材料成型原理-1.1液态结构
材料成型原理及工艺第一章液态成型工艺基础理论
又同老的核心一起长大，直至凝固
结束。
液态成型原理及工艺
3、形核方式：
均质形核
依靠液态金属(合 金)内部自身的结
构自发地形核
异质形核
依靠外来夹杂 所提供的异质 界面非自发地
形核液态成型原理及工艺
4、纯金属晶体长大：
形成稳定的晶核后，液相中的
原子不断地向固相核心堆积，
使固－液界面不断地向液相中
推移，导致液态金属(合金)的
液态成型原理及工艺
1-1液态金属理论基础
一、 液
态
金
属
固态
的
结
从固态金属的熔化过 程看出，在熔点附近 或过热度不大的液态 金属中仍然存在许多 的固态晶粒，其结构 接近固态而远离气态.
构
液态
液态成型原理及工艺
1、纯金属的液态结构：
纯 金
原子集团由数
原子集团
量不等的原子 组成，其大小
属
为10-l0m数量
液态金属凝固的驱动 力是由过冷度提供的
图1-1 液态成型原理及工艺
2、液态金属(合金)凝固过程
在相变驱动力∆T的作用下，液态金
属开始凝固。凝固过程不是在一瞬
间完成的。首先产生结晶核心，然
后是核心的长大直至相互接触为止。
但生核和核心长大不是截然分开的，
而是同时进行的，即在晶核长大的
同时又会产生新的核心。新的核心
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 ％。
材料成型原理-1.1 液态金属的结构
横坐标r为观测点至某一
任意选定的原子（参考中
心）的距离，对于三维空
间，它相当于以所选原子
为球心的一系列球体的半
径。
纵坐标 4πr 2ρ(r) = 4πr 2 ⋅ dr ⋅ ρ
表示当半径增减一个单位
长度时，球体（球壳）内
原子个数的变化值，其中
ρ（r）称为密度函数。 图1-1 700℃液态铝中原子密度分布线
第一章 液态金属的结构与性质
12
初步定性结论
熔化后原子间距稍有增大，排列松散； 液态金属与固态相比，金属原子的结合键 破坏很少部分； 排列的有序性下降，混乱度增加； 气、液、固相比较，液态金属结构更接近 固态。
第一章 液态金属的结构与性质
13
1.1.2 液体结构的衍射研究
由X射线衍射结果整理而 得的原子密度分布曲线。
得到一些有成效的结果。但由于在某种程度上以
长程有序的点阵构造为基础，而这种构造在液体
中并不存在。因此这类理论的致命弱点是对于熔
化引起的熵变，总是估计过低。
第一章 液态金属的结构与性质
23
C. 几何理论
将液体看成是原子或分子的随机密堆积物。即液 体是原子及分子的均质的、密集的、实质上是无 序的集合体。其中既无晶体区域，也无大到足以 容纳另一原子的空穴。
6
Structure and Properties of Liquid Metals
1.1 液态金属的结构 1.2 液态金属的性质
第一章 液态金属的结构与性质
2
1.1 液态金属的结构
凝固过程从液态开始。金属和合金液的 结构对凝固过程和组织有重要影响。合 金液的预处理，如过热处理、微合金化 处理等可以改变液体的状态与结构，从 而影响凝固组织。 科学上对物质的液体状态的认识，远远 落后于气态和固态。
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。
材料成型原理
材料成型原理第1章液态金属的结构与性质物相由界面包围的具有一定成分和结构的均匀体组织物相的机械混合物润湿性是指存在两种互不相溶液体，液体首先润湿固相表面的能力，即一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性压力差物体两侧所受压力的差值现代晶体学表明，晶体的原子一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，表现出平移对称性特征，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动，相对于晶体这种原子有序排列，气体的分子原子，不停的做无规律运动。
液体表现出长程无序特征，液体结构表现出局域范围内的近程有序。
偶分布函数的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的概率。
晶态固体因原子以特定方式周期排列，其偶分布函数以相应的规律呈分立的若干尖锐峰，液体的g(r)出现若干衰减的钝化峰，直至几个原子间距后趋于直线g(r)等于1。
由于能量起伏，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，而存在结构起伏，实际金属的现象，还要复杂的多，除了能量起伏及结构起伏，还同时存在着浓度起伏。
长程有序：液体的原子相对于周期有序的晶体固态是不规则的，液体结构宏观上不具有平移、对称性。
黏度是液体内摩擦阻力大小的标志，黏度的物理意义可以视为：作用于液体表面的应力与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。
表面活性元素使液体黏度降低，非表面活性杂质的存在使黏度提高。
黏度的意义：黏度影响金属液的流动性进而影响铸件轮廓的清晰程度。
影响钢铁材料的脱硫，脱磷，扩散脱氧。
熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过渡是有利的。
影响铸件内部缩孔或缩松、热裂的形成倾向。
影响精炼效果，夹杂、气孔的形成。
表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。
表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所致。
表面是产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。
表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，前者指液体或固体与气体之间的交界面。
原子间结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能越大，表面张力也就越大。
材料成型原理
1实际液态金属的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、液态或气态杂质或化合物，而且还表现出能量、结构及浓度三种起伏特征，其结构相当复杂。
2液态金属表面张力的影响因素1）表面张力与原子间作用力的关系：原子间结合力u0↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑2）表面张力与原子体积（δ3）成反比，与价电子数Z成正比3）表面张力与温度：随温度升高而下降4）合金元素或微量杂质元素对表面张力的影响。
向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使u0减小，使表面内能和表面张力降低3 . 铸件的凝固组织可分为几类，它们分别描述铸件凝固组织的那些特点？铸件的凝固组织可分为宏观和微观两方面。
宏观组织主要是指铸态晶粒的形状、尺寸、取向和分布情况；微观组织主要描述晶粒内部的结构形态，如树枝晶、胞状晶等亚结构组织等4氢致裂纹的形成机理及特征形成机理：接头中的扩散氢不仅使金属脆化，当金属内部存在显微裂纹等缺陷时，在应力的作用下，裂纹前沿会形成应力集中的三向应力区，诱使接头中的扩散氢向高应力区扩散并聚集为分子态氢，体积膨胀使裂纹内压力增高，裂纹向前扩展，在裂纹尖端形成新的三向应力区，这一过程周而复始持续进行。
当接头中的氢含量超过临界值时，显微裂纹将扩展成为宏观裂纹。
特征：氢致裂纹从潜伏、萌生、扩展直至开裂具有延迟特征；存在氢致延迟裂纹的敏感温度区间（Ms以下200℃至室温范围）；常发生在刚性较大的低碳钢、低合金钢的焊接结构中。
5.综合分析熔渣的碱度对脱氧、脱磷、脱硫的影响。
脱氧在熔渣脱氧时，碱度高不利于脱氧，但在用硅沉淀脱氧时，碱度高可以提高硅的脱氧效果。
脱硫：熔渣的还原性和碱度渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的浓度低都有利于反应的行因此，在还原期中脱硫是有利的。
熔渣碱度高也有利于脱硫。
脱磷脱磷的有利条件是高碱度和强氧化性的、粘度小的熔渣，较大的渣量和较低的温度。
6试述熔渣脱硫的原理及影响因素。
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。
铸件成形原理(液态成形原理)知识点
1.实际金属的液态结构：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及空穴所组成。
能量起伏、结构起伏、浓度起伏。
原子集团内的有序排列——近程有序；液态金属原子无规律排列——远程无序2.粘度系数简称粘度，是用来表征液体粘滞性大小的系数，τ=ττττττ，液体内摩擦阻力大小的表征。
影响因素：原子间结合能U（↑）、原子间距δ（↓）、温度T（↓）、合金组元或微量元素—高熔点合金（高）共晶合金（低）3.表面张力（σ或ϒ）：物质表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的宏观张力。
物体倾向于减小其表面积而产生表面张力（单位N/m，1dyn/cm=10−3N/m）。
影响因素：界面（表面）张力与原子间的结合力（↑，润湿角cosτ=τGS−τLSτGL）、温度（↓）、元素价电子数目、合金杂质元素附加压力——当液体表面弯曲时，在表面张力作用下，液面内和液面外存在一个压力差∆p4.液态金属的充型能力：在充型过程中，液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、尺寸精确，轮廓清晰的铸件的能力影响因素：金属性质（流动性）、铸型性质（蓄热系数b2）、浇注条件（浇注温度、充型压力、浇注系统）、铸件结构。
5.金属的加热膨胀：温度升高，振动能量增加，振动频率和振幅加大；原子间距，原子能量升高6.熔化潜热：金属在熔点，由固态变为同温度的液态时，要吸收大量的热量，称为熔化潜热7.毛细现象——润湿管壁的液体在细管里升高，而不润湿管壁的液体在细管里降低。
液体的表面张力导致的附加压力8.折算厚度（平方根）法（铸件凝固时间）：τ模=K√τ凝或√τ凝=τ模τ，K−凝固系数9.铸件凝固方式：(1)逐层凝固：断面温度梯度很大，或窄结晶温度范围的合金，纯金属、共晶成分合金(2)体积凝固：断面温度场较平坦，或宽结晶范围的合金(3)中间凝固：断面温度梯度较大，或较窄结晶范围的合金影响因素：(1)合金结晶温度范围(2)铸件断面上的温度梯度10.凝固动态曲线：11.过冷类型：(1)动力学过冷ΔT k(2)曲率过冷ΔT r(3)压力过冷ΔT p(4)热过冷ΔT T(5)成分过冷ΔT c凝固界面及其前沿的过冷度ΔT=ΔT k +ΔT r +ΔT p +ΔT T +ΔT c12. 凝固形核：(1) 均质形核——形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程。
材料成形原理-第一章(1)液态金属的结构和性质 PPT课件
1.1固态金属的加热、膨胀及熔化
1.1.2 金属的加热膨胀
当温度升高时，原子振动能量
图1-2 加热时原子间距和 原子势垒的变化
增加，振动频率和振幅增大。以双
原子模型为例，假设左边的原子被
固定不动而右边的原子是自由的。
则随着温度的升高，原子间距将由 R0→R1→R2→R3→R4；原子的能 量也不断升高，由 W0→W1→W2→W3→W4。原子间 距随温度升高而增加，即产生膨胀， 如图1-2所示。膨胀只改变原子的
5、缺点 （1 ）铸件尺寸均一性差； （2） 与压力加工和粉末冶金相比金属的利用率低； （3 ）内在质量比锻件差； （4 ）工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大、生产效率低等
2、我国铸造技术的发展
我国铸造技术已有5000年的悠久历史 铸造技术的成就推动了农业、兵器制造、 天文、医药、音乐、艺术等方面的进步
1.2 液态金属的结构
液态金属的结构分析(表观特征)
㊣ 具有流动性 （液体最显著的性质）；
㊣ 可完全占据容器的空间并取得容器内腔的形
表
状 （类似于气体，不同于固体）；
观 ㊣ 不能够象固体那样承受剪切应力，表明液体
特
的原子或分子之间的结合力没有固体中强
征
（类似于气体，不同于固体）；
㊣ 具有自由表面 （类似于固体，不同于气
沧州铁狮的历史照片
湖北当阳铁塔，铸造 于北宋嘉佑六年（公 元1061年），八面十 三层 ，高16.945米, 据铭文记载的铁塔重 七万六千六百斤,当时 是就地设炉分层铸造, 采用堆土法而建起来, 各层之间重叠摆放,没 有焊接 ,整个塔身玲 珑隽秀,从上到下,自 里而外全生铁浇铸,仅 塔刹在 清代以青铜重 铸.
中国和美国1996～2001年铸件产量（万吨）
液态成型原理
平面生长
树枝状晶体生长示意图
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3.1 液-固界面前沿液相中的温度梯度 •正温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。 •负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。 固
液
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3.2 平面状长大形态
1.3 晶体的长大
1.4 单向合金的凝固
1.5 多项合金的凝固
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶
物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质 为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体， 所以它们的凝固过程就是结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。
属间化合物成分的合金，潜热的影响较大；而对于宽结晶温度范围的
合金，潜热对流动性影响不大。
合金液的粘度
第三章：液态金属凝固热力学和动力学
3.1 液态金属凝固热力学
一、液体金属凝固热力学条件 △Gv=Gl-Gs=(HL-TSL)-(Hs-TSs) =(HL-Hs)-T(SL-Ss)=L-T △S 在Tm点： △Gv=L-Tm △S=0 △S= L/Tm △Gv=L △T/Tm 过冷现象 （1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于 其理论结晶温度的现象。
表面上成核的过程。 （凝固形核的主要方式）
形核方式：均匀形核，非均匀形核
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 1.1.2 结晶热力学
液态金属结晶的动力：过冷度
液态金属结晶的阻力：形成新的界面 热力学能障:由被迫处于高自由能过度状态下的
金属的液态成形技术研究.最全PPT
a——共晶成分合金 b——过共晶成分合金
ab
温度
铸件 铸件
液相线 固相线
成分
固
液
液
表层 中心
表层 中心
合金成分对流动性的影响
1.1 金属液态成形的基本原理
结晶区间越大，流动性越差，共晶成分合金的流动性最好。 过共晶成分合金在结晶时因有液固两相存在，流动性较差。
P可提高流动性，S可使流动性下降。
1.1 金属液态成形的基本原理
• 合金充型能力的影响因素：
1. 流动性
2．浇铸条件 （1）浇注温度： 对合金流动性的影响很显著。 灰铸铁1200~1380℃、铸造碳钢1520~1620℃、 铝合金680~780℃。“高温出炉，低温浇注” （2）充型压力
充型压力 充型能力
1.1 金属液态成形的基本原理
▲ 低温阶段（T２～T３之间）杆Ⅱ受压、杆Ⅰ受拉
缩孔（shrinkage cavity）形状不规则，孔壁粗糙，一般位于铸件厚 大部位和热节处 。
1.1 金属液态成形的基本原理
当合金结晶温度较宽时，铸件表面结壳后，内部有较宽的液、固 两相共存的凝固区域。凝固后期，树枝晶相互接触，将合金液分割成 多个小的封闭区域，当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时，就 形成了缩松。
合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属
元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质。
第1章 金属的液态成形技术
传统砂型铸造流程简图
第1章 金属的液态成形技术
铸造特点：
优点： 1．复杂零件（外形、内腔）； 2. 成本低； 2．尺寸和重量不受限制。
缺点： 1．废品率较高，生产过程难以控制； 2．铸件力学性能较差； 3．砂型铸造铸件精度较差。
材料成型原理
润湿角是衡量界面张力的标志。
1.1纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明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。
充型能力中浇注条件方面的影响因素：1、浇注温度 2、充型压头 3、浇注系统的结构2.1液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？（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。
系统吉布斯自由能G=H-TS H为焓、T为热力学温度、S为熵。
结构越混乱G越高。
G L 液相G s固相当T<Tm G L液相<G s固相金属结晶。
过冷度为金属结晶的驱动力。
成分起伏、相结构起伏、能量起伏。
对于外来固相的平面基地而言，凹>平>凸，凸界面，促进异质形核的能力随曲率增大而减小，凹界面，随增大而增大。
晶体宏观长大方式：平面方式长大，树枝晶方式生长。
3.1为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。
3.2何谓热力学能碍和动力学能碍？凝固过程是如何克服这两个能碍的？热过冷：金属凝固时所需的过冷度，若完全由热扩散控制，这样的过冷称热过冷。
工程材料液态成型原理
工程材料液态成型原理工程材料液态成型（Liquid State Forming）是一种现代加工技术，用于制造有机、无机、金属材料。
它是由液态材料在热条件下凝固成形的一种方法。
液态成型是一种高质量、高效率的加工方法，能够制造高精度、高质量的结构部件，具有广泛的应用前景。
液态成型已经成为了现代工程加工技术的一个重要分支，包括压力铸造、真空浸渍成型、低压浸渍成型、熔蜡精密浇铸、热等静压、往复挤压、高压铸造等。
液态成型原理1. 压力铸造压力铸造是液态成型的最常见形式。
其原理是将液态铝等金属注入铸造模具，以高压或低温凝固，最终形成所需形状的零件。
压力铸造可分为铸模压铸和压机压铸两种。
在铸模压铸中，液态金属被注入封闭铝模中，并在高压下流动。
当铸造模具冷却后释放压力，铝合金零件便可被移除。
而在压机压铸中，液态金属通过压力机压缩，以形成所需形状。
2. 真空浸渍成型真空浸渍成型原理是在真空状态下，将预先制作好的聚合物或金属部件浸泡在低粘度液体中，让它充分渗透被浸部件中的空气，并在部件中形成空气孔。
然后将液态金属注入到部件内，使缺陷被填充，完成零件整形。
3. 低压浸渍成型低压浸渍成型原理是通过设定合适的压力和温度，将合成树脂或组合材料浸渍在含有固体颗粒的介质中，以形成所需零件。
浸渍后，材料被取出并放置在固定模具中，在热的条件下进行脱模。
4. 熔蜡精密浇铸熔蜡精密浇铸是通过将精密铸造模具准备好，根据所需形状制作铸造芯，然后将蜡熔化注入模具中。
经冷却后，蜡壳就形成了模具。
蜡壳填入砂中，在浇注时烘烤蜡浇口使之熔化并渗入砂的内部，从而形成所需的金属零件。
这种方法的优点是制造精度高、表面光洁度好，但成本较高。
5. 热等静压热等静压是在塑料条件下使用高压和高温，将金属坯体制成成型零件。
在加工过程中，利用高温条件使金属母材软化，再通过高压使其形成零件的形状。
这种方法的优点是可以制造出形状复杂的零件，并且可以增强零件内部的晶体结构和强度。
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）：
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。
金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)
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
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
1.3.3 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。
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”。
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
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• End of 1.1
液态和固态金属的结构数据的对比 教材p11表1.1
金属名称
Al Au Zn Cd Na[7]
固态 晶格类型 面心立方 密排六方
体心立方
原子间距 nm
0.2861
0.288
0.265 0.294
0.297 0.330
配位数
12 12 6 6 6 6 8，6
液态
平均原子间距 nm
0.296 0.286 0.294
10.6 8+6
物态转变发生的性质变化
（1）通常，大多数金属熔化有约3-5%的 体积膨胀。表明原子间距增加1-1.5%。
（2）汽化潜热Lb远大于熔化潜热Lm。 Lb/Lm=15-28，以铝为例，铝的配位数 是12，汽化需破坏12个金属键，消耗Lb.
（3）熔化时熵增大。表明原子排列混乱 程度增加，有序性下降。
配位 数
11 11 11
0.306
8
10.6
Bi[2]
菱形（三 0.309
3
方）
0.346
3
0.325
7~7.5
注：除注明外，引自Vineyard（1958）的数据[1]
透射电镜（TEM）观察Si的凝固进程 TEM=Transmission Electron Microscope
径向分布函数有两种数据处理方式
Question?
• 温度升高，液体径向分布密度的变化？
不同温度液态Ar的径向分布函数
3、液体结构模型和理论
迄今为止还没有很好描述液态结构的统一模型。
早期曾把液体视为浓缩的气体，考虑分 子（原子）间作用力，修正气体状态方程， 提出描述液体运动的分子分布函数，在实用 上没有取得成功。
刚球随机密堆积模型 (Bernal,1964)
离子型液体径向密度分布
-铌酸锂的熔体结构
LiNbO3晶体结构，氧原子构成规则的八面体框架， 属菱形（rhombohedral）晶系
熔融LiNbO3（1573K）的X射线实验结果 上图-相干散射强度I，在（4πsinθ）/λ=0.21nm-1出现峰值 下图-径向分布函数（RDF（r）），在r=0.2nm出现峰值
则每cm3铁中，杂质原子数为1015量级。
• 原子间结合力不同，不同合金元素和杂质可能以 溶质、化合物（固、液、气态）等不同方式存在； 杂质的存在破坏了液体的均匀性，造成分布不均。
实际液态金属结构的不均匀性
由于散热和纯净度影响，存在 1）温度不均匀（能量起伏） 2）成分和浓度的不均匀（起伏） 3）相和结构的不均匀（起伏）
• 原子的中心数4πr2drρ(r) • 几率函数ρ(r)/ρ0
• ρ0为液体的平均密度。当r较小时，径向分布曲线的 峰值反映原子分布存在某种序。随着r增大，ρ(r)趋向 平均密度ρ0，说明液体不存在长程序。两种径向分布 函数曲线都清晰地表明这一特性。
金属液体径向密度分布
Bi的径向密度分布
Au的径向密度分布
点阵理论（1936-1958）
– 晶胞理论(free-volume or cell theories)，分子或原 子被假定占据晶格位置，固体时它们仅在节点振 动，液体时它们更自由，可以在一个由周围原子 组成的晶胞（cell）内运动；
– 孔穴或空洞理论，将大量空位引入点阵。 – 有效结构理论：用似晶组分与似气组分之间的配
2.75 2.96 2.861 10-11 12
Au F.C.C 1063 +5.1 12686 26.7
2.21 2.86
2.88 11 12
Cu F.C.C 1083 +4.15 13021 23.4
2.30
F.C.C
Fe
1537 +3.0 16161 22.4
2.00
b.c.c
Na b.c.c 97.8 +2.5 2637 36.7
为通常任一原子其四周的原子排列状 况，与别的原子相比，总有所不同。
• 研究方法有两种：间接方法、直接 方法
1、实验依据
溶化时物理参数的变化
晶格
熔点 ℃
ΔV%
Lm J/mol
Lb/Lm
ΔSm kcal/mol
原子间距
L
S
Bi 三方 271 -3.25 10508 16.97
3.32 3.09/3.46
• 原子在原子中心位置不断进行热振动， 在温度为0K时，原子“停止”运动。
• 在固态时必须考虑各原子间相互作用。
固态结构图
固态结构图
教材p9
• 图1.4 金属原子的刚球密堆积结构模型 • 案例1.4：铌酸锂（LiNbO3）的晶体结构
液态结构的研究方法
• 液态结构研究的困难：
– 相邻原子间作用力必须考虑； – 但原子的相对位置不能明确规定。因
大连理工大学材料学院本科生课程
材料成形原理
——液态成形原理
主讲教师：姚曼 教授 大连理工大学
材科学与工程学院
1 液态结构和物理性质
Structure and Properties of Liquid Materials
主要内容
1.1 液态结构 和模型 1.2 液态的物理性质 1.3 黏滞性 1.4 界面现象
P-压力 V-摩尔体积 R-通用气体常数 T -温度 a/V2-考虑原子和分子间相互作用力 b-与原子或分子体积有关的常数
对固态结构的认识
• 二十世纪初，衍射技术的发现，固态结 构被清楚认识。
• 在晶体物质的结构中，原子或原子团在 空间是按规则的几何图形排列的—长程 有序（long-range order）。
固体、液体和气体中分子的二维系统运动轨迹 （Barker，Henderson，1981）
4.实际液态结构的不均匀性
• 液体结构理论建立在理想状态—绝对纯的物质。 以实际金属液体为例
例：99.999999%Fe, 杂质含量10-6 %，每摩尔Fe，体积 为7.1cm3，原子数为6.023*1023个原子。
r - 离参考原子（刚球）中心的距离（以 球体直径为单位） N - 在0.2倍球直径的壳层内球的平均数
曾提出过不同液体结构模型，例如：
• 点阵理论（lattice theory） ：将液体看
作是各处被破坏的固体。
即液体就是固体的长程有序点阵被大量缺 陷严重破坏。这类理论的出发点，都是以 不同的方式将缺陷引入晶体点阵中。
（R-理想气体常数）
• 理想气体中原子或分子被看成是一些弹性小 球，在低压和中压下，运动距离平均值与其 尺寸相比是很大的，故相互作用力可忽略。
• 高压下，质点间相互作用力和所占体积不可 忽略，进行修正。
对气态结构的认识(2)
范德瓦尔（Van der Waals’）公式：
(P+a/V2)(V-b)=RT
实验数据
熔化时，约3-5%的体积 膨胀。
液体结构定性推论 原子间距增加1-1.5%,排列松散
Lb>>Lm
与固态相比，金属原子的结合键破坏很 少部分
熔化时熵增大
排列的有序性下降，混乱度增加
气、液、固相比较，液态金属结构更接 近固态
2、 衍射实验分析
• X -射线和中子射线对液体进行衍射研究，测定结 果一致。讨论X-射线衍射法所得的结果。
• 图形特征相同，配位数近似，表明不同金属 液态结构比固态有更大的相似性；
近程(有)序 Short-range order
近程(有)序：在几个原子间距范围内， 质点的排列与固态相似，排列有序。
近程有序是理解液体结构的重要概念。
液态金属配位数
• 邻近参考原子密集排列的第一球壳原子 数。即r-原子密度图中第一单峰下的面 积。
• ρ=常数,分布曲线为抛 物线；
• 即平均密度线；
液体原子分布
• 参考原子半径范围内密 度为零
• 紧邻第一壳层中心密度 最大，然后降到最小， 再升到第二个较大值
• r再增大,与平均密度线 重合，原子排列已无序， 无过渡结构区；
衍射研究的基本结论
• 用近程(有)序Short-range order 概括衍射图 的特征，这是理解液体结构的重要概念；这 种“有序”存在几个原子或分子直径范围， 随温度升高而缩小；
• 以任意一个位于中心静止位置的原子为参考原子。对 于球形质点，径向分布函数
nr,rdr 4r 2dr(r)
r， 距参考原子的距离； nr，r+dr，半径为r和r+dr之两球面间的壳层内的原子中心数； ρ（r），r处单位体积内的原子数目，number density。
根据X射线衍射数据计算的原子分布曲线
• 根据X-衍射实验结果与 中子射线衍射结果一致
• 所有液体衍射图形有相同 特征
原子分布曲线
-以理想纯净状态的钠为例
• 衍射强度正比于质点密度， 作r - (4πr2 ρ)dr图；
• 距参考原子半径为r，厚度 dr的球壳的原子密度为ρ， 有(4πr2 ρ)dr个原子造成衍射
• 三种线：固体密度、液体密 度和平均密度线（相当于气 体）。
• 衍射图像：
晶体：位置明确的清晰线条或分布规则的亮点。 液体：少数几条宽而模糊的衍射带或漫射光环。
• 表明：液态中有一些紊乱分布的原子，造成对X射 线的散射，晶体质点排列规整，在平衡位置做热 振动。
径向分布函数 radial distribution function
• 根据液体的X射线衍射或中子衍射图可作出，它能够 定量地描述一定温度下液体分子的分布，常用来描述 液态结构。
配位数 LS 7-8 3+3
Zn h.c.p Sb 三方
420 +4.20 6698 17.43 631 -0.95 39942 4.19