材料成形原理第一章液态金属的充型能力

材料成形技术基础复习要点第一章：金属的液态成形技术1.铸造成形法：它是将液态金属浇入铸型型腔，使其冷却凝固，从而获得一定形状和性能铸件的成形方法2.金属的铸造性能：金属的流动性、充型能力、收缩、偏析和吸气性3.金属的流动性：金属液本身的流动能力；影响因素：与金属种类、化学成分、凝固方式、及其他物理性能（如粘度）有关，共晶成分的金属熔点最低、因而流动性最好，非共晶成分的金属在结晶区域内，既有形状复杂的枝晶，又有未结晶的液体金属结晶区间越大，流动性越差4.充型能力：金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力；影响因素：金属的流动性、浇注条件及铸型条件，流动性越好，液态合金充填铸型的能力越强。

浇注温度越高，液态金属的充型能力就越强，但不宜过高。

充型压力越大，充型能力越强。

但充型压力不宜过大，以免金属飞溅或因气体排出不及时而产生气孔等缺陷。

铸型条件包括铸型材料、铸型结构及铸型中的气体含量5.收缩：金属液态向固态的冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象；影响因素：化学成分、浇注温度、铸型结构与铸型条件，液态收缩—凝固收缩—固态收缩6.缩孔：液态金属充满铸型后，铸件在凝固的过程中由于补缩不良而产生的孔洞；缩松：是铸件断面上出现的分散而细小缩孔。

从缩孔缩松的形成可以看出：金属的液态收缩和凝固收缩愈大，则收缩的体积越大，铸件越容易形成缩孔；金属的浇注温度越高，则液态收缩越大；结晶的间隔大的金属，易形成缩松。

预防措施：遵循“顺序凝固”原则，即在造型工艺上认为地设置冒口、冷铁，按照一定的冷却顺序，使缩孔移到铸件外面或消失。

7.铸造内应力：按产生原因分为热应力（铸件壁厚不均匀，收缩不一致）和机械应力（线收缩受到型芯阻碍）；预防热应力的措施：尽量减少铸件各部分间的温度差，使其均匀冷却；尽量使壁厚均匀，遵循同时凝固原则，如，将内浇口开设在铸件薄壁处，为加快厚壁部分的冷却，可在厚壁处安放冷铁。

8.同时凝固原则：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，主要用于普通灰铸铁，锡青铜等；优点是可以减少铸造内应力，防止铸件的变形和裂纹缺陷，又可不用冒口而省工省料；缺点是铸件口部容易出现缩孔或缩松。

一、名词解释1、粘度－表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。

或作用于液体表面的应力τ大小与垂直于该平面方向上的速度梯度dvx/dvy的比例系数。

2、液态金属的充型能力－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，即液态金属充填铸型的能力。

液态金属的流动性越强，其充型能力越好。

3、液态金属的流动性－是液态金属的工艺性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。

稳定温度场通常是指温度不变的温度场。

4、均质形核和异质形核－均质形核(Homogeneous nucleation) ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，亦称“自发形核” 。

非均质形核(Hetergeneous nucleation) ：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”。

金属结晶过程中，过冷度越大，则形核率越高。

实际液态金属（合金）凝固过程中的形核方式多为异质形核。

5、粗糙界面和光滑界面－从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置只有50％左右被固相原子所占据，从而形成一个坑坑洼洼凹凸不平的界面层。

粗糙界面在有些文献中也称为“非小晶面”。

光滑界面—从原子尺度上来看，固－液界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子占满，只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。

也称为“小晶面”或“小平面”。

6、“成分过冷”与“热过冷”－液态合金在凝固过程中溶质再分配引起固－液界面前沿的溶质富集，导致界面前沿熔体液相线的改变而可能产生所谓的“成分过冷”。

这种仅由熔体存在的负温度梯度所造成的过冷，习惯上称为“热过冷” 。

7、共生生长－是指在共晶合金结晶时，后析出的相依附于领先相表面而析出，进而形成相互交叠的双相晶核且具有共同的生长界面，依靠溶质原子在界面前沿两相间的横向扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需的组元，彼此偶合的共同向前生长。

8、离异生长－两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而形成的组织没有共生共晶的特征。

材料成型原理第1章液态金属的结构与性质物相由界面包围的具有一定成分和结构的均匀体组织物相的机械混合物润湿性是指存在两种互不相溶液体，液体首先润湿固相表面的能力，即一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性压力差物体两侧所受压力的差值现代晶体学表明，晶体的原子一定方式周期排列在三维空间的晶格结点上，表现出平移对称性特征，同时原子以某种模式在平衡位置上作热振动，相对于晶体这种原子有序排列，气体的分子原子，不停的做无规律运动。

液体表现出长程无序特征，液体结构表现出局域范围内的近程有序。

偶分布函数的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的概率。

晶态固体因原子以特定方式周期排列，其偶分布函数以相应的规律呈分立的若干尖锐峰，液体的g(r)出现若干衰减的钝化峰，直至几个原子间距后趋于直线g(r)等于1。

由于能量起伏，液体中大量不停游动着的局域有序原子团簇，时聚时散，此起彼伏，而存在结构起伏，实际金属的现象，还要复杂的多，除了能量起伏及结构起伏，还同时存在着浓度起伏。

长程有序：液体的原子相对于周期有序的晶体固态是不规则的，液体结构宏观上不具有平移、对称性。

黏度是液体内摩擦阻力大小的标志，黏度的物理意义可以视为：作用于液体表面的应力与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。

表面活性元素使液体黏度降低，非表面活性杂质的存在使黏度提高。

黏度的意义：黏度影响金属液的流动性进而影响铸件轮廓的清晰程度。

影响钢铁材料的脱硫，脱磷，扩散脱氧。

熔渣及金属液粘度降低对合金元素的过渡是有利的。

影响铸件内部缩孔或缩松、热裂的形成倾向。

影响精炼效果，夹杂、气孔的形成。

表面张力是表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的张力。

表面张力是由于物体在表面上的质点受力不均所致。

表面是产生新的单位面积表面时系统自由能的增量。

表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，前者指液体或固体与气体之间的交界面。

原子间结合力越大，表面内能越大，因此表面自由能越大，表面张力也就越大。

第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。

Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。

层流比紊流消耗能量大。

2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。

润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。

3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。

4充型能力：充型过程中，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，即液态金属充型能力。

5长程无序、近程有序：液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性，表现出长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，液体结构表现出局域范围内的近程有序。

拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。

化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。

6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。

能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。

结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。

浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。

材料成型原理复习总结名词解释：1溶质平衡分配系数：定义为特定温度下固相合金成分浓度与液相合金成分浓度达到平衡时的比值。

2液态金属的充型能力:充型过程中，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。

3孕育处理：是在浇注之前或者浇注过程中向液态金属中添加少量物质以达到细化晶粒，改善宏观组织目的的一种工艺方法。

4最小阻力定律：当变形体质点有可能沿不同方向移动时，则物体各质点将沿着阻力最小的方向移动。

5金属的超塑性：所谓超常的塑性变形行为，具有均匀变形能力，其伸长率可以达到百分之几百，甚至几千，这就是金属的超塑性6定向凝固原则：就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近你冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。

7偏析：合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀的现象称为偏析。

8平衡凝固：是指液，固相溶质成分完全达到平衡状态图对应温度的平衡成分。

9相变应力：具有固态相变的合金，若各部分发生相变的时刻及相变的程度不同，其内部就可能产生应力，这种应力就成为相变引力。

10晶体择优生长：在发展成为柱状晶组织的过程中需要淘汰取向不利的晶体，这个互相竞争淘汰的晶体生长过程称为晶体的择优生长。

简答题1.简述金属压力加工（塑性成形）的特点和应用。

答：1生产效率高。

（适用于大批量生产）2.改善了金属的组织和结构（钢锭内部的组织缺陷经塑性变形后组织变得致密，夹杂物被击碎；与机械加工相比，金属的纤维组织不会被切断，因而结构性能得到提高）3材料的利用率高（无切削，只有少量的工艺废料，因此利用率高）4尺寸精度高（精密锻造，精密挤压，精密冲裁零件，可以达到不需要机械加工就可以使用的程度）应用：金属的塑性加工在汽车，拖拉机，船舶，兵器，航空和家用电器等行业都有广泛的应用。

2．什么是缩孔和缩松？请分别简述这两种铸造缺陷产生的条件和基本原因。

答：铸件在凝固的过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞.容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。

材料成型原理名词解释第一章1.金属的表面活性物质：使液态金属表面张力降低的溶质元素，称为该金属的表面活性物质。

2.金属的非表面活性物质：使液态金属表面张力增加的溶质元素，称为该金属的非表面活性物质。

3.充型能力：液态金属的充型能力是指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，即液态金属充满铸型的能力，简称充型能力。

4.流动性：液态金属本身的流动能力，称为“流动性”。

5.结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停“游动”着的局域有序原子团簇时聚时散、此起彼伏而存在“结构起伏”6.能量起伏：原子集团间的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离原子。

这样的结构不是静止的，而是处于瞬息万变的状态，即原子集团、空穴或裂纹的大小、形态和分布及热运动的状态都处于每时每刻都在变化的状态--液态中也存在着很大的能量起伏。

7.浓度起伏：由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，相互结合力较强的原子容易聚集在一起，而把别的原子排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异；而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化。

这一现象称为“浓度起伏”。

8.相起伏：存在成分和结构不同的游动原子集团，在一些化学亲和力较强的元素的原子之间还可能形成不稳定的 (临时的)或稳定的化合物----相起伏。

9.折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。

第二章1.逐层凝固方式：在恒温下结晶的纯金属、共晶成分的合金，断面上液体和固体由一条界线截然分开，没有“L+S”两相区，随温度下降，固体层不断加厚，逐步达到中心。

这种情况为“逐层凝固方式”。

2.体积凝固方式：若铸件断面温度场较平坦，温度梯度很小，或结晶温度区间很宽，铸件凝固的某一段时间内，某凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面时，则在凝固区域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的液体，这种情况为“体积凝固方式”。

3.中间凝固方式：如果合金的结晶温度范围较窄，或者铸件断面的温度梯度较大，铸件断面上的凝固区域宽度介于两者之间时，则属于“中间凝固方式”。

铸造成形1.液态金属的流动性及充型能力流动性：液态金属自身的流动能力称为“流动性”，是金属的液态铸造成形的性能之一。

充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称金属的充型能力。

2.缩孔液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，因而在铸件最后凝固部位出现大而集中的孔洞，这种孔洞称为缩孔。

3.缩松液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，因而在铸件最后凝固部位出现细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称缩松。

4.冒口铸型中能储存一定金属液（同铸件相连接在一起的液态金属熔池）补偿铸件收缩，防止产生缩孔和缩松缺陷的专门技术“空腔”称为冒口。

5.铸件收缩铸件在液态、凝固和固态冷却过程中所产生的体积和尺寸减小现象称为收缩。

收缩时铸件的许多缺陷，如缩孔、缩松、应力、变形、热裂和冷裂等产生的基本原因。

它是合金的重要铸造性能之一。

6.同时凝固采用技术措施保证铸件结构上各部位间没有温差或温差很小，使各部分同时凝固。

7.顺序凝固采用各种措施保证铸件结构上各部位从远离冒口的部分到冒口之间建立一个递增的温度梯度，实现由远离冒口的部分先凝固，向冒口的方向顺序的凝固。

8.逐层凝固凝固过程中，固态相和液态相有严格的分界面。

9.体积凝固（糊状凝固）当合金的结晶温度范围很宽或因铸件截面温度梯度很小、铸件凝固时，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面。

10.铸造应力铸件在凝固和随后的冷却过程中，固态收缩收到阻碍而引起的内应力，称为铸造应力。

根据阻碍形成的原因不同，铸造应力可分为热应力、相变应力和机械阻碍应力。

11.铸件的化学成分偏析各种液态金属铸造成型时，要获得化学成分均匀的铸件是极为困难的。

铸件（尤其是厚壁铸件）凝固后，截面上不同部位，以至晶粒内部产生化学成分不均匀的现象，称为偏析。

12.分型面及分模面分型面：分型面是指铸件组元间的结合面。

分模面:13.浇注系统浇注系统是引导金属液进入铸型的系列通道的总称，是铸型充填系统的组成部分。

第一章液态金属的结构与性质1、熔化潜热: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。

2、纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子和空穴组成。

3、态金属的结构特征:“近程有序”、“远程无序”、“结构起伏”、“能量起伏”、“成分起伏”。

4、影响液态金属粘度的主要因素是化学成分、温度和夹杂物。

第二章液态成形中的流动与传热1、液态金属的充型能力:液态金属充满型腔并凝固后获得符合要求毛坯或零件的能力。

2、态金属的流动性:液态金属本身的流动能力称为“流动性”,是由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定的,而与外界因素无关。

3、态金属的停止流动机理1、纯金属和结晶温度范围很窄的合金停止流动机理示意图P 24。

在金属的过热量未散失尽以前为液态流动(图1c第I区。

金属液继续流动,冷的前端在型壁上凝固结壳(图1b,而后面的金属液是在被加热了的沟道中流动,冷却强度下降。

由于液流通过I区终点时,尚具有一定的过热度,将已凝固的壳重新熔化,为第II区。

所以,该区是先形成凝固壳,又被完全熔化。

第III 区是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。

在第IV区里,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,断面上结晶完毕也较早,往往在它附近发生堵塞(图1c。

2、结晶温度范围很宽的合金的停止流动机理示意图P24。

在过热热量未散失尽以前,以纯液态流动。

温度下降到液相线以下时,液流中析出晶体,顺流前进,并不断长大(图2a。

液流前端不断与冷的型壁接触,冷却最快,晶粒数量最多,使金属液的粘度增加,流速减慢(图2b。

当晶粒达到某一临界数量时,便结成一个连续的网络,液流的压力不能克服此网络的阻力时,发生堵塞而停止流动(图2c。

4、影响充型能力的因素:1金属性质2铸型性质3浇注条件4铸件结构第三章液态金属的凝固形核及生长方式1、液态金属凝固的驱动力是由过冷提供的。

第一部分：液态金属凝固学2.1 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，还存在浓度起伏和结构起伏。

2.2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和附加压力p的关系如（1）p＝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）p＝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。

2.3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。

2.4 解：浇注模型如下：则产生机械粘砂的临界压力p＝2ς/r显然 r ＝21×0.1cm ＝0.05cm 则 p ＝410*5.05.1*2－＝6000Pa 不产生机械粘砂所允许的压头为H ＝p/（ρ液*g ）＝10*75006000＝0.08m 2.5 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 ＝0049.0*95400075000(*10*1.0*223）－）（－＝9.5mm/s3.1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＝4*a △Gv ，代入① △G 方*＝－a *3△Gv ＋6 a *24*a △Gv ＝21 a *2△Gv 均质形核时a *和△G 方*关系式为：△G 方*＝21 a *3△Gv （2）对于球形晶核△G 球*＝－34πr *3△Gv+4πr *2ς 临界晶核半径r *＝2ς/△Gv ，则△G 球*＝32πr *3△Gv 所以△G 球*/△G 方*＝32πr *3△Gv/(21 a *3△Gv) 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)＝319*6.618702731453*10*25.2*25）＋（－cm ＝8.59*10－9m △G 均*＝316πςLC 3*Tm/（L 2*△T 2） ＝316π*262345319*)10*6.61870(2731453*10*10*25.2(）＋（）－＝6.95*10－17J3.2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。