第一篇 液态金属成型原理

在任何时刻总有些原子能量高于平均 能量，而另一些原子能量低于平均能 量，称此为能量起伏
随着温度的升高，能量起伏增大，其中一部分能量大的原 子可能越过势垒跳到周围原子之间的空隙中，使原来的位置 成为空穴。同时空穴周围的原子也可以进入空穴中，就使空 穴发生”移动”。空穴首先从金属表面产生，向内部扩散。
度不升高。 金属的熔化潜热一部分用来使体积膨胀做功，另一部分用
来增加系统的内能。恒压下 δq=d(U+pV)=dU+pdV=dH
式中 δq—外界供给的潜热;U—内能； pV—膨胀功；H-热焓
ds q / T 1/T(dU pdV)
可见，熔化的本质就是金属从固态的有规律性的长程有序 排列转变为液态的紊乱而无序的非晶体结构的过程。
PV=RT（范德瓦尔公式） 对液态结构的研究由于原子间的相互作用，必须予以考 虑，但原子相互位置不确定产生了困难。
一、凝聚理论 把液体看作是浓缩的气体，从气体运动论观点出发，通
过修正气体状态方程式，来修正浓缩气体中原子或分子之间 作用力的影响。博尔恩及格林提出了一组适于描述液体运动 论的分子分布函数。但很复杂，实际很难应用。 二、点阵理论
但是，铸造也存在缺点：铸件尺寸均一性差，内部质量 比锻件差；工作环境粉尘多，温度高，劳动强度大等。因 此，提高铸件质量，改善铸造的生产条件是每个材料加工 作者的历史责任。
液态模锻是把液态金属直接浇入金属模内．然后在一定 时间内，以一定的压力作用于液态(或半液态)金属上，使 之成型，并在此压力下结晶和塑性流动。其实质是是铸造 与锻造的组合工艺。
3.有效结构理论 根据这种理论，液体状态可用似晶组分与似气组分之间
的配分关系来表示。 三、几何理论 由J.D.Berna和S.V.King提出的，把液体看作是原子的
某种“堆积物”。该理论认为，液体是原子紊乱的密集球堆 积
的，或者更确切地说，液体是均质的相互粘着的，本质上为
不规则的原子集合体。典型试验为钢球实验。此试验发现 “伪
二、金属的加热膨胀 当温度升高时，右边自由振动的原
子的振幅增大。由于势能曲线w的不对 称性，使得向左振动时动能很快全部转 化为势能，振幅小；向右振动时，经过 很大振幅才能使动能转化为势能。温升 时，振动剧烈势能按W1 W2 W3 W4变化，原子平衡位置将安R1 R2 R3 R4，可见将发生膨胀。但是只改 变原子间距不改变相当位置。
焊接成型虽然并不完全属于液忠成型范的、但是，熔化 焊中有焊接熔池，而焊接冶金和焊缝液态金属的凝固及结晶 的基本规律；焊接过程中产生的气孔、偏析、夹杂及裂纹等 焊接缺陷的形成机理与铸造成型的规律基本相同或相近。
因此．有关焊接成型的相关内容，将与铸造成型融合在 一起来讨论。
本篇主要讨论液态金属成型过程中的基本规律及内在联 系；阐明液态金属的结构及其物理性质；分析液态金属充填 铸型后与铸型间的热交换特点，铸件温度场和焊接温度场分 布规律及影响因素；阐述液态金属结晶的基本规律，铸件组 织的形成、焊接热影响区组织的特点及控制途径等。
把液体看作是无序的固体，该理论的出发点是将缺陷引 人晶体点阵中，其中有3中理论。
1.晶格理论 晶格理论认为固体的原子排列是有序的，原子在点阵位
置上不停地作三维热振动。被熔化的液体是从固态的有序排 列转变到液态的无序排列，原子仍被限制在点阵位置附近， 但是可以独自作随机振动。
2.空穴或空洞理论 空穴理论把液体看作是有大量空位的一种伪点阵。
第一章 液态金属及合金的结构和性质
铸造是使金属的状态按着“固态一液态—固态“过程而 成 型的。金属由液态转变为固态过程中发生很多现象：形核， 晶体长大，溶质的传输，液态体积变化等，这些均与金属的 结构及性质有关。因此金属的结构及性质对研究铸件形成过 程非常重要。
科学上对液体状态的认识远落后于气体状态和固体状态。 理想气体中的分子，基本上像是一些弹性体。在低压和中压 下，分子间距大约分子自身尺寸，其间作用可忽略不计；在 高压下，分子间作用力不可忽略，其气体状态方程式为：
1083
镁
密排六方
650
镉
密排六方
3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ1
铁
体心/面心立方 1537
+6.0 +5.1 +4.2 +4.15 +4.1 +4.0 +3.0
2.熔化潜热与汽化潜热 汽化潜热是使原子间结合键全部破坏所需的能量，而熔化 潜热则仅有汽化潜热的3%~7%，见表1-2，但是从固态转变 为液体，配位数的变化很小的。 3.熔化熵 熔化时熵的增加是较大的，配位数的变化很小，这说明熔 化时原子排列有序度大为降低，原子间距或最邻近的原子数 目，并没有很大变化。
第一篇 液态金属成型原理
液态金属成型工艺有铸造、液念冲压和液压模锻等多 种方法。但是，其历史最悠久、应用最广泛的还是铸造。 例如机床、内燃机、重型机械中占70%-90%；风机、压缩 帆中大约占60%一80%；拖拉机、农业机械中占40％- 70％； 汽车市占20%一30%；铁路机车车辆中占40％一50％。此 外，铸件在仪表、航空航天、船舶、化工、国防等工业中 也有广泛应用。
第二节 液态金属和合金的结构
一、一些物理性质的变化
1.熔化时体积的变化
金属从固态转变为气态时，其体积无限膨胀，但是变为液
体其体积增加了3%~5%，见表1-1 表1-1 某些常用金属熔化时的体积变化
金属名称
晶体结构
熔点℃ 熔化时的体积变化%
铝
面心立方
660
金
面心立方
1063
锌
密排六方
420
铜
面心立方
温 度越高，能量起伏越大，离位原子和空穴数量越多，是金属 发生膨胀。
所以原子间距增大和空穴的产生是造成膨胀的根本原因。 三、金属的熔化
金属的熔化首先是从晶界开始的。 晶界上原子排列相对不规则，离位原子多，势能大。随着 温度的升高，在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成 晶粒之间的相对滑动。当温度达到熔点时，金属晶粒逐渐被 瓦解，金属体积膨胀；此时金属进一步吸收熔化潜热，当温
晶核”的高密度区，在液相中出现有序的似晶区域，从而可 以】
说明原子呈”近程有序“的规则排列。
第一节 固体金属的加热膨胀及熔化
一、金属中的原子结合 金属原子是靠金属正离子和
自由电子之间的静电引力结合 在一起。金属键的结合强弱取 决于原子结构及它们之间的相 互作用力和热运动。见图1-1。 有图可知，R较小（R<R0 ）时 为斥力，随着R的增大斥力减 小，引力增大，但R>R0 时为 引力。R=R0 时W最小，此时原 子处于最稳定状态，R0 称为平 衡距离。