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材料成型原理复习1第一篇第一章液态金属的结构和性质1.凝固不过只是一种相变过程，即物质从液态转变成固态的过程称为凝固。2.相变不只是发生在固相、液相、气相三相之间，在固相中间也是会有相变，即同素异构转变。3.对金属晶体加热以后，晶体受热膨胀，若对晶体进一步加热，则达到激活能数值的原子数量也进一步增加。原子离开点阵后，即留下自由点阵—空穴。空穴的产生，造成局部地区的势垒的减少，使得邻近的原子进入空穴位置，这样就是造成空穴的位移。在熔点附近，空穴数目可以达到原子总数的1%。这样在实际晶体中，除按一定点阵排列外，尚有离位原子与空穴。当这些原子的数量达到某一数量值时，首先在晶界处的原子跨越势垒而处于激活状态，以致能脱离晶粒的表面而向邻近的晶粒跳跃，导致原有晶粒失去固定形状与尺寸，晶粒间可出现相对流动，称为晶界粘性流动。液态金属中的原子排列，在几个原子间距的小范围内与固态原子基本一致，而远离原子后就完全不同于固态，这个就称为“近程有序”、“远程无序”。固态的原子为远程有序。4.在熔点温度的固态变为同温度的液态时，金属要吸收大量的热量，称为熔化潜热。5.固态金属的加热熔化符合热力学规律：Eq=d(U+pV)=dU+pdV=dHdS=Eq/T,其大小描述了金属由固态变成液态时原子由规则排列变成非规则排列的紊乱程度。6.熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。7.液态金属的结构：纯金属结构是由原子集团、游离原子和空穴组成；液态金属的结构是不稳定的，而是处于瞬息万变的状态，这种原子集团与空穴的变化现象称为“结构起伏”，同时还存在大量的能量起伏。实际液态金属极其复杂，其中包括各种化学成分的原子集团、游离原子、空穴、夹杂物及气泡，是一种“浑浊”的液体。存在温度起伏、结构起伏和成分起伏。8.液态金属的性质：⑴粘度：实质上就是原子间作用力，影响因素①化学成分一般的难熔化合物的物体粘度高，而熔点低的共晶成分合金的粘度低；②温度液态金属的粘度随温度的升高而降低；③非金属夹杂物液态金属中固态的非金属夹杂物使液态金属的粘度增加，主要是因为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所致。意义：①对液态金属净化的影响；上浮的动力F=V(γ1-γ2)，半径在0.1cm以下的球形杂质阻力Fc=6πrνη，由此可知速度，此即斯托克斯公式；②对液态合金流动阻力的影响；当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大，因此在成型过程中以紊流方式流动最好；③对液态金属中液态合金对流的影响，液态金属在冷却和凝固过程中，由于存在温度差和浓度差而产生浮力，它是液态合金对流的驱动力，当浮力大于或等于粘滞力时则产生对流，粘度越大对流强度越小。⑵表面张力液体或固体同空气或真空接触的界面叫表面，一小部分的液体单独在大气中出现时，力图保持球形状态，说明总有一个力的作用使其趋向球状，这个力称为表面张力。液体内部分子或原子处于力的平衡状态，而表面层上的分子或原子受力不均匀，结果产生指向液体内部的合力，此即表面张力产生的根源。ΔW=σΔA=ΔGb，即为单元面积的自由能，界面能σAB=σA+σB―WAB影响表面张力的因素①熔点，表面张力的实质是质点间的作用力，故原子间结合力大的物质，其熔点、沸点高，则表面张力往往越大。②温度大部分金属和合金，如铝、镁，锌等，其表面张力随温度升高而降低，因为温度升高使液体质点间结合力减弱。③溶质元素溶质元素对表面张力的影响分为两类，使表面张力降低的溶质元素叫做表面活性元素，“活性”cosLcScSL材料成型原理复习2之义表面含量大于内部含量，称为正吸附元素；提高表面张力的元素称为非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称为负吸附元素。⑶材料加工中毛细现象，主要是由表面张力控制，弯曲液面附加压力ΔP=σ（1/R1+1/R2）,润湿时h=2σcosθ/ρgr，不润湿时h=-2σcosθ/ρgr，可见r很小时，将产生很大的附加压力，因此浇注薄小铸件时，必须提高浇注温度和压力。9.流变铸造是金属或合金在凝固温度区间给以强烈的搅拌，使晶体的生长形态发生变化，由本来是静止状态的树枝晶转变为梅花状或接近球形的晶粒，这样的浆料半固态金属或合金，其流变性发生剧变，已不再是牛顿型流体，而如宾汉体的流变性，将通过机械搅拌或电磁搅拌等方法制备的半固态浆料移送到压铸机等成型设备中，然后压铸或挤压至金属模具中成形为零件。第二章液态成形中的流动和传热1.液态成形就是将熔化的金属或合金在重力或其他外力的作用下注入铸型的型腔中，待其冷却凝固后获得与型腔形状相同的铸件的一种成形方法。2.液态金属的充型能力首先取决于液态金属本身的流动能力，同时又和外界条件密切相关，是各种因素的综合反映。液态金属本身的流动能力称为“流动性”，是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的，而与外界因素无关，因此流动性也是可以认为是确定条件下的充型能力。影响充型能力的因素及促进措施：其是通过两个途径发生作用的：影响金属与铸型之间的热交换条件，从而改变金属液的流动时间；影响金属液在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速第一类因素—金属性质方面的因素：①金属的密度；②金属的比热容；③金属的热导率；④金属的结晶潜热L；⑤金属的粘度；⑥金属的表面张力；⑦金属的结晶特点第二类因素—铸型性质方面的因素：①铸型的蓄热系数b2；②铸型的密度；③铸型的比热容；④铸型的热导率；⑤铸型的温度；⑥铸型的涂料层；⑦铸型的发气性和透气性第三类因素—浇注条件方面的因素：①液态金属的浇注温度；②液态金属的静压头H；③浇注系统中压头损失总和；④外力场（压力、真空、离心、振动等）第四类因素—铸件结构方面的因素：①铸件的折算厚度R；②由铸件结构所规定的型腔的复杂程度引起的压头损失具体的因素的影响：结晶潜热对于纯金属和共晶成分的合金，一般的浇注条件下，是一个重要因素，凝固过程中释放的潜热越多，则凝固进行的越缓慢，流动性越好，对于结晶温度范围较宽的合金，散失一部分潜热后，晶粒就连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，所以对流动性影响不大；比热容和密度较大的合金，因本身含有较多的热量，在相同的过热度下，保持液态时间长，流动性好，热导率小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长，热导率小，在凝固期间凝固并存的两相区小，流动阻力小，故流动性好；铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属中吸取并存储于本身中热量的能力，蓄热系数越大，充型能力下降；浇注温度越高，充型能力越好，在一定范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升，超过某界限后，由于金属吸气多，氧化严重，充型能力提高的幅度越来越小；充型压头越大，浇注系统结构越简单，充型能力越好；铸件的折算厚度越小，越不容易充满，越复杂，流动阻力大，填充困难3.液态金属凝固过程中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流。自然对流是由密度差和凝固收缩所引起的流动，由密度差引起的对流称为浮力流，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，密度大的液相下沉，称为双扩散对流，凝固及收缩引起的对流主要发生在枝晶之间强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力而产生的流动，如压力头、机械搅动、铸型振动以及外加电磁场等。材料成型原理复习34.液体在枝晶间的流动驱动力主要来自三个方面：凝固时的收缩、由于液态成分变化引起的密度改变以及液体和固体冷却时各自收缩所产生的力。5.传热的三种基本方式：传导传热、对流换热和辐射换热，液态金属中的过热热量和凝固潜热，主要是以热传导的方式向铸型外释放；铸件在凝固过程中会释放出大量的潜热，铸件凝固冷却的过程实质上是铸件内部过热热量（显热）和潜热不断向外散失的过程。其中过热的热量仅占20%，凝固潜热80%。6.铸件的凝固时间：液态金属充满铸型的时刻至凝固完毕所需要的时间；单位时间凝固层增长的厚度称为凝固速度。铸件凝固平方根定律：设时间t内半无限大平板铸件凝固厚度为ξ，则t=ξξ/KK,式中K为凝固系数，平方根定律比较适合于大平板和结晶间隔小的合金铸件，对于任意形状铸件，其体积为V，表面积S，这时其凝固厚度ξ可用R=V/S，代替即t=RR/KK,R称为折算厚度，此为折算厚度原则。7.影响铸件凝固的因素：合金的化学成分；铸件断面上的温度梯度第三章液态金属的凝固形核生长方式1.液态金属转变成固态的过程称为液态金属的凝固，或叫做金属的一次结晶。2.液态金属的凝固过程是一种相变，据热力学分析，它是一个降低系统自由能的自发进行的过程，系统的吉布斯自由能为：G=H-TS，H式中为焓；T为热力学温度；S为熵，结构高度紊乱的液相具有更高的熵值，液相的G将以更大的速率下降，低温下固相的自由能低于液相，并于某一温度的时候相交，二者的吉布斯自由能的差值为ΔGv=GL-Gs=（HL-Hs）-T(SL-Ss)，有HL-Hs=L,SL-Ss=ΔS，L为结晶潜热，ΔS为熔化熵，ΔGv=0时有ΔS=L/Tm，所以就是有ΔGv=LΔT/Tm，式中ΔT=Tm-T，为过冷度，金属凝固时的驱动力是由过冷提供的，过冷度越大，驱动力越大。凝固过程中要克服热力学障碍和动力学障碍，主要是液态金属中的成分、温度、能量的不均匀而存在成分、相结构、能量三个起伏来克服。（由相变动力学理论，液态金属中原子在结晶过程中高能态的液态原子变成低能态的固态中的原子，必须跨过能态更高的的高能态ΔGv区，高能态区即为固态晶粒与液态相间的界面界面具有界面能，它使体系的自由能增加。生核或晶体的长大，是液态中的原子不断地向前推进的过程。这样只有液态金属中那些具有高能态的原子或者是被“激活”的原子才能越过高能态界面变成固体中的原子，完成凝固过程，ΔGv称为动力学障碍）热力学障碍是由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生的，它直接影响到系统自由能的大小，界面自由能既是这样的情况。动力学障碍是由金属原子穿越界面过程所引起的，它与驱动力大小无关，而仅仅取决于界面的结构和性质。3.亚稳态的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内生成稳定存在的晶态小质点的过程称为形核。其条件有：必须处于亚稳态以提供相变驱动力；其次就是要通过起伏作用克服能障。4.均质形核：在没有任何外来界面的均匀熔体中的形核过程。均质形核在熔体各处概率相同，热力能障比较大。5.异质形核：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。6.均质形核：σcl为固相核心与液体间界面能，对其求导就可以知道临界半径以及临界形核功。临界形核功等于表面能的1/3。由液态金属中的能量起伏提供其形核速率为单位时间、单位体积生成固相核心数目。I均=foN*（N*为单位体积液相为临界半径的原子团数目，fo为单位时间转移到一个晶核上的原子数目）7.异质形核：⑴实际液态金属或合金中存在大量高熔点既不熔化CLVVrGrGVGG23434均*d220dCLCLmvGTrrGLT均材料成型原理复习4又不溶解的夹杂物可作为形核基底。⑵异质形核影响因素：①过冷度，过冷度越大，形核速率越快；②界面：界面由夹杂物的特性、形态和数量来决定，根据夹杂物的晶体结构俩确定，当界面两侧夹杂物和晶核的原子排列方式相似，原子间距相近，或在一定范围内成比例，就可能出现界面共格对应，可用点阵失配度δ来衡量当δ≤0.05时，称完全共格界面，其界面能σCS较低，衬底促进非均匀形核的能力很强。当0.05δ0.25时，通过点阵畸变过渡和位错网络调节，可以实现部分共格界面8.晶体宏观生长方式取决于温度分布即温度梯度，分为正温度梯度→平面方式生长；负温度梯度→树枝晶方式生长9.固液界面的微观结构：分为粗糙界面（界面固相一侧的点阵位置只有50%左右被固相原子所占据，这些原子散乱地随机分布在界面上，形成一个坑坑洼洼凸凹不平的界面层）；平整结构（固相表面的点阵位置，几乎全部被固相原子所占据，只留下少数，或者是在充满固相原子的界面上存在少数不稳定的、孤立的固相原子，从而形成一个总体上平整光滑的界面）；所谓的粗糙和平整是对原子尺度而言，在显微尺度下，粗糙界面由于原子散乱分布的统计规