(讲义1)

《材料成型原理》铸造部分讲义2008年2月第一章液态金属的结构 (1)第一节固态金属的结构 (1)第二节液态金属的结构 (2)第二章液态金属的充型能力 (5)第一节液态金属充型能力的基本概念 (5)第二节液态金属停止流动机理及充型能力计算 (7)第三节影响充型能力的因素 (9)第三章铸件的凝固 (12)第一节传热的基本方式 (13)第二节铸件的温度场 (13)第三节铸件的凝固方式 (19)第四节金属的凝固方式与铸件质量的关系 (21)第五节铸件的凝固时间 (23)第四章液态金属凝固的基本原理 (24)第一节液态金属的结晶过程 (25)第二节生核过程 (25)第三节晶体生长界面动力学过程 (31)第四节单相合金的凝固 (37)第五节成分过冷 (42)第六节成分过冷状态对凝固界面形态的影响 (45)第七节共晶合金的凝固 (49)第五章铸件(锭)的宏观组织 ................................. 错误！未定义书签。

第一节铸件(锭)宏观组织及形成机理 ............. 错误！未定义书签。

第二节铸件（锭）结晶组织的控制............ 错误！未定义书签。

第六章铸件化学成分的不均匀性........................ 错误！未定义书签。

第一节微观偏析............................................ 错误！未定义书签。

第二节宏观偏析.............................................. 错误！未定义书签。

第七章铸件中的气体.............................................. 错误！未定义书签。

第一节气体的来源、存在方式和影响............ 错误！未定义书签。

第二节气体在金属中的溶解和析出.............. 错误！未定义书签。

第三节析出性气孔.......................................... 错误！未定义书签。

第四节反应性气孔.......................................... 错误！未定义书签。

第八章铸件的收缩................................................ 错误！未定义书签。

第一节铸造合金的收缩.................................. 错误！未定义书签。

第二节铸件中的缩孔和缩松.......................... 错误！未定义书签。

第九章铸造应力、热裂、变形及冷裂.................. 错误！未定义书签。

第一节铸造应力.............................................. 错误！未定义书签。

第二节热裂、变形及冷裂................................ 错误！未定义书签。

第一章 液态金属的结构铸造是将熔化成液态的金属浇入铸型后一次制成需要形状和性能的铸件，亦即铸造是使金属的状态按着“固态→液态→固态”变化而成形的。

金属由液态→固态的凝固过程中的一些现象，如结晶、溶质的传输、晶体长大、气体溶解和析出、非金属夹杂物的形成、金属体积变化等都与液态金属结构及其物理性质有关。

因此，了解液态金属的结构，是控制铸件形成过程的必要基础。

第一节 固态金属的结构1.双原子模型在任何晶体中，两个原子的相互作用力或相互作用势能与他们之间距离的关系如图1-1；当两个原子相距无穷远时,相互作用力为零，当相互靠近时原子间产生吸引力，并随距离的缩短而增大，同时排斥力也增加。

二力相等的位置叫平衡位置。

图1-1 A 和B 原子作用力、势能和原子间距之间的关系当R<R 0时，F 斥>F 吸， 表现为斥力；反之, 表现为吸力;当R=R 0时，F 斥=F 吸，处于平衡状态；从能量上来说，此时，00()()0R R dW R F R dR ==-=对应于相互作用能的极小值，达到平衡状态。

2. 加热时的特性 温度升高，原子的振动能量增加，原子振动频率和振幅加大，原子平衡间距增大，空穴数量增加，表现出体积的膨胀。

3. 金属的熔化1）金属熔化的标志为温度不变，大量吸热，由固态转变为液态，体积增加３～５％。

2）内部的改变表现为晶界空穴大量增多，使晶粒相互脱离、相对移动，表现出粘度剧减，许多物理性能突变。

第二节 液态金属的结构液态金属到底是什么结构？目前所得到的对液态金属的全部认识，没有一项来自于直接的观察;如何合理地推知液态金属的结构，首先应对其呈现的一些物理现象进行认真的分析。

1）固——气转化，100%（气化潜热），而固——液转化时，熔化潜热仅占３～５％的气化潜热。

2）固——气转化，体积无限膨胀，而固——液转化时，体积增加３～５％。

3）温度不变，熵值突然增大。

4）X 射线衍射表示，近距离原子分布与固体相似，远距离原子分布变得更均匀。

（如图1-2所示）图1-2 气体、固体、液体的结构示意与气相比较，只有很少一部分原子完全脱离约束；与固相比较，结构表现出一些固相特征，且比固相明显混乱和复杂，如图1-2和图1-3所示。

可以认为，液态金属是由许多“原子集团”组成，其中原子呈与原固体“显微晶体”类似的规则排列，热运动激烈，原子集团时聚时散，空位较多。

但实际金属比上述现象复杂得多，因为1)工业应用的金属主要是合金，而且是多元合金； 2)原材料中存在多种多样的杂质，有些杂质的化学分析值虽然不高，甚至低于410-数量级，但其原子数仍是惊人的；3)在熔化过程中，金属与炉气、溶剂、炉衬的相互作用还会吸收气体带进杂质，甚至带入许多固、液体质点。

因此，实际金属的液态结构是非常复杂的。

实际金属中，即使非常纯的实际金属中总存在着大量杂质原子。

例如，纯度为99．999999％的纯铁、即杂质量为810-，每摩尔体积(7．13cm 。

)中总的原子数为236.02310⨯ ，则每13cm 铁液中所含杂质原子数约相当于1510个数量级。

这些杂质往往不只是一种，而是多种多样的，它们在液体中不会很均匀地分布。

它们的存在方式也是不同的，有的以溶质方式，有的与其它原子形成某些化合物(液态、固态或气态的夹杂物)。

实际液态金属也存在着游动原子集团、空穴以及能量起伏；在原子集团和空穴中溶有各种各样的合金元素及杂质元素；由于化学键力和原子间结合力的不同，还存在着浓度起伏以至成分和结构不同的游动原子集团。

综上所述，可将液态金属的结构总结为：“近程有序、远程无序”+“能量起伏、结构起伏、浓度起伏”（原子结构不是静止的，而是运动和变化的，但仍然有一定的规则）。

第二章液态金属的充型能力铸造生产的主要特点，是直接将液态金属浇入铸型并在其中凝固和冷却而得到铸件，图2-1就是一个铸件的充型过程。

液态金属充型过程，是铸件形成的第一个阶段，它很重要。

一些铸造缺陷，如浇不足、冷隔、以及卷入性气孔等都是在充型不利的情况下产生的。

为了获得优质健全的铸件，必须掌握和控制这个过程的进行。

为此，首先要研究液态金属能否充满铸型、得到形状完整轮廓清晰的铸件的能力，即液态金属充填铸型的能力，简称为充型能力，这是生产合格铸件最基本的要求；要研究充型过程中液态金属在浇注系统中和铸型型腔中的流动规律，它是设计浇注系统的重要依据之一。

图2-1 铸件的充型过程第一节液态金属充型能力的基本概念充型能力：液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，如图2-2就是由于充型能力好而获得的充型良好的铸件；图2-3就是由于充型能力不好而获得的非完整的铸件；流动性：液态金属本身的流动能力。

图2-2 充型良好的铸件图2-3 充型不好的铸件第二节液态金属停止流动机理及充型能力计算一、液态金属停止流动的机理要想了解不同的金属液的流动性以及充型能力的不同，计算具体合金的充型能力，必须首先明白停止流动的机理。

图2-4 a,b分别表示纯Al(99.99%)以及Al-Sn5%合金流动试样纵向宏观金相组织，从中可以看到纯金属（或共晶合金）与有一定结晶温度间隔的合金完全不同，流动性相差很大。

纯铝和AI—Sn5％合金流动性试样纵剖面上的宏观组织。

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，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，全部的液态金属都结晶为固态金属时，流动通道被完全堵塞，流动停止。

A1—Sn 5％合金流动性试样的宏观组织是等轴晶，离入口越远，晶粒越细，试样前端向外突出。

由此可以判断，液态金属的温度是沿程下降的，液流前端冷却最快，首先结晶，当晶体达到一定数量时，即有部分的液态金属结晶为固态金属时，便结成了一个连续的网络，发生堵塞，流动停止。

(a) 组织为柱状晶；在端部全部变成固相后，流动通道才堵塞(b) 组织为等轴晶；在端部部分变成固相后，流动通道就堵塞图2-4 停止流动机理二、充型能力的计算在一定的条件下，充型能力可用 l=vt 表示（l 是流动的长度，v 是流动速率，t 是流动时间）。

（1）其中流速v 由静压头和外部压力等决定； （2）而流动时间t 主要由传热过程的快慢来决定； （3）停止流动的机理不同，具体计算方法也不同。

下面以宽结晶温度范围的合金为例，计算流动时间以及充型能力，流速恒定为v 。

思路如下：停止流动时间分两个阶段，取前端样进行研究。

阶段1、放出过热，达到液相线温度的时间t 1；阶段2、继续流动并放热，温度进一步下降，固相率达到停止流动时所用时间t 2。

t=t 1+t 2 l=vt阶段1：11(T T ds dt dv c dTαρ-⋅⋅=-⋅⋅型）对t 和T 进行定积分： t=0，T= T 浇； t=t 1，T= T L ；11111c F ln = ln P L L T T T T c dv t ds T T T T ρραα--=⋅⋅--浇型浇型型型t —时间； T —金属温度； T 浇—金属液浇注温度 T 型—铸型的初始温度； T L —金属液相线温度dS —与铸型相接触的表面积； dV —体积；l ρ—液态金属的密度；l c —液态全属的比热容；a —换热系数。

F —试样的断面积； P —断面积F 的周长。

阶段2：进一步向前流动，放出热，温度下降，固相不断形成，当温度达到Tk 时，固相率达到K ，停止流动。

（不同温度间隔的合金的计算差距正好在这个阶段），这时流动时间为 t2。

同理得：dTc dv dt ds T T ⋅⋅⋅-=⋅⋅-**11ρα）（型对t 和T 进行定积分： t=0，T= T L ； t=t 2，T= T K ；型型型型T T T T c P F T T T T c ds dv t K L K L --=--⋅=****lnln 11112αραρ*l ρ—合金在T L 到T K（停止流动温度）温度范围内的密度*l c —合金在T L 到T K 温度范围内的当量比热容L —合金的结晶潜热。