材料成型工艺学 金属凝固分析
金属凝固原理
2 研究对象：
研究液态金属或合金转变为固态金属或合金这一凝固过程 的理论和技术，定性地特别是定量地揭示其内在联系和规 律，发现新现象，探求未知参数，开拓新的凝固技术和工 艺。 凝固学是材料成形技术的基础，也是近代新型材料开拓和 制备的基础。
第一节 单向凝固工艺 第二节 单晶生长 第三节 柱状晶的生长 第四节 自生复合材料
第八章 快速凝固
第一节 快速凝固技术及其传热特点 第二节 快速凝固的热力学 第三节 快速凝固的动力学及界面形貌稳定性 第四节 快速凝固晶态合金的显微结构特征与 应用 第五节 快速凝固的非晶态合金
绪论
研究对象
1 凝固：
两个原子的相互作用势能 W(R) 的曲线如图 1-1b 所示。可 用下式计算相互作用力，当 R 增加 dR 时，力 F 就靠势能 W(R)减小作外功FdR。因此得到： 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
第二章 凝固热力学
第一节 液态金属结构 第二节 二元合金的稳定相平衡 第三节 溶质平衡分配系数 第四节 液－固相界面成分及界面溶质
分配系数
第三章 凝固动力学
第一节 自发形核 第二节 非自发形核 第三节 固－液相界面结构 第四节 晶体生长方式
第四章 单相合金的凝固
第一节 凝固过程的溶质再分配 第二节 金属凝固过程中的“成分过冷” 第三节 界面稳定性与晶体形态 第四节 胞晶组织与树枝晶 第五节 微观偏析 第六节 固－液界面非线性动力学理论
表1-1 一些金属的熔化潜热和汽化潜热的比较
第五章 纯金属的凝固
r*
体积自由能
r
2 16 2Tm A* 4 (r*)2 2 Lm T 2
1 G * A * 3
2 16 3Tm 1 G* A 2 3( Lm T ) 3
说明：
① 形核功△G*与（△T )2成反比，△T↑，△G*↓； ② 形成临界晶核时自由能仍是增高的（△G*＞0），其增 值相当于其表面能的1/3，即L→S体积自由能差值只补 偿形成临界晶核表面所需的能量的2/3，而不足的1/3则 另需他法；
（1）非均匀形核时的能量变化及形核功
设一曲率半径为r的球冠的晶胚依附于型壁W上形成。
接触角为θ （又称浸润角）。
G GVV A
GVV AL L AM ( M L M )
LM L cos M
AL 2r (1 cos )
非均匀形核的形核功：
* G非 2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
* G非
2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
讨论： ① θ=0°, f（θ）=0,ΔG*非=0，基底和晶核结构相同，直接 长大，称外延生长；杂质本身即为晶核；
undulation
液态的结构特征：原子排列长程无序，动态短程有序。
5.1.2 纯金属结晶的过冷现象
过冷：
(Supercooling或 Undercooling )
液态材料在理论结晶温度以下仍保持液 态的现象。
理论凝固温度Tm与实际开始凝固温度Tn 之差，即ΔT= Tm - Tn 。
过冷度 ΔT:
5.3.1 均匀形核（homogeneous nucleation）
铸造金属凝固原理介绍课件
凝固缺陷
01 缩孔：金属凝固过程中，由 于体积收缩，导致内部出现 孔洞
02 疏松：金属凝固过程中，由 于气体析出，导致内部出现 疏松多孔的结构
03 偏析：金属凝固过程中，由 于成分不均匀，导致内部出 现成分分布不均匀的现象
04 裂纹：金属凝固过程中，由 于应力过大，导致内部出现 裂纹
铸造方法
01
砂型铸造：利用砂型制作铸 件，成本低，生产效率高
03
压力铸造：利用高压将熔融 金属压入模具，生产效率高， 适用于薄壁铸件
05
连续铸造：利用连续铸造机 将熔融金属连续铸造成铸件， 适用于大批量生产
02
熔模铸造：利用蜡模制作铸 件，精度高，适用于复杂铸 件
04
离心铸造：利用离心力将熔 融金属甩入模具，适用于管 状铸件
05
凝固原理在铸造工艺优 化中的实例分析
02
凝固原理对铸造工艺 的影响
04
凝固原理在铸造工艺优 化中的具体应用方法
06
凝固原理在铸造工艺优 化中的发展趋势
质量控制
01
凝固原理在铸造过 程中的应用
02
凝固原理在金属材料 质量控制中的作用
03
凝固原理在铸造缺 陷检测中的应用
04
凝固原理在铸造工 艺优化中的作用
新材料研究
01
纳米材料：具有高强度、高韧性、耐腐蚀等优良性能
02
复合材料：结合多种材料的优点，提高性能和降低成本
03
生物材料：利用生物技术制备新型材料，如生物陶瓷、生物高分子等
04
智能材料：具有感知、响应和自适应功能的材料，如形状记忆合金、压电材料等
绿色铸造技术
绿色铸造技术是指在铸造过程中减少环境污染、降低 能耗、提高材料利用率的技术。
第四章纯金属的凝固
（二）临界晶核 设晶胚为半径r的球形，形核时总能量变化为： ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能 ΔG是r的函数。
由 Gf(r) 的函数作图可知，在r=rc时△G取 得极大值。
讨论： 1.当r＜rk则晶胚生长 ，将导致体系 ΔG ，晶胚重新熔化而消失。 2.若r＞rk 晶胚r ，体系的ΔG,结晶 自发进行，此时的晶胚就成为晶核
2.金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为
3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结 合力较为接近。
3.金属熔化熵值变化小:
金属熔化时结构变化小，只是相对“无序度”增加.
液态金属结构与固态相似存在近程有序，近程密堆， 远程无序.
二.材料凝固的过冷现象
过冷现象-实际结晶温度低于理论结 晶温度的现象。
假设：晶核是依附过冷液相现成基底B上形成晶核S；
设晶核为半径为r的球缺体；S1为球冠面积； S2为晶核与基底接触的面积； θ为晶核与基体的润湿角。
晶核形成稳定存在的瞬间（不 熔化、长大），三相交点处， 表面张力应达到平衡：
σLB=σSB+σLScosθ
非均匀形核示意图
σLB、σsB、σLs分别为L/B、S/B、L/S间的表面张力
均为自发过程.
结论：过冷是结晶的必要条件， 而 ΔT≥ΔTc是结晶的充分必要条件。
过冷度对临界晶核与 最大相起伏的影响
（五）临界晶核的形核功
ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
将
k
2 GV
代入上式可得：
3
2
G k4 3 L 2 m T T m G 4 L 2 m T T m 化简得
材料成型工艺
第一次1、试说明材料成形工艺的作用。
2、分析材料成形工艺特点，并分析不同材料成形工艺中的共性技术有哪些3、论述材料成形工艺的发展趋势。
第二次1.浇注系统的基本类型有哪些各有何特点根据金属液注入型腔的不同方式，浇注系统可分为顶注式、底注式、侧注式和联合注入式4种类型。
1)顶注式浇注系统，就是指金属液从型腔顶部注入，如图1-14所示。
其优点是能使金属液由型腔下部向浇注系统部分顺序凝固，获得组织致密的铸件。
缺点是浇注时金属液容易产生飞溅、涡流，易卷入气体和夹杂物，容易使铸件产生夹渣和气孔。
2)底注式浇注系统，就是金属液平稳地从型壳的下部注入，型腔中的气体能自由地从上部逸出，有良好的出气排渣作用，浇出的铸件表面光洁，如图1-15所示。
这种形式尤其适用于浇注铜、铝等非铁合金铸件。
其缺点是底部与顶部的金属液温差大，不利于顺序凝固，需增设冒口。
3)侧注式浇注系统，就是金属液由铸型型腔侧面水平或倾斜注入，如图1-16所示。
这种方式对型壳的冲击以及排气性能都比顶注要好，整体型壳的温差比底注式小，铸件补缩效果好。
而且一根直浇道可焊多个熔模，是一种应用广泛且工艺成品率较高的浇注方式。
4)联合注入式浇注系统，就是指同时兼有上述方式中的几种，如图1-17所示。
但其结构组成复杂，仅用于尺寸较大且热节分散的精铸件。
2.什么是缩孔和缩松形成条件有何异同铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞。
容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。
1、缩孔缩孔的孔洞大而集中，缩孔的形状不规则，孔壁粗糙。
缩孔有出现在铸件外部和铸件内部两种，分别称为外缩孔和内缩孔。
外缩孔是指因金属液的凝固收缩而在铸件的外部或顶部形成的缩孔，一般在铸件上部呈漏斗状。
当铸件壁厚很厚时，有时出现在侧面或凹角处。
根据铸件的形状有所不同，漏斗状的下端有的较浅，有的一直深到铸件的内部。
一般来说，产生外缩孔的铸件其内部是致密的。
第五章 纯金属的凝固
多数金属制品的生产都需要经历熔炼和铸造两 个工艺过程。熔炼是为了获得符合要求的液态 金属。铸造是将液态金属注入铸模中使之凝固 成一定形状，尺寸的固态金属件或金属锭。 结晶：液态金属转变为固态金属晶体的过程。 结晶是铸锭，铸件，金属焊接生产的主要过程。 是材料制备的最主要工艺。 广义结晶定义：聚集态，晶态，非晶态—晶体 的过程。
dn / dt B2 exp(GA / KT ) I B exp[(G * GA ) / KT ]
下式中的ΔG*和ΔGA与扩散有关，但两项变化 趋势不同：ΔT↓时，ΔG*↑,而 ΔGA↓.
原子可动性 相变驱动力 e-ΔG*/KT
e-ΔGA/KT
I
温度T→Tm 温度 温度 I－t 曲线示意图
Tm Ts
无限缓慢
时间
过冷:金属开始凝固温度Ts,低于其熔点Tm的现 象. ΔT(过冷度)=Tm-Ts,Tm为熔点。 不同金属以及不同冷却条件，其凝固的过冷度 是不同的。 金属中纯度越高，无杂质，ΔT越大。冷却速 度越大，过冷度也越大。采取特殊手段，可使 金属的最大过冷度增加。象使液态金属细化成 液滴可使过冷度增加。如下表：
一，均匀形核
由均匀母相中形成新相结晶核心的过程，是一 种无择优位置的形核。 1，均匀形核的热力学分析 晶胚出现增添了一项表面自由能，系统自由 焓总变化为ΔG=-V·ΔGV+Aγ ，设晶胚的形状 为圆球，半径为γ0，ΔG=-4πr3ΔGV/3+ 4πr2γ(σ),该式给出给定温度下,晶胚半径与ΔG 之间的关系。(下图也能说明另一些问题)
d (G ) 4 r 2 Gv 8 r 0 dr 2 16 r 3 r* G* 2 Gv 3(Gv)
金属的凝固过程观察
金属的凝固过程观察一、实验目的了解固溶体合金和共晶体合金这两种合金结晶过程的特点和组织特点，为制定铸造工艺得到参考依据。
二、实验原理（1）树枝状结晶及树枝状晶根据结晶理论，固溶体合金结晶时，开始结晶的固溶体的成分可以用平衡分配系数k0表示，假设在一定范围内液相线和固相线均为直线，则平衡分配系数k0为：k0= Ca / Cl式中Ca——给定条件下结晶出的固溶体的成分；Cl——相同条件下与Ca平衡的液相的成分开始结晶出来的固溶体可以认为是球状，在凝固的初期经过形成等轴状的表面凹凸不平的称为晶粒的阶段之后，由于散热条件不同和晶体沿不同方向长大速度不同等原因，继续长大的晶体就会变成树枝状晶体。
由于固溶体和液体的成分不同，因此先结晶的固溶体和后结晶的固溶体成分将会不同。
也就是说，在一个树枝状晶体的大晶粒内部溶质的浓度不同，产生偏析。
若在凝固的过程中将试样水淬，使其快速凝固，则由于急冷凝固的那部分组织(淬火组织)变为非常细的树枝状组织，可以与慢冷的粗大树枝状晶体加以区别。
因此在结晶的不同阶段进行急冷，观察组织可以了解生长阶段的树枝状晶体。
（2）共晶结晶及共晶体有很多合金结晶生成共晶体。
是由相图上的共晶成分的合金液体通过恒温反应生成的。
二元共晶合金的恒温反应如下：Lc→αa+βb式中Lc——成分为c的液相；αa——成分为a的固相；βb——成分为b的另一个固相。
所以把共晶反应叙述为：一个固定成分的液相在恒温下转变成成分和结构不同的另外两种固相的反应。
共晶反应的特点是，溶质和溶剂原子不进行长距离的扩散运输，合金的宏观成分不发生显著的变化。
而新形成的两种固相互相促进形核，共同协调长大。
因此共晶体组织往往带有自身独特的组织形态，很容易与其它组织区分。
共晶体中两相的弥散程度也依赖于冷却速度或结晶速度。
根据这一原理，采用在结晶过程中进行水淬冷却，可以分析不同阶段的共晶体长大的形态和特征。
（3）铝合金铝合金中常加入的元素为Cu、Zn、Mg、Si和Mn以及稀土元素等。
金属凝固原理
金属凝固原理
金属凝固原理是物理学中最重要的概念之一，它是指当温度降低到一定程度时，金属内部从液态直接过渡到固态的过程。
这种过程叫做凝固或结晶。
在该过程中，金属内部具有一种特殊的结构，即“金属晶格”。
金属晶格是一种稳定的结构，由许多小空间和原子构成，并且可以承受很大的力。
金属凝固原理是一个相对复杂的概念，涉及到物理学、化学、材料学等多个领域。
它的基本原理是，温度降低时，金属内部产生秩序，原子开始排列形成一种晶格结构，从而使金属变成固态。
金属凝固原理是金属加工工艺中最重要的一环，同时也是材料性能分析的基础。
因此，金属凝固原理的研究和应用对于金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
首先，金属凝固原理的研究依赖于量子力学理论，也就是研究金属晶格中原子的行为。
在量子力学理论的基础上，工程师可以利用计算机模拟金属的凝固过程，进一步探究金属凝固原理。
其次，金属凝固原理的研究也受益于材料科学技术的发展。
如X射线衍射仪（XRD）可以检测金属内部晶格结构的信息，从而更好地理解金属凝固原理。
此外，金属凝固原理的研究也受益于材料工程学的发展。
例如，在实验室中，可以通过不同的温度调节和材料组成，模拟金属凝固过程，以更深入地理解金属凝固原理。
金属凝固原理是物理学、化学、材料学等多个领域的重要内容，其研究对金属加工工艺的改进和优化具有重要意义。
因此，金属凝固原理的研究将会在未来发挥重要作用。
金属材料凝固过程研究现状与未来展望
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金属材料凝固过程是材料学领域的重要研究内容。
材料成形原理实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解材料成形的基本原理和工艺过程。
2. 掌握材料成形实验的基本操作方法和实验技巧。
3. 分析材料成形过程中的各种现象，加深对材料成形原理的理解。
二、实验原理材料成形原理是研究材料在成形过程中，如何通过物理、化学和力学作用，改变材料的形状、尺寸和性能的一门学科。
实验中，我们将通过实际操作，观察材料在不同成形工艺下的变化，从而验证材料成形原理。
三、实验仪器与设备1. 液态金属成形设备：高温炉、模具、浇注系统等。
2. 塑性成形设备：拉伸试验机、压缩试验机、弯曲试验机等。
3. 焊接设备：电弧焊机、气体保护焊机、等离子焊机等。
4. 光学显微镜、扫描电镜等观察设备。
四、实验内容及步骤1. 液态金属成形实验（1）高温炉预热：将高温炉预热至所需温度，通常为金属熔点的1.5倍左右。
（2）金属熔化：将金属放入高温炉中，加热至熔化状态。
（3）金属浇注：将熔化的金属浇注到预先准备好的模具中。
（4）金属凝固：让金属在模具中凝固，形成所需形状。
2. 塑性成形实验（1）拉伸试验：将金属试样置于拉伸试验机上，进行拉伸试验，观察试样断裂时的现象。
（2）压缩试验：将金属试样置于压缩试验机上，进行压缩试验，观察试样变形和断裂现象。
（3）弯曲试验：将金属试样置于弯曲试验机上，进行弯曲试验，观察试样变形和断裂现象。
3. 焊接实验（1）电弧焊：将金属板置于电弧焊机下，进行电弧焊，观察焊缝成形和焊缝组织。
（2）气体保护焊：将金属板置于气体保护焊机下，进行气体保护焊，观察焊缝成形和焊缝组织。
（3）等离子焊：将金属板置于等离子焊机下，进行等离子焊，观察焊缝成形和焊缝组织。
五、实验结果与分析1. 液态金属成形实验通过液态金属成形实验，我们观察到金属在高温下熔化，浇注到模具中后凝固成所需形状。
在实验过程中，我们掌握了金属熔化、浇注和凝固的基本原理。
2. 塑性成形实验通过塑性成形实验，我们观察到金属在拉伸、压缩和弯曲过程中，会产生不同程度的变形和断裂。
第五章 纯金属的凝固
非均匀形核的形核功：
* G非 2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
* G非
2 16 3Tm * f ( ) ＝f ( )G均 3( Lm T ) 2
讨论： ① θ=0°, f（θ）=0,ΔG*非=0，基底和晶核结构相同，直接 长大，称外延生长；杂质本身即为晶核；
（1）非均匀形核时的能量变化及形核功
设一曲率半径为r的球冠的晶胚依附于型壁W上形成。
接触角为θ （又称浸润角）。
G GVV A
GVV AL L AM ( M L M )
LM L cos M
AL 2r (1 cos )
第五章 纯金属的凝固
物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物 （solidification） 质为晶体，则称该过程为结晶(cystallization) 。 凝固： 铸造：将金属熔炼成符合要求的液体并浇进铸型，冷却凝固、 得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。 ① 最早的成型手段； ② 生产的第一个环节；
Tk Tm Tk 0.15 ~ 0.25 Tm Tm
ΔTk称有效形核过冷度 ΔTk≈0.2Tm(Tm用绝对温度表示) 。 ② 对于高粘滞液体，均匀形核速率很 小，基本不存在有效形核温度。
图5-6 金属的形核率N与过冷度ΔT的关系
实验测得的成核温度
汞 锡 铅 铝 银 金 Tm/K 234.3 505.7 600.7 931.7 1233.7 1336 Tk/K 176.3 400.7 520.7 801.7 1006.7 1106
△Tk/Tm
0.247 0.208 0.133 0.140 0.184 0.172
铜 铁 铂 NaF NaCl
金属凝固原理--第八章快速凝固
13
§6.1 引言 快速凝固：在极快的冷却速率下完成由液相到固相的相变过 程，从而获得常规凝固方法所无法得到的合金成分、相组成 和显微结构。
获得独特的微观组织、结构特征
所制备材料具有优异的使用性能 （如：力学、物理、化学性能等）
14
§6.1 引言 三. 本章学习内容
（1）
（2）
（3）
（4）
快
速
快速凝固 快速凝固 快速凝固
快速凝固
凝
原理、技术 热力学与 显微结构 晶态(微/纳米晶)
固
及 传热特点
动力学
特征
准晶/非晶 材料及应用
15
§6.2 快速凝固原理、技术及其传热特点—快速凝固原理
快速凝固的内涵
定义1：从液态到固态的冷却速度大于某一临界冷却速率的 凝固过程（103 K/s）。
定义2：由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得 普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的凝固 过程。
27
§6.2 快速凝固原理、技术及其传热特点—快速凝固技术
02
急冷凝固技术—雾化技术—雾化法
基本原理：以水、气作为冷却介质（水雾化 /气雾化），冲击金属流，冷却速率可达104～ 107 K/s 。
特点：（1）可以大批量生产预合金粉末； （2）粉体可以通过各种不同的固结方法（粉 末冶金方法）加工成块体坯料或成形零件。
§6.6 非晶态合金
3
§6.1 引言
普通凝固过程存在的问题：
冷却速度慢 凝固速度小
常规工艺下金属的冷却速度一般不会超过102 ℃/S
大型砂型铸件及铸锭凝固时的冷却速度约为：10-6 ~10-3 ℃/S；中等铸件及铸锭约为10-3~100 ℃/S； 薄壁铸件、压铸件、普通雾化约为100~102 ℃/S
凝固理论
非均质形核与均质形核的临界半径完全相同。但是， 形成球冠比形成相应r* 尺寸球体所需的原子团要小，在相 同的过冷度下球冠更容易形成；并且，质点与晶核润湿性 越好，形成球冠就越容易，所需的过冷度就越小。
质点促进形核并非是以质点为形核中心，而是在质点 表面形成很多晶 如果在结晶的每一个阶段，固、液两相都能进行充分
金属凝固理论
河北联合大学 冶金与能源学院
孙立根
凝固理论的研究对象
凝固是液态金属转变成固态的过程。
不同组织结构的形成
成分偏析
脱氧产物和夹杂物的生成排出
液态
气体的析出 凝固收缩
凝固
固态
钢液的成分
冷却条件
2
凝固现象的范围： 从日常生活到工业生产，凝固现象随处存在。
① 从古代的青铜器到现代的单晶硅，凝固规律都起着重要 的作用。
• 从生核开始直到凝固结束，在整个结晶过程中，固、液两 相内部将不断进行着溶质元素的重新分布，这种现象称为
溶质再分配。它是合金结晶的一大特点，对结晶过程影响 极大。
• 显然，溶质再分配现象起因于平衡凝固的热力学特性，即
由于固液两相的溶解度不同，溶质成分在界面两侧形成差
别。而实际凝固过程中的具体分配形式，则决定于传质过
28
2.4过冷状态对结晶过程的影响 • 成分过冷对一般合金结晶过程的影响与热过冷对纯金属
的影响，两者在本质上是相同的。但由于同时存在着溶 质传质过程的影响，因此情况更为复杂： ① 在无成分过冷的情况下，界面也同样以平面生长方式
长大； ② 随着成分过冷的出现和增大，界面生长方式将逐步转
变为胞状生长方式，然后再过渡到枝晶生长方式。 ③ 主干凝固释放的潜热导致液相温度升高、过冷度降低；
华科 材料成型原理 第一部分 液态金属凝固学答案
第一部分：液态金属凝固学2.1 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，还存在浓度起伏和结构起伏。
2.2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和附加压力p的关系如（1）p＝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）p＝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。
2.3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。
2.4 解：浇注模型如下：则产生机械粘砂的临界压力p＝2ς/r显然 r ＝21×0.1cm ＝0.05cm 则 p ＝410*5.05.1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为H ＝p/（ρ液*g ）＝10*75006000＝0.08m 2.5 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/s3.1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。
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二、金属液态成形主要工艺方法2. 成形方法◆在砂型铸造中，按造型方法分为：手工造型一般机器造型高压造型（高密度造型）◆在特种铸造中，按成形方法分为：金属型铸造压力铸造离心铸造低压铸造熔模铸造连续铸造真空吸鋳挤压铸造负压实型铸造等各种铸造方法都有其特点和应用范围负压实型铸造金属液态成形过程铸件性能：◆合金性能◆铸型性能◆工艺控制凝固方式：◆重力场凝固◆非重力场凝固●压力铸造●离心铸造●挤压铸造●电磁场◆快速凝固金属液态成形过程铸型种类：◆砂型◆金属型◆陶瓷型◆石膏型◆壳型三、金属液态成形工艺的新技术1、知识经济和高技术对铸造行业的影响技术特征先进制造技术形成的先进铸造技术精密、优质化精密成形与加工近无缺陷成形精确铸造成形金属熔体的纯净化、致密化数字、网络化数字造型虚拟制造网络制造铸造工艺CAD，铸造模具CAD/CAM一体化铸造过程宏观模拟及工艺优化铸件组织微观模拟及性能预测分散网络化铸造系统高效、智能化快速制造自动化制造系统智能制造快速原形及快速制模铸造过程自动检测与控制，铸造机器人的应用人工智能在铸造生产中的应用1、知识经济和高技术对铸造行业的影响技术特征先进制造技术形成的先进铸造技术柔性、集成化柔性制造计算机集成制造快速易重组制造铸造过程的柔性制造铸造过程的计算机集成制造系统快速换模技术交叉、综合化并行制造复合成形与加工并行环境下铸造CAD/CAE/CAM一体化半固态铸造、喷铸技术、复合铸造低耗、清洁化绿色制造清洁铸造技术，铸造废弃物的再生利用精益、快捷华精益生产快捷制造铸造企业精益生产模式虚拟铸造企业及铸造电子商务2、金属液态成形的新技术①快速成形技术②精确成形技术③半固态铸造、喷铸技术、复合材料铸造及复合铸造④液态成形工装模具CAD/CAM一体化⑤液态成形过程宏观模拟及工艺优化⑥铸件组织微观模拟及性能寿命预测⑦液态成形过程数据库和专家系统⑧铸件电子商务3、金属液态成形工艺技术发展趋势①加强铸造基础理论研究②发展铸造新工艺及新设备③在稳定提高铸件质量、精度和粗糙度的前提下发展专业化生产④积极实现铸造生产过程的机械化、自动化⑤减少公害，节约能源，降低成本铸造生产应该在优质、高精度前提下，实现高产、低耗、无害、价廉，使铸造技术成为可与其他成形工艺相竞争的少余量、无余量成形工艺（净终成形工艺）。
第二章金属液态成形工艺原理§2.1 液态金属充型过程的水力学特点液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点液体金属充满铸型型腔的过程称为充型过程。
充型过程存在：热作用机械冲击冲刷物理化学反应在充型异常的条件下会产生液态金属成形过程的一些缺陷：浇不足、冷隔、砂眼、抬箱、侵入性气孔、夹砂结疤研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点研究液态金属充型过程的运动规律和特性非常必要。
研究方法：◆物理模拟◆计算机数值模拟◆工业试验经验总结§2.1 液态金属充型过程的水力学特点液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相）1、多相黏性流动◆夹杂物（非金属化合物）：（尺寸< 50μm ）●氧化物——Al 2O 3, SiO 2, MnO, FeO, TiO 2, MgO 等●氮化物——AlN, ZrN, TiN 等●硫化物——Ni 3S 2, CeS, Cu 2S 等◆气体：（总量< 4X10-4 %）CO, CO 2, H 2, N 2, O 2 等例如连铸的钢水中：8R 3C o g v ρρρ-=另相另一相临界升降速度§2.1 液态金属充型过程的水力学特点1、多相黏性流动金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩擦阻力，呈现粘性流动的水利学特点。
影响因素：●温度●合金成分●金属液纯净度§2.1 液态金属充型过程的水力学特点2、非稳定流动◆流路截面变化◆流路方向变化◆流路温度变化充型过程中液态金属的流速、流态在不断变化。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点3、紊流流动液体的流动可分为层流和紊流两种状态，并可用雷诺数Re 来判断。
γDv⋅=Re（流速×管路直径/ 流体运动粘度）Re临= 2300大于Re临为紊流小于Re临为层流例如，某钢种在连铸工艺过程中结晶器的管道直径为0.15m ，如果结晶器有电磁搅拌的条件下钢水的平均旋转周向速度为0.12m/s ，浇注温度为1535℃，运动粘度为0.407×10-6m 2/s ，计算出：）（临23004422610407.015.012.06e e R vDR 〉〉=⨯⨯==-γ对于某些合金，在浇注温度下（高于液相线温度50~100℃）有：铸件材质铸铁铸钢铝合金γ（m2/s）0.55×10-60.4×10-60.6×10-6在浇注系统中，即使D 很小（如取0.4 cm），在保证充型。
所以：的最低流速下，其雷诺数也大于Re临金属液在浇注系统中的流动为紊流流动。
又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。
§2.1 液态金属充型过程的水力学特点4、在“多孔管”中流动浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性§2.1 液态金属充型过程的水力学特点综上所述液态金属在充型过程中的水力学特点与理想液体相比有明显的区别。
但是，液态金属在充型时间较短的过程中，一些水力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、浇注系统的结构浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
§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的构成（基本组元）：①浇口杯②直浇道③直浇道窝④横浇道⑤内浇道§2.2 液态金属充型过程的水力学计算一、浇注系统的结构连续铸钢浇注系统的构成：①钢水包②长水口③中间包④浸入式水口⑤结晶器§2.2 液态金属充型过程的水力学计算一、浇注系统的结构根据浇注系统基本组元截面积比例关系分为：①开放式浇注系统F 直< F横< F内②封闭式浇注系统F 直> F横> F内F 直、F横、F内分别为直、横、内浇道截面积之和。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算二、计算模型液态金属充型过程计算模型：H 0——金属充型压头P——上型腔高度C——型腔高度（铸件高度）§2.2 液态金属充型过程的水力学计算二、计算模型为了保证金属液顺利充满型腔：◆直浇道要有一定高度（提供充型压头）；◆浇道要有合适的截面积。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算三、计算过程和结果计算条件：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设充填下半型时需要金属液m 1，充填时间为t 1。
以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：∑+++=++ih gvP g v P H 202220内腔杯杯γγ（2 -1）设充填下半型时需要金属液m 1，充填时间为t 1。
以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：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h i ——浇注系统中某段的流体压头损失γ——重度（=ρg ）∑+++=++ih gvP g v P H 202220内腔杯杯γγ（2 -1）设充填下半型时需要金属液m 1，充填时间为t 1。
以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：∑+++=++ih gvP g v P H 202220内腔杯杯γγ（2 -1）因为gvh P P v iii 202ξ=≈=腔杯杯其中:头损失系数。
为浇注系统中某段的压i ξ所以02211gH gH v iμξ=+=∑内（2 -2）整理式（2-1）得220(1)22i i vvH h ggξ=+=+∑∑内内式中为流量系数。
μ∑+++=++ih gvP g v P H 202220内腔杯杯γγ（2 -1）（2 -3）所以112gH t m F ρμ=内通过内浇道的金属流量为112gH F t m μρ内=（流量=时间*流速*截面积）设充填上半型时需要金属液m 2，充填时间为t 2。
以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：∑∑++++=++ji h h gv P g v P H 202220内内杯杯γγ（2 -4）设充填上半型时需要金属液m 2，充填时间为t 2。
以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：因为gv h g vh h P P P P v jj j iii 22'022ξξρ==+=≈=腔内腔杯杯其中:失系数。
为型腔中某段的压头损失；为型腔中某段的压头损平面的距离；为型腔中液面到内浇道j j h h ξ'∑∑++++=++ji h h gv P g v P H 202220内内杯杯γγ（2 -4）所以()均内gH h H g v ji 2''2110μξξ=-++=∑∑（2 -5）整理式（2-4）得∑∑++=-)1(2'20j i gvh H ξξ内式中为充型平均静压头。
为流量系数，均H 'μ∑∑++++=++ji h h gv P g v P H 202220内内杯杯γγ（2 -4）（2 -6）所以均内gH t m F 2'22ρμ=均阻gH F t m 2'22μρ=（流量=时间*流速*截面积）通过内浇道的金属流量为3. 通式由于同一个铸件浇注系统的内浇道的断面积应该是一个，因此写成通式：（2 -7）均内gH t mF 2ρμ=为流量系数。
为充填时间；；为充填铸型所需金属液μt m 式中这就是奥赞（Osann ）公式，它是浇注系统计算的基本公式。
假设型腔断面积沿高度无变化。
液态金属充型过程计算模型：H 0——金属充型压头P——上型腔高度C——型腔高度（铸件高度）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：b. 按实际系统与计算系统浇注时间相同来确定：（2 –8a ）CPH H 220-=均（2 –8b ）20020112⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+-=H P H P C CH H 均本次课结束谢谢大家。