imr.ac.cn