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1、内容一、液态金属凝固原理二、金属塑性加工原理三、粉末冶金加工原理四、复合材料加工原理五、材料连接加工原理六、材料加工新技术及其原理第1页/共63页第一章 液态金属凝固原理第2页/共63页凝固：液态向固态的转变过程。工程技术中的凝固过程：铸造：液态合金的凝固。焊接：焊缝金属的凝固。凝固和结晶：凝固：从传热学的观点出发，研究凝固过程的传热、凝固方式、凝固组织、凝固缺陷等。结晶：从物理化学的观点出发，研究液态金属的生核、成长、结晶组织的形成规律。本章重点：认识液态金属的凝固规律，掌握凝固过程的控制途径，以防止产生凝固缺陷、改善铸件组织、提高铸件质量和性能。第3页/共63页 1.1 金属凝固的温度场1
2、、温度场的概念 物体内各点的温度分布情况，称为温度场。根据温度t 随时间的变化，温度场可分为：不稳定温度场：tf(x，y，z,)稳定温度场：tf(x，y，z)根据温度t 随坐标x，y，z 的变化，温度场可分为：一维温度场：tf(x,)二维温度场：tf(x，y,)三维温度场：tf(x，y，z,)最简单的温度场：一维稳定温度场tf(x)第4页/共63页 1.1 金属凝固的温度场1、温度场的概念 第5页/共63页 1.1 金属凝固的温度场1、温度场的概念 等温面（或等温线）：同一瞬间，温度场中温度相同的点所组成的面（或线）。不同温度的等温面（或等温线）不能相交。对于不规则的物体，内部的等温线需通过温
3、度的实际测定才能得到。等温面的意义：绘出物体内的等温面，可以直观地了解物体内温度分布情况。在铸件生产中，可以用于判断铸件的凝固顺序，找出复杂铸件中缩孔分布的位置。第6页/共63页 1.1 金属凝固的温度场1、温度场的概念 第7页/共63页 1.1 金属凝固的温度场1、温度场的概念 第8页/共63页 1.1 金属凝固的温度场1、温度场的概念 温度梯度：在同一等温面上没有热量传递，热量只能由温度场的高温等温面向温度场的低温等温面传递，沿等温面的法向温度变化率最大。通常把温度场中任意点的温度沿等温面的法线n方向的增加率称为该点的温度梯度gradt:gradt=t/n第9页/共63页 1.1 金属凝固
4、的温度场1、温度场的概念 热流方向和温度梯度方向相反。对于一维稳定温度场，其温度梯度为 gradt=dt/dx 在同一瞬间，温度场中等温线密集处温度梯度较大，等温线稀疏处温度梯度较小。第10页/共63页基本传热方式有三种：传导、对流和辐射。如图示出了典型金属凝固过程中的主要传热方式。铸件与铸型的传热主要是传导传热。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第11页/共63页传导传热：傅里叶定律（傅里叶导热方程式）：1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 其中：q为比热流量，单位是W/m2,表示单位时间内，通过单位截面面积所传递的热量；为导热系数，单位为W/m，导热
5、系数表示物体的导热能力，在数值上等于物体单位距离上温度降低1时的比热流量。负号表示导热方向永远沿着温度降低的方向。或第12页/共63页铸件与铸型的传热过程：铸件凝固期间与铸型的热交换，主要是将液态金属的显热（过热热量）和凝固潜热通过一系列热阻传给铸型和环境。热阻：热交换系统中某组元的厚度与该组元导热系数之比(D/)称为该组元的热阻。凝固过程的热阻主要包括：液态金属的热阻、已凝固金属的热阻、中间层的热阻、铸型的热阻等。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第13页/共63页 各部分的热阻随铸造条件的不同而不同，因此，在铸件凝固过程中，对热交换起决定作用的热阻随铸造条件不同而改变
6、，使得不同铸造条件下具有不同的热交换特点。液态金属浇入铸型后，铸件与铸型间的热交换主要有四种典型形式。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第14页/共63页1.铸型热阻 D/起决定作用砂型铸造属于这种情况。由于金属铸件的导热系数远大于砂型的导热系数，铸件中的温差相对于铸型的温差可以忽略不计（图1.5）。热交换主要取决于砂型的导热。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第15页/共63页2中间层热阻起决定作用铸件在型腔内表面涂有厚隔热涂料的金属型中凝固时属于这种情况。由于铸件和铸型的导热系数都大，而涂料层的导热系数小。其传热特点是，中间涂料层的温差很大，铸件
7、和铸型中的温差很小，可忽略不计（图1.6）。热交换主要取决于中间涂料层的导热。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第16页/共63页3金属凝固层热阻起决定作用铸件在水冷金属型中凝固时，金属型的冷却能力远大于金属凝固层的导热能力。当液态金属浇入型腔之后，金属的表面温度便由熔点突然降至很低的温度，造成铸件金属凝固层的温差很大，金属型的温差很小（如图1.7），可忽略不计。热交换主要取决于金属凝固层的导热。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第17页/共63页4金属凝固层热阻和铸型热阻共同起决定作用在非水冷厚壁金属型铸造的情况下，铸型与铸件充分接触时，由于铸件金
8、属凝固层、铸型、铸件-铸型界面的导热系数接近，铸件和铸型的温差都比较大（图1.8）。热交换由金属凝固层和铸型的热阻共同控制。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第18页/共63页结论：铸件中间层铸型系统中，热阻最大的组元是传热过程的决定性因素。通常利用该因素控制铸件的凝固过程。1.1 金属凝固的温度场2、凝固过程中传热的方式与特点 第19页/共63页研究金属凝固温度场的意义对金属凝固过程中温度场的变化进行研究，就是要获得铸件任一位置在任一时刻的温度情况。从而根据铸件温度场随时间的变化特征，预计铸件凝固过程中其断面上各时刻的凝固区域的大小及变化、凝固前沿向中心的推进速度、铸件
9、结构上各部分的凝固次序等重要问题。为正确设计浇注系统、设置冒口、冷铁以及采取其他工艺措施控制凝固过程提供可靠的依据。对于消除凝固缺陷、提高铸件组织及性能、获得高质量的铸件非常重要。主要方法：数学分析法（解析法）、数值计算法和实验测定法。3、金属凝固温度场的测定 1.1 金属凝固的温度场第20页/共63页（1）解析法：傅里叶导热微分方程（不稳定导热微分方程）:式中：为导温系数，=/c，单位为m2/s，表示物体使其内部各点的温度趋于一致的能力。其中，为导热系数（W/m），表 示 物 体 的 导 热 能 力；c为 比 热 容（J/kg）；为密度(kg/m3)。将温度的各个边界条件和初始条件代入求解，
10、获得液相、固相及铸型中不同时刻温度场的解析表达式：3、金属凝固温度场 第21页/共63页（1）解析法：下面以一维半无限大铸件凝固为例进行说明，图1.9。边界条件：（1）铸型与铸件边界：ti；（2）凝固层与液相边界：tk。初始条件：（1）液态金属原始温度：tL0；（2）铸型原始温度：tM0。3、金属凝固温度场 第22页/共63页（1）解析法：通解3、金属凝固温度场 第23页/共63页（2）数值计算法数值计算法是把所研究的物体从时间和位置上分割成许多小单元，对于这些小单元用差分方程式近似地代替微分方程式，给出初始条件和边界条件，逐个计算各单元温度的一种方法。即使铸件形状很复杂，也只是计算式和程序烦
11、杂而已，在原则上都是可以计算的。数值计算法比其它近似计算法准确性高，当单元选得足够小时，差分方程的离散误差趋于零。用差分法把定解问题转化为代数方程，就可由电子计算机计算。数值计算法有种种方法，目前，有限差分法应用较多。3、金属凝固温度场 第24页/共63页（3）测温法3、金属凝固温度场 测温法是获得金属凝固温度场最通用的方法，它是通过在铸型中安放热电偶直接测出金属凝固过程的温度变化情况,下图。将各测温点在不同时间的温度测量出来后，以时间为横坐标，温度为纵坐标，绘制冷却曲线。第25页/共63页（3）测温法3、金属凝固温度场 根据冷却曲线绘制的铸件断面上不同时刻的温度场。第26页/共63页4 影响
12、金属凝固温度场的因素四个方面：1）凝固金属的性质；2）铸型的性质；3）浇注条件；4）铸件结构。第27页/共63页1金属性质的影响 1）金属的导温系数 金属的导温系数大，铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度就小，即断面上的温度分布较平坦。例如：铝的导温系数比铁碳合金高9-11倍，而高合金的导温系数只有碳钢的1/3左右。2）结晶潜热 金属的结晶潜热大，向铸型传热的时间则要长，铸型内表面被加热的温度也越高，因此铸件断面上的温度梯度较小，铸件冷却速度下降，温度场分布较平坦。3）金属的凝固温度金属的凝固温度越高，在凝固过程中铸件表面和铸型内表面的温度越高，铸型内外表面的温差就越大，铸型导热速度提高，
13、致使铸件断面温度场出现较大的梯度。如：有色金属与钢铁相比，凝固温度低，其温度场较平坦。第28页/共63页2.铸型性质的影响1）铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数越大，对铸件的冷却能力就越大，铸件的温度梯度就越大。铸型的导热系数越大，能把铸型内表面吸收的热迅速传至外表面，使铸型内表面保持强的吸热能力，铸件内的温度梯度也就大。不同铸型材料的导热能力（从大到小排列）：水冷金属型（尤其是紫铜）、铜铸型、铸铁型、涂料金属型、砂型。铸型厚度的影响：对于铝、镁、铜等低熔点合金，厚壁金属型比薄壁金属型冷却能力大；对于铸铁件、铸钢件等高熔点合金，金属型的壁厚对冷却速度影响不大。第29页/共63页2.铸型性质的影响2）
14、铸型的预热温度的影响铸型预热温度越高，对铸件的冷却作用就越小，铸件断面上的温度梯度也就越小。第30页/共63页3浇注条件的影响浇注温度越高，过热热量加热了铸型，所以过热度越大，相当于铸型预热温度越高。铸件内的温度场越平坦。金属型导热快，浇注温度的影响不大；砂型导热慢，浇注温度的影响比较大。一般浇注温度在金属凝固温度以上100内。4铸件结构的影响1）铸件的壁厚厚壁铸件比薄壁铸件含有更多的热量，当凝固层向中心推进时，把铸型加热到更高温度，所以铸件内温度场较平坦。2）铸件的形状铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。向外凸出的部分，散热快，铸件的冷速较大，温度场陡峭；如果铸件内凹的表面，则相反。
15、第31页/共63页4铸件结构的影响2）铸件的形状铸件的棱角和弯曲表面，与平面的散热条件不同。向外凸出的部分，散热快，铸件的冷速较大，温度场陡峭；如果铸件内凹的表面，则相反。第32页/共63页1.2 金属的凝固方式液态金属浇入铸型以后，随着温度的降低，便要发生凝固。除纯金属和共晶合金以外，凝固都在一定的温度范围内进行。在凝固过程中，断面一般呈现三个区域：固相区、凝固区（液固两相区）、液相区。三个区域在铸件断面的位置和宽窄随时间发生变化。这种凝固过程中的动态变化情况可用凝固动态曲线进行分析。金属的凝固方式（逐层凝固、糊状凝固、中间凝固）取决于凝固区的宽度，可以直接从凝固动态曲线上判断。第33页/共
16、63页1.2 金属的凝固方式1.2.1 凝固动态曲线（凝固动态图）利用凝固动态曲线可以找到任一时刻合金内部的凝固情况。第34页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.2 凝固区域及其结构某一瞬间铸件内凝固区域的确定：第35页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.2 凝固区域及其结构凝固区域的结构示意图(另一半与之对称)：第36页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.3 凝固方式及其影响因素1.凝固方式 根据凝固区域的宽窄可将铸件的凝固方式分为逐层凝固、体积凝固（糊状凝固）、中间凝固三种方式。第37页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.3 凝固方式及其影响因素(1)逐层凝固属于逐层凝固的
17、金属：纯铜、纯铝、灰铸铁、低碳钢等。第38页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.3 凝固方式及其影响因素(2)体积凝固属于这种凝固方式的金属有：球墨铸铁、高碳钢、锡青铜等。第39页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.3 凝固方式及其影响因素(3)中间凝固大多数合金都是以中间凝固方式进行凝固，如中碳钢、白口铸铁等。第40页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.3 凝固方式及其影响因素根据凝固动态曲线上的“液相边界”与“固相边界”之间的纵向距离可以直接判断凝固区域的宽度，并确定凝固方式。第41页/共63页（1）合金的结晶温度范围：取决于铸件材料。（2）铸件的温度梯度：是调节凝固方式的重要
18、因素。1.2 金属的凝固方式1.2.3 凝固方式及其影响因素2.影响凝固方式的因素第42页/共63页第43页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.4 凝固方式对铸件质量的影响(1)逐层凝固纯金属和共晶成分合金的凝固过程 窄结晶温度范围合金的凝固过程第44页/共63页逐层凝固缩孔特点1.2 金属的凝固方式1.2.4 凝固方式对铸件质量的影响(1)逐层凝固对铸件的影响：（1）形成集中的缩孔（可通过设置冒口消除）。（2）热裂倾向小。逐层凝固方式具有良好的充填及补缩条件。第45页/共63页体积凝固过程体积凝固方式的缩松1.2 金属的凝固方式1.2.4 凝固方式对铸件质量的影响(2)体积凝固对铸件的影
19、响：（1）形成分散性的缩孔即缩松。（2）热裂的倾向大。体积凝固时充填和补缩条件变差。第46页/共63页1.2 金属的凝固方式1.2.4 凝固方式对铸件质量的影响对于这类合金铸件，采用普通冒口消除其缩松是很困难的，而往往必须采取其它措施，如增加冒口的补缩压力，加速铸件冷却等方法，以增加铸件的致密性。(2)体积凝固第47页/共63页1.3 金属的凝固时间 金属的凝固时间，是指从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的时间。在设计冒口和冷铁时需要对铸件的凝固时间进行估算，以保证冒口和冷铁具有合适的尺寸和正确的位置。对于大型或重要铸件，为了掌握其开箱时间，也需要对凝固时间进行估算。铸件凝固时间可以采用热电
20、偶直接测定，也可以通过计算来确定。下面主要介绍砂型铸造和金属型铸造情况下，凝固时间的计算方法。第48页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间1铸件和铸型断面上温度场的简化模型tmt20砂型热阻对换热起主要作用，温度梯度主要集中在砂型中，铸件和中间层的温度梯度可以忽略。第49页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间1铸件和铸型断面上温度场的简化模型为了简化计算，对该模型做如下假设：1）铸件与铸型都是半无限大，其接触面为无限大平面；2）与液态金属接触的铸型表面温度，浇注后立即达到金属表面温度，且以后保持不变；3）凝固是在恒温下进行
21、的；4）除凝固潜热外，在凝固过程中没有释放其他热量；5）铸型和金属的热物理性质不随温度变化；6）由于液态金属对流作用所引起的温度场的改变略去不计；7）与凝固潜热相比，金属的显热可以忽略不计。第50页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间2凝固时间的计算 单位时间、单位面积，铸型-铸件界面换热：金属释放的结晶潜热q1=铸型吸收的热量q2tmt20第51页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间1）平方根定律：2）铸件的凝固速度：图1.28-与-的关系曲线1-曲线；2-曲线结论：k 为铸件的凝固系数，可由实验测得。第52页/共63页
22、1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间局限：只能用于大型平板铸件凝固时间的计算。不能用于其他形状，如立方体、圆柱体、球体等铸件的凝固时间的计算。3）凝固时间（平板铸件的厚度为D）：结论：第53页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间为了考虑铸件形状的影响，Chvorinov引入了铸件模数的概念，将“平方根定律”发展为著名的“Chvorinov法则”。对于平板铸件，当表面面积为S时，体积V=SD，散热表面积可近似为2S，则铸件的体积与散热的表面积之比为M=D/2。M称为铸件模数，又称当量厚度、折算厚度，定义为铸件体积与铸件有效散热表面积之
23、比。右式就是著名的“Chvorinov法则”。利用这个法则，可以计算立方体、圆柱体、球体等铸件的凝固时间。改写为第54页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间铸件模数 M 的意义：当液态金属、铸型、浇注条件一定时，铸件的凝固时间主要决定于铸件本身所含热量的大小以及冷却时散热的快慢。前者与铸件体积成正比，后者则与铸件表面积成正比。铸件体积越大，所含热量就越多，凝固时间就越长；铸件表面积越大，散热面积就越大，凝固时间就越短。第55页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间表1.3不同形状钢铸件凝固时间第56页/共63页1.3 金属的
24、凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间表1.3为干砂型中不同形状钢铸件凝固时间的实验结果。可见，虽然它们的材料相同，体积及重量相同，所含热量相同，但由于形状不同，散热表面积不同，导致凝固时间不同。体积相同的情况下，平板状铸件的散热表面积最大，模数最小，凝固时间最短；球状铸件的散热表面积最小，模数最大，凝固时间最长。第57页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.1 砂型铸造条件下的铸件凝固时间 对式（1.16）取对数，并令k为定值，在双对数坐标轴中，与M成直线关系，图1.29。不论铸件的形状和质量大小，只要它们的模数相同，其凝固时间就相等或相近。所以，在实际生产中，为了对铸件的凝固方
25、向进行控制，并不需要将铸件结构上各部分的凝固时间计算出来，只要比较其模数大小就可以了。第58页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.2 金属型铸造条件下的铸件凝固时间1铸件和铸型断面上温度场的简化模型tm图1.30 金属型铸造条件下的铸件凝固过程中某一瞬间的温度场简化模型中间层的热阻起主要作用第59页/共63页1.3 金属的凝固时间1.3.2 金属型铸造条件下的铸件凝固时间tm图1.30 金属型铸造条件下的铸件凝固过程中某一瞬间的温度场简化模型2.凝固时间的计算金属释放的结晶潜热q1=铸型吸收的热量q2依牛顿换热公式第60页/共63页1.3 金属的凝固时间2）铸件凝固时间与模数 M的关系：结论：1.3.2 金属型铸造条件下的铸件凝固时间1）凝固层厚度与时间的关系（线型关系）：第61页/共63页铸件温度场及凝固时间的精确计算计算机数值模拟在实际的生产中，通常不需计算出铸件的凝固时间，只需通过比较它们的相对厚度或模数就可制定生产工艺。第62页/共63页感谢您的观看！第63页/共63页