材料成形原理第1章

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1、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液态成形理论基础第二章液态成形中的流动和传热第三章液态金属的凝固形核及生长方式第四章单相合金与多相合金的凝固第五章铸件凝固组织的形成与控制第六章特殊条件下的凝固第一章液体金属的结构和性质（StructureandPropertyofLiquidMetal)凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。主要研究对象——液体金属液态金属凝固学就是研究液态金属转变成固态金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规律；研究新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新

2、的金属材料成型工艺。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或分子从较为激烈运动的状态转变为规则排列的状态的过程。水凝结成雪花晶体*SchematicofthermoplasticInjectionmoldingmachine塑料注射成型后的凝固液体金属（钢水）浇注后凝固成固体金属主要研究（学习）内容（1）液体金属的性质（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）具体合金的结

3、晶方式——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）理论基础物理化学、金属学、传热学、传质学和动量传输学。研究内容液态金属的结构和性质、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方法。影响液态金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。液态金属的结构和性质、冶金处理（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。凝固技术发展历程最古老的艺术、技术之一——冶铸技术合金配制、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

4、很发达。司母戊方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多年前战国初期铸造的。战国时期的《考工记》记载：“金有六齐：六分其金，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居其一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡居其一，谓这戈戟之齐；三分其金，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居其二，谓之削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴燧之齐”。是世界上最早的合金配比规律。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方法。其后，对

5、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金属的凝固过程，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。凝固学与材料成形液态成形：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，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。塑性成形：与液态金属凝固无直接关系，但有重要的间接关系。凝固组织，特别是凝固

6、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。金属切削：成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产品。粉末成形：是冶金学的一个分支，粉末是经熔化和凝固而成的。§1-1材料的固液转变H2O的“三态”转变图1-2H2O的压力－温度相图固态金属按原子聚集形态分为晶体与非晶体。晶体凡是原子在空间呈规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金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为1013次/s。液态金属液态金属中的原子和固态时一样，均不能自由运动，围绕着平

7、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。液态金属宏观上呈正电性，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，而液态金属则几乎总是非晶体。液态金属的热物理性质1.体积变化金属熔化，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规律性。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表1-1一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化这就可以认为金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，只不过它的

8、熔化熵相对于固态时的熵值