金属凝固原理―1-3章

绪论金属的液态成形与凝固的关系凝固过程研究的对象凝固理论的研究进展金属的液态成形与凝固的关系液态成形定义：又称铸造，是将金属熔化——充满型腔（良好流动性的液态，重力场或其它力（压力、离心力、电磁力等））——凝固和冷却——铸件（铸型型腔形状的制品）液态成形技术（铸造）特点：（1）使用范围广，可生产各种形状和大小的铸件；（2）较高的尺寸精度；（3）成本低廉。凝固学研究从液态——固态转变过程的基本理论一门学科（1）定性/定量揭示液—固转变规律、内在联系；（2）影响因素（金属性能、质量）液态成形与凝固关系液态成形过程就是凝固过程凝固过程的研究对象液-固相变过程宏观：液态——固态转变的相变过程；微观：激烈运动的液相原子——规则排列固相化学成分——相图——凝固特性合金成分确定后，凝固理论与技术研究重点：（1）液体流动；（2）传热；（3）传质。熔体冷却速度——反映凝固条件的重要物理量普通凝固——=10-3~102℃/s快速凝固——=106~109℃/s凝固理论的研究进展20世纪50年代初，Chalmers;Tiller，Jackson,Rutter液-固界面形态研究，提出：（1）界面稳定性概念；（2）成分过冷理论：成分过冷判据，传热、传质因素耦合分析凝固过程的组织形态问题Jackson和Hunt：（1）提出枝晶和共晶合金凝固过程扩散场的理论解；（2）枝晶、共晶间距与凝固条件之间的关系；（3）试验验证。Flemings:考虑凝固过程两相区内的液相流动效应，提出：局部溶质再分配方程等理论模型BEHHHK：凝固过程的传热问题；为铸造过程控制的科学化提供理论依据。Chvorinov：凝固冷却曲线分析，（1）引入铸件模数概念；（2）建立平方根定律：铸件凝固层厚度—铸件凝固时间的数学模型。日本大野笃美：（1）提出晶粒游离和晶粒增殖理论；（2）用动态观点研究和分析凝固过程。中国西北工业大学：（1）发现凝固组织形态选择的时间相关性和历史相关性现象；（2）一定条件下，枝晶生长间距不唯一，而是根据生长历史不同而变化，凝固形态选择具有非平衡自组织花样特征。中国科学院沈阳金属研究所：（1）超高压凝固的非晶形成规律；（2）电磁力、离心力、重力叠加作用下的凝固行为；（3）发现一些新的亚稳定相和具有分形结构的自组织。本课程内容安排第一章理解液态第二章理解第三章理解、掌握凝固第四章重点掌握第五章重点固态第六章了解、掌握凝固新技术32学时=28h（讲课）+4h（实验一、二）本课程主要任务：液态金属结晶基本规律;铸件结晶组织的形成及控制途径成绩评定：考试80％＋平时20％（作业、5次点名）＝100％作业要求：认真回答、方法思路第一章液态金属的结构和性质§1-1金属的膨胀及熔化一、晶体中的原子结合1.在一定条件下，金属中的原子具有一定排列，Why?（1）引力：异性电荷间的库仑引力；（2）斥力：同性电荷间的库仑斥力与泡利原理引起的斥力之和。2.图1-13.公式推导证明特殊点：平衡点（合力为零，势能最小）、引力最大点。二、金属的加热膨胀膨胀原因：（1）原子间距增大：势能曲线不对称性，图1-2（2）空穴产生：能量起伏三、金属的熔化1.熔点附近：离位原子多熔化始于晶界，晶界原子排列相对不规则，势能高，离位原子多，空穴数目可达到原子总数10%。2.熔点：固态——液态状态突变（1）外界能量足够大时——熔化潜热，原子间距离大于R1，原子结合键破坏，固态——液态（2）性质突变：体积突变；电阻、粘性突变。3.熔化实质：规则的原子排列突变为紊乱的非晶质结构的过程。§1-2液态金属的结构一、液态金属结构的研究方法1.间接法S－l，S－g转变后物理性质变化，判断原子结合情况；（1）体积和熵值变化S－l：体积增加3～5％，原子平均间距增加1～1.5%；S－g：体积无限膨胀；（2）熔化潜热与汽化潜热S－l(熔化潜热)：原子结合键破坏百分之几；S－g（汽化潜热）：原子间结合键全部破坏；熔化潜热只有汽化潜热的3～7％。液态与固态结构相似，尤在金属过热度不太高（熔点以上100～300℃）的铸造条件下更是如此。2.直接法X射线或中子线的结构分析研究液态金属的原子排列情况。图1-4二、金属液态结构（理想液态/纯金属）1.（熔化－熔点以上不高的温度范围内）液体状态的结构特点（1）原子间结合能较强、平均原子间距增加不大、原子排列在较小距离内具有规律性；（2）原子间结合部分破坏，原子集团，近程有序（原子在十几～几百个原子组成的集团内规则排列）;（3）由于能量起伏，原子集团处于瞬息万变状态；（4）原子集团内，公有电子，金属导电；空穴间，自由电子跟随正离子运动，离子导电；most金属熔化时电阻率能突然增加约1～2倍（半导体金属则减小）。（5）温度高——原子集团平均尺寸小、“游动”速度快。2.根据上述特点，提出关于金属液态结构的理论（1）空穴理论：由原子集团（规则排列、近程有序）、空穴组成，能量起伏大、热运动激烈。（2）紊乱排列的密集球堆理论（贝纳尔）液体金属是均质、密集、紊乱排列的原子集合体。三、实际金属的液态结构（1）微观上：游动原子集团（成分和结构不同）、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成，是一种“混浊”的液体；（2）化学键：金属键、其它多种类型的化学键。一、液态金属的粘滞性1.粘滞性本质：质点间（原子间）结合力的大小。（1）动力粘度a.液体粘滞流动定律（牛顿）b.液态结构理论（弗兰克尔）§1-3液态金属的性质（2）运动粘度：大——惯性大——紊流倾向大2.影响粘度的因素（1）温度T0，反比，T高，小；T，正比，T高，大。（2）化学成分熔点高——原子间结合力大——粘度大图1-10（3）非金属夹杂物固态非金属夹杂物——不均匀多相系统——内摩擦力增加3.粘度对铸件形成过程的影响（1）流态粘度对层流有较大影响——充型后期，型腔细薄部分——层流流动，考虑影响；（2）对流对流原因：T——热膨胀——F浮力C——密度——F浮力F浮力F粘滞力，产生对流。对流强度（格拉索夫准则）：粘度大——对流弱（3）净化F动=F阻，杂质上浮速度为：粘度大、杂质留在铸件的可能性大二、液态金属的表面张力1.表面张力的实质（1）两相密度——对界面上质点作用力——表面层质点不平衡力场——产生指向液体内部的力（表面自动缩小趋势）——表面张力。（2）表面自由能：产生新的单位面积表面时，系统自由能的增量。表面张力：物体表面单位长度上作用着的力。数值相同，不同角度描述同一现象。（3）界面：广义，任意两相接触面；表面：狭义，S、L——G接触面。（4）两相质点间作用力：A，B；两相间结合力:WABA-B界面的界面张力（界面能）：AB（5）图1-12（6）杨氏方程润湿：900不润湿：901802.影响界面张力的因素（1）熔点熔点——原子结合力——表面张力（2）温度多数金属、合金：T——液体质点间距——受力不对称——；少数铸铁、碳钢、Cu及其合金：T——。（3）溶质1）正吸附吉布斯公式单位表面积上的吸附量＝表面－内部02）表面活性物质降低表面张力的溶质3）关于表面张力的双电层理论（弗兰克尔）R——e——3.表面张力引起的附加压力p方向：指向曲率半径中心，规定：液面凸起（不润湿），p0；附加压头：习题作业：8,12.第二章液态金属的充型能力2-1液态金属充型能力的基本概念1.概念充型能力：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。2.充型能力的决定因素（1）金属本身的流动性液态金属的流动能力，金属的铸造性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量、及其物理性能有关。流动性的作用：排出气体、杂质；补缩、防裂，获得优质铸件有影响。（2）外界条件：铸型性质、浇注条件、铸件结构等。3.合金流动性的影响因素：（1）化学成分（2）凝固方式纯金属、共晶成分——逐层凝固方式；非共晶成分——中间凝固或糊状凝固（体积凝固）（3）结晶潜热（4）液体粘度（5）表面张力等4.合金流动性对铸件质量和铸件设计的影响（1）流动好——允许较薄的壁厚易充满型腔、铸件轮廓清晰（2）流动性差——壁厚不能太薄难充满、夹杂、气体不易排出；补缩困难，产生缺陷：浇不足、冷隔、气孔、夹渣、缩松等金属液充型后，在金属液的交接处融合不好，而且在铸件中产生穿透的或不穿透的缝隙称为冷隔。多出现在远离流道的铸件表面上和薄壁处。形状呈液体初流动时的形状，单挑光滑，边缘呈圆角。冷隔照片2-2液态金属的停止流动机理及充型能力的计算一、液态金属的停止流动机理1.纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围很窄的合金Ⅰ区：过热热量未散失尽前为纯液态流动，液流前端在型壁结壳，后端冷却强度下降；Ⅱ区：有一定过热度，先形成凝固壳，后完全熔化；Ⅲ区：未完全熔化而保留一部分固相，该区终点耗尽过热热量；Ⅳ区：液固相具有相同温度——结晶温度，该区起点结晶较早、断面结晶完毕也较早，其附近易堵塞。注：堵塞程度与金属的流动性、固体层内表面的粗糙度、毛细管阻力、结晶温度下的流动能力有关。2.宽结晶温度范围的合金Ⅰ区：过热热量未散失尽以前为纯液态流动；Ⅱ区：Ｔ液相线，液流中析出晶体，并不断长大；液流前端与冷的型壁接触，冷却最快，晶粒数量最多，粘度增加，流速减慢；Ⅲ区：晶粒数量＝临界数量，结成连续的网络。液流压力网络阻力时，堵塞停止流动。2-３影响充型能力的因素及提高充型能力的措施一、金属性质（一）影响因素１．合金成分纯金属、共晶成分、金属间化合物——流动性最好；原因：窄结晶温度范围停止流动机理最大结晶温度范围——流动性最差。原因：宽结晶温度范围停止流动机理e.g.（1）Fe-C合金亚共晶铸铁：C降低液相线温度，提高流动性。C越低，结晶温度范围越宽；共晶成分：流动性最好。铸铁结晶温度范围比铸钢宽，但铸铁流动性高于铸钢。由于：铸钢熔点高，过热度比铸铁小；钢液温度高，铸型中散热快，析出枝晶，失去流动能力。（2）其他元素P：降低液相线温度，提高流动性；P增加，铸铁变脆；Si、C：降低液相线温度，提高流动性；Mn：0.25%，对流动性无影响；但含S时，形成MnS，粘度增加；且S越高，易形成氧化膜，铁液流动性降低；2~14%wt，流动性增加。Ni、Cu：降低液相线温度，稍许提高流动性；1wt%，不明显。Cr：提高液相线温度，降低流动性。1wt%，不明显。２．结晶潜热结晶潜热越高，凝固时释放的潜热越多，凝固越慢，流动性越好。（1）纯金属、共晶成分合金（2）结晶温度范围较宽的合金a.散失约20%潜热后，晶粒连成网络而阻塞流动，大部分结晶潜热的作用不能发挥，故其对流动性的影响不大。次要因素.b.特例：初生晶为非金属或合金能在液相线温度以下以液固混合状态，在不大的压力下流动时，结晶潜热为重要因素。已发现：铸铁（石墨）、Pb-Sb、过共晶Al-Si合金（相）结晶潜热次要因素，结晶特性主导。３．金属的比热容、密度和导热系数比热容、密度：本身含较多的热量，流动性好；导热系数小，热量散失慢，凝固期间液固并存的两相区小，流动性好。E.g.一般：加入合金元素，导热系数下降，流动性增强；特殊：加入合金元素后，初晶组织发生变化（如形成发达枝晶），流动性下降。４．液态金属的粘度充型后期（层流），才有较大影响。粘度对层流的影响较大，对紊流影响较小。５．表面张力（1）原理a）造型材料一般不被液态金属润湿，凸起，表面张力——附加压力0——附加压头h；b）润湿铸型，附加压力为负值，利于金属液向细薄部分填充;但也利于金属液向铸型砂粒之间的孔隙中渗透，形成铸件表面粘沙。（2）薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角对成型有影响。（3）充填铸型尖角的能力与表面张力，铸型的激冷能力有关。a)铸型的激冷能力大，合金中加入表面活性元素或采用特殊涂料，降低表面张力；b)铸型的激冷能力小或预热，若尖角处合金为液态，则直浇道中的压头可克服附加压力。（二）提高