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1、材料成型原理材料成型原理第第1章章 液态金属液态金属1.1 液态金属基本理论1.1.1 液态金属的性质液态金属的结构液态金属的结构 金属和合金材料的加工制备过程？金属和合金材料的加工制备过程？金属和合金材料的加工制备过程？金属和合金材料的加工制备过程？配料、配料、配料、配料、熔化熔化熔化熔化 和和和和 凝固成型凝固成型凝固成型凝固成型 三个阶段。三个阶段。三个阶段。三个阶段。配料配料配料配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数；熔炼熔炼熔炼熔炼是把固态炉料熔
2、化成具有确定成分的液态金属；是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属；凝固凝固凝固凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金属材料的微观组织特征。属材料的微观组织特征。属材料的微观组织特征。属材料的微观组织特征。液相成型液相成型固态金属固态金属 按原子聚集形态分为按原子聚集形态分为 晶体与非晶体晶体与非晶体。晶体晶体凡凡是是原原子子在在空空间间呈呈规规则则的的周周期期性性重重
3、复复排排列列的的物质称为晶体。物质称为晶体。单晶体单晶体在晶体中所有原子排列位向相同者称为在晶体中所有原子排列位向相同者称为在晶体中所有原子排列位向相同者称为在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体单晶体单晶体单晶体多晶体多晶体大大多多数数金金属属通通常常是是由由位位向向不不同同的的小小单单晶晶（晶晶粒）组成，属于粒）组成，属于多晶体多晶体。在在在在固固固固体体体体中中中中原原原原子子子子被被被被束束束束缚缚缚缚在在在在晶晶晶晶格格格格结结结结点点点点上上上上，其其其其振振振振动动动动频频频频率约为率约为率约为率约为10101313 次次次次/s/s。液态金属？液态金属？液液液液态态态态金金金
4、金属属属属中中中中的的的的原原原原子子子子和和和和固固固固态态态态时时时时一一一一样样样样，均均均均不不不不能能能能自自自自由由由由运动，围绕着平衡结点位置进行振动运动，围绕着平衡结点位置进行振动运动，围绕着平衡结点位置进行振动运动，围绕着平衡结点位置进行振动 但振动的但振动的但振动的但振动的能量能量能量能量和和和和频率频率频率频率要比固态原子高几百万倍。要比固态原子高几百万倍。要比固态原子高几百万倍。要比固态原子高几百万倍。液液液液态态态态金金金金属属属属宏宏宏宏观观观观上上上上呈呈呈呈正正正正电电电电性性性性，具具具具有有有有良良良良好好好好导导导导电电电电、导导导导热和流动性。热和流动性
5、。热和流动性。热和流动性。液相结构？液相结构？1.1.物理性质变化物理性质变化物理性质变化物理性质变化 体体体体积积积积只只只只膨膨膨膨胀胀胀胀3 35 5，即即即即原原原原子子子子间间间间距距距距平平平平均均均均只只只只增增增增大大大大1 11.51.5 熔化潜热熔化潜热熔化潜热熔化潜热只占只占只占只占气化潜热气化潜热气化潜热气化潜热的的的的3 37 7 见见见见表表表表1 1 这这这这就就就就可可可可以以以以认认认认为为为为金金金金属属属属由由由由固固固固态态态态变变变变成成成成液液液液态态态态时时时时，原原原原子子子子结结结结合合合合键键键键只只只只破破破破坏坏坏坏一一一一个个个个很很很
6、很小小小小的的的的百百百百分分分分数数数数，只只只只不不不不过过过过它它它它的的的的熔熔熔熔化化化化熵熵熵熵相相相相对对对对于于于于固固固固态态态态时时时时的的的的熵熵熵熵值值值值有有有有较较较较多多多多的的的的增增增增加加加加，表表表表明明明明液液液液态态态态中中中中原原原原子子子子热热热热运运运运动动动动的的的的混混混混乱乱乱乱程程程程度度度度，与与与与固固固固态态态态相相相相比比比比有有有有所增大。所增大。所增大。所增大。比比比比热热热热容容容容，与与与与固固固固态态态态相相相相比比比比虽虽虽虽然然然然稍稍稍稍大大大大一一一一些些些些，但但但但具具具具有有有有相相相相同同同同的的的的数量
7、级数量级数量级数量级。表1 几种金属的熔化潜热与气化潜热 固体固体可以是非晶体也可以是晶体，可以是非晶体也可以是晶体，而而液态金属液态金属则几乎总是非晶体则几乎总是非晶体。液液态态金金属属在在结结构构上上更更象象固固态态而而不不是是汽汽态态，原原子子之之间间仍仍然然具具有有很很高高的的结合能。结合能。2 2X X射线衍射分析射线衍射分析射线衍射分析射线衍射分析3 3 图图图图1-11-1是是是是由由由由X X射射射射线线线线衍衍衍衍射射射射结结结结果果果果整整整整理理理理而而而而得得得得的的的的原原原原子子子子密密密密度度度度分分分分布曲线。布曲线。布曲线。布曲线。4 4 横横横横坐坐坐坐标标
8、标标r r为为为为观观观观测测测测点点点点至至至至某某某某一一一一任任任任意意意意选选选选定定定定的的的的原原原原子子子子（参参参参考考考考中中中中心心心心）的的的的距距距距离离离离，对对对对于于于于三三三三维维维维空空空空间间间间，它它它它相相相相当当当当于于于于以以以以所所所所选选选选原原原原子子子子为球心的一系列为球心的一系列为球心的一系列为球心的一系列球体的半径球体的半径球体的半径球体的半径。5 5 纵纵纵纵坐坐坐坐标标标标 表表表表示示示示当当当当半半半半径径径径增增增增减减减减一一一一个个个个单单单单位位位位长长长长度度度度时时时时，球球球球体体体体（球球球球壳壳壳壳）内内内内原原
9、原原子子子子个个个个数数数数的的的的变变变变化化化化值值值值，其其其其中中中中 （r r）称称称称为为为为密度函数。密度函数。密度函数。密度函数。固态金属固态金属固态金属固态金属 原子原子原子原子 在某一平衡位置在某一平衡位置在某一平衡位置在某一平衡位置 热振动热振动热振动热振动 因因因因此此此此衍衍衍衍射射射射结结结结果果果果得得得得到到到到的的的的原原原原子子子子密密密密度度度度分分分分布布布布曲曲曲曲线线线线是是是是一一一一组组组组相相相相距距距距一一一一定定定定距距距距离离离离（点点点点阵阵阵阵常常常常数数数数）的的的的垂垂垂垂线线线线，每每每每一一一一条条条条垂垂垂垂线线线线都都都都
10、有有有有确确确确定定定定的的的的位位位位置置置置r r和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。和峰值，与所选原子最近的球面上的峰值便是它的配位数。但但但但对对对对于于于于液液液液态态态态金金金金属属属属而而而而言言言言，原原原原子子子子密密密密度度度度分分分分布布布布曲曲曲曲线线线线是是是是一一一一条条条条呈呈呈呈波波波波浪浪浪浪形的连续曲线形的连续曲线形的连续曲线形的连续曲线。这这这这是是是是由由由由于于于于当当当当金金金金属属属属转转转转变变变变为为为为液液液液态态态态时时时
11、时，液液液液态态态态中中中中的的的的金金金金属属属属原原原原子子子子是是是是处处处处在在在在瞬瞬瞬瞬息息息息万万万万变变变变的的的的热热热热振振振振动动动动和和和和热热热热运运运运动动动动的的的的状状状状态态态态之之之之中中中中，而而而而且且且且原原原原子子子子跃跃跃跃迁迁迁迁频频频频率率率率很很很很高高高高，以以以以致致致致没没没没有有有有固固固固定定定定的的的的位位位位置置置置，而而而而其其其其峰峰峰峰值值值值所所所所对对对对应应应应的的的的位位位位置置置置（r r）只只只只是是是是表表表表示示示示衍衍衍衍射射射射过过过过程程程程中中中中相相相相邻邻邻邻原原原原子子子子之之之之间间间间最最
12、最最大大大大几几几几率率率率的的的的原原原原子子子子间距。间距。间距。间距。图图1-1 700液态铝中原子液态铝中原子密度分布线密度分布线uu可见液态原子分布曲线是介于可见液态原子分布曲线是介于可见液态原子分布曲线是介于可见液态原子分布曲线是介于 曲线与固态时的曲线与固态时的曲线与固态时的曲线与固态时的分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。分布曲线（竖直线）之间作波浪形的变化。uu其其其其第一峰值第一峰值第一峰值第一峰值与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（与固态时的衍射线（第一条垂线第一条垂线第一条垂
13、线第一条垂线）极为接）极为接）极为接）极为接近，其配位数与固态时相当。近，其配位数与固态时相当。近，其配位数与固态时相当。近，其配位数与固态时相当。uu第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，第二峰值虽仍较明显，但与固态时的峰值偏离增大，而且随着而且随着而且随着而且随着r r的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。的增大，峰值与固态时的偏离也越来越大。uu当它与所选原子相距太远的距离时当它与所选原子相距太远的距离时当它与所选
14、原子相距太远的距离时当它与所选原子相距太远的距离时,原子排列进入无序原子排列进入无序原子排列进入无序原子排列进入无序状态。状态。状态。状态。uu表明，表明，表明，表明，液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围液态金属中的原子在几个原子间距的近程范围内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间内，与其固态时的有序排列相近，只不过由于原子间距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。距的
15、增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。距的增大和空穴的增多，原子配位数稍有变化。液态金属的结构特征液态金属的结构特征液态金属的结构特征液态金属的结构特征液态金属内存在近程有序的原子集团（液态金属内存在近程有序的原子集团（液态金属内存在近程有序的原子集团（液态金属内存在近程有序的原子集团（图图图图1-21-2）。这种原子集）。这种原子集）。这种原子集）。这种原子集团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液态金属团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液态金属团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液态金属团是不稳定的，瞬时出现又瞬时消失。所以，液态金属结构具有如下特点：结构具有如下特点：结构具有
16、如下特点：结构具有如下特点：液态金属是由液态金属是由液态金属是由液态金属是由游动的原子团游动的原子团游动的原子团游动的原子团构成。构成。构成。构成。液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为均匀性，称为均匀性，称为均匀性，称为能量起伏能量起伏能量起伏能量起伏。由于液态原子处于能量起伏之中，原子
17、团是时聚由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为时散，时大时小，此起彼伏的，称为时散，时大时小，此起彼伏的，称为时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏。4 4 4 4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动原
18、子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为瞬息万变，这种现象称为瞬息万变，这种现象称为瞬息万变，这种现象称为成分起伏成分起伏成分起伏成分起伏。金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的凝团过程凝团过程凝团过程凝团过程，实质上就是，实质上就是，实质上就是，实质上就是原子原子原子原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程，从这个意义上理解，从这个意义上理解，从这个意义上理解，从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态（晶态金
19、属从一种原子排列状态（晶态金属从一种原子排列状态（晶态金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均属于结晶过程的转变均属于结晶过程的转变均属于结晶过程的转变均属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次金属从一种固态过渡为另一种固
20、体晶态的转变称为二次金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。结晶。结晶。结晶。图图1-2 液态金属结构示意图液态金属结构示意图 1.1.2 粘度理论uu液态金属是有粘性的流体。液态金属是有粘性的流体。液态金属是有粘性的流体。液态金属是有粘性的流体。uu流流流流体体体体在在在在层层层层流流流流流流流流动动动动状状状状态态态态下下下下，流流流流体体体体中中中中的的的的所所所所有有有有液液液液层层层层按按按按平平平平行行行行方方方方向向向向运动。运动。运动。运动。uu在在在在层层层层界界界界面面面面上上上上的的的的质质质质点点点点相相相相
21、对对对对另另另另一一一一层层层层界界界界面面面面上上上上的的的的质质质质点点点点作作作作相相相相对对对对运运运运动动动动时，会产生摩擦阻力。时，会产生摩擦阻力。时，会产生摩擦阻力。时，会产生摩擦阻力。uu当当当当相相相相距距距距1cm1cm的的的的两两两两个个个个平平平平行行行行液液液液层层层层间间间间产产产产生生生生1cm/s1cm/s的的的的相相相相对对对对速速速速度度度度时时时时，在在在在界界界界面面面面1cm1cm2 2面面面面积积积积上上上上产产产产生生生生的的的的摩摩摩摩擦擦擦擦力力力力，称称称称为为为为粘粘粘粘滞滞滞滞系系系系数数数数或或或或粘粘粘粘度。度。度。度。uu粘度的单位
22、是粘度的单位是粘度的单位是粘度的单位是PasPas。uu粘度的导数叫流体的粘度的导数叫流体的粘度的导数叫流体的粘度的导数叫流体的流动性流动性流动性流动性。uu粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。粘度的物理本质是原子间作相对运动时产生的阻力。uu 牛顿液体粘滞定律牛顿液体粘滞定律牛顿液体粘滞定律牛顿液体粘滞定律uuF F(x)(x)=dv/dy=dv/dy 与面积无关与面积无关与面积无关与面积无关uuF F(x)(x)=AAdv/dydv/dyuu 动动动动 力力力力 粘粘粘粘 度度度度 系系系
23、系 数数数数（mm2 2/N.S/N.S）uu=/运运运运 动动动动 粘粘粘粘 度度度度 系系系系 数数数数(m(m2 2/s)/s)影响粘度的因素影响粘度的因素 温度 化学成分 非金属夹杂物粘度对材料成型的影响 影响液态金属的流态影响液态金属的对流影响液态金属的净化 1.1.3 表面和界面张力 表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。表面和界面张力是液态金属的第二重要性质。A A、表面张力和表面能、表面张力和表面能 表面张力：在液体表面内产生的平行于液表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各向均等的张力，
24、称之为表面张力。体表面、且各向均等的张力，称之为表面张力。表面张力是气表面张力是气/液界面现象，它的的大小与液界面现象，它的的大小与液相和气相的性质有关。液相和气相的性质有关。产生张力的表面层厚度不超过产生张力的表面层厚度不超过10-7cm10-7cm，相，相当于几个原子当于几个原子(分子分子)液层厚度。液层厚度。表面张力：使液体趋于球状的力 表面张力引起的附加压力 p=2/r 球状 p=(1/r1+1/r2)任意形状 由此可见，表面张力由此可见，表面张力由此可见，表面张力由此可见，表面张力 是表面是表面是表面是表面S S内垂直内垂直内垂直内垂直F F方向方向方向方向的单位长度上的拉紧力；的单
25、位长度上的拉紧力；的单位长度上的拉紧力；的单位长度上的拉紧力；也是增加单位表面积也是增加单位表面积也是增加单位表面积也是增加单位表面积dAdA外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，外力所做的可逆功，称之为表面能。称之为表面能。称之为表面能。称之为表面能。表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，表面张力和表面能数值上相同，但量纲不同，如表面张力为如表面张力为如表面张力为如表面张力为10-1N/m10-1N/m，则表面能为，则表面能为，则表面能为，则表面能为10-10-1J/m21J/m2。uu由相关热
26、力学公式可得：由相关热力学公式可得：由相关热力学公式可得：由相关热力学公式可得：此式表明，表面张力此式表明，表面张力此式表明，表面张力此式表明，表面张力 就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。就是单位面积上的自由能。式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系式中负号表示由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。统的自由能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。统的自由
27、能增加，增加值等于外力对单位表面所作的功。uuB B、界面张力和界面能、界面张力和界面能 界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能界面张力和界面自由能与表面张力和表面自由能相似。相似。相似。相似。界面与表面的界面与表面的界面与表面的界面与表面的差别：差别：差别：差别：界面泛指界面泛指界面泛指界面泛指两相之间的交界面两相之间的交界面两相之间的交界面两相之间的交界面；表面专指表面专指表面专指表面专指液体或固体与气体之间的界面液体或固体与气体之间的界面液体或固体与气体之间的界面液体或固体与气体之间的界面，确切的说，
28、是指确切的说，是指确切的说，是指确切的说，是指液体或固体在真空下的表面液体或固体在真空下的表面液体或固体在真空下的表面液体或固体在真空下的表面。引起表面张力与界面张力的原因？引起表面张力与界面张力的原因？引起表面张力与界面张力的原因？引起表面张力与界面张力的原因？表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面表面张力与界面张力都是由于物体在表面或界面上的上的上的上的质点受力不平衡质点受力不平衡质点受力不平衡质点受力不平衡所引起的。所引起的。所引起的。所引起的。uu当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图当固相表面
29、有液相和气相时，发生界面现象如图当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图当固相表面有液相和气相时，发生界面现象如图1 18 8(a)(a)所示。所示。所示。所示。uu 当液相与固相的接触时，三个界面张力的平衡情况见当液相与固相的接触时，三个界面张力的平衡情况见当液相与固相的接触时，三个界面张力的平衡情况见当液相与固相的接触时，三个界面张力的平衡情况见图图图图1 18(b)8(b)所示。平衡时水平分量的平衡关系为：所示。平衡时水平分量的平衡关系为：所示。平衡时水平分量的平衡关系为：所示。平衡时水平分量的平衡关系为：式中式中式中式中 SG SG 固相固相固相固相/气相界面张力；气相界面张力；气相
30、界面张力；气相界面张力；LS LS 液相液相液相液相/固相界面张力；固相界面张力；固相界面张力；固相界面张力；LG LG 液相液相液相液相/气象界面张力。气象界面张力。气象界面张力。气象界面张力。图图18 同时与固相和气相接触的球冠形液相的同时与固相和气相接触的球冠形液相的界面张力的平衡情况界面张力的平衡情况 影响影响 表面张力的因素：表面张力的因素：1.温度温度 2.溶质：溶质：d/dc0 非表面活性元素非表面活性元素 液固界面现象 1.润湿 2.不润湿 3.杨氏方程：称为称为杨氏方程式杨氏方程式，接触角接触角的值与各界面张力的相的值与各界面张力的相对值有关。对值有关。1 1）SGSGLSL
31、S时，时，coscos为正值，即为正值，即9090称为液体能称为液体能润湿固体。润湿固体。=0=0时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为时，液体在固体表面铺展成薄膜，称为完全润湿。完全润湿。2 2）SGSG9090，液体倾向液体倾向于形成球状，称为液体不能润湿固体。于形成球状，称为液体不能润湿固体。=180=180为完全不为完全不润湿。所以润湿。所以角又称为润湿角。角又称为润湿角。转换公式得转换公式得:液态金属充填铸型 1.1.41.1.4流动性与充型能力流动性与充型能力uu 流动性：液态金属本身的流动能力。流动性：液态金属本身的流动能力。uu 充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清清 晰的铸件的能力。晰的铸件的能力。影响充型能力的因素：金属、铸型、浇注条件、铸件结构 流动性测量：螺旋试样停止流动机理：