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1、第二篇第二篇 液态成形基础液态成形基础-第第6章章 液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质中国矿业大学材料科学与工程学院中国矿业大学材料科学与工程学院金属从固态熔化为液态时的状态变化金属从固态熔化为液态时的状态变化金属从固态熔化为液态时的状态变化金属从固态熔化为液态时的状态变化固态原子在平衡位置振动固态原子在平衡位置振动振动频率加快，振幅增大振动频率加快，振幅增大达到新的平衡位置，晶格常数变化达到新的平衡位置，晶格常数变化超过原子激活能超过原子激活能原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴原子离开平衡位置处的点阵，形成空穴离位原子达到某一数值离位原子达到某一数值加热加热加热加热加热加热金属由固态转
2、变为液态金属由固态转变为液态体积膨胀体积膨胀约约3%5%，电阻、粘度发生变化，电阻、粘度发生变化温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子温度不会升高，晶粒进一步瓦解为小的原子集团和游离原子原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸原子脱离晶粒的表面，晶粒失去固有的形状和尺寸6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构6.1.1 6.1.1 液态金属的实验结果及分析液态金属的实验结果及分析?金属中的原子结合金属中的原子结合R，F 0R R0，F0（引力）靠拢R R0，F0（斥力）分开R R0，F0 平衡图图1-16.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结
3、构液态金属的结构液态金属的结构6.1.1 6.1.1 液态金属的实验结果及分析液态金属的实验结果及分析1 熔化时的体积变化熔化时的体积变化热运动热运动金属的加热膨胀（能量角度）金属的加热膨胀（能量角度）升温升温热振动加剧，热振动加剧，E转化转化为势能达新的平衡为势能达新的平衡R1、R2、R3（R0）平衡距离增加（平衡距离增加（膨胀膨胀）6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构6.1.1 6.1.1 液态金属的实验结果及分析液态金属的实验结果及分析能量起伏能量起伏(内蒸发内蒸发):):空穴的产生空穴的产生温度愈高，原子的温度愈高，原子的能量愈大，产生的能量愈大，产
4、生的空穴数目愈多，金空穴数目愈多，金属膨胀；属膨胀；体积变化甚小，固体积变化甚小，固液态原子间距差较液态原子间距差较小小表表6-1。1 金属的体积变化金属的体积变化-膨胀膨胀6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构2.液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）（从固态金属熔化来考察液态金属的结构）金属加热时，金属加热时，EmEm增加；增加；金属的熔化首先是从晶界开始；金属的熔化首先是从晶界开始；当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，晶粒之当温度达到熔点时，晶粒之间结合受到极大破坏，
5、晶粒之间更容易产生相对运动；间更容易产生相对运动；晶内晶内晶界晶界6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构热容：使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的热容：使单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。内能。热容变化不大，液体中质点热运动特点和固体接热容变化不大，液体中质点热运动特点和固体接近近表表6-26-2；熔化潜热：熔化潜热：使金属转变为具有流动能力的液体，还需要使金属转变为具有流动能力的液体，还需要继续提供能量使原子间的结合键进一步破坏，配位数的继续提供能量使原子间的结合键进一步破坏，配位数的变化，与气化潜热的比较；变化，与气化潜热的比较；熔化熵：
6、熔化熵：熔化时，熵增，系统内部混乱度增加。熔化时，熵增，系统内部混乱度增加。2.液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）液态金属的熔化（热容、熔化潜热、熔化熵）表表表表6-3 6-3 几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热几种金属的熔化潜热与气化潜热3 X射线衍射分析射线衍射分析右右图图是由是由X射线衍射结果整理而射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线。得的原子密度分布曲线。横坐标横坐标 原子球体的半径。原子球体的半径。纵纵坐坐标标 表表示示原原子子密密度度，其其中中（r）称为密度函数。称为密度函数。700700液态铝中原子密度分布线液态铝中原子密
7、度分布线液态铝中原子密度分布线液态铝中原子密度分布线 固固态态金金属属 原原子子在在某某一一平平衡衡位位置置 热振动热振动 因因此此衍衍射射结结果果得得到到的的原原子子密密度度分分布布曲曲线线是是一一组组相相距距一一定定距距离离（点点阵阵常常数数）的的垂垂线线，每每一一条条垂垂线线都都有有确确定定的的位位置置r和峰值。和峰值。700700液态铝中原子密度分布线液态铝中原子密度分布线液态铝中原子密度分布线液态铝中原子密度分布线但对于但对于但对于但对于液态金属液态金属液态金属液态金属而言，原而言，原而言，原而言，原子密度分布曲线是一条呈子密度分布曲线是一条呈子密度分布曲线是一条呈子密度分布曲线是一
8、条呈波浪形的连续曲线波浪形的连续曲线波浪形的连续曲线波浪形的连续曲线。这是由于液态中的金属这是由于液态中的金属这是由于液态中的金属这是由于液态中的金属原子是处在瞬息万变的热原子是处在瞬息万变的热原子是处在瞬息万变的热原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中，振动和热运动的状态之中，振动和热运动的状态之中，振动和热运动的状态之中，而且原子跃迁频率很高，而且原子跃迁频率很高，而且原子跃迁频率很高，而且原子跃迁频率很高，以致没有固定的位置。以致没有固定的位置。以致没有固定的位置。以致没有固定的位置。表表6-5 x6-5 x射线衍射所得液态和固态金属结构参数射线衍射所得液态和固态金属结构参数因此，
9、金属的熔化并不是原子间结合的因此，金属的熔化并不是原子间结合的全部破坏，液体金属内原子的分布仍具全部破坏，液体金属内原子的分布仍具有一定的规律性，其结构类似于固态。有一定的规律性，其结构类似于固态。6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构6.1.1 6.1.1 液态金属的实验结果及分析液态金属的实验结果及分析1 液态原子间距略大与液液态原子间距略大与液/固转变体积增大吻合；固转变体积增大吻合；2 配位数略减小，导致体积增大；配位数略减小，导致体积增大；3 混乱度增加，熵增。混乱度增加，熵增。6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构
10、6.1.2 6.1.2 实际金属的液态结构实际金属的液态结构纯金属的液态结构纯金属的液态结构原子的排列在较小的距离内仍具有一定规律性，且原子原子的排列在较小的距离内仍具有一定规律性，且原子间距增加不大。原子集团的间距增加不大。原子集团的“近程有序近程有序”，远程无序排列；，远程无序排列；原子热运动激烈，原子热运动激烈，“能量起伏能量起伏”大，集团大，集团“游动游动”，时，时大时小大时小相起伏；相起伏；原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在原子集团之间距离较大，比较松散，犹如存在“空穴空穴”；（；（解释：大部分金属熔化时电阻率增加解释：大部分金属熔化时电阻率增加？）？）“游动游动”、尺寸与温度
11、的关系。、尺寸与温度的关系。6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构杂质原子杂质原子量大量大种类多种类多分布不均分布不均存在方式不同存在方式不同实际金属的液态结构实际金属的液态结构原子间结合力不同，产生的起伏原子间结合力不同，产生的起伏能量起伏能量起伏浓度起伏浓度起伏结构起伏结构起伏6.1.2 6.1.2 实际金属的液态结构实际金属的液态结构6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构实际金属的液态结构实际金属的液态结构A-BA-B结合力较强：结合力较强：临时不稳定化合物如：临时不稳定化合物如：S S在在FeFe液液中，高温时完全溶解
12、，低温时析出中，高温时完全溶解，低温时析出FeSFeS，热脆；，热脆；A-BA-B非常强：非常强：形成新的固相；如形成新的固相；如O O在在AlAl中形成中形成AlAl2 2O O3 3;假如假如B-BB-B结合力结合力A-AA-A及及A-BA-B：吸附甚至分层；：吸附甚至分层；仅含一种杂质元素为例:6.1.2 6.1.2 实际金属的液态结构实际金属的液态结构6.1 6.1 液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构液态金属的结构6.1.3 6.1.3 液态金属结构理论液态金属结构理论（1）凝聚理论 假设成稠密气体，通过修正状态方程，描述液态金属结构（2）点阵理论 晶体缺陷模型 微晶模型 空穴
13、模型 位错模型 综合模型 问题：假设长程有序；熵的变化（3）几何理论 无规密堆硬球模型（刚球模型）（2）6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质1.1.熔点和熔化潜热熔点和熔化潜热2.2.沸点和蒸发热沸点和蒸发热3.3.比热容比热容4.4.导热性导热性5.5.热膨胀和固体收缩率热膨胀和固体收缩率6.6.扩散系数扩散系数确定蒸发损耗程度：确定蒸发损耗程度：B；热容大，释放热量大，激冷小，利于充型；热容大，释放热量大，激冷小，利于充型；热容小，激冷程度明显，影响充型；热容小，激冷程度明显，影响充型；动力动力6.2.7 6.2.7 液态金属的黏度液态金
14、属的黏度液态金属的黏度对能否获得健全铸件有密切关系液态金属的黏度对能否获得健全铸件有密切关系 剪切应力vx 流动速度 速度梯度黏度的物理意义：黏度的物理意义：当速度梯度为当速度梯度为1时时,相邻液层间单位面积上的相邻液层间单位面积上的内摩擦力内摩擦力;作用于液体表面的应力大小与垂作用于液体表面的应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数直于该平面方向上的速度梯度的比例系数6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质粘度粘度系数系数粘滞性的本质是质点粘滞性的本
15、质是质点(原子原子)间结合力的大小间结合力的大小l运动黏度：运动黏度：l运动黏度物理意义：运动黏度物理意义：v v=/表征液体质点保持自身运动表征液体质点保持自身运动方向的惯性大小。方向的惯性大小。6.2.7 6.2.7 液态金属的黏度液态金属的黏度富林克尔表达式：富林克尔表达式：1 粘度的粘度的影响因素影响因素0：原子在平衡位置的振动周期（对液态金属约为1013 s）kB：Bolzmann常数U：无外力时原子之间的结合能或原子扩散势垒：相邻原子平衡位置的平均距离T：热力学温度可以看出，影响粘度的因素有：a.结合能U.粘度随结合能U呈指数关系增加。液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘
16、度就越高粘度的本质：原子间的结合力粘度的本质：原子间的结合力b.原子间距.粘度随原子间距增大而减小。c.温度T.由上式可以得知，函数eU/KT随温度升高而降低。而20KT/3项则与温度呈直线关系。因此，当温度不太高时，指数项eU/KT随温度增高而急剧变化，因而使粘度下降(反比)。但是当温度很高时，指数项eU/KT趋近于1。这时随温度增高，粘度值呈直线增加（正比）。（显然，这种情况已是接近气态了。）总总的趋势：随温度的趋势：随温度T的升高而下降的升高而下降d.合金元素和夹杂物合金元素和夹杂物表面活性元素使液体粘度降低，非表面活性元素使粘度提高6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液
17、态金属的物理性质液态金属的物理性质6.2.7 6.2.7 液态金属的黏度液态金属的黏度e e 化学成分化学成分粘度本质粘度本质原子间的结合力原子间的结合力（与熔点有共性）（与熔点有共性）状态图状态图难熔化合物的粘度较高（熔点高，难熔化合物的粘度较高（熔点高，结合力强），而熔点低的共晶成结合力强），而熔点低的共晶成分合金其粘度较低；分合金其粘度较低；6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质2 黏度对液态成形过程的影响黏度对液态成形过程的影响流态：层流和紊流；雷诺系数Re2320时，紊流6.2.7 6.2.7 液态金属的黏度液态金属的黏度对液态金属充
18、型速度的影响运动黏度大，需要较大充型速度，而不至于出现紊流。紊流严重时，容易吸气和卷渣，因此层流是人们希望的；运动黏度小，需要较小充型速度达到层流，又对薄壁铸件不利，容易浇不足。速度黏度对液态金属流动阻力的影响f层层=32/Re，f紊紊=0.092/Re0.2 0.2实际应用：实际应用：一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，一般，液态金属在浇道和型腔中的流动都为紊流，只在腔的细薄部位，或在充型后期，枝晶间流速只在腔的细薄部位，或在充型后期，枝晶间流速下降，出现层流。下降，出现层流。6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质2 黏度对液态成形过
19、程的影响黏度对液态成形过程的影响6.2.7 6.2.7 液态金属的黏度液态金属的黏度f层层 f紊紊,紊流有利于充满型腔紊流有利于充满型腔6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质对液态金属对流的影响产生对流的条件：温差和浓度差温差和浓度差浮力浮力黏滞力黏滞力对流强度-格拉晓夫准则数：C动力黏度越动力黏度越大，则对流大，则对流强度越小强度越小2 黏度对液态成形过程的影响黏度对液态成形过程的影响 夹杂和气泡上浮的动力即二者重量之差在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动在最初很短的时间内以加速度进行运动，往后便开始匀速运动根据根据stoc
20、ks原理，半径为原理，半径为0.1cm以下的球形杂质的阻力以下的球形杂质的阻力Pc为：为：r为球形杂质半径，v为运动速度杂质匀速运动时，杂质匀速运动时，PcP，故故可见，夹杂和气泡上浮的速度v与液体的粘度成反比对液态金属净化的影响2 黏度对液态成形过程的影响黏度对液态成形过程的影响6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质6.2.8 6.2.8 液态金属的表面张力液态金属的表面张力1 表面张力的产生表面张力的产生表面：液体与气体间的接触面；表面张力：接触面上产生的力。F=bW=bl=S=F表面张力表面张力 表面能表面能界面张力界面张力 界面能界面能
21、概念：概念：6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质2 影响表面张力的因素：影响表面张力的因素：内部质点对表面质点的吸引力内部质点对表面质点的吸引力 化学键：温度：，,特殊现象Cu、铸铁；键能越大，对表面质点的吸引力也越键能越大，对表面质点的吸引力也越大，表面张力越大大，表面张力越大 表表6-6正吸附和负吸附；表面活性物质和非表面活性物质：6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质化学成分：单位表面积上吸附量的吉布斯公式：单位表面积上吸附量的吉布斯公式：=-=-c/RT c/RT d/dc单位表面积上
22、较单位表面积上较内部多（或少）内部多（或少）吸附的溶质的量吸附的溶质的量d/dc0，正吸附；，正吸附；d/dc0：2 影响表面张力的因素影响表面张力的因素金属液的表面张力可以改变金属液的表面张力可以改变铝液中加入第二元素铝液中加入第二元素镁液中加入第二元素镁液中加入第二元素6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质3 润湿现象润湿现象cos(SGSG-LSLS)/)/LGLG能润湿；能润湿；完全润湿；完全润湿；不能润湿；不能润湿；完全不润湿。完全不润湿。6.2.8 6.2.8 液态金属的表面张力液态金属的表面张力Wetting Phenomena
23、in NatureWetting Phenomena in Nature水面上走动的鼓虫水面上走动的鼓虫鼓虫的足与水面的关系鼓虫的足与水面的关系浮在水面的白天鹅浮在水面的白天鹅浮在水面的白天鹅浮在水面的白天鹅 天鹅羽根的模型天鹅羽根的模型天鹅羽根的模型天鹅羽根的模型(b)微观模型微观模型(a)宏观模型宏观模型4 附加压力以及对铸造成形的影响附加压力以及对铸造成形的影响通过产生附加压力6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质RdVdS拉普拉斯方程拉普拉斯方程PR1、R2两相互垂直的平面与液气曲面相交形成的两条弧线的曲率半径在一定温度下，毛细管的半径
24、愈小，液体在一定温度下，毛细管的半径愈小，液体对管壁的润湿性愈好，液体上升越高；对管壁的润湿性愈好，液体上升越高；液体液体不润湿，则形成凸液面，液面下降不润湿，则形成凸液面，液面下降6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质表面张力意义表面张力对黏砂和充填最小值的影响表面张力对黏砂和充填最小值的影响机械黏砂的毛细管临界半径：rc=2LGcos/ghgh4 附加压力以及对铸造成形的影响附加压力以及对铸造成形的影响附加压头：要克服铸型的界面张力，必须增加一个附加压头附加压头：要克服铸型的界面张力，必须增加一个附加压头铸型孔隙大，表面张力小，润湿角小，易
25、粘砂；铸型孔隙大，表面张力小，润湿角小，易粘砂；金属氧化物，润湿，粘砂。金属氧化物，润湿，粘砂。6.2 6.2 液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质液态金属的物理性质4 附加压力以及对铸造成形的影响附加压力以及对铸造成形的影响表面张力对液态金属净化的影响表面张力对液态金属净化的影响上浮条件：上浮条件：LSLSLGLGSGSG不润湿：夹杂会自动黏附到气泡上；不润湿：夹杂会自动黏附到气泡上；cos=(SGSG-LGLG)/)/LGLG气泡气泡黏附黏附作业一：作业一：1试推导试推导/(r1+r2)2画出毛细管现象图（凸液面）；画出毛细管现象图（凸液面）；3设钢液与砂型绝对不润湿，钢
26、液的密度为设钢液与砂型绝对不润湿，钢液的密度为7000kg/m3，表面张力为表面张力为1.5N/m，求充填厚为，求充填厚为5mm的薄板时所需的附的薄板时所需的附加压头。计算结果说明什么。加压头。计算结果说明什么。4液态金属的表面张力和界面张力有何异同？表面张力和液态金属的表面张力和界面张力有何异同？表面张力和附加压力有何区别？附加压力有何区别？6.3 6.3 液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力6.3.16.3.1金属液流动性与充型能力金属液流动性与充型能力“流动性流动性”液体金属本身的流动能液体金属本身的流动能力力 由液态金属本身的成分、温度、杂质含量等由
27、液态金属本身的成分、温度、杂质含量等决定，与外界因素无关。决定，与外界因素无关。流动性测试方法：螺旋型试样流动长度。流动性测试方法：螺旋型试样流动长度。6.3 6.3 液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力6.3.16.3.1金属液流动性与充型能力金属液流动性与充型能力充型时的两种停止流动方式充型时的两种停止流动方式（1）窄凝固范围的合金）窄凝固范围的合金纯金属或结晶温度很窄（如共晶合金）纯金属或结晶温度很窄（如共晶合金）（2）宽凝固范围的合金）宽凝固范围的合金结晶温度范围宽结晶温度范围宽 (1)窄凝固范围的合金窄凝固范围的合金(2)宽凝固范围的合金宽凝固范围
28、的合金充型能力的计算充型能力的计算充型过程：液体金属的非稳定的流动过程充型过程：液体金属的非稳定的流动过程l=v t 主要是计算主要是计算流动时间流动时间t充型能力充型能力液体金属充满型腔获得完整液体金属充满型腔获得完整铸件的能力铸件的能力充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸型等诸多条充型能力与流动性、铸件结构、浇注条件及铸型等诸多条件有关。件有关。第一类因素第一类因素金属性质方面：金属性质方面：1，c1,1,L,T(结晶特点结晶特点)第二类因素第二类因素铸型性质方面：铸型性质方面：2，c2,2,T型型，涂料层，透气性，涂料层，透气性第三类因素第三类因素浇注条件方面：浇注条件方面：T浇浇，
29、H(压头压头)，外力场，外力场第四类因素第四类因素铸件结构方面：铸件结构方面：铸件厚度，结构复杂程度铸件厚度，结构复杂程度(型腔型腔)6.3 6.3 液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力6.3.2 6.3.2 充型能力的影响因素及提高措施充型能力的影响因素及提高措施内因内因 外因外因1 内因内因（1）化学成分）化学成分图图6-7 Pb-Sn合金流动性与成分之间的关系图合金流动性与成分之间的关系图合金的流动合金的流动性与其成分性与其成分之间存在着之间存在着一定的规律一定的规律性。性。Al-Si合金流动性与成分及过热温度的关系合金流动性与成分及过热温度的关系（2
30、）凝固潜热）凝固潜热L越大，充型能力越好。越大，充型能力越好。同时释放的热量多。同时释放的热量多。（3）金属的比热容、密度和热导率）金属的比热容、密度和热导率（4）液态金属的粘度）液态金属的粘度（5）表面张力）表面张力 比热容和密度较大的合金，在相同的过热度下，保持液态的时间长，比热容和密度较大的合金，在相同的过热度下，保持液态的时间长，流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长，流动性流动性好。导热系数小的合金，热量散失慢，保持流动的时间长，流动性好。好。金属液在浇注前期为紊流运动，粘度（内摩擦力）对流动性的影响不金属液在浇注前期为紊流运动，粘度（内摩擦力）对流动性的影响不明显
31、。在充型的最后阶段，粘度对流动性才表现出较大的影响。明显。在充型的最后阶段，粘度对流动性才表现出较大的影响。表面张力对薄壁铸件、表面张力对薄壁铸件、铸件的细薄部分和棱铸件的细薄部分和棱角的成形有影响角的成形有影响。铸型阻力铸型阻力:铸型的冷却能力：铸型的冷却能力：表面状况、腔内反压力表面状况、腔内反压力铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数b2，减小蓄热，减小蓄热铸型温度铸型温度措措施施预热铸型；涂料：金属型表面涂覆带石棉粉涂料；气体：砂型采用烟黑涂料及改变型砂。6.3 6.3 液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力2 外因外因工艺方面影响因素工艺方面影响因素浇注温度：
32、浇注温度：静压头：静压头：浇注系统结构浇注系统结构。铸件结构方面影响因素铸件结构方面影响因素型腔的复杂度：型腔的复杂度：铸件的模数：铸件的模数：铸件铸件体积与表面积的比值。体积与表面积的比值。6.3 6.3 液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力液态金属的充型能力半固态半固态指合金在液相线和固相线之间的状态指合金在液相线和固相线之间的状态ab液相线液相线acb固相线固相线 液相液相固相固相半固态区半固态区液相液相+固相固相温度温度 TabcAlSiAl-Si合金的相图合金的相图6.4 6.4 半固态合金的流变性及半固态成形半固态合金的流变性及半固态成形半固态合金的流变性及半固态
33、成形半固态合金的流变性及半固态成形6.4.16.4.1半固态金属的流变性半固态金属的流变性 液态压铸液态压铸树枝晶组织树枝晶组织 半固态压铸半固态压铸非枝晶组织非枝晶组织（Mg-9%Al合金）合金）（Mg-9%Al合金）合金）具有独特的非枝具有独特的非枝晶、近似球形晶、近似球形6.4.16.4.1半固态金属的流变性半固态金属的流变性 1 1 表观黏度的概念表观黏度的概念半固态金属在流动、变形过程半固态金属在流动、变形过程中的力学性质。通常采用半固态金中的力学性质。通常采用半固态金属的表观粘度来描述之。属的表观粘度来描述之。表观粘度：表观粘度：表征半固态浆料的粘表征半固态浆料的粘性，以区别服从牛
34、顿粘性定律液体的性，以区别服从牛顿粘性定律液体的动力粘度。动力粘度。a aKn1流变方程牛顿流体：非牛顿流体：K Kn na a或或n=1,K=n=1,K=n n1 1n n1牛顿流体牛顿流体假塑性液体假塑性液体膨胀性液体膨胀性液体图图610剪切速率对表观粘度的影响剪切速率对表观粘度的影响6.4.16.4.1半固态金属的流变性半固态金属的流变性 2 2 影响流变性的因素影响流变性的因素半固态合金虽然具有流动性，但其表观黏度远远高于全液态合金，这种高黏度固液两相体的铸造是困难的。从流变铸造的角度讲，表观黏度是流变铸造的主要方面。1 1）固相体积分数）固相体积分数 2 2）剪切速率）剪切速率图图6
35、12 冷却速度对表观粘度的影响冷却速度对表观粘度的影响3 3）冷却速率）冷却速率4 4）合金成分）合金成分 流变铸造是金属或合金在凝固温度区间给于强烈的搅拌，流变铸造是金属或合金在凝固温度区间给于强烈的搅拌，使晶体的生长形态发生变化，由本来是静止状态的树枝晶转变使晶体的生长形态发生变化，由本来是静止状态的树枝晶转变为梅花状或接近于球形的晶粒，然后再施加压力予以成形（如为梅花状或接近于球形的晶粒，然后再施加压力予以成形（如压铸、挤压）的一种方法。压铸、挤压）的一种方法。图图115 流变铸造成形工艺示意图流变铸造成形工艺示意图(a)半固态制浆半固态制浆（b）移送至压室内）移送至压室内(c)压铸或挤
36、压成形压铸或挤压成形 6.4.26.4.2半固态成形简介半固态成形简介镁合金半固态流变压铸成形机镁合金半固态流变压铸成形机 镁合金半固态流变压铸零件图镁合金半固态流变压铸零件图汽车制动器推盘汽车制动器推盘镁合金半固态流变压铸零件图镁合金半固态流变压铸零件图壁厚仅壁厚仅1mm的薄壁零件的薄壁零件镁合金应用镁合金应用电子产品电子产品镁合金应用镁合金应用汽车零件汽车零件高能超声制备半固态铝合金高能超声制备半固态铝合金2保温电炉；保温电炉；3特制样杯；特制样杯；4变幅杆；变幅杆；5换能器；换能器；6超超声波发生器；声波发生器；7温控仪温控仪 1型腔；型腔；2模具；模具；3压室；压室；4冲头；冲头；5浆料浆料 合金熔炼合金熔炼浇入保温杯浇入保温杯超声振动超声振动 浆料传送浆料传送 浇入压室浇入压室 压射成形压射成形 零件零件 工艺流程：工艺流程：半固态金属的零件显微组织：半固态金属的零件显微组织：加工优势：加工优势：具有独特的非枝具有独特的非枝晶、近似球形晶、近似球形黏度低，容易控制，易实现自动化和高速化；黏度低，容易控制，易实现自动化和高速化；流动应力比固态低，可成形复杂件，节能节材；流动应力比固态低，可成形复杂件，节能节材；应用范围广。应用范围广。6.4.26.4.2半固态成形简介半固态成形简介