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。两个相共同组成一个界面时，其界面张力的大小与界面两侧质点间结合力的大小成反比。

两种物质接触，润湿或不润湿的关键取决于两种物质间的亲和力，亲和力大就润湿，否则就不润湿。接触角为锐角时为润湿，接触角为钝角时为不润湿。

表面张力与温度的关系：随温度升高而下降，因为原子间距随温度升高而增大。不同物质之间结合力越大时，界面张力越小，越容易润湿，其间的接触角越小。表面张力与原子体积成反比，与价电子数的平方成正比。合金元素及杂质元素对表面张力的影响，主要取决于原子间结合力的改变。

表面张力在材料成型过程中的意义：当表面具有一定曲度时，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。润湿角越小，成为润湿性好。

在凝固的后期，不同晶粒之间存在着液膜，由于表面张力的作用，液膜将两侧的晶体紧紧的吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力量就越大。液膜的表面张力越大，液膜越薄，则液膜的拉断临界应力越大，裂纹越难以形成。

第2章 液态金属的充型能力

充型能力不足，可能造成浇不足，冷隔等铸造缺陷。

液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力，同时又受外界条件如铸型性质，浇铸注条件，铸造结构等因素的影响，是各因素的综合反应。

流动性：在充型过程中，金属液体本身的流动能力。

液态金属的停止流动机理分为两种：1纯金属共晶成分和晶体结晶温度范围很窄的合金，停止流动机理，没有形核质点，充型能力不强。2宽结晶温度合金停止流动机理，充型能力差。

影响充型能力的因素，包括，金属性质，铸形性质，浇注条件及铸件结构四个方面。

金属性质：1结晶温度范围的影响：合金的化学成分决定了结晶温度范围，在流动性曲线上，对应着纯金属、共晶成分和金属间化合物之处流动性最好，流动性随着结晶温度范围的增加而下降，在固定的凝固温度下，固相层内表面比较光滑，对液体的流动阻力小

2结晶潜热等物理性质的影响：结晶潜热的释放将延缓合金温度的下降速率，合金放出的结晶潜热越多，温度下降越慢，凝固过程进行得越慢，因而流动性越好

3金属其他因素的作用。金属液黏度的影响，充型过程前期对流动性影响较小，充型过程后期对流动性影响较大。金属液表面张力的影响。变质及孕育处理的影响。工艺条件对半固态金属浆料流动性的影响。

铸型性质：株型性质影响金属液的充型速度，铸形与金属的热交换强度、金属液保持流动的时间。铸型的蓄热系数表示柱型从液态金属中吸取并储存在本身中热量的能力。蓄热系数越大，铸型的激冷能力就越强，金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。预热铸型，能够减小金属与铸型的温差，从而提高充型能力。

浇注条件：1浇注温度：浇注温度越高，液态金属的黏度越小，过热度越高，金属液内含热量越多，充型能力越强。

2充型压力：增大充型压力，有利于提高充型能力。

3浇注系统：浇注系统复杂程度会影响液态金属的充型能力。

铸件结构：铸件折算厚度越大，使液体金属的充型能力越好。垂直壁比水平壁更容易充填。铸件结构越复杂，流动阻力越大，液态金属的充型能力越差。

第3章 凝固温度场

铸造过程温度场：金属凝固时间与凝固层厚度成正比。

界面热阻，是因为铸型型腔内表面上往往存在一层涂料，铸件与铸型的接触是凹凸不平的局部接触。

铸件凝固方式分类：逐层凝固，体积凝固，中间凝固。

铸件凝固方式对凝固液相的补缩能力影响很大，从而影响最终铸件的致密性和热裂纹的产生概率。

铸件凝固方式的影响因素：合金的凝固温度区间与凝固时铸件中的温度梯度。

1合金凝固温度区间的影响：随碳质量分数的增加，碳钢的结晶温度区间增大，铸件端面固液两相区的宽度增加，其中对于在砂型中凝固，低碳钢逐层凝固方式，中碳钢中间凝固方式，高碳钢体积凝固方式。

2温度梯度的影响：当温度梯度较大时，固液两相区较窄，合金逐层凝固方式；当温度梯度较为平坦，是固液两相区明显增加，合金体积凝固方式。

第4章 晶体形核与生长

凝固是指物质由液体转变为固体的相变过程。

凝固包括液体向晶态固体转变，以及向非晶态固体转变两种过程方式。

4.2.1液固相变驱动力

心相与谋相的体积，自由能之差ΔGv，即为相变驱动力。

第一，无论是液相还是固相，物质自由能随温度上升而下降。第二，液相自由能随温度上升，而下降的速率比固相的大。

过冷度越大，凝固相变驱动力越大。

通常将过了，分为五种类型，动力学过冷，曲率过冷，压力过冷，热过冷，成份过冷。

由于曲率的影响，物质实际熔点比平衡熔点要低。

4.3凝固形核

凝固理论将晶体形核分为均质形核和非均质形核。均质形核是指形核前母相液体中无外来固相质点，而从液相自身发生形核的过程，所以也称自发形核。一般来说凝固是从非均质形核开始的，即依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行形核过程，这种形核亦称为异质形核或非自发形核。

4.3.2非均质形核与均质形核的比较

在金属熔体中，存在着大量高熔点的固相杂质微粒，可作为非均质形核的衬底。

形核率是指单位体积，单位时间形成的晶核数目。

4.3.3非均质形核的形核条件。

1基底与结晶相的晶格错配度的影响。错配度越小，共格情况越好，界面张力就越小，越容易进行非均质形核。 2冷却速度的影响。过冷度越大，能促使非均质型和外来质点的种类和数量越多，非均质形核能力越强。

3结晶相枝晶熔断和游离的作用。

4.4晶体生长

1粗糙界面：固-液界面固相一侧的点阵位置有一半左右被固相原子所占据，形成坑坑洼洼，凹凸不平的界面结构。粗糙界面也称非小晶面或非小平面。

2光滑界面，固液界面固相一侧的点阵位置几乎全部被固相原子所占满，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，光滑界面也称为小晶面或小平面。

界面结构类型的本质与判据：固液界面结构主要取决于物质的热力学性质，以及晶体生长时的晶面取向。

3界面结构类型的影响因素：①熔融熵越小，越容易成为粗糙界面。粗糙还是光滑面主要取决于物质的热力学性质。②η/ν值取决于界面是哪个晶面族，非密排晶面作为晶体表面，微观界面结构更容易成为粗糙界面。③过冷度大时生长速度快，容易形成粗糙界面结构。④合金的浓度有时也影响固液界面的性质。

4.4.2晶体生长方式两种：连续生长及侧向生长

1粗糙界面的连续生长方式：粗糙界面结构，有许多位置可供原子着落，只要原子沉积供应不成问题，即可以连续不断的进行，粗糙界面晶体的这种生长方式称为连续生长，其生长方向为界面的法线方向。

2光滑界面的侧向生长方式，原子尺度的光滑界面其单个原子与晶面的结合的较弱，容易脱离界面，因此只有依靠在界面上出现台阶，从液相扩散来的原子沉积在台阶边缘，从而使晶体平行于凝固界面沿侧向延伸生长，故称为侧向生长。

光滑界面，台阶形成方式有三种，二维晶核，螺旋位错，孪晶面。

扩散度定义为固相到液相界面上的原子层数n。

第5章单相合金凝固

5.1 凝固过程中溶质再分配

第6章 多相合金凝固

1.二元共晶组织分类

（1）第一类共晶：粗糙-粗糙界面两相组成的共晶，显微结构为规则层片状，或一相为棒状或纤维状。初生相树枝状长大（规则共晶）。

（2）第二类共晶：粗糙-光滑界面。小平面相领先突出，共生生长，所得到的组织较为无规则（非规则共晶）

（3）第三类共晶：光滑-光滑界面，非金属-非金属，所得到的组织为两相的不规则混合物（非规则共晶）

2.层片状共晶组织形核过程：

（1）球形共晶的形核与长大

（2）层片状共晶搭桥式形核方式

3. 极值准则（最小过冷度准则）

对于规则共晶，共晶生长最可能发生在过冷度最小值处。

4.共晶的三种情况

（1）共晶成分合金冷速过快，不一定得到100%共晶组织，可能亚共晶或过共晶

（2）非共晶成分可能获得100%共晶组织

（3）非共晶成分合金在一定冷速下，出现两相相对独立的离异共晶

5.伪共晶：共晶组织为非共晶成分的情况

6.共生生长：共晶生长过程中，两相彼此交替相邻且具有共同的生长界面，通过界面前方液相中溶质的横向耦合扩散，互相不断地为相邻的另一相提供生长所需组元，彼此协同向前生长。对称型共生区：发生在两个组元熔点相近、两条液相线基本对称、两相长大速度基本相同的非小平面-非小平面合金中。

7.离异生长

共晶两相没有共同生长界面，各自以不同速度独立生长。非共晶生长的共晶结晶方式。所形成组织成为离异共晶