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1、材料成型理论基础全册配套最材料成型理论基础全册配套最 完整精品课件完整精品课件2 2 材料成型理论基础 液态成形理论基础液态成形理论基础 3 引言 Introduction (1) 什么是材料成形(材料加工) 材料是可以直接制造成产品的物质，是人类赖以生存和发 展的物质基础。 材料成形(材料加工)通过改变和控制材料的外部形状和内 部组织结构，将材料制造成为人类社会所需要的各种零部件和 产品的过程。 4 材料成形的分类 热加工成形液态成形、塑性成形、连接成形、粉末成形、 热处理改性、表面加工等。这类成形不只是赋予材料的一定 形状、尺寸和表面状态，而且决定材料变成产品后的组织和 性能。 冷加工成形

2、传统的车、铣、镗、刨、磨等，以及直接利 用电能、声能、化学能、光能等进行的特殊加工，如电火花 加工、电解加工、超声波加工、激光加工等。这类成形主要 是赋予材料一定的形状、尺寸和表面状态，尤其是尺寸精度 和表面粗糙度，而一般不改变材料内部组织和性能。 材料成形在人类历史进程中起着重要的作用，材料加工技术 的进步是人类社会文明发展的标志，是强盛国力和现代国防的 保证，是提高人民生活水平的技术基础。 5 (2) 液态成形的特点 液态成形(铸造)是发展最早，也是最基本的金属加工方法。 几乎一切金属制品均经历过熔化和铸造成形的过程: 连接成形(熔化焊、激光焊)； 塑性成形(坯料是经过熔化和凝固而获得的)

3、； 粉末冶金(粉末是经熔化和凝固而成的)； 金属切削成形(坯料是熔化和凝固后的产品)。 液态成形加工方法的适用范围极广，几乎可以用它制造任何 大小尺寸和复杂程度的产品： 几克的金属假牙 几百吨的大型水轮机的叶轮、轧钢机机架 汽车发动机的缸体缸盖 6 液态成形方法现在已经从金属成形发展到适用各种材料， 金字旁的铸字已经不限于铸造金属，还可以铸造陶瓷、 有机高分子材料、复合材料等几乎所有的工程材料。 液态成形的另一个特点是，它是一种材料制备和成形一 体化技术。不仅可以通过合金成分的选择、熔体的改性 处理和铸造方法以及工艺的优化来改进铸件的性能，还 是新材料开发的重要手段。单晶材料和非晶材料等新材

4、料的获得均离不开铸造方法。 7 (4) 凝固学的研究对象 凝固 宏观：物质从液态转变成固态的过程称为凝固。 微观：是激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程称为凝固。 凝固现象在自然界和工程领域广为存在。从水的结冰到火山岩 浆的固化：从材料的成形如液态成形(铸造)、焊接成形和激光处 理等材料加工技术，到半导体、功能材料及微晶、非晶等新材料 的研制，都经历凝固过程。人类使用的大部分金属制品必须经历 过一次或多次的熔化和凝固过程。 凝固现象的广泛性 8 液态金属凝固学就是研究液态金属(合金)转变成固态金属(合 金)这一凝固过程的理论及技术，定性地特别是定量地揭示其 内在联系和规律，发现新的现象，探求

5、未知参数，开拓新的凝 固技术和工艺。凝固学不仅是材料成形技术的基础，同时也是 近代新型材料开拓和制备曲基础。 液态金属凝固学的理论基础是物理化学、金属学、传热学、 传质学和动量传输学等，在此基础上，阐述液态金后的结构和 性质、晶体的生核及长大、宏观组织及其控制等内容。 凝固学的研究对象 9 液体金属的性质 晶体的生核和长大凝固热力学及动力学 凝固过程中的“三传”(热量、质量和动量传输) 具体合金的结晶方式单相结晶、共晶、偏晶、包晶 零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松、成分偏析） 第一篇研究(学习)的主要内容 10 本课程着重阐述现代材料加工过程中的物理冶金、化学冶金和力 学冶金

6、以及动量传输、热量传输和质量传输现象，通过论述工程 材料在各种成形过程（液态成形、塑性成形、连接成形等）中所 表现出的共性现象，揭示现代材料加工技术的内在规律和物理本 质，使学生掌握现代材料加工方法的实质，为解决材料加工过程 中的技术问题和发展新的材料加工方法奠定理论基础。 (5)本课程的重要性 一级学科：材料科学与工程 二级学科：材料物理与化学、材料学、材料加工工程 材料成形属于材料加工工程研究的范围，材料成形与材料学及 材料物理与化学的关系极为密切。材料的结构与性能对材料成 形过程有十分重要的影响。 11 本课程的特点： 讨论现代材料成形过程中的主要工艺方法和过程所涉及到的物 理现象及其基

7、本原理，不涉及具体的加工工艺和相关的参数。 由于材料成形方法繁多，新的加工方法也不断涌现，本课程没 有也不可能全部包容，但是，不论是现有的，还是将要发展的 材料加工技术，都将遵循材料科学与工程所揭示的基本规律。 只要正确认识这些规律，就能够把握材料加工的实质，解决材 料加工过程中所出现的问题，而且还可以发展新的加工技术， 以满足不断增长的社会需要。 以金属材料加工原理为主，兼顾非金属材料加工。 力求打破材料加工专业界限，拓宽知识领域。 12 第一章第一章 液体金属的结构和性质液体金属的结构和性质 （Structure and Property of Liquid Metal) 13 第一节 材

8、料的固液转变 原子间的作用力加热时原子间距的变化 随温度的上升，原子的热运动加剧，若其获得的动能大于激活 能Q(结合能或键能)时，原子就能越过原来的势垒，晶体比原先尺 寸增大，即晶体受热而膨胀。 14 若对晶体进一步加热，金属处于熔化状态。 金属被进一步加热，其温度不会进一步升高，金属从固态转变 为液态。金属由固态变成液态，体积膨胀约35。而且，金属 的其他性质，如电阻、粘性也会发生突变。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。 1 () q E TT dSdUpdV () q Ed UpVdUdpVdH 外界所供给的潜热，除使体积膨胀作功外，还增加体系的内能

9、， 在恒压下： Eq:外界提供的热能；U为内能； pdV为膨胀功；dH热焓的变化(熔化潜热)。 在等温条件下，熵值的增量为： 15 1. 物理性质变化 体积只膨胀35，即原子间距平均只增大11.5 熔化潜热只 占气化潜热的37 。 第二节 液态金属的结构与分析 16 熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。金属由固态变为液态熵 值增加不大，说明原子在固态时的规则排列熔化后紊乱程度不大。 从以上两表中几个热物理参数的变化情况，可间接地说明液态 金属的结构接近固态金属而远离气态金属。 17 横坐标r为观测点至某一任 意选定的原子（参考中心） 的距离，对于三维空间， 它相当于以所选原子为球 心的一系列球

10、体的半径。 纵坐标 表示当半径 增减一个单位长度时，球 体（球壳）内原子个数的 变化值，其中(r)称为密度 函数 )(4 2 rr 2. X射线衍射分析 1实际液态铝原子分布 2理想液态铝原子分布 3固态铝原子分 18 原子在某一平衡位置 热振动。因此衍射结果得 到的原子密度分布曲线是 一组相距一定距离（点阵 常数）的垂线，每一条垂 线都有确定的位置r和峰值。 固态金属 1实际液态铝原子分布 2理想液态铝原子分布 3固态铝原子分 19 1实际液态铝原子分布 2理想液态铝原子分布 3固态铝原子分0 20 其第一峰值与固态时的衍射 线（第一条垂线）极为接近， 其配位数与固态时相当。 第二峰值虽仍较

11、明显，但与 固态时的峰值偏离增大，而 且随着r的增大，峰值与固态 时的偏离也越来越大。 当它与所选原子相距太远的 距离时,原子排列进入无序状 态。 表明，液态金属中的原子在 几个原子间距的近程范围内， 与其固态时的有序排列相近， 只不过由于原子间距的增大 和空穴的增多，原子配位数 稍有变化。 1实际液态铝原子分布 2理想液态铝原子分布 3固态铝原子分 21 X射线衍射所得液态和固态金属结构参数 22 l）组成：液态金属是由原子集团、游动原子、空穴或裂纹组 成。 2）特征：“近程有序”、“远程无序” 原子间能量不均匀性，存在能量起伏。 原子团是时聚时散，存在结构起伏。 同一种元素在不同原子团中的

12、分布量，存在成分起伏。 3. 液态金属的结构 23 第三节 液态金属的性质 粘度就是介质中一部分质点对另一部分质点作相对运动时所受 到的阻力，妨碍液体金属流动的内摩擦阻力即为粘度。从纯物 理意义上说：粘度是流动性的倒数。 当外力F(x)作用于液态表面时，其 速度分布如图所示。层与层之间存 在内摩擦力。 1. 粘度的实质和影响因素 24 设Y方向的速度梯度为dvx/dy，根据牛顿液体粘滞定律， ( )/ x F xAdvdy ( )/ x dv F xA dy 得： 为动力粘度；A为液层接触面积 25 kT Q 3 0 e kT2 0 3 2 B U k T B t k T e 富林克尔在关于液

13、体结构的理论中，对粘度作了数学处理，表 达式为： t0原子在平衡位置的振动时间；kBBoltzmann常数；T绝 对温度；相邻原子平衡位置间的平均距离；U原子移动的 激活能 26 粘度与原子离位激活能U成正比，与其平均距离的三次方成反 比，这二者都与原子间的结合力有关，因此粘度本质上是原 子间的结合力。 粘度与温度的关系为：在温度不太高时，与T成反比。当温 度很高时，与T成正比。 夹杂物及合金元素等对粘度也有影响。 材料成形过程中的液态金属（合金）一般要进行各种冶金处 理，如孕育、变质、净化处理等对粘度也有显著影响。如铝 硅合金进行变质处理后细化了初生硅或共晶硅，从而使粘度 降低。 0 3 2

14、 B U k T B t k T e 27 2. 粘度在材料成形过程中的意义 液态金属中往往含有气泡或其它非金属夹杂物，如在金属浇入 铸型或凝固以前，不能排除而保留在铸件内，就会影响铸件质 量。粘度对非金属夹杂物的上浮或下沉影响很大。上浮或下沉 速度可用Stokes定律计算。 根据Stokes实验，粘性液体对于半径小于0.1mm的球体沉浮时 的阻力为： 6 c Pr 如小球的密度小于液体密度，受浮力作用而上浮，其运动的力 为所受浮力与本身重力之差，即： 3 4 ()() 3 PVgrg 液杂液杂 (1) 对液态金属净化的影响 28 6()rvVg 液杂 杂质匀速运动时：P Pc 32 4()2

15、() 3 6 r9 rr v 液杂液杂 杂质上浮的速度 著名的Stokes公式 29 (2) 对合金流动阻力的影响 流体的流动分层流和紊流，根据流体力学，Re2300为紊流， Re2300为层流。 Re的数学式为 ： e Dv R 设 f 为流体流动时的阻力系数，则有： 0.2 0.20.2 3232 0.0920.092 () f ReDvr f ReDvr 层 紊 30 当液体以层流方式流动时，阻力系数大，流动阻力大。在材料 成形过程中金属液体的流动，以紊流方式流动最好，由于流动 阻力小，液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和 型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期或夹窄的枝晶间的

16、 补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。总之，液态合金的粘度 大其流动阻力也大。 0.2 0.20.2 3232 0.0920.092 () f ReDvr f ReDvr 层 紊 31 (3) 对凝固过程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，其对流强度由无量纲的格拉晓夫准则度量， 即： 322 / TT GglT 322 / cc Gglc 可见粘度越大对流强度越小。液体对流对结晶组织、溶质分布、 偏析、杂质的聚合等产生重要影响。 温度 浓度 32 表面张力是由于液体金属本身质点间的作

17、用力和表面质点与相 邻相之质点间的作用力不同而引起的。表面张力的大小既与液体 本身性质有关，又和与它相接触的相的性质有关。 当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时， 该功的大小则等于系统自由能的增量，即 1. 表面张力的实质 WAF 2 WN mN Amm 表面张力和表面能大小相等，只是单位不同，体现为从不同 的角度来描述同一现象。 33 从广义而言，任一两相（固一固、固一液、固一气、液一气、 液一液）的交界面称为界面，就出现了界面张力、界面自由能。 因此，表面能或表面张力是界面能或界面张力的一个特例。 cos SGLS LG 润湿角是衡量界面张力的标志， 为润湿角。界面张力达到

18、平 衡时，存在下面的关系 90不润湿 = 0绝对润湿， =180绝对不润湿 34 2. 影响表面张力的因素 影响液态金属界面张力的因素主要有熔点、温度和溶质元素。 (1) 熔点 界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，则表面张力往往就大。 35 (2) 温度 大多数金属和合金，如 Al、 Mg、 Zn等，其表面张力随着温 度的升高而降低。因温度升高而使液体质点间的结合力减弱所 至。但对于铸铁、碳钢、铜及其合金则相反，即温度升高表面 张力反而增加。其原因尚不清楚。 (3) 溶质元素 溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类。使表面张力 降低的溶质元素叫表面活性元

19、素，如钢液和铸铁液中的S即为表 面活性元素，也称正吸附元素。提高表面张力的元素叫非表面 活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元素。 36 3. 表面或界面张力在材料成形过程中的意义 Laplace公式：对于任意形 状的弯曲液面，附加压力 可用下式表示 21 R 1 R 1 P 12 11 p rr 因表面张力而产生的曲 面为球面时，r1= r2= r 2 p r 37 由于表面张力的作用产生了一个附加压力p。当固一液互相润 湿时，p有利于液体的充填，否则反之。 附加压力与管道半径成反比。当r很小时将产生很大的附加压 力，这对液态成形（铸造）过程液态合金的充型性能和铸件 表面质量产生很大

20、影响。 浇注薄小铸件时必须提高浇注温度和压力，以克服附加压力 的阻碍。 铸型或涂料材料应选择与液态合金不润湿的，通过产生阻碍 液态合金渗入的附加压力，从而使铸件表面得以光洁。 界面现象影响到液态成形的整个过程。晶体成核及生长(球 化）、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷都与界面张力关 系密切。 38 第四节 半固态金属的流变性及表观粘度 合金液在熔点以上过热温度较高时，即浇注前或浇注过程中， 可视为牛顿粘性体，合金液的粘性对充型性，夹杂物及气体的 排除有重要影响。 在凝固温度范围内，当合金液 析出20%(体积分数)的晶体时，合 金已如同固体般不能流动，枝晶 间的补缩很困难，这是铸件或材 料产生缩

21、松的根源，长期得不到 解决。对于像钢锭等型材产品， 可采用锻造的再加工方法以消除 缩松，而对于铸件则难以弥合。 39 所谓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 为梅花状或接近于球形的晶粒。这样的如浆料的半固态金属或 合金，其流变性发生了剧变，已不再是牛顿流体，而如宾汉体 （Bingham body）的流变性。宾汉塑流型流体的切应力与速度 梯度的关系为： 0 d d x v y 40 在流变学(Rheology)等场合，常将稳定态下的速度梯度称为剪 切速率(shear rate)，以表示。 要使这类流体流动，需要有一定的切应力

22、 (塑变应力)。当施加 的切应力小于屈服切应力时，它如同固体，不能流动，可夹持 搬动；但当切应力大于或等于屈服切应力时，即使固相体积分数 达到5070，合金浆料仍具有液态的性质，能很好地流动， 即施加压力就可充填型腔。这叫流变铸造或半固态挤压。 41 (a)半固态制浆 （b）移送至压室内 (c)压铸或挤压成形 (d)成品 金属的半固态流变成形工艺示意图 42 金属的半固态成形技术具有许多优点。流变铸造或半固态锻造 使用的是半固态金属或合金浆料，其中含固态晶粒达50左右或 以上，也就是说50左右的金属结晶潜热已经消失，这样显著地 降低了金属的温度和热量，减少了对金属模具的热蚀作用，能显 著地提高

23、压型的寿命，并可压铸高熔点合金。半固态金属浆料有 较大的粘性，压铸时无涡流现象，卷入的空气少，减少甚至消除 气孔、夹杂、缩松等缺陷。 金属或合金液中不易掺入强化相，而半固态金属浆料因粘度 较大，强化相可容易地加入其中，为制备新型复合材料开劈了一 条广阔的道路，加铝合金中加入氧化铝、碳化硅、石墨等强化的 复合材料已在工程上广泛采用。 第二章 液态金属的流动与传热 44 第一节 液态金属的流动性及充型能力 “流动性流动性”液体金属本身的流动能力液体金属本身的流动能力 由液态金属本身的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因素 无关。 一、流动性和充型能力的基本概念一、流动性和充型能力的基本概念 测试方

24、法测试方法 45 充型能力液态金属充满型腔，获得形状完整、轮毂清晰的 铸件的能力 充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸型等诸多条件有 关。 液态金属的流动性越好，气体和杂质越易于上浮，使金属得 以净化。良好的流动性有利于防止缩孔(松)、热裂等缺陷的出 现。液态合金的流动性好，其充型能力强；反之其充型能力差。 但这可通过外界条件来提高充型能力。 46 二、液态金属停止流动的机理 以纯铝和A1-5Sn两种金属浇注流动性试样。A1-5Sn合金的 结晶温度范围约为430。 纯金属流动性试样的宏观组织是柱状晶，试样的末端有缩孔， 这说明液态金属停止流动时，其末端仍保持有热的金属液。停 止流动的原因，

25、是末端之前的某个部位从型壁向中心生长的柱 状晶相接触，金属的流动通道被堵塞。 47 第区：金属的过热量未散尽以前为纯液态流动(图a)。 第区：金属液继续流动，冷的前端在型壁上凝固结壳(图b)，而后的金属 是在被加热了的管道中流动，冷却强度下降。由于液流通过区终点时， 尚具有一定的过热度，将已凝固的壳重新熔化，所以该区先形成凝固壳， 又被完全熔化。 第区：未被完全熔化而保留下来 的一部分固相区，在该区的终点金 属液耗尽了过热热量。 第区：液相和固相具有相同的温 度结晶温度。由于在该区的起 点处结晶开始较早，断面上结晶完 毕较早，往往在它附近发生堵塞 (图c)。 这类金属的流动性与固体层内表面 的

26、粗糙度、毛细管阻力，以及在结 晶温度下的流动能力有关。 纯金属或共晶合金停止流动机理 48 在过热量未散尽以前，金属液也以纯液态流动。温度下降到液相线一下时，液 流中析出晶体，顺流前进，并不断长大。液流前端不断与冷的型壁接触，冷却 最快，晶粒数量最多，使金属也的粘度增加，流速减慢。当晶粒数量达到某一 临界数量时，便结成一个连续的网络。当液流的压力不能克服此网络的阻力时， 即发生堵塞而停止流动。 合金的结晶温度范围越宽，枝晶就 越发达，液流前端析出少量固相， 即在较短的时间，液态金属便停止 流动。在液态金属 的 前 端 析 出 1520%的固相量时，流动就停止。 结晶温度范围合金停止流动机理 4

27、9 三、液态金属充型能力的计算 假设用某液体合金浇一水平圆棒形试样，在一定的浇注条件 下合金的充型能力以其能流过的长度l来表示。其值为： lv t 充型过程的物理模型 式中, v为在静压头H作用下液态金属在型腔 中的平均流速； t为液态金属自进入型腔到停止流动的 时间。 50 由流体力学原理可知 : 式中，H为液态金属的静压头；为流速系数。 2vgH 关于流动时间的计算，液态金属不同的停止流动机理则有不 同的计算方法。 对于纯金属或共晶成分合金，凝固方式呈逐层凝固时，其停 止流动是由于液流末端之前的某处从型壁向中心生长的晶粒相 接触，通道被堵塞的结果。因此，对于这类液态金属的停止流 动时间t，

28、可以近似地认为是试样从表面至中心的凝固时间，可 根据热平衡方程求出（凝固时间的计算）。 51 对于宽凝固范围，即体积凝固方式的合金，其液流前端不断 地与冷的型壁表面接触。 第一阶段：液态合金只是温度不断地降低直至液相线温度， 在此阶段液态合金的流动性很好。 第二阶段：即由液相线温度至固相线温度间的凝固区，此时， 一方面温度继续降低，另一方面不断地结晶出固相。 在液流前端区x范围内，当其固相量达到某一临界值时，则 停止流动。故总的停止流动时间为两阶段的时间之和。 52 为使问题简化、对过程作如下假设： 1) 自进入型腔直至停止流动的时间内，型腔与液态金属的接触 表面温度不变； 2) 液态金属在型

29、腔中以等速流动； 3) 流体横断面上各点温度是均匀的； 4) 热量只按垂直于型壁的方向传导，表面无辐射，沿液流方向 无对流。 53 第一阶段液态金属的流动时间t1的求解：距液流端部x的dx段， 在dt时间内通过表面积dA所散发出的热量，等于该时间内液态金 属温度下降dT放出的热量，其热平衡方程式为: 1 1 ()d dddTTA tVc T 型 式中，T为dx元段的金属温度(K)；T型为铸型的初始温度(K)； dA为dx元段与型腔接触的表面面积(m2)；dV为dx元段的体积(m3)； t为时间(s)；1为液体金属的密度(kg/m3)；c1为液态金属的比热 容(J/kg)；为换热系数(W/m3)

30、。 54 第二阶段液态金属的流动时间t2的求解：金属液继续向前流动 时开始析出固相。此时，金属液放出的热量包括降温和凝固潜 热两部分所组成，其热平衡方程式为： 11 * * ()d dddTTA tVc T 型 式中， 为合金在液线线TL到TK温度(停止流动温度)范围的密 度，近似地 ； 为合金在TL到TK温度范围内的当量比热容， 近似地取 ： * 1 * 11 * 1 c * 11 LK KL cc TT 式中，TK为液态金属停止流动时的温度；K为液态金属停止流 动时,液流前端析出的固体数量；L为金属的结晶潜热。 55 1 1 () 2 K L KLc TTF lvtgH PTT 浇 型 式

31、中，T浇为合金的浇注温度； F为试样的断面积； P为断面积F的周长。 56 对影响因素进行分析，其目的在于掌握它们的规律以后，能够 采取有效的工艺措施提高液态金属的充型能力。 1. 金属性质方面的因素 (1) 合金成分 三. 影响充型能力的因素 在流动性曲线上，对应着纯金属、 共晶成分和金属间化合物的地方出 现最大值，而有结晶温度范围的地 方流动性下降，且在最大结晶温度 范围附近出现最小值。 合金成分对流动性的影响，主要 是成分不同时，合金的结晶特点不 同造成的。这是铸造合金多选用共 晶合金或凝固温度范围小的合金的 根本原因。 57 铸铁的结晶温度范围一般都比铸钢的宽，可是铸铁的流动性 比铸钢

32、的好。这是由于铸钢的熔点高，钢液的过热度一般都比 铸铁的小，维持液态的流动时间就要短，另外，由于钢液的温 度高，散热快，很快就析出一定数量的枝晶使钢液失去流动能 力。 初生晶的形态影响流动性，如果初生晶为树枝晶，对液体金 属流动的阻碍就大，如果初生晶强度不高，就不易形成网络而 阻碍流动，如果初生晶为园形、方形等形态，对流动的阻碍就 小。 58 (2) 结晶潜热 结晶潜热约占液态金属热含量的8590%，但是，它对不同类型 合金流动性的影响是不同的。 纯金属和共晶成分合金在固定温度下凝固，凝固过程中释放的 潜热越多,则凝固进行得越缓慢,流动性就越好。 对于结晶温度范围较宽的合金，散失 约20潜热后

33、，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， 所以对流动性的影响不大。 A1-Si合金的流动性,在共晶成分处并非 最大值,而在过共晶区里继续增加,是因为 初生硅相块状晶体,有较小的机械强度， 不形成坚强的网络，结晶潜热得以发挥。 硅相的结晶潜热比 相大三倍。 59 (3) 金属的比热、密度和导热系数 比热和密度较大的合金，因其本身含有较多的热量，流动性 好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长；导 热系数小，在凝固期间液固并存的两相区小，流动阻力小，故 流动性好。 (4) 液态金属的粘度 液态金属的粘度与其成分、温度、夹杂物的含量和状态等有 关。 粘度对层流运动的流速

34、影响较大；对紊流运动的流速影响较 小。金属液在浇注系统或试样中的流动一般都是紊流运动，粘 度的影响是不明显的。在充型最后很短的时间内，由于通道面 积缩小，或由于液流中出现液固混合物时，而此时因温度下降 粘度显著增加，粘度对流动性才表现出较大的影响。 60 (5) 表面张力 造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角900。故液态 金属在铸型细薄部分的液面是凸起的，而由表面张力产生一个 指向液体内部的附加压力，阻碍对该部分的充填。所以，表面 张力对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱角的成形有影响。型腔 越细薄，棱角的曲率半径超小，表面张力的影响则越大。为克 服附加压力用阻碍，必须在正常的充型压力上增加一个

35、附加压 头。 61 2铸型性质方面的因素 铸型的阻力影响金属液的充型速度；铸型与金属的热交换强 度影响金属液保持流动的时间。铸型性质对金属液的充型能力 有重要的影响。可通过调整铸型性质来改善金属的充型能力。 (1) 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从金属吸取并储存热量在本身中的 能力。铸型吸取较多的热量而本身的温升较小，使金属与铸型 之间在较长时间内保持较大的温差。铸型的导热系数大表示从 金属吸取的热量能很快地由温度较高的铸型内表面传导到温度 较低的“后方”，使铸型内表面的热量能迅速传走，而保持继 续吸取热量的能力。 经常采用涂料调整铸型的蓄热系数和导热系数. 62 (2) 铸型的温度

36、预热铸型能减小金属与铸型的温差，从而提高其充型能力。 (3) 铸型中的气体 铸型具有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜， 可减小流动的摩擦阻力，有利于充型。 3. 浇注条件方面的因素 (1) 浇注温度 浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影响，在一定温 度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升。对于薄壁 铸件或流动性差的合金，利用提高浇注温度改善充型能力的措 施，在生产中经常采用，也比较方便 63 (2) 充型压头 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力就越好。在 生产中，用增加金属液的静压头的方法提高充型能力，也是经常 采取的工艺措施。其他方式外加压力，例如压铸、低压铸

37、造、真 空吸铸等，也都能提高金属液的充型能力。 (3) 浇注系统的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，在静压头相同的情况 下，充型能力就越降低。 64 4. 铸件结构方面的因素 (1) 铸件折算厚度(模数) 铸件的壁厚越薄，铸件折算厚度(模数)越小，就越不容易充满， 在模数相同时，垂直壁容易充满，因此，对薄壁铸件应选择正 确的浇注位置。 (2) 铸件的复杂程度 铸件结构复杂、厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动 阻力大，铸型的充填困难。 65 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。 自然对流是由浮力流和凝固收缩引起的流动。凝固过程中由 传热、传质和溶质再分配引起液态

38、合金密度不均匀，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产生在枝晶之间。 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、铸型振动及外加电磁场等。 凝固过程中液体的流动对传热、传质过程、凝固组织及冶金 缺陷有着重要的影响。 第二节 凝固过程中的液体流动 66 液体的流动可归纳为以下三种： 1. 浇注时液体在充填铸型过程中的流动。除了液体内部的相互 运动外，它强烈地冲刷着浇道和铸型的型壁。一旦由于铸型的 激冷作用而形成表面凝固层后，液体还冲刷着凝固层的生长界 面。 2. 型腔内液体中的自然对流。液体金属表面及与型壁或凝固层 接触区，

39、温度低、密度大而下沉，热金属则上浮形成一种自然 对流。浇注初期，液体内外温差大，自然对流最强。随着温度 的均化，对流逐渐减弱。对流除了引起液体对凝固层的机械冲 刷作用外，还在液体内造成强烈的温度起伏。随着对流情况的 不同，温度起伏可达15K。 3. 由于凝固收缩、液体收缩及重力等引起液体在枝晶间及其分 枝间的流动。这种流动对微观缩孔的形成及成分的偏析有影响。 一、浇注和凝固过程中液体的流动 67 这些液体流动伴随着上部晶体的沉积及由于机械冲刷、温度起 伏而引起已凝固层晶体的脱落、分枝的熔断及晶体的增殖，对 铸件晶粒组织的形成有很大影响。 1. 顶部晶体的沉积。顶部凝固层脱落的晶体或分枝由于密度

40、比 液体大而下沉，可以成为以后的晶核。这现象已通过实验得到 证明。 2型壁上晶体的脱落 大野笃美通过高速摄影发现在浇注过程中或凝固初期，在型壁 上形成的晶体经常有一个“缩颈”，此处在液流的冲刷及温度 起伏的作用下极易熔断或脱落，随着液体中的对流冲入液体内 部。如果液体温度较低或凝固较快，它们来不及完全重溶，便 起晶核作用。 3枝晶分枝的熔断脱落 晶体以枝晶状生长时，其分枝也常出现细的缩颈，在液流的冲 刷及温度起伏的作用下极易熔断或脱落，如来不及完全重熔， 残余部分便在以后的凝固中起晶核作用。 二、液体流动对铸件结晶过程的影响 68 第三节 凝固过程中的热量传输 液态金属的过热热量和凝固潜热，在

41、材料成形过程中主要是 经传导而释放的； 传热强度影响到铸件、焊接件中的温度分布和凝固方式； 缩松、变形、开裂等缺陷也与传热或温度分布关系密切； 认识材料成形过程中的传热规律，就可以合理地控制它，以 便使凝固过程按人们的意图进行。 69 一、凝固过程中的热传导及傅立叶方程 热传导过程取决于场中的温度分布，在直角坐标中温度T的求解 方程式为： Fourier导热定律是法国数学家Joseph Fourier在其1822年出版的著 作热的分析理论(Theorie Analytique de la Chaleur)中首次提 出的。 ( , , , )Tf x y z t 空间中一切点在某一时刻的温度值的

42、总和称为温度场，上式的数 学解为傅立叶热传导方程： 222 222 TTTT txyz c 为导温系数；温度不仅是空间的函数，而且也是时间的 函数，这样的温度场称为不稳定温度场。 70 如果温度只是空间的函数而不随时间而变化即， 0 T t 这样的温度场称为稳定温度场，稳定温度场的傅立叶方程为： 222 222 0 TTT xyz 液态金属凝固过程中的导热属不稳定导热。一般情况下,导热微 分方程的解较为复杂,并难于获得数学解析解，目前仍只能用来 解决一些特殊的问题,例如形状简单的物体大平板、长圆柱、 球体等。 71 二、铸件凝固温度场 1. 铸件凝固过程中热作用的特点 液态金属在型腔中流动的雷

43、诺系数Re2300，呈紊流，有利于 充填和温度均匀。因此，可以认为在液态金属充满铸型的时刻， 整个铸型中液态金属的温度是均匀的。 随着温度下降，铸件开始凝固， 凝固壳层从冷却表面产生、长大， 已凝固的壳层进一步冷却，热量 从最热的中心流经凝固层再传导 给温的铸型。可见，凝固过程的 温度分布是铸件中心温度最高， 远离铸件铸型界面的铸型温度 最低。 72 2. 凝固过程传热的研究方法 研究方法数学解析法、试验测温法、数值模拟法 (1) 数学解析法 解析法求解凝固过程中的传热问题时必须简化，只能考虑那些 最重要的和最富代表性的参数。为此作如下假设： 金属的结晶范围很小，可忽略不计； 不考虑结晶潜热；

44、 铸件的热物理参数和铸型的热物性参数不随温度而变化； 铸件铸型紧密接触，无间隙，传热方式为热传导。 73 假设一半无限大铸件在砂型中凝固，铸件和铸型的材质是均匀 的，合金液瞬间充满后并停止流动，铸件和铸型的初始温度分 别T10和T20。 首先建立坐标，将原点设在铸件铸型的分界面上，此时铸件 和铸型任一点的温度与坐标y、z无关，为一维导热， 0 2 2 y T 0 2 2 z T 则付立叶导热微分方程为： 2 2 TT tx 74 2 x TCDerf t 2 2 TT tx 方程的通解为： 对于铸件，其通解为： 铸件 铸型 t x erfDCT 1 111 2 边界条件：x=0（t0），T1=

45、T2=Ti，得C1=Ti； 初始条件：t=0，T1=T10，D1=TiT10，将C1、D1代入上式，得铸 件温度场的方程式为： t x erfTTTT ii 1 101 2 75 220 2 2 ii x TTTT erf t 对于铸型，其通解为： t x erfDCT 2 222 2 边界条件：x=0（t0），T2=T1=Ti，得C2=Ti；初始条件：t=0， T2=T20，D2=T20Ti，将C2、D2代入上式，得铸型温度场的方程 式为： 76 2 2 0 2 2 x t eed x rf t 称为高斯误差函数，可查表求得。其性质为：x = 0，erf(x) = 0； x = ，erf(x

46、) =1；x = -， erf(x) = -1。可见 erf(x)值在-11之间。 关于高斯误差函数的说明： 77 0 2 2 0 1 1 xx x T x T 利用界面热流连续性可求出 t TT x T i x 1 10 0 1 分别对铸件和铸型的温度场进行微分 t TT x T i x 2 20 0 2 21 202101 bb TbTb Ti 78 1111 cb 2222 cb 铸件的蓄热系数 铸型的蓄热系数 式中： 将Ti的值分别代入铸件和铸型的温度场分布方程中可得铸件和铸 型中距离界面为x的温度分布函数： t x erf bb TbTb bb TbTb T 1 21 102202

47、21 202101 1 2 1 102201 10120 2 1212 2 2 bTb TbTbTx Terf bbbbt 79 (2) 测温法 温度场 测温法测温度场是通过向被 测物中安放热电偶来实现的， 其主要技术是放置热电偶位 置的选择和数据的处理。 80 凝固动态曲线 以无限长圆柱铸件为例，沿半径方向间隔一定距离放置热电偶，由仪器直接 记录T-t曲线。根据T-t曲线做出圆柱横截面的温度场，由图可确定任何位置和 时刻的温度。 将液相线和固相线温度直线与T-t曲 线各交点分别标注在x/R-t坐标系上， 再将各液相线的交点和各固相线的交 点分别相连，即得到液相线边界曲线 和固相线边界曲线，二

48、者组成动态凝 固曲线(图d)。纵坐标中的x为型腔边 缘到中心方向的距离，分母R是圆柱 体半径。因凝固是从型腔边缘向中心 推进的，所以x/R-t表示已凝固至中 心。 81 图e是根据凝固曲线绘制的圆柱 体铸件横断面在t1时刻的凝固结 构图。可见从边缘至0.2R间已 凝固，即凝固层厚度为0.2R； 0.2R至0.6R区间为凝固区；0.6R 至1.0R区间为液相区。当液相 边界和固相边界的水平距离愈 宽时，则该铸件的凝固范围也 愈宽。 82 凝固方式及影响因素 动态凝固曲线的水平距离很小或等于零时，这时铸件凝固区很小或根本没 有，称这种凝固方式为层状凝固方式； 如水平距离很宽，凝固范围很大时，称为糊

49、状凝固(体积凝固)； 介于二者之间的为中间状凝固方式。 具有层状凝固方式的铸件，凝固过程中容易补缩，组织致密，性能好；具 有体积凝固方式的铸件，不易补缩，易产生缩松、夹杂、开裂等缺陷，铸 件的性能差。 83 影响铸件凝固方式的因素有二，一是合金的化学成分；二是铸 件断面上的温度梯度。纯金属和共晶成分的合金，凝固区TL-TS 0，属层状凝固；当合金的液相线温度和固相线温度相差很大 时，此时凝固范围很宽，则称为体积凝固方式或称糊状凝固方 式。但是，若温度梯度较小时，如图d所示的合金成分同图b完 全一样，但后者的冷却速度慢，温度梯度小，导致铸件的凝固 方式由层状变成糊状的凝固方式。 84 层状凝固过

50、程层状凝固过程 层状凝固缩孔特点层状凝固缩孔特点 体积凝固过程体积凝固过程 体积凝固方式的缩松体积凝固方式的缩松 85 (3) 数值模拟法 凝固数值模拟的步骤： 实体造型 网格剖分 温度场 流动场 温度场与流动场 的耦合 计算结果 图形图像显示 (前处理)(计算) (后处理) 86 色标图色温分布 华铸CAE模拟结果 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 三、铸件凝固时间的计算 1. 理论计算 t TT x T ix 2 200 2 1 )( 铸件凝固时间计算：与铸件厚度及温度场（凝固速度）相关 确定铸件凝固时间的方法有：试验法、数值模拟法和计算法。 对铸型温度分布方程式