金属材料成形原理知识考点

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液态成型基础

?液态金属的结构和性质

晶体的结构和性能主要决定于：组成晶体的原子结构和他们之间的相互作用力与热运动。

液态金属的主要特征：进程有序，远程无序。原子排列的几个原子间距的小范围内，与其固态原子的排列方式基本一致，呈现出一定的有规律排列；而距离远的原子排列就不同于固态了，表现为无序状态。

理论模型：钢球模型，晶体缺陷模型（能量起伏和结构起伏）。

能量起伏：处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也随时间不停变化，时高时低。表现为各个原子间能量的不同和各个原子集团间尺寸的不同。

结构起伏：液态金属中存在由大量不停游动着得原子集团组成，集团内为某种有序结构，处于集团外的原子则处于散乱的无序状态，并且这些原子集团不断的分化组合，时而长大时而减小，时而产生，时而消失，此起彼伏。

浓度起伏：游动集团之间存在着成分不均匀性。表现为各个原子集团之间成分的不同。

实际金属和合金的液体在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态杂质或化合物组成，而且还表现出能量起伏、结构起伏及浓度起伏等三种起伏特征。

粘滞性（黏度）的本质：质点间结合力的大小。

影响黏度的因素：温度，熔点，杂质。

黏度对液态形成过程的影响：a对液态金属留态的影响b对液态金属净化的影响

表面张力是表面上存在的一个平行于表面且各向大小相等的张力。

本质：表面张力是由于物质在表面上的质点受力不均匀而产生的。

影响界面张力的因素：熔点↑，温度↓，溶质（降低的称为表面活性物质，增加的称为非表面活性物质）。

表面张力引起的附加压力：液面凸起（不润湿）为正，液面下凹为负。

?液态金属的充型能力及其影响因素

充型能力：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。

液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力（流动性）同时又受外界条件，如铸型性质，浇注条件，铸件结构等的影响。

流动性：铸造性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。

影响充型能力的因素及提高的措施

a金属性质方面因素

?合金的化学成分（2）结晶潜热（3）金属的热物理性能（4）黏度（5）表面张力

措施：（1）正确选择合金成分（2）合理的熔炼工艺

b铸型性质方面的因素

?铸型的蓄热系数（2）铸型的温度（3）铸型中的气体(少)

c浇注条件方面的因素

?浇注温度（高）（2）充型压头（增加金属液静压头）（3）浇浇注系统的结构（复杂越差）

d铸件结构方面因素

折算厚度（大）和复杂程度（简单）

?金属凝固过程中的传热

研究铸件温度场得方法：实测法，数学解析法，数值模拟法。

不同界面热阻条件下的温度场：

a铸件在绝热铸型中凝固：在整个传热过程中，铸件断面的温度分布是均匀地，铸型内表面温度接近铸件温度。绝热铸型本身的热物理性质是决定整个系统传热过程的主要因素。

b金属-铸型界面热阻为主的金属型中凝固：凝固金属和铸型中的温度梯度忽略不计，认为温度分布是均匀的。传热过程取决于涂料层得热物理性质。

c厚壁金属型中的凝固：厚壁金属型中凝固金属和铸型的热阻不可忽略，因为存在明显温度梯度。金属-铸型界面热阻客忽略，铸型内表面和铸件表面温度相同。传热过程取决于铸件和铸型的热物理性质。

d水冷金属型中凝固：凝固金属表面温度等于铸型温度，凝固传热的主要热阻是凝固金属的热阻，铸件中有较大的温度梯度。

铸件温度场的影响：金属性质（热扩散率大温度均匀化能力大温度梯度小温度分布曲线平坦），铸型性质，浇注条件及铸件结构。

凝固区域：固相区、凝固区、液相区。

凝固区域两部分：液相占优势的液固部分，固相占优势的固液部分。边界：倾出边界。

固液部分：分为两带，两带边界叫补缩边界。

铸件的凝固方式：逐层凝固方式（结晶温度范围很小或断面温度梯度很大），体积凝固方式（结晶温度范围很宽或断面温度场比较平坦），中间凝固方式（结晶温度范围较窄或铸件断面温度梯度较大）。取决于凝固区域宽度。

凝固方式对铸件质量的影响：铸件的致密性和健全性。

合金分为窄结晶温度范围合金（产生分散性缩松倾向小补缩性良好），宽...（容易发展成为树枝发达的粗大等轴晶组织容易形成缩孔缩松），中等...。

铸件断面凝固区域的宽度（铸件的凝固方式）是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定。铸件的凝固时间是指液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间，单位时间凝固层增长的厚度称之为凝固速度。

?液体金属的流动

凝固过程中液态流动主要包括自然对流，强迫对流及亚传输过程中引起的流动。对结晶组织，溶质分配，偏析，夹杂物的聚合等都有影响。

自然对流

a浮力流（最普遍）：液态金属在铸型中冷却和凝固过程中，由于各处温度不同造成热膨胀差异，以及液体各处成分不均匀等原因引起的密度不同而产生浮力，是重力场中产生对流的驱动力。运动黏度越大，对流强度越小。

b枝晶间中液体的流动：枝晶间中液相密度不均匀产生的浮力流及凝固收缩引起的补缩液流是凝固过程中两相区内液体流动的主要形式。

强迫对流：在凝固过程中可以外在激励使液相产生的流动。

途径：a浇注过程的初始动量b电磁场搅拌驱动液体的流动c液相的机械搅拌d凝固过程中的铸型振动e外加电场引起的溶质的电传输，导致液体流动f液相中气体的上浮引起的对流g液相旋转

?液态金属的结晶

?液态金属结晶过程的热力学条件

一次结晶：液态金属转变成晶体的过程。决定了铸件凝固后的结晶组织，并对随后冷却过程中的相变、过饱和相的析出及热处理过程产生极大的影响。

液态金属的结晶过程是从形核开始的，然后晶核发生生长而使得系统逐步由液态转变为固态。在存在相变驱动力的前提下，液态金属还需要通过起伏作用来克服两种性质不同的能量障碍，一种是热力学能障（如界面自由能），由界面原子所形成，能直接影响体系自由能的大小；另一种是动力学能障（如激活自由能），由金属原子穿越界面过程所引起，其大小与相变驱动力无关，而决定与界面的结构和性质。前者对形核过程有重要影响，后者则在晶体的生长过程中起了关键作用。

?液态金属的形核过程

形核：亚稳定的液态金属通过起伏作用在某些微观区域内形成稳定的晶态小质点的过程。形核的首要条件是体系必须处于亚冷态，即存在一定过冷度，以提供相变驱动力，其次需要克服热力学能障形成稳定存在的晶核并保证其进一步生长。

均质形核：是在没有任何外来界面的均匀熔体中的形核过程，也称自发形核。

只有大于临界半径的晶胚才能作为晶核稳定存在，此时的晶胚称为临界晶胚。

对于均质形核过程，临界晶核由过冷熔体中的相起伏提供，而临界形核功由能量起伏提供。

非均质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行形核的过程，也称异质形核或非自发形核。

r非与r均表达式相同，但球冠状晶核所含有的原子数比同曲率半径的球状晶核要少得多。因此球冠状临界晶核更容易在小的过冷下形成。f（θ）越小，非均质形核的过冷度就越小。

不同 …… 此处隐藏：13557字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……