金属液态成型原理
金属液态成型原理
内容简介
《金属液态成型原理》共10章，书中系统阐述了材料热加工过程中金属液态成形的基本原理。第1章是液态金属的结构和性质，第2章是金属凝固过程的传热，第3章是液态金属凝固热力学及动力学，第4章是单相及多相合金的结晶，第5章是金属凝固组织的控制，第6章是凝固新技术，第7章是合金中的成分偏析，第8章是气孔与夹杂，第9章是缩孔与缩松，第10章是铸造应力、变形及裂纹。《金属液态成型原理》是普通高等学校“材料成形与控制工程专业”液态成形（铸造）方向本科生用的教材，同时也可作为材料加工液态成形方向研究生的参考书，还可作为金属材料工程、热加工以及机械等工程专业师生和工程技术人员的参考用书。
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目录
0 绪论1
0.1 金属的液态成形与凝固的关系1
0.2 凝固过程研究的对象1
0.3 凝固理论的研究进展2
第1章液态金属的结构和性质4
1.1 固体金属的加热、熔化4
1.1.1 晶体的定义与结构4
1.1.2 金属的加热膨胀4
1.1.3 金属的熔化6
1.2 液态金属的结构6
1.2.1 液态金属的热物理性质7
1.2.1.1 体积和熵值的变化7
1.2.1.2 熔化潜热与汽化潜热7
1.2.2 X射线结构分析7
1.2.3 液态金属的结构8
1.2.3.1 纯金属液态结构8
1.2.3.2 实际金属液态结构9
1.2.4 液态金属理论结构模型 钢球模型与P Y理论10 1.3 液态金属的性质12
1.3.1 液态金属的黏滞性12
1.3.1.1 液态金属黏滞性的基本概念13
1.3.1.2 黏滞性（黏度）在材料成形过程中的意义14
1.3.2 液态金属的表面张力15
1.3.
2.1 表面张力的基本概念和实质15
1.3.
2.2 影响表面张力的因素17
1.3.
2.3 毛细现象及表面张力引起的附加压力19
1.3.
2.4 表面张力在材料成形中的意义20
1.4 液态金属的充型能力21
1.4.1 液态金属充型能力的基本概念21
1.4.1.1 充型能力的定义及其他相关名词21
1.4.1.2 液态金属流动性测试方法22
1.4.2 液态金属停止流动的机理与充型能力22
1.4.
2.1 液态金属停止流动的机理22
1.4.
2.2 液态金属的充型能力24
1.4.3 影响充型能力的因素27
1.4.3.1 金属性质方面的因素27
1.4.3.2 铸型性质方面的因素29
1.4.3.3 浇注条件方面的因素30
1.4.3.4 铸件结构方面的因素31
1.5 液体金属中的流动31
1.5.1 自然对流和强迫对流31
1.5.2 凝固过程液相区液态金属的流动32 1.5.3 液态金属对流对凝固组织的
影响33
习题与思考题34
第2章金属凝固过程的传热35
2.1 概述35
2.1.1 热量传递的基本方式35
2.1.2 铸造过程中的热交换35
2.2 导热基本定律36
2.2.1 温度场36
2.2.1.1 概念36
2.2.1.2 等温面及等温线36
2.2.2 傅里叶定律36
2.2.3 导热微分方程37
2.3 凝固温度场的求解方法39
2.3.1 方法介绍39
2.3.2 铸件凝固温度场的解析解法39
2.3.3 半无限大物体的非稳态导热解析法41 2.3.4 测温法43
2.3.5 影响铸件温度场的因素43
2.3.5.1 金属性质的影响43
2.3.5.2 铸型性质的影响43
2.3.5.3 浇注条件t浇44
2.3.5.4 铸件结构的影响44
2.4 不同界面热阻条件下温度场46
2.4.1 概述46
2.4.1.1 热阻46
2.4.1.2 多层板的热阻46
2.4.2 铸件在非金属型中凝固48
2.4.3 金属型铸造凝固48
2.5 铸件的凝固方式及其对铸件质量的影响49 2.5.1 凝固动态曲线49
2.5.2 凝固区域及其结构49
2.5.3 铸件的凝固方式及其影响因素51
2.5.
3.1 凝固方式51
2.5.
3.2 影响凝固方式的因素52
2.6 合金凝固方式与铸件质量的关系52
2.6.1 窄结晶温度范围的合金52
2.6.2 宽结晶温度范围的合金53
2.6.3 中等结晶温度范围的合金54
2.7 无限大平板铸件的凝固时间计算54
2.7.1 理论计算法54
2.7.2 经验公式法55
习题与思考题56
第3章液态金属凝固热力学及动力学57
3.1 凝固热力学57
3.1.1 液固相变驱动力57
3.1.2 曲率、压力对金属平衡结晶温度的影响59 3.1.2.1 曲率对金属平衡结晶温度的影响59
3.1.2.2 压力对物质熔点的影响59
3.2 自发形核过程60
3.2.1 液态金属的结晶过程60
3.2.2 自发形核形核功61
3.2.3 自发形核形核率62
3.3 非自发形核过程64
3.3.1 非自发形核形核功64
3.3.2 非自发形核的形核条件66
3.4 晶核的生长67
3.4.1 液 固界面的结构及其影响因素68
3.4.2 粗糙界面与光滑界面69
3.5 晶体的生长方式及生长速度70
3.5.1 晶体的生长方式70
3.5.2 晶体的生长速度70
3.5.2.1 连续生长71
3.5.2.2 二维生核生长72
3.5.2.3 沿螺型位错生长72
3.5.3 晶体的生长方向和生长表面73
习题与思考题74
第4章单相及多相合金的结晶75
4.1 凝固过程中的质量传输75
4.1.1 溶质分配方程75
4.1.1.1 扩散第一定律75
4.1.1.2 扩散第二定律75
4.1.2 凝固传质过程的有关物理量76
4.1.2.1 扩散系数D76
4.1.2.2 溶质平衡分配系数k076
4.1.2.3 液相线斜率mL77
4.1.2.4 液相温度梯度GL77
4.1.3 稳定态扩散（溶质传输）过程的一般性质77 4.1.3.1 稳定态定向凝固特征微分方程的通解78 4.1.3.2 固液界面处的溶质平衡78
4.1.3.3 远离固 液界面的液体成分78
4.2 单相合金的凝固79
4.2.1 溶质再分配现象的产生79
4.2.2 平衡凝固时的溶质再分配80
4.2.3 非平衡凝固时的溶质再分配81
4.2.3.1 固相无扩散，液相充分扩散时的溶质再分配81
4.2.3.2 固相无扩散，液相只有有限扩散的溶质再分配83 4.2.3.3 固相无扩散、液相存在部分混合时的溶质再分配85 4.3 成分过冷的产生87
4.3.1 溶质富集引起界面前方熔体凝固温度的变化87
4.3.2 热过冷与成分过冷88
4.3.3 成分过冷判据88
4.4 界面前方过冷状态对凝固过程的影响90
4.4.1 热过冷对纯金属结晶过程的影响90
4.4.2 成分过冷对一般单相合金结晶过程的影响91
4.4.3 凝固参数和微观组织形态之间的关系96
4.5 多相合金的凝固97
4.5.1 共晶合金的凝固97
4.5.1.1 共晶组织的分类与特点97
4.5.1.2 规则共晶的凝固99
4.5.1.3 非小平面 小平面共晶合金的结晶102
4.5.1.4 离异生长及离异共晶105
4.5.2 偏晶合金的凝固106
4.5.2.1 偏晶合金大体积的凝固106
4.5.2.2 偏晶合金的单向凝固106
4.5.3 包晶合金的凝固107
4.5.3.1 平衡凝固107
4.5.3.2 非平衡凝固107
习题与思考题109
第5章金属凝固组织的形成与控制111
5.1 铸件宏观凝固组织的形成及其影响因素111
5.1.1 铸件宏观凝固组织的特征111
5.1.2 晶粒游离的产生111
5.1.2.1 液态金属流动对结晶中晶粒游离过程的作用111 5.1.2.2 铸件结晶中的晶粒游离112
5.1.3 表面细晶粒区的形成114
5.1.4 柱状晶区的形成115
5.1.5 内部等轴晶区的形成116
5.1.5.1 关于等轴晶晶核的来源116
5.1.5.2 关于等轴晶区的形成过程116
5.2 铸件宏观凝固组织的控制117
5.2.1 铸件凝固组织对铸件质量和性能的影响117
5.2.2 等轴晶组织的获得和细化118
5.2.2.1 合理控制热学条件118
5.2.2.2 孕育处理与变质处理120
5.2.2.3 动态晶粒细化124
5.2.2.4 等轴晶枝晶间距的控制125
习题与思考题125
第6章凝固新技术126
6.1 定向凝固126
6.1.1 定向凝固的理论基础126
6.1.1.1 定向凝固技术的工艺参数126
6.1.1.2 成分过冷理论与界面稳定性理论127
6.1.2 非平衡条件下的定向凝固128
6.1.2.1 非平衡凝固时的溶质分配系数128
6.1.2.2 非平衡定向凝固的界面形态选择128
6.1.3 定向凝固技术及其应用130
6.1.3.1 传统的定向凝固技术130
6.1.3.2 新型定向凝固技术132
6.1.3.3 定向凝固技术的应用133
6.2 快速凝固135
6.2.1 快速凝固技术简介135
6.2.1.1 急冷凝固技术136
6.2.1.2 深过冷法137
6.2.2 快速凝固方法137
6.2.2.1 急冷快速凝固方法137
6.2.2.2 深过冷快速凝固方法138
6.2.2.3 表面快速熔凝技术140
6.2.2.4 喷射成型技术141
6.2.2.5 表面沉积技术141
6.2.3 快速凝固显微组织141
6.2.4 金属玻璃146
6.2.4.1 金属玻璃的基本概念146
6.2.4.2 容易形成金属玻璃的合金系147 6.2.4.3 金属玻璃的性能特点147
6.3 超常凝固147
6.3.1 微重力下的凝固148
6.3.2 微重力实验环境的获得148
6.3.3 声悬浮下的凝固149
6.3.3.1 声悬浮技术简介150
6.3.3.2 声悬浮理论151
6.3.3.3 声悬浮凝固组织152
6.3.4 高压凝固153
6.3.4.1 压力对凝固参数的影响153
6.3.4.2 高压下的非晶形成155
6.3.4.3 高压下的纳米晶的形成155
6.4 物理场作用下的凝固156
6.4.1 电脉冲作用下的凝固156
6.4.1.1 液相线以上电脉冲处理机理156
6.4.1.2 液固两相区内电脉冲处理机理探讨156
6.4.1.3 电脉冲作用下的凝固组织157
6.4.2 电场作用下的凝固157
6.4.2.1 连续电流作用下合金熔体凝固组织研究结果157 6.4.2.2 连续电流对凝固组织的作用机制158
6.4.3 超声波作用下的凝固159
6.4.3.1 超声波对液体的作用机理159
6.4.3.2 超声波对金属凝固组织的作用160
6.5 半固态金属的凝固161
6.5.1 半固态凝固技术简介161
6.5.2 半固态金属的特性及形成机理161
6.5.2.1 半固态金属的特性161
6.5.2.2 半固态金属的形成机理162
6.5.3 半固态铸造162
6.5.3.1 半固态金属原料的制备162
6.5.3.2 半固态金属铸造的特点及方法163
习题与思考题165
第7章合金中的成分偏析166
7.1 微观偏析166
7.1.1 晶内偏析167
7.1.1.1 晶内偏析的影响因素167
7.1.1.2 晶内偏析的预防与消除169
7.1.2 晶界偏析170
7.2 宏观偏析171
7.2.1 正常偏析172
7.2.2 逆偏析173
7.2.3 V型和逆V型偏析173
7.2.4 带状偏析174
7.2.5 重力偏析174
习题与思考题175
第8章气孔和夹杂176
8.1 气孔176
8.1.1 金属中气体的来源及种类176 8.1.1.1 金属中气体的来源176
8.1.1.2 铁和钢中的气体177
8.1.1.3 铝及铝合金中的气体177 8.1.1.4 镁及镁合金中的气体177 8.1.1.5 铜及铜合金中的气体177 8.1.2 铸件中气孔的分类及特征177 8.1.2.1 反应性气孔177
8.1.2.2 侵入性气孔178
8.1.2.3 析出性气孔178
8.1.3 气孔的形成过程179
8.1.3.1 经典形核理论179
8.1.3.2 非经典形核理论182
8.1.4 防止气孔形成的措施186
8.1.4.1 防止侵入气孔的措施186 8.1.4.2 防止析出气孔的措施186 8.1.4.3 防止反应气孔的措施187 8.1.4.4 防止卷入气孔的措施187 8.2 夹杂187
8.2.1 夹杂物的来源及分类188
8.2.1.1 夹杂物的来源188
8.2.1.2 夹杂物的分类188
8.2.2 非金属夹杂物的形成过程189
8.2.2.1 非金属夹杂物形成的热力学条件189 8.2.2.2 初生夹杂物的形成过程191
8.2.2.3 二次氧化夹杂物的形成过程196
8.2.2.4 次生夹杂物的形成过程197
8.2.3 非金属夹杂物的去除197
8.2.3.1 气体搅拌197
8.2.3.2 电磁净化198
8.2.3.3 氯盐精炼法199
8.2.3.4 熔剂净化法199
8.2.3.5 化学法199
8.2.3.6 过滤器199
习题与思考题199
第9章缩孔和缩松200
9.1 金属收缩的概念200
9.1.1 液态收缩201
9.1.2 凝固收缩201
9.1.3 固态收缩203
9.1.4 铸件的收缩205
9.2 缩孔与缩松的形成机理206
9.2.1 缩孔207
9.2.1.1 缩孔的形成207
9.2.1.2 缩孔的容积207
9.2.1.3 缩孔位置的确定209
9.2.2 缩松210
9.2.2.1 缩松的形成211
9.2.2.2 缩孔和缩松的相互转化214
9.2.3 灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松215 9.3 防止铸件产生缩孔和缩松的途径217
9.3.1 顺序凝固和同时凝固217
9.3.1.1 顺序凝固217
9.3.1.2 同时凝固219
9.3.2 浇注系统的引入位置及浇注工艺220 9.3.3 冒口、补贴和冷铁的应用221
9.3.4 加压补缩221
习题与思考题221
第10章铸造应力、变形和裂纹222
10.1 概述222
10.2 铸造应力223
10.2.1 铸造应力的分类223
10.2.2 应力的形成223
10.2.2.1 热应力的形成223
10.2.2.2 相变应力的形成224
10.2.2.3 机械阻碍应力的形成225
10.2.3 控制应力的措施225
10.2.3.1 形成铸造应力的影响因素225 10.2.3.2 减小应力的途径225
10.2.3.3 消除残余应力的方法226
10.3 变形226
10.3.1 变形的种类227
10.3.2 控制变形的措施227
10.4 铸造中的裂纹228
10.4.1 铸造中的热裂纹的形成与控制228 10.4.1.1 热裂纹的分类及特征228
10.4.1.2 热裂纹的形成机理228
10.4.1.3 热裂纹的影响因素231
10.4.1.4 合金因素的影响231
10.4.1.5 工艺因素对热裂纹的影响232 10.4.1.6 防止热裂纹的措施232
10.4.2 冷裂纹232
习题与思考题234
参考文献235
液态金属成型原理作业
液态金属成型原理 一、简述普通金属材料特点及熔配工艺 1 普通金属材料的特点 1.1铸铁材料 铸铁是含碳量大于2.11%或者组织中具有共晶组织的铁碳合金，其成分范围为：2.4%~ 4.0%C，0.6%~3.0%Si，0.2%~1.2%Mn，0.1%~1.2%P，0.08%~0.15%S。依据碳在铸铁中的形态可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁及麻口铸铁，其中灰口铸铁依据石墨形态的不同分为普通灰铸铁、蠕虫状石墨铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。 （1）白口铸铁 白口铸铁中的碳少量溶于铁素体，大部分以碳化物的形式存在于铸铁中，断口呈银白色。白口铸铁硬而脆，很难加工。我们可以利用它的硬度高和抗磨性好的特点制造一些高耐磨的零件和工具。 （2）灰铸铁 碳主要结晶成片状石墨存在于铸铁中，断口为暗灰色。灰口铸铁不能承受加工变形，但是却具有特别优良的铸造性能，同时切削加工性能也很好，低熔点、良好的流动性和填充性以及小的凝固收缩。 （3）麻口铸铁 麻口铸铁具有灰口和白口的混合组织，断口呈灰白交错。麻口铸铁不利于机械加工，也无特殊优异的使用性能。 （4）可锻铸铁 可锻铸铁是由白口铸铁经过石墨化退火后制成的。具有较高的强度、塑性和韧性，与球墨铸铁相比具有质量稳定、处理铁水简便以及易于组织流水线生产等优点，适用于形状复杂薄壁小件的大批量生产。 （5）球墨铸铁 球墨铸铁中的碳主要以球状石墨形态存在于铸铁中。球墨铸铁具有比灰口铸铁高得多的强度、塑性和韧性，同时仍保持着灰口铸铁所具有的耐磨、消震、易切削加工、容易铸造等一系列优异性能。 1.2 铸钢材料 铸钢具有良好的综合机械性能和物理化学性能，比铸铁具有更高的强度、塑性和良好的焊接性。按化学成分可以分为碳素钢和合金钢，其中碳素钢又分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。（1）低碳钢 低碳钢的含碳量小于0.20%，它的塑性和韧性较高，但是强度较低，通常要经过渗碳后进行淬火、回火处理来提高强度和耐磨性。低碳钢的铸造性能差，熔点高，钢液流动性差，
液态金属
液态金属行业研究报告 第一节液态金属材料简述 1.1液态金属的定义 液态金属即非晶材料，是一种长程无序（短程有序）、亚稳态（一定温度晶化）、一定程度上的物理特性各向同性的金属材料，具有固态、金属、玻璃的特性，又称金属玻璃，具有高强度、高硬度、塑性、热传导和耐磨性等。 图1-1 液态金属具有长程无序结构
1.2 液态金属的特点 液态金属兼有玻璃、金属、固体和液体的特性，是一类全新性的 高性能金属材料，具备很多不同于传统玻璃材料的独特的性质。 非晶材料具有高强度、高比强度、高硬度和高弹性形变等优点
Liquidmetal在表面光洁度上远远高于镁、铝、钛、钢等金属。1)是迄今为止最强的金属材料（屈服强度和断裂韧性最高）和最软的（屈服强度最低）金属材料之一； 2) 具有接近陶瓷的硬度，却又能在一定温度下能像橡皮泥一样的柔软，像液体那样流动（超塑性），所以它又是最理想的微、纳米加工材料之一； 3) 液态金属的强度（1900Mpa）是不锈钢或钛的两倍，易塑形堪比塑料，兼具了钢铁和塑料的优势，可以塑性加工。
工艺余成本优势 优势 劣势 加工工艺 1.相对于一般的高强度合金制备，它具有净成形（Net-ShapeCasting ）的特点，可以避免繁琐的后期机加工。 复合材料熔点较低，不适合用于高温环境，比如蒸汽 机引擎部件等。 2.目前的制备的液态金属通常很薄，一般的锆-钛非晶合 金只有 2.5cm 厚度，暂时不适用于大型的结构部件 热敏塑性，可以用模具塑型，既简单又经济，而且精度高 非晶合金的复合材料熔点低，避免了高温对复合成分中的金属性质造成损害 无氧环境下成型，具有钝面的表面光洁度 成本 基本上是一次净成型，且表面光洁度高，省却大量的后加工；效率非常高，以宜安 科技自制的压铸设备为例，每台机可以实 现压铸600次/天，相比于CNC 加工数个小 时加工一件的效率相比，成本优势相当显 著，大约能降低一半的成本。 1.3 液态发展历程 第二节 液态金属的制备方法
液态成型
液态成形原理 第一章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。(金属的熔化是从晶界开始的) 3.熔化潜热：在熔点温度的金属转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%)。 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。 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。
金属材料的液态成型
第一章金属材料的液态成形 1.1概述 金属的液态成型常称为铸造，铸造成形技术的历史悠久。早在5000多年前，我们的祖先就能铸造红铜和青铜制品。铸造是应用最广泛的金属液态成型工艺。它是将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。在机器设备中液态成型件所占比例很大，在机床、燃机、矿山机械、重型机械中液态成型件占总重量的70%~90%；在汽车、拖拉机中占50%~70%；在农业机械中占40%~70%。液态成型工艺能得到如此广泛的应用，是因为它具有如下的优点： （1）可制造出腔、外形很复杂的毛坯。如各种箱体、机床床身、汽缸体、缸盖等。 （2）工艺灵活性大，适应性广。液态成型件的大小几乎不限，其重量可由几克到几百吨，其壁厚可由0.5mm到1m左右。工业上凡能溶化成液态的金属材料均可用于液态成型。对于塑性很差的铸铁，液态成型是生产其毛坯或零件的唯一的方法。 （3）液态成型件成本较低。液态成型可直接利用废机件和切屑，设备费用较低。同时，液态成型件加工余量小，节约金属。 但是，金属液态成型的工序多，且难以精确控制，使得铸件质量不够稳定。与同种材料的锻件相比，因液态成型组织疏松、晶粒粗大，部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。其机械性能较低。另外，劳动强度大，条件差。 近年来，随着液态成型新技术、新工艺、新设备、新材料的不断采用，使液态成型件的质量、尺寸精度、机械性能有了很大提高，劳动条件到底改善，使液态成型工艺的应用围更加广阔。 液态材料铸造成形技术的优点： （1）适应性强，几乎适用于所有金属材料。 （2）铸件形状复杂，特别是具有复杂腔的铸件，成形非常方便。 （3）铸件的大小不受限制，可以由几克重到上百吨。 （4）铸件的形状尺寸，组织性能稳定。 （5）铸造投资小、成本低，生产周期短。 液态材料铸造成形技术也存在着某些缺点： 如铸件部组织疏松，晶粒粗大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷；而外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等缺陷。另外铸件的力学性能低，特别是冲击韧性较低。铸造成形工艺较为复杂，且难以精确控制，使得铸件品质不够稳定。 铸造成形技术的发展： （1）提高尺寸精度和表面质量； （2）先进的造型技术及自动化生产线； （3）高效、节能，减少污染； （4）降低成本，改善劳动条件。 1.2 钢铁的生产过程 钢铁的生产过程是一个由铁矿石炼成生铁、再由生铁炼成钢液并浇注成钢锭的过 1.2.1 炼铁 炼铁在高炉中进行，其过程为：将铁矿石、焦碳和石灰石等按一定比例配成炉料，由加料车送入炉，形成料柱，加料完毕，将炉顶关闭。被热风炉加热到900～1200℃的热风，由炉壁上的风口吹入高炉下部，使焦碳燃烧，产生大量的炉气。炙热的炉气在炉上升，加热炉料，并
材料成形原理 吴树森 答案.docx1
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?和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2?/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＝?（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＝2?/r 显然 r ＝2 1 ×0.1cm ＝0.05cm 则 ρ＝4 10*5.05.1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为
液态金属成型原理
2. 金属结晶（凝固）的形核热力学条件及形核机理。 答：金属结晶的热力学条件： 金属结晶必须要过冷，过冷是金属结晶的必要条件。 金属结晶一般是在等压条件下进行的。固、液两相都有各自的自由能，它们的自由能在等压条件下随温度的升高同样是降低的，如图2.1所示。因为液相原子排列混乱程度高于固相，因而有： 上式表示液相熵的负值比固相熵大，因此液相自由能随温度下降的速率大于固相。而在绝对零度时，因液相原子排列混乱程度大于固相而具有更高的自由能。这一关系可用图2.1来表示。图中G L和G S分别代表液相和固相的自由能随温度变化的曲线，两曲线交于温度T m。在T m温度，固、液两相自由能相等。T m就是理论结晶温度。所以理论结晶温度定义为固液两相自由能相等所对应的温度，也称平衡熔点。 图2.1 自由能随温度的变化示意图 根据自由能最小原理，要发生液相向固相的自发转变，实现结晶，固相自由能必须小于液相，从图中可见：这只有在温度小于理论结晶温度时才能实现，这就是液体金属必须具有一定的过冷度，结晶才能自动进行的原因。四、金属结晶的驱动力金属结晶的驱动力从宏观上看是过冷度，从热力学上看是固、液两相自由能之差。实际上，可以证明单位体积固、液两相自由能之差ΔG v和过冷度ΔT之间存在如下关系： 式中L m—结晶潜热。从上可以看出：要实现结晶，根据自由能最小原理，G L-G S＞0，而要保证必须保证G L-G S＞0，即实际结晶温度必须低于理论结晶温度。并且，过冷度越大，固、液两相自由能之差越大，金属结晶的驱动力也越大。 晶核的形成机理： 形核有两种方式：均匀形核和非均匀形核。均匀形核是指晶核不依附任何外来物形成，形核在液相各处的形核几率是相同的；非均匀形核是指晶核依附于外来物（如容器壁和固态杂质）上形成。
《金属精密液态成形技术》习题参考答案-(1)
一、简答题 1．常用金属精密液态成形方法有哪些？ 答：常用的金属精密液态成形方法有：熔模精密铸造、石膏型精密铸造、陶瓷型精密铸造、消失模铸造、金属型铸造、压 力铸造、低压铸造、差压铸造、真空吸铸、调压铸造、挤压铸造、离心铸造、壳型铸造、连续铸造、半固态铸造、喷射成形技术、石墨型铸造、电渣熔铸和电磁铸造等。 2．金属精密液态成形技术的特点是什么？对铸件生产有哪些影响？ 特点：（1）特殊的铸型制造工艺与材料。（2）特殊的液态金属充填方式与铸件冷凝条件。 对铸件生产的影响：由于铸型材料与铸型制作工艺的改变，对铸件表面粗糙度产生很大影响，不但尺寸精度很高，还可使铸 件表面粗糙度降低，从而可实现近净成形。 在某些精密液态成形过程中，金属液是在外力（如离心力、电磁力、压力等）作用下完成充型和凝固的，因此提高了金属液 的充型能力，有利于薄壁铸件的成形；液态金属在压力下凝固，有利于获得细晶组织，减少缩松缺陷，提高力学性能。 熔模：一、名词解释 1.硅溶胶：硅溶胶是由无定形二氧化硅的微小颗粒分散在水中而形成的稳定胶体。硅溶胶是熔模铸造常用的一种优质黏结剂。 2.硅酸乙酯水解： 3.水玻璃模数：水玻璃中的SiO2与Na2O摩尔数之比。 4.树脂模料：是以树脂及改性树脂为主要组分的模料。 5.压型温度： 6.涂料的粉液比：涂料中耐火材料与黏结剂的比例。 7析晶：石英玻璃在熔点以下处于介稳定状态，在热力学上是不稳定的，当加热到一定温度，开始转变为方石英，此转变过程称“析晶”。 二、填空题1.熔模铸造的模料强度通常以抗弯强度来衡量。 2.硅溶胶型壳的干燥过程实质上就是硅溶胶的胶凝过程。 3.一般说来说：硅溶胶中SiO2含量越高、密度越大，则型壳强度越高。 4.涂料中最基本的两个组成耐火材料和黏结剂之间的比例，即为涂料的粉液比。 5.通常按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。 6.硅溶胶中Na20含量和PH值反映了硅溶胶及其涂料的稳定性。 7.模料的耐热性是指温度升高时模料的抗软化变形的能力。 8.熔模的制备方法有自由浇注和压注两种。 9.常用石蜡-硬脂酸模料的配比为白石蜡和一级硬脂酸各50%。 三、判断题 1.压蜡温度愈高，熔模的表面粗糙度越小，表面越光滑；但压蜡温度越高，熔模的收缩率越大。（√） 2.压注压力和保压时间对熔模尺寸有影响，随压力和保压时间增加，熔模的线收缩率减小。（√） 3.为提高水玻璃模数，可在水玻璃中加入氢氧化钠。（×） 4.熔模铸造使用最广泛的浇注方法是热壳重力浇注法。（√） 5.使用树脂基模料时，脱蜡后所得的模料可以直接用来制造新的熔模。（×） 四、简答题1.什么是熔模铸造？试用方框图表示其大致工艺过程。 熔模铸造是用易熔材料制成精确的可熔性模样，在其上涂覆若干层耐火涂料，熔去模样，经过焙烧而得到型壳，浇入金属而 得到铸件的方法。 其工艺过程如下：制作蜡模或蜡模组→涂挂耐火涂料→撒砂→结壳硬化→脱蜡→烘干焙烧型壳→浇注铸件→出箱清理打磨。 2.影响熔模质量的因素有哪些？答：（1）压型尺寸精度及表秒粗糙度（2）模料质量（3）制模工艺：压射压力保压时间 注蜡温度压型温度 3.常用模料有哪两类，其基本组成、特点和应用范围如何？答：①蜡基模料蜡基模料是以矿物蜡、动植物蜡为主要成分的模料。此类模料一般成分比较简单，成本较低，便于脱蜡和回收，但强度和热稳定性较低，收缩大。多用于要求较低的铸件。 ②树脂基模料树脂基模料是以树脂及改性树脂为主要组分的模料。此类模料一般成分比较复杂，强度较高，热稳定性较好，收缩较小，制成的熔模的质量和尺寸稳定性较高，但模料易老化、寿命短，成本较高，多用于质量要求较高的熔模铸件。 从模料中去除水分、粉尘、砂粒和皂化物的工艺过程称为模料回收。采用蒸汽或热水脱蜡后所回收的模料中会不可避免地混有
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、金属的表面张力、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。机械搅动、铸型震动、外加磁场。 铸件的凝固方式：层状凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很小的时候）、体积凝固方式（动态凝固曲线之间的距离很大的时候）、中间凝固方式（介于中间情况的时候）、 影响铸件凝固方式的因素有二：一是合金的化学成分，二是铸件断面上的温度梯度。 热力学能障动力学能障：热力学能障是右被迫处于高自由能过度状态下的界面原子产生的他能直接影响系统自由能的大小，动力学能障是由于金属原子穿越界面过程引起的，他与驱动力的大小无关，而仅仅
材料成型原理课后题答案
第三章： 8：实际金属液态合金结构与理想纯金属液态结构有何不同 答：纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成的，是近程有序的。液态中存在着很大的能量起伏。而实际金属中存在大量的杂质原子，形成夹杂物，除了存在结构起伏和能量起伏外还存在浓度起伏。 12：简述液态金属的表面张力的实质及其影响因数。 答：实质：表面张力是表面能的物理表现，是是由原子间的作用力及其在表面和内部间排列状态的差别引起的。 影响因数：熔点、温度和溶质元素。 13：简述界面现象对液态成形过程的影响。 答：表面张力会产生一个附加压力，当固液相互润湿时，附加压力有助于液体的充填。液态成形所用的铸型或涂料材料与液态合金应是不润湿的，使铸件的表面得以光洁。凝固后期，表面张力对铸件凝固过程的补索状况，及是否出现热裂缺陷有重大影响。 15：简述过冷度与液态金属凝固的关系。 答：过冷度就是凝固的驱动力，过冷度越大，凝固的驱动力也越大；过冷度为零时，驱动力不存在。液态金属不会在没有过冷度的情况下凝固。 16：用动力学理论阐述液态金属完成凝固的过程。 答：高能态的液态原子变成低能态的固态原子，必须越过高能态的界面，界面具有界面能。生核或晶粒的长大是液态原子不断地向固体晶粒堆积的过程，是固液界面不断向前推进的过程。只有液态金属中那些具有高能态的原子才能越过更高能态的界面成为固体中的原子，从而完成凝固过程。 17：简述异质形核与均质形核的区别。 答：均质形核是依靠液态金属内部自身的结构自发形核，异质形核是依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发的形核。 异质形核与固体杂质接触，减少了表面自由能的增加。 异质形核形核功小，形核所需的结构起伏和能量起伏就小，形核容易，所需过冷度小。 18:什么条件下晶体以平面的方式生长什么条件下晶体以树枝晶方式生长 答：①平面方式长大：固液界面前方的液体正温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域及过冷度极小，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体的生长方向相反。 ②树枝晶方式生长：固液界面前方的液体负温度梯度分布，固液界面前方的过冷区域较大，且距离固液界面越远过冷度越大，晶体生长时凝固潜热析出的方向与晶体生长的方向相同。 19：简述晶体的微观长大方式及长大速率。 答：①连续生长机理--粗糙界面的生长：动力学过冷度小，生长速率快。②二维生长机理--光滑界面生长：过冷度影响大，生长速度慢。③从缺陷处生长机理--非完整界面生长：所需过冷度较大，生长速度位于以上二者之间。 20：为生么要研究液态金属凝固过程中的溶质再分配它受那些因素的影响 答：液态金属在凝固过程中的各组元会按一定的规律分配，它决定着凝固组织的成分分布和组织结构，液态合金凝固过程中溶质的传输，使溶质在固液界面两侧的固相和液相中进行再分配。掌握凝固过程中的溶质再分配的规律，是控制晶体生长行为的重要因素，也是在生产实践中控制各种凝固偏析的基础。 凝固过程中溶质的再分配是合金热力和动力学共同作用的结果，不同的凝固
金属液态成形
2018年4月2日11:22 1.什么是金属液态成形？ 金属液态成形也就是铸造，是将液态金属在重力或者其它外力作用下充填到型腔，待其凝固冷却后获得所需形状和尺寸的毛皮或零件（铸件）的工艺过程； 2.流动性 熔融合金的流动性是指其自身的流动能力。流动性好则充填铸型能力强，尺寸易精确，外形完整，轮廓清晰；流动性不好会出现浇不足、冷隔、气孔、夹杂等缺陷；薄壁铸件对之尤其敏感。 灰铸铁、硅黄铜最好，铝硅合金次好，铸钢最差； 3.充型能力 充型能力是指熔融合金充满型腔获得轮廓清晰、形状完整的铸件的能力，与流动性、浇注条件、铸型条件等有关； 4.纯金属和共晶合金为逐层凝固，流动性好，其它成分金属随着结晶范围加大流动性变差； 5.提高浇注温度获得较大过热度有利流动充型，但不宜过高；增大充型压力、提高浇注速度有利流动充型；预热铸型、减少发气、改善透气、简化结构等等有利于充型； 6.收缩 合金收缩分为液态收缩，凝固收缩，固态收缩。前二者合称体收缩，后者为线收缩；收缩率与金属性质有关。浇注温度高，过余温度大，液态收缩加剧；结构复杂、铸型、型芯硬度高的逐渐收缩阻力大；实际线收缩比自由线收缩率小一些； 7.缩孔 在凝固收缩的过程中，液态收缩、凝固收缩、固态收缩造成体积不断减小，凝固收缩不能得到液态金属的有效补缩，最后凝固部分处出现倒锥形缩孔；纯金属与共晶合金逐层凝固易形成缩孔，按温度梯度顺序凝固的最后部分易缩孔，过余温度大液态收缩、凝固收缩大易形成缩孔； 8.缩松 结晶范围宽的金属以糊状凝固方式进行，一般聚集于中心轴线处、热节
处、冒口根部或缩孔下方；温差小的同时凝固条件容易形成缩松； 9.缩孔和缩松一般产生于凝固缓慢的厚壁热节处 10.缩孔和缩松的防止 采用加冷铁和补缩冒口的方式，形成一定的温度梯度，使铸件“定向凝固”，将缩松尽可能转化为缩孔并使缩孔转移到冒口中； 11.铸造内应力 铸造内应力分为热应力和机械应力，铸造内应力产生的原因是凝固之后的固态收缩过程中收缩收到阻碍。铸造应力会造成铸件铸件变形； 12.铸造热应力 由于铸件壁厚不均匀、冷却速度不同，铸件各部分收缩不一致，因此产生热应力；一般情况下，薄壁处率先冷却受压，厚壁处后冷却受拉； 13.机械应力 固态收缩时，线收缩受到铸型或者型芯的阻碍，形成拉伸或者剪切应力，机械应力在落砂后可自行消除。 14.减小或消除应力的措施 采取同时凝固的方式，避免凝固顺序的不一致性，减小热应力，但是这会产生缩松，应该有所权衡；改善铸型和型芯的退让性，减小机械应力；加热到550至600摄氏度实施去应力退火，可以基本消除参与内应力； 15.铸件变形的防止 减小铸造内应力或者用对称结构让内应力抵消可以防止变形；利用反变形法，在变形方向上预先设计形状补偿变形；设置防变形肋板；在切削加工前实施去应力退火，消除内应力； 16.热裂纹及其减小 铸件在凝固末期已经具有完整的固态骨架，由于铸型和型芯的阻挡，会造成机械应力，一旦机械应力超过高温下的强度极限，那么就会导致热裂纹的产生；热裂纹短而宽，形状曲折，缝内有氧化色；结晶范围大的合金容易产生热裂纹。应该尽量使用热裂倾向小的合金，改善铸件结构，改善铸型和型芯的退让性； 17.冷裂纹及其减小 在较低温度下，铸造内应力超过材料强度极限就会产生冷裂纹；冷裂纹细小连续呈光滑直线状，多出现于受拉应力部位；脆性大、塑性差的材料容易产生冷裂纹；因此可以用减小脆性的方法减小冷裂纹，比如减小磷的含
材料成形原理1、2、3章
绪论 材料成形： 将材料加工成具有一定形状、尺寸和性能要求的零部件或毛坯的工艺方法。 材料成形主要方法： 除去加工法、连接加工法、变形加工法、液态及粉末成形加工法。 液态金属的结构和性质 在熔点附近，空穴数目可以达到原子总数的1% 金属由固态变为液态，体积膨胀为3%·5% 熔化潜热： 在熔点温度的固态，变为同温度下的液态，金属要吸收大量的热量 原子在固态的规则排列熔化后紊乱程度不大，液态金属原子间结合键只破坏了一部分，液态金属的结构应接近固态金属而远离气态金属（熔点和过热度不大时）。 纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子和空穴组成的。 结构起伏： 原子集团和空穴的变化现象。 实际合金熔体的结构是极其复杂的，包含各种化学成分的原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡等，是一种混浊的液体。液态金属中存在温度起伏、相起伏和浓度起伏。 液态金属的粘度： 粘度的本质是原子间的结合力。
影响粘度的因素： 化学成分、温度和夹杂物。 化学成分： 难溶化合物的液体粘度较高，而熔点低的共晶成分的合金粘度低，对于共晶成分的合金，异类原子之间不发生结合，而同类原子聚合时，由于异类原子的存在而使它的聚合缓慢，晶坯的形成拖后，故粘度较非共晶成分低。 非金属夹杂物： 夹杂物的存在使液态金属成为不均匀的多相体系，液相流动时的内摩擦力增加，粘度增加。 粘度意义： 对液态金属净化的影响；对液态合金流动阻力的影响；对凝固过程中液态合金对流的影响。 液体以层流方式流动时，流动阻力大，金属液在浇注系统和型腔中的流动一般为紊流，有利于顺利充填型腔。但在充型后期或狭窄的枝晶间的补缩和细薄铸件中呈现为层流。 温度差和浓度差产生的浮力，是液态合金对流的驱动力，粘度越大，对流强度越小。 表面张力： 一小部分的液体在大气中单独存在时，力图保持球形状态，说明总有一个力使其趋向球状 表面张力的实质是质点间的作用力，是由质点间的作用力不平衡引起的，指向液体内部的合力是表面张力产生的根源。 表面自由能即单位面积自由能，表面能或表面张力是界面能或界面张力的一个特例，对于液体来说，表面张力和表面能大小相等，只是单位不同，体现为从不同角度来描述同一现象。
金属液态成型原理
金属液态成型原理 内容简介 《金属液态成型原理》共10章，书中系统阐述了材料热加工过程中金属液态成形的基本原理。第1章是液态金属的结构和性质，第2章是金属凝固过程的传热，第3章是液态金属凝固热力学及动力学，第4章是单相及多相合金的结晶，第5章是金属凝固组织的控制，第6章是凝固新技术，第7章是合金中的成分偏析，第8章是气孔与夹杂，第9章是缩孔与缩松，第10章是铸造应力、变形及裂纹。《金属液态成型原理》是普通高等学校“材料成形与控制工程专业”液态成形（铸造）方向本科生用的教材，同时也可作为材料加工液态成形方向研究生的参考书，还可作为金属材料工程、热加工以及机械等工程专业师生和工程技术人员的参考用书。 〃查看全部>> 目录 0 绪论1 0.1 金属的液态成形与凝固的关系1 0.2 凝固过程研究的对象1 0.3 凝固理论的研究进展2 第1章液态金属的结构和性质4 1.1 固体金属的加热、熔化4 1.1.1 晶体的定义与结构4 1.1.2 金属的加热膨胀4 1.1.3 金属的熔化6 1.2 液态金属的结构6 1.2.1 液态金属的热物理性质7 1.2.1.1 体积和熵值的变化7
1.2.1.2 熔化潜热与汽化潜热7 1.2.2 X射线结构分析7 1.2.3 液态金属的结构8 1.2.3.1 纯金属液态结构8 1.2.3.2 实际金属液态结构9 1.2.4 液态金属理论结构模型 钢球模型与P Y理论10 1.3 液态金属的性质12 1.3.1 液态金属的黏滞性12 1.3.1.1 液态金属黏滞性的基本概念13 1.3.1.2 黏滞性（黏度）在材料成形过程中的意义14 1.3.2 液态金属的表面张力15 1.3. 2.1 表面张力的基本概念和实质15 1.3. 2.2 影响表面张力的因素17 1.3. 2.3 毛细现象及表面张力引起的附加压力19 1.3. 2.4 表面张力在材料成形中的意义20 1.4 液态金属的充型能力21 1.4.1 液态金属充型能力的基本概念21 1.4.1.1 充型能力的定义及其他相关名词21 1.4.1.2 液态金属流动性测试方法22 1.4.2 液态金属停止流动的机理与充型能力22 1.4. 2.1 液态金属停止流动的机理22 1.4. 2.2 液态金属的充型能力24 1.4.3 影响充型能力的因素27 1.4.3.1 金属性质方面的因素27 1.4.3.2 铸型性质方面的因素29 1.4.3.3 浇注条件方面的因素30 1.4.3.4 铸件结构方面的因素31 1.5 液体金属中的流动31 1.5.1 自然对流和强迫对流31
金属液态成形
材料成形技术基础 第一章 金属液态成形 金属液态成形（铸造）：将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。 液态成形的优点： （1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制） （2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等 （3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近） 主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。 分类：铸造从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。 其中砂型铸造工艺如图1-1所示。 图1-1 砂型铸造工艺流程图 第一节金属液态成形工艺基础 一、熔融合金的流动性及充型 液态合金充满型腔是获得形状完整、轮廓清晰合格铸件的保证，铸件的很多缺陷都是在此阶段形成的。 （一）熔融合金的流动性 1.流动性 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。 流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。 流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。 螺旋形流动性试样衡量合金流动性，如图1-2所示。在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。常用合金的流动性数值见表1-1。
表1-1 常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜） 2. 影响合金流动性的因素 （1） 化学成份 纯金属和共晶成分的合金，由于是在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小，同时，共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合金的凝固，故流动性最好；其它成分的合金是在一定温度范围内结晶的，由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。 Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系如图1-3所示。由图可见，亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金的流动性愈好。 （2） 铸型及浇注条件 铸型的结构越复杂、导热性越好，合金的流动性就越差。提高合金的浇注温度和浇注速度，以及增大静压头的高度会使合金的流动性增加。浇注温度：铸钢1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。 （二）影响熔融合金充型的条件 铸型的温度低、热容量大，充型能力下降；铸型的发气量大、排气能力较低时，会使合金的充型能力下降；浇注系统和铸件的结构越复杂，合金在充型时的阻力越大，充型能力下降；提高浇注速度、浇注温度和增加直浇道的高度会使合金的充型能力提高。 图1-2 螺旋型试样 合金种类 铸型种类 浇注温度/℃ 螺旋线长度/㎜ 铸铁 w C+Si =6.2% w C+Si =5.9% w C+Si =5.2% w C+Si =4.2% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 铸钢 w C =0.4% 铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（w Sn ≈10%，w Zn ≈2%） 硅黄铜（w Si =1.5%~4.5%） 砂型 砂型 金属型（300℃） 砂型 砂型 砂型 1600 1640 680~720 700 1040 1100 100 200 700~800 400~600 420 1000 图1-3 Fe-C合金的流动性与含碳量的关系
材料成形原理_吴树森_答案(铸造).
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?和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2?/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＝?（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充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充型 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。
而充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。 提高液态金属的充型能力的措施： （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：
金属成形方法大全
金属成形方法大全 铸造 液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，通常称为金属液态成形或铸造。 工艺流程：液体金属→充型→凝固收缩→铸件 工艺特点： 1、可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。 2、适应性强，合金种类不受限制，铸件大小几乎不受限制。 3、材料来源广，废品可重熔，设备投资低。 4、废品率高、表面质量较低、劳动条件差。 铸造分类： （1）砂型铸造（sand casting） 在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。
工艺流程： 技术特点： 1、适合于制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯； 2、适应性广，成本低； 3、对于某些塑性很差的材料，如铸铁等，砂型铸造是制造其零件或，毛坯的唯一的成形工艺。 应用：汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件 （2）熔模铸造(investmentcasting) 通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。常称为“失蜡铸造”。 工艺流程： 优点： 1、尺寸精度和几何精度高；
2、表面粗糙度高； 3、能够铸造外型复杂的铸件，且铸造的合金不受限制。 缺点：工序繁杂，费用较高 应用：适用于生产形状复杂、精度要求高、或很难进行其它加工的小型零件，如涡轮发动机的叶片等。 （3）压力铸造(die casting) 利用高压将金属液高速压入一精密金属模具型腔内，金属液在压力作用下冷却凝固而形成铸件。 工艺流程： 优点： 1、压铸时金属液体承受压力高，流速快 2、产品质量好，尺寸稳定，互换性好； 3、生产效率高，压铸模使用次数多； 4、适合大批大量生产，经济效益好。 缺点： 1、铸件容易产生细小的气孔和缩松。 2、压铸件塑性低，不宜在冲击载荷及有震动的情况下工作； 3、高熔点合金压铸时，铸型寿命低，影响压铸生产的扩大。 应用：压铸件最先应用在汽车工业和仪表工业，后来逐步扩大到各个行业，如农业机械、机床工业、电子工业、国防工业、计算机、医疗器械、钟表、照相机和日用五金等多个行业。
材料成形基本原理刘全坤课后答案
第一章液态金属的结构与性质习题 1 .液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并 不是原子间结合力的全部破坏？ （2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明： ①物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积 变化?V m/V为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。 ②金属熔化潜热?H m约为气化潜热?H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部 原子结合键只有部分被破坏。 由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。 2 .如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N1、平均原子间 距r1各表示什么？ 答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。 N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。 r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。 3．如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。
答：（1）长程无序是指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。 近程有序是指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 （2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证 ①偶分布函数的特征 对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g(r)在任何位置均相等，呈一条直线g(r)=1。晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。 ②从金属熔化过程看 物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。金属熔化时典型的体积变化?V m/V为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。另一方面，金属熔化潜热?H m约为气化潜热?H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。 可以说，在熔点（或液相线）附近，液态金属（或合金）的原子集团内短程结构类似于固体。 ③Richter等人利用X衍射、中子及电子衍射手段，对碱金属、Au、Ag、 Pb和Tl等熔体进行了十多年的系统研究，认为液体中存在着拓扑球状密排结构以及层状结构，它们的尺寸范围约为10-6-10-7cm。 ④Reichert观察到液态Pb局域结构的五重对称性及二十面体的存在，并推 测二十面体存在于所有的单组元简单液体。 ⑤在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被发现有化学短程序的存在。 4．如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？ 答：理想纯金属是不存在的，即使非常纯的实际金属中总存在着大量杂质原子。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。能量起伏是指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停地变化，时高时低的现象。 结构起伏是指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断地分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，
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=ηdv x dy ，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?）：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cosθ=σGS?σLS σGL ）、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?p 4.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）：M 模=K t 凝 或t凝= M 模 K ，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