液态成型原理

液态成形原理一、凝固理论基础二、凝固组织的形成与控制三、单向凝固与快速凝固四、化学冶金与冶金缺陷金属的凝固原理第一章：凝固理论基础1.1液态金属结晶1.2液态金属结晶的动力学条件1.3晶体的长大1.4单向合金的凝固1.5多项合金的凝固物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体，所以它们的凝固过程就是结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶一、液态金属的结构结构：长程有序而短程有序。特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较小、原子排列较混乱。第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶1.1.1结晶的基本规律二、液态金属的性质第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶1、液态金属的粘滞性（粘度）1.1粘度的实质及影响因素1.2粘度在材料成形过程中的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液态合金凝固过程中对流的影响第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶2、液态金属的表面张力1.1表面张力的实质及影响因素1.2表面张力在材料成形过程中的意义表面张力与表面能数值相等，但单位不同，也即意义不同第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶三、液态金属的流动性及充型能力流动性(fluidity)：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。表2－1给出了一些合金的流动性。充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型）和内因（流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。充型能力(mold-fillingcapacity)：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。即液态金属反映铸型型腔的能力。充型能力与金属液本身的流动能力及铸型性质等因素有关。1、基本概念第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶2、液态金属充型能力的计算型浇）TTT(2LK11TCKLPFgHl2、液态金属充型能力的测试4.影响充型能力的因素三个方面：金属性质方面的因素；铸型性质方面的因素；浇注条件方面的因素1.金属性质方面的因素（流动性的高低）：􀂗纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金：流动性好􀂗具有宽结晶温度范围的合金：流动性不好􀂗结晶潜热：约为液态金属热量的85~90%。对于纯金属、共晶和金属间化合物成分的合金，潜热的影响较大；而对于宽结晶温度范围的合金，潜热对流动性影响不大。合金液的粘度一、液体金属凝固热力学条件△Gv=Gl-Gs=(HL-TSL)-(Hs-TSs)=(HL-Hs)-T(SL-Ss)=L-T△S在Tm点：△Gv=L-Tm△S=0△S=L/Tm△Gv=L△T/Tm过冷现象（1）过冷：金属的实际结晶温度总是低于其理论结晶温度的现象。（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度(Tm)与其实际结晶温度To之差△T=Tm-To注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在一定的过冷度下进行。第三章：液态金属凝固热力学和动力学3.1液态金属凝固热力学GdGLGS0原子位置a△Gd△Gm凝固过程的吉布斯自由能的变化第三章：液态金属凝固热力学和动力学3.1液态金属凝固热力学二、液态金属凝固过程中能量的增加第三章：液态金属凝固热力学和动力学3.1液态金属凝固热力学二、液态金属凝固过程中的溶质再分配三、结晶过程（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）（2）描述结晶进程的两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用N表示。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时间内迁移的距离。用G表示。第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶形核长大形成多晶体两个过程重叠交织第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶临界形核功相当于表面能的1/3，这意味着固、液之间自由能差只能供给形成临界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏来补足。均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质表面上成核的过程。（凝固形核的主要方式）形核：母相（液相）中形成等于或大于一定临界大小的新相晶核的过程。形核方式：均匀形核，非均匀形核第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶液态金属结晶的动力：过冷度液态金属结晶的阻力：形成新的界面热力学能障:由被迫处于高自由能过度状态下的界面原子所产生动力学能障：由金属原子穿越界面过程所引起在相变驱动力的驱使下，借助于成分起伏、结构起伏和能量起伏来克服热力学能障和动力学能障，使凝固过程得以不断进行，最后完成。第一章：凝固理论基础1.1液态金属的结晶1.1.2结晶热力学第一章：凝固理论基础1.2均质形核1.2.1均匀形核热力学相变驱动力公式推导（1）晶胚形成时的能量变化假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自由能变化：△G＝V△Gv+σSr＝rk时,△G最大;rrk时,晶胚不稳定，难以长大，最终熔化而消失;rrk时,晶胚成为稳定的晶核。第一章：凝固理论基础1.2均质形核（2）临界晶核半径临界形核功相当于表面能的1/3，这意味着固、液之间自由能差只能供给形成临界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏来补足。均匀形核是在过冷液态金属中，依靠结构起伏形成大于临界晶核的晶胚，同时必须从能量起伏中获得形核功，才能形成稳定的晶核。第一章：凝固理论基础1.2均质形核1.2.2均匀形核速率均质形核速率由两个因素决定：)exp(**KTGNNL均)exp(0KTGvpNfAs第一章：凝固理论基础1.2均质形核)Gexp(A*10*）（均KTGKfNI1.2.2均匀形核速率第一章：凝固理论基础1.2均质形核1.3.1异质形核热力学异质形核：形核依赖于液相中的固相质点表面发生；液相中的原子集团依赖于已有的异质固相表面并在界面张力作用下，形成球冠。设σLC、σLS和σCS分别为液相-晶核、液相-衬底和晶核-衬底之间的单位界面能；θ为晶核与衬底之间的润湿角，则三个界面张力的平衡关系为：第一章：凝固理论基础1.3异质形核CLCLLSCSCSvcAAGG)(V异第一章：凝固理论基础1.3异质形核比较均质形核与异质形核的临界晶核半径可以看出，均质形核与异质形核的临界晶核半径具有相同的表达形式，说明均质形核与异质形核具有相同的临界半径。第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核)Gexp(A*10*）（均均KTGKfNI1.3.2异质形核速率)Gexp(A*10*）（异异KTGKfNI第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核1.3.3形核控制第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.3异质形核第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构•光滑界面：液-固界面上的原子排列较规则，界面处两相截然分开。微观上界面光滑，宏观上有若干小平面。•粗糙界面：液-固界面上的原子排列较混乱，原子分布高低不平整，在几个原子厚度的界面上，液、固两相原子各占位置的一半。宏观上界面平直。稳定长大过程，界面能量始终保持最低。两种能量低的界面结构：光滑界面，粗糙界面第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大1.4.1液-固界面微观结构理论证明：界面粗糙化时，界面自由能的相对变化：△Gs/(NkTm)=αx(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x)α=ξLm/(kTm)ξ为晶体学因子，晶面原子密度小，ξ小。α≤2时，x=0.5处，界面能最小，粗糙界面α≥5时，x靠近0或1处界面能最小，光滑界面第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大1.4.2.1垂直长大方式粗糙界面结构，垂直于界面方向长大。特点：长大速度相当快，过冷度小。这种机制适用于多数金属。晶体长大机制：液态原子向固相表面的添加方式。与固-液界面结构有关晶体长大方式：垂直长大，横向长大第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大1.4.2晶体的长大机制1.4.2.2横向长大方式(台阶生长机制)光滑界面结构，依靠小台阶接纳液态原子。长大速度较慢，所需过冷度较垂直长大高第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大1.4.2.2横向长大方式(台阶生长机制)•二维晶核台阶生长机制：均匀形核-二维晶核-横向长大特点：长大不连续，速度慢•晶体缺陷台阶生长机制：依靠螺型位错或孪晶面生长特点：长大连续，速度较慢第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大一个晶粒各个界面长大速度不一致，以平均值表示晶体长大速率。晶体长大速率与过冷度的关系：第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大1.4.3晶体的长大形态长大形态：长大过程中液-固界面的形态。长大形态有两种：平面状长大，树枝状长大其取决于：液-固界面结构的类型，界面前沿液相中温度分布平面生长树枝状晶体生长示意图1.4.3.1液-固界面前沿液相中的温度梯度•正温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。•负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。固液第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大1.4.3.2平面状长大形态液-固界面始终保持平直的表面向液相中长大，长大中的晶体也一直保持规则的形态。条件：正温度梯度，粗糙界面结构的晶体为主第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大1.4.3.3树枝状长大形态液-固界面不断分支发展条件：负温度梯度特点：有方向性，取决于晶体结构枝臂间距：邻近的两根二次轴中心线之间的距离。冷却速度大，枝臂间距小，强度、塑性好第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大金属凝固总结金属结晶理论晶核的形成晶核的长大条件热力学条件：过冷度临界过冷度结构条件：结构起伏（相起伏）临界晶核能量条件：能量起伏临界形核功方式均匀形核：形核率受过冷度影响非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构及表面形貌影响参数：形核率条件：动态过冷度机制垂直长大：粗糙界面横向长大：光滑界面二维晶核台阶机制晶体缺陷台阶机制形态平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面参数：长大速度，与界面结构、过冷度有关应用：第一章：凝固理论基础1.4晶体的长大胞状晶转变为胞状树枝晶第六章：多相合金的凝固第一节共晶合金的凝固一、概述（一）共晶合金的分类及共晶组织特点规则共晶：层片状、棒状（金属-金属/金属-金属间化合物）非规则共晶：金属-非金属，非金属-非金属：形态多种多样（二）近平衡状态下的共晶共生区①伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶组织。②形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。③不平衡组织由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。按微观特征分类可分为规则共晶和非规则共晶两种，前者的典型形貌为片层状、棒条状、螺旋状等；后者的典型形貌有针状、树枝状、骨骼状等。第六章：多相合金的凝固第一节共晶合金的凝固二、规则共晶凝固（一）层片状共晶的生长（二）棒状共晶的生长三、非规则共晶凝固（一）渗碳体的非规则生长（二）片状石墨的非规则生长（三）第三组员的影响单晶体的制备（1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。（2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.五、铸锭组织表面细晶粒层中间柱状晶粒层中心等轴晶粒层