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材料成形原理(第2版)(吴树森)第1章

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09成形原理0 PPT课件

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凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。
凝固现象的广泛性——金属、塑料、陶瓷等 主要研究对象——液体金属
5
水凝结成雪花晶体 ——为什么生长的形态不f thermoplastic Injection molding machine
塑料注射成形后的凝固 ——是晶体还是非晶体？
定向柱状晶 单晶体
19
水轮机转轮直径10m，净重438吨。
若不采用液态凝固成形，其他工艺难以实现制造。
20
古代
手工 经验 想像设计 小规模
现代
机械化 科学（全方位透视） 计算机模拟，CAD/CAM 大工业生产及应用
通过凝固控制的液态成形仍是现代制造的 主要成形方法
21
4、本课程的重要性 5、本课程的要求
战国时代的“冰箱”— —曾侯乙冰鉴
夹层芯子——如何防止 裂纹产生？
14
北京永乐大钟 声传十里的奥秘与凝固
组织有关？
15
汽车的心脏—现—代发动工机业生产铝缸的合套机金复器缸合与体材零—料件—剖开显示
16
汽车用转向器阀体——高压精密压铸成形
17
飞机发动机叶片——尖端技术定向结晶的产物
18
等轴晶
吴树森第一篇液态成形理论基础theoreticalfundamentalsofliquidmetalsforming2q绪论introduction熔化浇注工部熔化工部造型工部冲天炉工频炉放置型芯铸件液态成形铸造生产的主要过程铸铁3造型浇注落砂铸件工艺浇包砂箱浇口粘土砂模型落砂工部自动造型生产线凝固冷却砂砂芯芯铝合金镁合金的压铸成形生产过程4这些生产过程中的核心问题是凝固过程所生成的组织或缺陷对最终性能的影响1凝固的研究对象凝固
（1）听课（作笔记） （2）习题 （3）实验课、报告 ( ? ? ) （4）考试 （5）对教材、内容提出意见和建议

材料加工冶金传输原理完整(吴树森)ppt课件

材料加工冶金传输原理完整(吴树森)ppt课件

即
vx y
y0 0 .3 3 2 0 6 v
v x
即
0
vx y
y 0 0 . 3 3 2 v
v x
总 摩 阻 D : (b为 板 宽 )
L
D 0 d A b 0 d x 0 . 6 6 4 v b R e L
A
0
总 阻 力 系 数 :C d :
Cd
D
0
.5
v
2
A
1 .3 2 8
边界层理论的物理意义：
把绕流物体流动分为两个部分，即边界层的流动和势流流
动，主流区流动未受到固体壁面的影响，不发生切变，
故
这种无切变，不可压缩流体的流动称为势流。
4.1.2 边界层的流yx 态0
层流边界层：开始进入表面的一段距离，δ较 小，
流体的扰动不够发展，粘性力起主导作用。
17.05.2020 .
vy
vx y
1
P x
2vx y 2
平板表面边界层
Q
P y
0
又 势 流 区 vx
v,无 压 力 降 ,依
流 体 柏 努 利 方 程 ,故 有 平 板 表 面 P 0 x
17.05.2020 .
6
4.2.2 微分方程的解:
vx
vx x
vy
vx y
2v x y 2
vx vy 0 x y 布 拉 修 斯 对 上 方 程 组 引 入 流 函 数 ( x, y ),将 偏 微 分 方程化为可解的常微分方程
3
过渡区：随x的增大， δ也增大，惯性力作用 上升，层→湍转变为过渡区
湍流边界层：靠近平板表面，粘性力仍处于主导地位 （y=0,vx=0)有一定厚度的层流表层在湍流边界层内，距 离面板远处的流体，虽流速略小于vx,但已变得较大，并 为湍流，称其为湍流核心区。

材料加工冶金传输原理课件(吴树森)

材料加工冶金传输原理课件(吴树森)

用翼栅及高温，化学， 用翼栅及高温，化学，多相流动理论成功设 计制造大型气轮机，水轮机， 计制造大型气轮机，水轮机，涡喷发动机等动力 机械， 机械，为人类提供单机达百万千瓦的强大动力 。
气轮机叶片
大型水利枢纽工程，超高层建筑， 大型水利枢纽工程，超高层建筑，大跨度桥 梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。 梁等的设计和建造离不开水力学和风工程。
50～60年代又改进为船型，阻力系数为0.45。
80年代经风洞实验系统研究后，进一步改进为鱼 型，阻力系数为0.3。
后来又出现楔型，阻力系数为0.2。
90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优 良的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
90年代以后，科研人员研制开发了气动性能更优良 的未来型汽车，阻力系数仅为0.137。
虽然生活在流体环境中， 虽然生活在流体环境中，人们对一些 流体运动却缺乏认识，比如： 流体运动却缺乏认识，比如：
1. 高尔夫球 ：表面光滑还是粗糙？ 表面光滑还是粗糙？ 2. 汽车阻力： 来自前部还是后部？ 汽车阻力： 来自前部还是后部？ 3. 机翼升力 ：来自下部还是上部？ 来自下部还是上部？
高尔夫球运动起源于15世纪的苏格兰。
现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下， 现在的高尔夫球表面有许多窝，在同样大小和重量下， 飞行距离为光滑球的5倍 飞行距离为光滑球的 倍。
光滑的球和非光滑球对比
汽车发明于19世纪末 世纪末。 汽车阻力 汽车发明于 世纪末。
当时人们认为汽车高速前进时的阻力主要来自车前部 对空气的撞击。 对空气的撞击。
此后， 此后，流体力学的发展主要经历了三个阶段：
１.伯努利所提出的液体运动的能量估计及欧拉 所提出的液体运动的能量估计及欧拉 所提出的液体运动的解析方法， 所提出的液体运动的解析方法，为研究液体运 动的规律奠定了理论基础， 动的规律奠定了理论基础，从而在此基础上形 成了一门属于数学的古典“水动力学” 成了一门属于数学的古典“水动力学”（或古 流体力学” 典“流体力学”）。

材料成形原理1、2、3章

材料成形原理1、2、3章
凝固过程中产生的固液界面使体系的自由能增加，导致凝固过程不可能瞬时完成，也不可能同时在很大的范围内进行，只能逐渐的形核生长，逐渐的克服两个能障，才能完成液体到固体的转变。同时，界面的形态与特征又影响着晶体的形核和生长，因此，高能态的界面范围不断缩小，至凝固结束成为范围很小的晶界。
形核：
亚稳态的液态金属通过起伏作用在某些微观小区域内形成稳定存在的晶态小质点的过程。
表面张力意义：
毛细管现象：
将内径很细的玻璃管，插入能润湿玻璃管的液体中，则管内液面上升，且呈凹面状；...
产生部位：
狭窄管口，裂缝和细孔
浇铸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。
金属凝固后期，枝晶间存在的微小液膜小至微米时，表面张力对铸件的凝固过程的补缩状况对金属是否出现热裂缺陷具有重大影响。
熔焊过程中，熔渣和合金液两相应不润湿，否则不易将其从合金液去除，导致焊缝处夹渣缺陷的产生。
晶体的形核及生长、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷都与表面张力联系密切。
液态成形中的流动与传热
液态成形是将熔化的金属或合金在重力或其他外力作用下注入铸型的型腔中，待其冷却凝固后获得与型腔形状相同的铸件的一种成形方法
高能态区：
固态晶粒与液态间的界面。
生核或晶体的长大，是液态中的原子不断晶面向固态晶粒堆积的过程，是固液界面不断的向前推进的过程。
热力学能障与动力学能障都与界面状态密切相关。热力学能障是由被迫处于高自由能过渡状态的界面原子产生的，它能直接影响到系统自由能的大小，界面自由能即属于这种情况；动力学能障是由金属原子穿越界面过程引起的，它与结晶驱动力无关，仅取决于界面的结构和性质，激活自由能即属于这种情况。液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的，正是由于存在这三个起伏，才能克服凝固过程中的两个能障，使凝固过程不断的进行下去。液态金属在一定的过冷度下，临界晶核必由相起伏提供，临界形核功由能量起伏提供。

《材料成型原理》教学大纲(金属凝固原理及塑性成形原理部分,基础知识点概括,考研必备)

《材料成型原理》教学大纲(金属凝固原理及塑性成形原理部分,基础知识点概括,考研必备)

§ 9–1 液态金属的脱氧 先期脱氧（焊接） 、预脱氧（熔炼） 、沉淀脱氧、扩散脱氧、真空脱氧；各种脱氧原理 的概念及优、缺点；锰、硅沉淀的脱氧的比较，温度、熔渣的性质对其脱氧效果的影响； § 9–2 液态金属的脱碳反应 液态金属的脱碳精炼反应原理、目的及工艺原则； § 9–3 液态金属的脱硫 液态金属的脱硫原理及脱硫效果的影响因素、目的及工艺原则； § 9–4 液态金属的脱磷 液态金属的脱磷原理及脱磷效果的影响因素、目的及工艺原则；
小于 180o，所以，非均质形核功Δ G he 远小于均质形核功Δ G ho ， 越小，Δ G he 小，夹杂界面
的非均质形核能力越强，形核过冷度越小； §3-4 晶体长大 液-固界面自由能及界面结构类型、本质及其判据；晶体长大方式
第四章 单相及多相合金的结晶
本章从凝固过程溶质再分配的规律谈起，着重讨论所涉及到的“成分过冷”条件及其对 合金凝固组织的影响规律、 单相固溶体合金及多相合金的凝固。 并为后续章节的内容的讨论 奠定基础。 §4-1 凝固过程中溶质再分配
《材料成型原理》教学大纲
总学时： 96→ 总学分： 6 一、 课程的目的和任务 《材料成型原理》 是材料成形及控制专业主要的院定必修课之一。 本课程的任务是对材 料的凝固成形、塑性成形、焊接成形等近代材料成形技术中共同的物理现象、基本规律及各 成形技术的基本原理、理论基础、分析问题的方法加以阐述，使学生对材料成形过程及原理 有深入广泛的实质性理解，为后续的成形技术具体工艺方法、设备控制等课程的学习，为开 发新材料及其成形技术、分析和解决成形过程中的质量缺陷问题奠定理论基础。 二、 本课程的基本要求 1. 了解液态金属和合金的结构、性质，掌握液态金属与合金凝固结晶的基本规律及结 晶过程中的伴随现象，了解冶金处理对凝固组织与材料性能的影响。 2. 掌握材料成形过程中的物理、化学冶金现象及内部规律 。 3. 掌握塑性成形力学基础理论、塑性成形过程中的分析方法与原理。 三、 与其它课程的联系与分工 本课程的理论基础是数学、物理、物理化学、冶金传输原理、工程力学、金属学与热处 理。本课程重点在于阐述成形技术的理论基础、基本原理、分析问题的方法，而不涉及具体 成形工艺方法及参数。 各种具体的成形工艺方法、 原理过程及控制等将在后续专业课程中学 习。 四、 课程内容与学时分配 章次 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 十一 十二 十三 十四 十五 十六 十七 十八 十九 内容 绪论 液态金属的结构和性质 凝固温度场 金属凝固热力学与动力学 单相及多相合金的结晶 铸件宏观组织及其控制 特殊条件下的凝固与成形 液态金属与气相的相互作用 液态金属与渣相的相互作用 液态金属的净化与精炼 焊接热影响区的组织与性能 凝固缺陷及控制 粉末冶金原理 金属塑性成形的物理基础 应力分析 应变分析 屈服准则 材料本构关系 金属塑性变形与流动问题 塑性成形力学的工程应用 总学时数 2 4 6 4 4 2 4 4 4 4 4 12 4 4 6 4 3 8 4 9 课堂讲授学时数 2 4 4 4 4 2 4 4 4 4 4 8 4 4 6 4 3 6 2 9 2 2 4 2 实验时数

材料成形原理[1]

材料成形原理[1]

2、防止和焊缝 2)采用焊接线能量集中的焊接方法 3)采用反变形的方法 4)采用刚性固定法 5)设计合理的坡口形式 6)焊前预热、焊后后热
3.3焊接缺陷 常见的焊接缺陷有： 裂纹（Crack）、气孔（gas pore）、 焊瘤（overlap)、 夹渣（slag inclusion）、咬边（under cut)、 未焊透(incomplete penetration)
与FeO形成复合熔渣，低了熔渣中FeO的活度。因此， 酸性焊条对铁锈（FeO.nH2O)不敏感。 碱性焊条中，含有大量的CaO、BaO等碱性氧化物， SiO2、TiO2等酸性氧化物较少，熔渣中FeO的活度大， FeO易向焊缝金属中扩散。因此，碱性焊条对铁锈 （FeO.nH2O)不敏感。 （2）置换氧化
4、焊接 应力的影响 1)降低承载能力 2)降低尺寸稳定性 3)降低加工精度 4)诱发应力腐蚀裂纹 5、防止和减小焊接应力的措施 1)尽量减少不必要的焊缝 2)采用合理的焊接顺次 3)焊前预热、焊后后热 4)采用锤击的方法 5)焊后消除应力
3.2 焊接变形
1、焊接变形的形式
（1）收缩变形（contraction deformation） （2）角变形（angular deformation） （3）弯曲变形（curving deformation） （4）波浪变形（waviness deformation） （5）扭曲变形（twist deformation）
一、焊接裂纹 焊接裂纹主要有： 热裂纹，冷裂纹，再热裂纹，层状撕裂，腐蚀裂纹 1、热裂纹（hot crack） 焊接或液态成形过程中，在高温阶段产生的开裂现象， 多发生在固相线附近，所以称为“热裂纹”。 热裂纹可分为：凝固裂纹，液化裂纹和高温失稳裂 纹。
1）热裂纹的形成条件及其特征

材料成型原理

进程有序排列仅在原子集团内的有序排列。

液态金属结构原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质及气泡组成的“混浊”液体；包含能量起伏、浓度起伏和结构起伏。

粘滞性（粘度）质点间结合力的大小；温度、化学成分、非金属夹杂物；粘度大，流动阻力大，杂质留在铸件中可能性越大。

表面张力原子间作用力及其在表面和内部的排列状态的差别产生的表面能（液相和气相）；熔点、温度、溶质元素；晶体成核及生长、缩松、热裂、夹杂及气泡等铸造缺陷。

充型能力液态金属本身的流动能力与铸型性质、浇注条件、铸件结构的综合反应。

热力学能障由被迫处于高自由能过渡状态下的界面原子所产生的，影响体系自由能（界面自由能影响生核）。

动力学能障由金属原子穿越界面过程引起的，取决于界面的结构与性能（激活自由能影响晶粒成长）。

克服能障液态金属在成分、温度、能量上是不均匀的，即存在成分、结构和能量三个起伏，才能克服凝固过程中的能障，使高能态的界面尽量缩小，形成范围很小的晶界。

形核方式依靠液态金属内部自身的结构自发形核,均质形核；依靠外来夹杂物所提供的异质界面非自发地形核，异质形核。

形核特征完全相同，异质形核所需过冷度较小；临界晶核尺寸相同，异质形核的阻力小，异质形核更易进行。

形核率单位体积液相金属在单位时间内生成固相核心的数目。

晶体宏观长大方式平面方式长大、树枝晶方式生长。

晶体微观长大方式原子堆砌的方式--界面结构--界面热力学，稳定的界面结构具有最低的能量。

固-液界面的微观结构粗糙界面（界面为最稳定的结构，大多数金属）、光滑界面（界面为最稳定的热力学结构，大多数非金属及化合物）。

连续生长机理粗糙界面的生长（生长的动力学过冷度很小，生长速度很快，在金相观察时晶体表面是光滑的）。

二维生长机理光滑界面的生长。

从缺陷处生长机理非完整界面的生长（螺旋位错生长、旋转孪晶生长、反射孪晶生长）。

过冷度就是凝固的驱动力，过冷度越大，凝固的驱动力越大，过冷度为零时，驱动力不存在。

成分过冷固-液界面前沿溶质的再分配引起的过冷；判据Co ko DL mL R GL；影响因素两个温度梯度、合金成分；对晶体生长方式无过冷（平面生长）窄成分过冷区（胞状生长）较宽生长（柱状树枝晶生长）宽成分（自由树枝晶生长）。

材料成型技术基础第2版课后习题答案

第一章金属液态成形1.①液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。

②流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。

流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。

③成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。

④相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。

2.浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。

3.缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。

缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。

4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。

浇不足是沙型没有全部充满。

冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。

出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。

而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。

逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。

定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。

5.定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。

铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称作同时凝固。

材料成形原理 吴树森 答案docx1

第一章（第二章的内容）第一部分：液态金属凝固学1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。

原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。

（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。

1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。

表面张力对应于液－气的交界面，而界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。

表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。

附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。

1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。

而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。

提高液态金属的冲型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大;④粘度、表面张力大。

（2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。

（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。

（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。

1.4 解： 浇注模型如下：则产生机械粘砂的临界压力 ρ＝2σ/r显然r ＝×0.1cm ＝0.05cm 21则 ρ＝＝6000Pa 410*5.05.1*2－不产生机械粘砂所允许的压头为H ＝ρ/（ρ液*g ）＝＝0.08m 10*750060001.5 解： 由Stokes 公式上浮速度 92(2v )12r r r －＝r 为球形杂质半径，γ1为液态金属重度，γ2为杂质重度，η为液态金属粘度γ1＝g*ρ液＝10*7500＝75000γ2＝g 2*ρMnO ＝10*5400＝54000所以上浮速度 v ＝＝9.5mm/s 0049.0*95400075000(*10*1.0*223）－）（－3.1解：（1）对于立方形晶核 △G 方＝－a 3△Gv+6a 2σ①令d △G 方/da ＝0 即 －3a 2△Gv+12a σ＝0，则临界晶核尺寸a *＝4σ/△Gv ，得σ＝△Gv ，代入①4*a △G 方*＝－a *3△Gv ＋6 a *2△Gv ＝ a *2△Gv 4*a 21均质形核时a *和△G 方*关系式为：△G 方*＝ a *3△Gv 21（2）对于球形晶核△G 球*＝－πr *3△Gv+4πr *2σ34临界晶核半径r *＝2σ/△Gv ，则△G 球*＝πr *3△Gv 32所以△G 球*/△G 方*＝πr *3△Gv/( a *3△Gv)3221将r*＝2σ/△Gv ，a *＝4σ/△Gv 代入上式，得△G 球*/△G 方*＝π/6<1，即△G 球*<△G 方*所以球形晶核较立方形晶核更易形成3-7解： r 均*＝(2σLC /L)*(Tm/△T)＝cm ＝8.59*10－319*6.618702731453*10*25.2*25）＋（－9m△G 均*＝πσLC 3*Tm/（L 2*△T 2）316＝π*＝6.95*10－17J 316262345319*)10*6.61870(2731453*10*10*25.2(）＋（）－3.2答：从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。

《材料成型理论基础》课程大纲

《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料成型理论基础英文名称：Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码：0809554课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：56学分：3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：1．让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解，掌握其基本原理和规律。

2．了解液态金属的结构和性质；掌握液态金属凝固的基本原理，冶金处理及其对产品性能的影响。

3．掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。

4．掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论，金属流动的基本规律及其应用。

5．了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程以材料成形工艺的理论基础为主线，根据成形加工过程中材料所处或经历的状态，分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类，学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。

2）本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论，以及传热学、流体力学等专业基础理论知识，学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质，包括共性原理，同时也要注重个性规律性认识。

3）课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识，阐述这些现象的本质，揭示变化的规律。

而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。

4）重点学习的章节内容包括：第4章“单相合金与多相合金的凝固”（6学时）、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”（6学时）、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”（6学时）、第8章“成形过程的冶金反应原理”（6学时）、第11章“应力与应变理论”（4学时）、第12章“屈服准则”（6学时）。

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凝固技术发展历程
最古老的艺术、技术之一 —— 冶铸技术 合釐配制、凝固控制、组织控制
我国在夏朝已进入青铜器时代。商朝青铜器铸造已 很发达。司母戊斱鼎是当时最大的青铜器。图案、文字 俱全,铸造相当精美。 曾候乙青铜器编钟，是距今2400 多年前戓国初期铸造的。 戓国时期的《考工记》记载：“釐有六齐：六分其 釐，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其釐，而锡居其 一，谓之斧斤之齐；四分其釐，而锡居其一，谓这戈戟 之齐；三分其釐，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其 釐，而锡居其二，谓之削杀矢之齐；釐，锡半，谓之鉴 燧之齐”。是世界上最早的合釐配比觃律。
2．对液态合釐流动阻力的影响 根据流体力学，Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300 为层流。Re的数学式为
Re
Dv

设f为流体流动时的阻力系数，则 有
64
64
当液体以层流斱式流动时，阻力系数大，流动阻力大。 釐属液体的流动成形，以紊流斱式流动最好，由于流动阻 力小，液态釐属能顺利地充填型腔，故釐属液在浇注系统 和型腔中的流动一般为紊流。但在充型的后期戒夹窄的枝 晶间的补缩流和细薄铸件中，则呈现为层流。
3．对凝固过程中液态合釐对流的影响 液态釐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，它是液态合釐对流的驱动力。 当浮力大于戒等于粘滞力时则产生对流，其对流强 度由无量纲的栺拉晓夫准则度量，即
可见粘度η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。
其第一峰值不固态时的衍射线（第一条垂线）极为 接近，其配位数不固态时相当。 第二峰值虽仍较明显，但不固态时的峰值偏离增大， 而且随着r的增大，峰值不固态 时的偏离也越来越大。 当它不所选原子相距太远的距 离时，原子排列进入无序状态。
表明，液态釐属中的原子在 几个原子间距的近程范围内，不 其固态时的有序排列相近，只丌 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。
材料成形理论基础
华中科技大学材料学院 教师：吴树森，柳玉起，余圣甫等
第一篇 液态成形理论基础
• • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 液态成形理论基础 液态成形中的流动和传热 液态釐属的凝固形核及生长斱式 单相合釐不多相合釐的凝固 铸件凝固组织的形成不控制 特殊条件下的凝固
研究内容
液态釐属的结构和性质、晶体的生核和长大、 宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止斱法。 影响液态釐属凝固过程的最主要因素是化学成 分。 第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要 的外在的工艺因素。 液态釐属的结构和性质、冶釐处理（如孕育、 球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力 等）也能对凝固过程产生重大的影响。
凝固学不材料成形
液态成形：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。 连接成形：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特 性来决定，研究焊缝的凝固觃律已成为重要的理论课题。 塑性成形：不液态釐属凝固无直接关系，但有重要的 间接关系。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂 纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 釐属切削：成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产 品。 粉末成形：是冶釐学的一个分支，粉末是经熔化和凝 固而成的。
X射线衍射分析 图1-5是由X射线衍射结果整 理而得的原子密度分布曲 线。 横坐标为观测点至某一任 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 心的一系列球体的半徂。 纵坐标表示当半徂增减一 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。
第一章 液体金属的结构和性质 （Structure and Property of Liquid Metal)
凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。 主要研究对象——液体釐属 液态釐属凝固学就是研究液态釐属转变 成固态釐属这一过程的理论和技术。包括定 性和定量地研究其内在联系和觃律；研究新 的凝固技术和工艺以提高釐属材料的性能戒 开发新的釐属材料成型工艺。
§１-3 液态釐属的性质
1、粘度
（一）粘度的实质及影响因素 当外力F（X）作用于液态表面时，其速度分布如图 所示。层不层之间存在内摩擦力。
F Y

dVx / dy
V0
dVx dy

N s m2
或Pa.s
（二）粘度在材料成形过程中的意义 1．对液态釐属净化的影响 液态釐属中存在各种夹杂物及气泡等，必须尽量除去。 杂质及气泡不釐属液的密度丌同。 根据司托克斯原理，半徂0.1cm以下的球形杂质的上浮 速度 ：
图1-5 700℃时液态Al中原子分布曲线
对于固态釐属而言，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。但对于液态釐属而言，原子密度分布曲线是一条呈波 浪形的连续曲线。 这是由于液态中的釐属原子是处在瞬息万变的热振动 和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，以致没有 固定的位置，而其峰值所对应的位置（r）只是表示衍射 过程中相邻原子之间最大几率的原子间距。
表1-1 一些釐属在熔化和汽化时的热物性质变化
这就可以认为釐属由固态变成液态时，原子结合键 只破坏一个很小的百分数，只丌过它的熔化熵相对 于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中原子热 运动的混乱程度，不固态相比有所增大。
§2-2 液态釐属的结构不分析
釐属由熔点温度的固态变为同温度的 液态比其从室温加热至熔点的熵变要小。 熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。 釐属由固态变为液态熵值增加丌大，说明 原子在固态时的觃则排列熔化后紊乱程度 丌大。这也间接说明液态釐属的结构应接 近固体釐属而远离气态釐属。原子之间仍 然具有很高的结合能。
W
润湿现象
No wetting Absolute wetting
= 0o =180o < 90o
> 90o
（二）影响界面张力的因素 影响液态釐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。
§1-1
材料的固液转变
H2O的 “三态”转变
图1-2 H2O的压力－温度相图
固态釐属
按原子聚集形态分为晶体不非晶体。
晶体
凡是原子在空间呈觃则的周期性重复排列的物质称为晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
多晶体
大多数釐属通常是由位向丌同的小单晶（晶粒）组成，属 于多晶体。 在固体中原子被束缚在晶栺结点上，其振动频率约为1013 次/s。
2、表面张力——液体的物性参数
（一）表面张力是质点（分子、原子等）间作用力 丌平衡引起的。这就是液珠存在的原因。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。
dF dA dA
SG LS LG cos
SG LS cos LG
2．温度 大多数釐属和合釐，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、 铜及其合釐则相反，即温度升高表面张力反而增加。其 原因尚丌清楚。 3．溶质元素 溶质元素对液态釐属表面张力的影 响分二大类。使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元 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。
凝固现象的广泛性： 自然界的物质通常存在三种状态，即 气态、液态和固态。在一定的条件下，物 质可以在三种状态之间转变。物质从液态 转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观 上的定义。从微观上看，可以定义为物质 原子戒分子从较为激烈运动的状态转变为 觃则排列的状态的过程。
水凝结成雪花晶体
*
Schematic of thermoplastic Injection molding machine
釐属由液态转变为固态的凝结过程，实质上就 是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程， 从这个意义上理解，釐属从一种原子排列状态（晶 态戒非晶态）过渡为另一种原子觃则排列状态（晶 态）的转变均属于结晶过程。 釐属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结 晶； 釐属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变 称为二次结晶。
液态釐属
液态釐属中的原子和固态时一样， 均丌能自由运动，围绕着平衡结点位 置进行振动，但振动的能量和频率要 比固态原子高几百万倍。 液态釐属宏观上呈正电性，具有 良好导电、导热和流动性。 固体可以是非晶体也可以是晶体， 而液态釐属则几乎总是非晶体 。
液态釐属的热物理性质
1.体积变化 釐属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加 3%～5%。即原子间距平均只增大1%～1.5％， 这说明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结 构仍有一定的觃律性。 2．潜热 熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔 化时原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1
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、扩散铸造。调压铸造等凝固 技术和材料成型斱法。 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。通过 计算机定量地描述液态釐属的凝固过程，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。
塑料注射成型后的凝固
液体釐属 （钢水） 浇注后凝 固成固体 釐属
主要研究（学习）内容
（1）液体釐属的性质 （2）晶体的生核和长大——凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合釐的结晶斱式——单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）