第一篇 液态金属成型原理

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1、第一篇液态金属成型原理液态金属成型工艺有铸造、液念冲压和液压模锻等多种方法。但是，其历史最悠久、应用最广泛的还是铸造。例如机床、内燃机、重型机械中占70%-90%；风机、压缩帆中大约占60%一80%；拖拉机、农业机械中占40％-70％；汽车市占20%一30%；铁路机车车辆中占40％一50％。此外，铸件在仪表、航空航天、船舶、化工、国防等工业中也有广泛应用。但是，铸造也存在缺点：铸件尺寸均一性差，内部质量比锻件差；工作环境粉尘多，温度高，劳动强度大等。因此，提高铸件质量，改善铸造的生产条件是每个材料加工作者的历史责任。液态模锻是把液态金属直接浇入金属模内．然后在一定时

2、间内，以一定的压力作用于液态(或半液态)金属上，使之成型，并在此压力下结晶和塑性流动。其实质是是铸造与锻造的组合工艺。焊接成型虽然并不完全属于液忠成型范的、但是，熔化焊中有焊接熔池，而焊接冶金和焊缝液态金属的凝固及结晶的基本规律；焊接过程中产生的气孔、偏析、夹杂及裂纹等焊接缺陷的形成机理与铸造成型的规律基本相同或相近。因此．有关焊接成型的相关内容，将与铸造成型融合在一起来讨论。本篇主要讨论液态金属成型过程中的基本规律及内在联系；阐明液态金属的结构及其物理性质；分析液态金属充填铸型后与铸型间的热交换特点，铸件温度场和焊接温度场分布规律及影响因素；阐述液态金属结晶的基本

3、规律，铸件组织的形成、焊接热影响区组织的特点及控制途径等。第一章液态金属及合金的结构和性质铸造是使金属的状态按着“固态一液态—固态“过程而成型的。金属由液态转变为固态过程中发生很多现象：形核，晶体长大，溶质的传输，液态体积变化等，这些均与金属的结构及性质有关。因此金属的结构及性质对研究铸件形成过程非常重要。科学上对液体状态的认识远落后于气体状态和固体状态。理想气体中的分子，基本上像是一些弹性体。在低压和中压下，分子间距大约分子自身尺寸，其间作用可忽略不计；在高压下，分子间作用力不可忽略，其气体状态方程式为：PV=RT（范德瓦尔公式）对液态结构的研究由于原子间的相互作

4、用，必须予以考虑，但原子相互位置不确定产生了困难。一、凝聚理论把液体看作是浓缩的气体，从气体运动论观点出发，通过修正气体状态方程式，来修正浓缩气体中原子或分子之间作用力的影响。博尔恩及格林提出了一组适于描述液体运动论的分子分布函数。但很复杂，实际很难应用。二、点阵理论把液体看作是无序的固体，该理论的出发点是将缺陷引人晶体点阵中，其中有3中理论。1.晶格理论晶格理论认为固体的原子排列是有序的，原子在点阵位置上不停地作三维热振动。被熔化的液体是从固态的有序排列转变到液态的无序排列，原子仍被限制在点阵位置附近，但是可以独自作随机振动。2.空穴或空洞理论空穴理论把液体看作是

5、有大量空位的一种伪点阵。3.有效结构理论根据这种理论，液体状态可用似晶组分与似气组分之间的配分关系来表示。三、几何理论由J.D.Berna和S.V.King提出的，把液体看作是原子的某种“堆积物”。该理论认为，液体是原子紊乱的密集球堆积的，或者更确切地说，液体是均质的相互粘着的，本质上为不规则的原子集合体。典型试验为钢球实验。此试验发现“伪晶核”的高密度区，在液相中出现有序的似晶区域，从而可以】说明原子呈”近程有序“的规则排列。第一节固体金属的加热膨胀及熔化一、金属中的原子结合金属原子是靠金属正离子和自由电子之间的静电引力结合在一起。金属键的结合强弱取决于原子结构及

6、它们之间的相互作用力和热运动。见图1-1。有图可知，R较小（RR0时为引力。R=R0时W最小，此时原子处于最稳定状态，R0称为平衡距离。二、金属的加热膨胀当温度升高时，右边自由振动的原子的振幅增大。由于势能曲线w的不对称性，使得向左振动时动能很快全部转化为势能，振幅小；向右振动时，经过很大振幅才能使动能转化为势能。温升时，振动剧烈势能按W1W2W3W4变化，原子平衡位置将安R1R2R3R4，可见将发生膨胀。但是只改变原子间距不改变相当位置。在任何时刻总有些原子能量高于平均能量，而另一些原子能量低于平均能量，称此

7、为能量起伏随着温度的升高，能量起伏增大，其中一部分能量大的原子可能越过势垒跳到周围原子之间的空隙中，使原来的位置成为空穴。同时空穴周围的原子也可以进入空穴中，就使空穴发生”移动”。空穴首先从金属表面产生，向内部扩散。温度越高，能量起伏越大，离位原子和空穴数量越多，是金属发生膨胀。所以原子间距增大和空穴的产生是造成膨胀的根本原因。三、金属的熔化金属的熔化首先是从晶界开始的。晶界上原子排列相对不规则，离位原子多，势能大。随着温度的升高，在外力的作用下，这些原子作定向运动，造成晶粒之间的相对滑动。当温度达到熔点时，金属晶粒逐渐被瓦解，金属体积膨胀；此时金属进一步吸收熔