金属凝固与材料成型的关系.doc

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1、金属凝固与材料成型的关系严永亮学号：1006031039摘要：材料由液态转变为固态的过程成为凝固。根据材料内部结构，材料可分为晶体材料和非晶体材料，由于通常情况下，固态金属都是晶体材料，故金属凝固的过程也称结晶过程。金属由熔化状态向固态庄边时，其晶体结构、相成分都会发生变化，进而影响材料成型时的组织结构，影响成形后材料的机械性能、影响铸件的性能关键词：金属，凝固，材料成形金属凝固即金属结晶过程是晶核形成并长大的过程，也只有在一定的外界条件下，液态金属才可形核并长大成为晶粒，待液体完全转变为晶粒时，凝固结束。在大量实验和分析结果的基础上，总结出液态纯金属的结构特点:（1）:原子间扔保持较强的结合

2、力，故原子的排列仍然具有一定的规律性；（2）:熔化时原子间的结合键遭到部分破坏，故院子排列的规律性仅保持在较小范围内，约十几个到几百个原子组成的原子集团，在原子集团内部保持着固态的有序排列，即所谓的“进程有序”；（3）:由于液相中原子能量较高且能量起伏也大，原子热运功较固态大为增加，故进程有序的原子集团始终处于不断的起伏的变化之中，此现象称为“结构起伏”或“相起伏”;（4）:原子团之间的间距较大，犹如存在着“空穴”，切空穴与原子团一样，此彼起伏;（5）:原子团的平均尺寸及“游动”速度都与温度有关。以上所述的是纯金属的液态结构。由于即使是很纯的技术中也难免会存在大量一种或多种杂质原子，它们在液相

3、忠的存在方式和分布也不均匀，故实际液态金属忠各原子团成分是各不相同的，且处于不断变化中，即是说在实际液态金属中除了能量起伏，还有结构起伏、成分起伏。当金属过冷到Tm以下某个温度T时，开始在过冷液体内形成一些稳定的微小晶体一一晶核。晶体的形核方式有两种：均匀形核和非均匀形核。均匀形核又是自发形核，即晶核通过结构起伏，由液相中“进程有序”的原子团直接形成；非均匀形核又是异质形核、非自发形核，即晶核是通过依附于液相中的杂质或外来质点的表而作为基底而形成的。对于世纪金属液体，由于有杂质存在，故实际结晶方式以非均匀形核为主。晶核形成后就要开始长大,晶核长大的驱动力是晶核长大体系自由能降低，晶核生长的机制

4、有连续生长、二维晶核生长、螺型位错生长，且生长形态有平面状生长、枝晶状生长。图为平面状生长图为枝晶状生长由于晶粒的尺寸大小对材料的性能有很重耍的影响，如材料的强度、硬度、塑性和韧性等都随着晶粒尺寸减小而提高。显然在液态金属凝固时，要控制晶粒尺寸。晶粒大小可用单位体积内的晶粒数Z表示，因为晶粒数Z是市形核率N和随着速率R所控制，所以控制晶粒尺寸的主要途径有：提高冷却速度、孕育处理（加形核剂即孕育剂）、振动处理。把金属熔化主要是用于铸造，所以要考虑到金属液体的充型能力，即液态的流动性，由液态金属的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因素无关。流动性好则充型能力强，内部的气体和杂质容易上浮，使金属纯净

5、，零件形状完整、轮廓清晰；反则充型能力差，容FI产生缩松、缩孔、夹杂、冷隔等铸造缺陷。典型的铸态宏观组织（晶粒组织）由三个区组成：表层细晶区、内部柱状区、屮心等轴区，如图示：铸件的质量和性能与结晶组织有密切关系。由于表面细晶粒区一般较薄，对铸件的质量和性能影响不大，而柱状晶和等轴晶区的宽度和晶粒大小是决泄铸件组织和性能的主要因素。而铸件宏观组织的控制的具体措施有如下两种：（1）合理控制热力学条件；（2）加入生核剂。最后A4纸打印