金属凝固理论——课件整理.doc

1、第一章 绪 论一、金属材料成型方法 金属材料成型就是把原来无定型的材料加工成形状满足要求的器件。塑性成形：金属坯料在外力作用下产生塑性变形，从而获得具有一定几何形状，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。轧制：金属通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的过程。挤压：金属在挤压筒中受推力作用从模孔中流出而制取各种断面金属材料的加工方法。举例：棒、管、型；其它：异型截面。锻造：锻锤锤击工件产生压缩变形A. 自由锻：金属在上下铁锤及铁砧间受到冲击力或压力而产生塑性变形的加工。B. 模锻：金属在具有一定形状的锻模膛内受冲击力或压力而产生塑性变形的加工。举例：飞机大梁，火箭捆挷环

2、等冲压：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。二、材料成型方法与组织的关系 材料成型方法与工件组织有紧密的关系。如铸造与轧制比，组织在晶粒形状、尺寸和取向方面均有明显差别。柱状晶缩孔和气孔（收缩及气体逸出引起）非金属夹杂物（卷入）热变形：塑性变形温度高于该金属的再结晶温度。特征：经过回复和再结晶组织均匀化，塑性好，消除内部缺陷，形成轧制流线/流纹。冷变形：塑性变形温度低于该金属的再结晶温度。特征：晶粒沿变形最大的方向伸长，形成纤维组织和形变织构；晶粒间产生碎晶。金属产生加工硬化现象。三、金属液态成型（铸造）的发展1、铸造是一门古老而年轻的科学。根据文献记载和实物考察，证明我国铸造生产

3、技术至少有四千年以上的悠久历史。可分两大发展阶段：前两千年：以青铜铸造为主，形成灿烂的商周青铜文化。出土的编钟，铸造精巧、音律准确、音色优美。后两千年：以铸铁为主。公元前六世纪，发明了生铁和铸铁技术，制造的生产工具取代了青铜。铸铁生产工具的使用促进了铸铁强韧化的早期发明。（1）战国时期，我们的先人已经能够通过石墨化热处理和脱碳热处理获得黑心韧性铸铁和白心可锻铸铁。（2）西汉时期，铸铁中还出现了球状石墨。而现代球墨铸铁是英国人 1947 年研制成功的。在我国古代铸造工艺中，失蜡法是非常常用的一种方法。古代许多精致的青铜艺术珍品多采用该法制造。如铜像、铜狮等。现代的熔模铸造或精密铸造就是由此发展而

4、来。永乐大钟（明代）铸造工艺永乐大钟采用泥范法铸造。先在地上挖一个大坑，用草木和三合土做好内壁，上面涂上细泥，把写好经的宣纸反贴在细泥上，刻好阴字，加热烧成陶范，然后再一圈圈做好外范。铸时，几十座熔炉同时开炉，火焰冲天，金花飞溅，铜汁涌流，金属液沿泥作的槽注入陶范，一次铸成。大钟含铜 80.5%，含锡 16%，还有铅、锌、铁、硅、镁等元素。这种成分配比，与考工记中的“六齐”项下的“钟鼎之齐”的记载极其近似。大钟铸好后，待到冬天，先每隔一里挖一口井，再沿路挖沟引水，泼水结冰，然后开始搬运。大钟在冰路上滑行几十里才到宫中。再滑到冰土堆上，然后建钟楼，钟挂于楼顶。春天解冻后，取土而钟悬。五绝永乐大钟

5、有“五绝” 。第一绝是形大量重、历史悠久。第二绝，是世界上铭文字数最多的一口大钟。大钟奇妙优美的音响是第三绝， “幽雅感人、益寿廷年” 。科学的力学结构是永乐大钟的第四绝。永乐大钟的悬挂纽是靠一根与钟体相比显得很小的铜穿钉连接的。穿钉很小，却恰在它所能承受四十多吨的剪应力范围之内。永乐大钟第五绝是高超的铸造工艺。铸造方法和过程工匠们营造了一个壮观而宏大的场面：在地上挖出十米见方的深坑巨穴，先按设计好的大钟模型，分七节制出供铸造使用的外范，低温阴干，焙烧成陶。再根据钟体不同断面的半径和厚度设计刮板模，做出大钟的内范。当七个陶制外圈依次对接如七级浮屠之状时，浑然一体的大钟外范便拼装成功了。为了承受

6、浇铸的压力并确保足够的强度，外范四周用泥土填满并层层夯实。钟钮旁边四处不易觉察的疤痕，是四个浇口的位置。采用最典型的雨淋式浇铸法：几十座熔炉沿四条槽道排开，炉内大火流金、铜汁鼎沸；地坑里内外模范同时高温预热。当炉膛中的铜液相继奔泻而出后，这口万钧大钟便一气呵成。回望此情此景，五百年前的手工作坊式生产，分明已经透出了近代大工业的规模和气概。冷却冷却也是一道致命的工序。坑内是一团没有熄灭的地火和流焰，必须控制冷却速度防止钟体炸裂。世界著名的俄罗斯大钟就因冷却过程中的闪失出现裂纹，结果沦为一口哑钟。而孕育永乐大钟的地坑此时是一个天然的自动冷却系统。可以想象当年劳苦的工匠们付出了多少心血，精心呵护，才

7、能确保永乐大钟在平安降温中平安降生。化学成分从大钟顶部一个微小的砂眼中取出一个微小的金属颗粒；从大钟底部不显眼的边缘刮掉一点金属粉末。化学定量分析结果表明，大钟上下部位的成份是均匀一致的：铜 80.54%；锡 16.41%；铅1.12%；锌 0.22%也许为了提高身价、增添吉祥并加强抗锈蚀能力，大钟内还检出了0.03%的金和 0.04%的银。青铜的机械性能曲线显示，当含锡量在 15%至 17%时，抗拉强度达最高值，声学性能也达到最佳状态。是谁为大钟的合金设计了这样高明的化学成分？几十只不同的熔炉如何让共同熔出的青铜液保持成份一致？我们不由陷入深深的遐想。曾侯乙编钟（战国） 司母戊大方鼎（商代晚

8、期）20 世纪 60 年代后，研究的重点在经典理论的应用，出现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技术、激光表面重熔技术、半固态铸造、调压铸造等凝固技术和材料成型方法。其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出来。大野笃美提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论。随着计算机技术的发展，通过计算机定量地描述液态金属的凝固过程，对凝固组织和凝固缺陷进行预测，在此基础上，出现了许多新的凝固理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦合起来进行研究，其结果更接近于实际。国际国内已出现了许多商品化的凝固模拟软件，它们在科研和生产中发挥着重要作用。2、铸造成型的主要特点(1) 能制作复杂形状的件。机器零件自不必说，工艺

9、品的制作是其它方法无法比拟的。如大型铜像，小的首饰等。(2) 较高的尺寸精度。(3) 成本低廉。3、本课主要内容研究金属材料在液态成型（铸造）过程中普遍存在的内在规律、缺陷的形成原因及防止措施。谢谢！材料成型与控制专业2.1 材料的固液转变5、相变2.2 液态金属的结构一、液态结构与固态结构间的异同1、间接研究方法：研究金属熔化、汽化时的物理现象间接研究液态结构。从液态金属的热物理性质看，液态结构更像固态结构。（1）金属的汽化潜热远大于熔化潜热，以铝为例：汽化潜热/熔化潜热 =27.8。气态金属原子间结合键几乎全部破坏。液态金属原子间结合键仅部分被破坏。所以，液态金属结构类似于固态金属。（2）

10、由固态变液态，熵的增值相对于熔点前的熵值并不算大。 （熵代表系统结构紊乱性变化） 。即：在熔点附近：液固结构相差不大。2、直接研究方法：通过液态金属 X 射线衍射分析来直接研究金属的液态结构。3、液体的流动特性像气体；但体积特性、热特性像固体局部原子排列与固体无异近程有序。因此，关于液体，有两种说法：（1）本质上是密集的气体；（2）高度有缺陷的晶体。5、其它方面（1）熔化时，体积膨胀 3%-5%左右；（2）扩散系数：液溶质扩散系数约 10-5cm2/sec 数量级；固溶质扩散系数约 10-8cm2/sec 数量级。差 1000 倍。（3）晶态固晶体、非晶体液非晶体二、理想纯金属的液态结构特点1

11、、原子间保持较强的结合能；2、原子排列小距离内（仅在原子集团内几十到几百个原子的集团）有规律近程有序；3、原子集团处于瞬息万变状态能量起伏；4、原子集团之间存在“空穴” ，共有电子运动发生变化；（电子难飞跃“空穴” ，电阻率升高）5、原子集团尺寸、速度与温度有关。 （温度升尺寸降、速度大）三、实际金属的液态结构特点1、存在大量杂质原子（1）杂质是多种多样的，非一种；（2）杂质分布不均匀；浓度起伏：游动原子集团之间存在成分不均匀性；结合力不同：结合力强的易聚；能量起伏：各微观区域的能量不同，有的微区能量高，有的微区能量低。（3）杂质存在方式不同：溶质、化合物。A、B 结合力较强形成新的化学键临时

12、不稳定化合物；（低温化合，高温分解）A、B 结合力非常强形成强而稳定的化合物新相；B-B、B-A 结合力小于 A-A，则 A-A 原子聚集B 被排斥在集团外或液体表面降低表面张力表面活性元素。2、杂质的来源（1）常用金属为多元合金；（2）原材料存在多种杂质；（3）熔化时，被污染（金属与炉气、熔剂、炉衬反应、吸气，带进杂质） 。3、实际金属液态结构 非常复杂。（1）也存在游动原子团、空穴及能量起伏；（2）原子团、空穴中有各种合金元素及杂质元素；（3）存在浓度起伏；（4）存在不稳定或稳定化合物（固、气、液） 。2.3 液态金属的性质一、粘度kB Bolzmann 常数；U 为无外力作用时原子之间的

13、结合能；t0 为原子在平衡位置的振动周期（对液 态金属约为 10-13 秒） ； 相邻原子平衡位置的平均距离。2、粘度在材料成形中的意义（1）对液态金属净化的影响（2）对液态合金流动阻力的影响（3）对凝固过程中液态合金对流的影响（4）粘度对成形质量的影响（4）粘度对成形质量的影响（4）粘度对成形质量的影响（4）粘度对成形质量的影响二、表面张力1、概念：金属液表面质点因受周围质点对其作用力不平衡，在表面液膜单位长度上所受的绷紧力，称表面张力。2、表面张力及其产生的原因3、表面张力的意义2.4 液态金属的流动性及充型能力一、流动性1、概念：液态金属本身的流动能力。2、影响因素：成分、温度、杂质含量

14、及物理性质。与外界因素无关。3、作用：好的流动性利于缺陷的防止：（1）补缩；（2）防裂；（3）充型；（4）气体与杂质易上浮。4、测定：浇注流动性试样。试样结构、铸型性质、浇注条件相同，改变合金成分，测试样长度。二、充型能力 1、概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。充型能力弱则可能产生浇不足、冷隔；充型能力过强则可能产生砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。2、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施内因：自身流动性外因：型的性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。（1）金属性质1）合金成分纯金属、共晶成分合金和金属间化合物，有最大流动性。（1

15、）凝固点固定；（2）逐层凝固；（3）凝固层内表面平滑，阻力小；（4）流动时间长。相图中有结晶温度范围的地方流动性下降，在最大温度范围处，流动性最差。（1）凝固温度区间；（2）断面存在两相区；（3）前端枝晶数多，粘度大，流速小。2）结晶潜热纯金属、共晶成分合金：凝固点固定，潜热能发挥，利于流动；结晶温度范围宽的合金：散失部分潜热后晶粒成网，阻塞流动，潜热难发挥。对流动性影响不大。3）比热、密度、导热系数比热、密度大合金：含热量多，保持液态时间长，流动性好。导热系数小合金：散热慢，流动时间长。4）粘度层流：影响大。停流前一刻，通道面积小，阻力系数大。紊流：影响小。实验证明，除停流前一刻，均为紊流。

16、5）表面张力对薄壁件，铸件的细薄部分有影响；通常不润湿，阻碍型腔充填。综上所述，为提高充型能力，在金属方面采取以下措施：1）正确选择合金成分：尽量选共晶或结晶温度范围小的合金；2）合理的熔炼工艺减粘、减表面张力原材料：去杂质熔炼：少接触有害气体熔化后：脱氧、精炼（2）铸型性质方面因素1）型的蓄热系数：指铸型从金属吸取并储存在本身中热量的能力。型的蓄热系数大型激冷能力强金属保持液态时间短充型能力下降。生产中可用涂料调整。2）型温度预热型减小型/金属液温差充型能力提高。3）型中气体型能发气金属/型间形成气膜减小摩擦阻力易充型。但是：气太多反压力大，浇不进去：翻腾、飞溅。解决方法：（1）降低含水、发

17、气物含量；（2）提高型透气性。（3）浇注条件方面因素1）浇注温度温度高充型能力强。但超过某界限，吸气多、氧化严重，充型能力提高不明显。生产中，对薄壁件及流动性差合金，可提高浇温。缺点：浇注温度高组织粗大、缩孔、缩松、粘砂、裂纹易产生。2）充型压头压力大充型好生产中，增加金属静压头。但压头也不能过高。缺点：充型速度过大，产生喷射、飞溅（氧化、铁豆） ；气体不易排出（浇不足、冷隔） 。3）浇注系统的结构复杂流动阻力大充型能力下降。（4）铸件结构方面的因素通常用铸件的“折算厚度”和复杂程度衡量铸件结构特点。1）折算厚度：铸件体积与表面积的比值。折算厚度大，与型接触面积相对小散热慢充型能力高。2）复杂程度厚、薄部分过渡面多、型腔结构复杂：流动阻力大充型难。综上所述，影响因素多，错综复杂。必须抓主要矛盾，采取措施加以解决。思考题：影响充型能力的因素及提高充型能力的方法有哪些？End