09成形原理1.ppt

教师 吴树森 第一章液体金属的结构和性质 Chapter1StructureandPropertyofLiquidMetal 2 1 1固体金属的加热 熔化 物质的 三态 转变及相转变 3 水的 三态 与温度 压力的关系 碳的 三态 与温度 压力的关系 4 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 5 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 振动频率加快 振幅增大 达到新的平衡位置 晶格常数变化 超过原子激活能 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 加热 加热 加热 金属由固态转变为液态 体积膨胀 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 原子脱离晶粒的表面 晶粒失去固有的形状和尺寸 6 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 液相结构 7 1 物理性质变化体积只膨胀3 5 即原子间距平均只增大1 1 5 熔化潜热只占气化潜热的3 7 见表1 1 2液态金属的结构 8 表1几种金属的熔化潜热与气化潜热 9 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 只不过它的熔化熵相对于固态时的熵值有较多的增加 表明液态中原子热运动的混乱程度 与固态相比有所增大 10 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 液态金属在结构上更象固态而不是汽态 原子之间仍然具有很高的结合能 11 X射线衍射分析图1 5是由X射线衍射结果整理而得的原子密度分布曲线 横坐标r为观测点至某一任意选定的原子 参考中心 的距离 对于三维空间 它相当于以所选原子为球心的一系列球体的半径 纵坐标表示当半径增减一个单位长度时 球体 球壳 内原子个数的变化值 其中 r 称为密度函数 图1 5700 液态铝中原子密度分布线 12 固态金属原子在某一平衡位置热振动因此衍射结果得到的原子密度分布曲线是一组相距一定距离 点阵常数 的垂线 每一条垂线都有确定的位置r和峰值 图1 5700 液态铝中原子密度分布线 13 表1 3x射线衍射所得液态和固态金属结构参数 14 配位数 依最小临近距离 液态最紧邻原子数为5 11 平均为6 区别于固态 15 但对于液态金属而言 原子密度分布曲线是一条呈波浪形的连续曲线 这是由于液态中的金属原子是处在瞬息万变的热振动和热运动的状态之中 而且原子跃迁频率很高 以致没有固定的位置 而其峰值所对应的位置 r 只是表示衍射过程中相邻原子之间最大几率的原子间距 16 其第一峰值与固态时的衍射线 第一条垂线 极为接近 其配位数与固态时相当 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r的增大 峰值与固态时的偏离也越来越大 当它与所选原子相距太远的距离时 原子排列进入无序状态 表明 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 只不过由于原子间距的增大和空穴的增多 原子配位数稍有变化 17 液态金属的结构特征l 组成 液态金属是由游动的原子团 空穴构成 2 特征 近程有序 远程无序 原子间能量不均匀性 存在能量起伏 原子团是时聚时散 存在结构起伏 同一种元素在不同原子团中的分布量 存在成分起伏 18 图液态金属结构示意图 19 金属由液态转变为固态的凝结过程 实质上就是原子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 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 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 金属从一种固态过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶 20 1 3液态金属的性质 1 粘度 流体力学 已学过 21 或Pa s 动力 22 影响粘度的因素 1 金属液的化学成分 2 温度 3 非金属夹杂物 Fe C合金的粘度 Al Si合金的粘度 23 粘度的作用 1 对熔液中运动物体的阻力 Stokes公式 2 黏性阻力 阻力系数 24 2 表面张力液体的物性参数 工程化学中学过 25 26 润湿现象 90o 90o 0o 180o Absolutewetting Nowetting GoodwettingBadwetting 27 WettingPhenomenainNature 水面上走动的鼓虫 28 鼓虫的足与水面的关系 29 浮在水面的白天鹅 30 天鹅羽根的模型 b 微观模型 a 宏观模型 31 金属液的表面张力可以改变 铝液中加入第二元素 镁液中加入第二元素 因素 温度与成分 32 P S Si对铸铁熔液表面张力的影响 33 图砂型与金属液的润湿性 正面图 X X 截面图 表面或界面张力在材料成形过程中的意义 34 防水处理后的滤茶器中的水 35 拉普拉斯 扬方程式当曲面是球面一部分时 r1 r2 则得到附加压力与曲率半径的关系式 r r 36 90o 液体润湿管壁 90o 液体不润湿管壁 37 半固态 指合金在液相线和固相线之间的状态 液相 固相 半固态区 液相 固相 温度T a b c Al Si Al Si合金的相图 ab 液相线 acb 固相线 1 4半固态金属的流变性及表观粘度 38 半固态金属的流变性 半固态金属在流动 变形过程中的力学性质 通常采用半固态金属的表观粘度来描述之 简介 39 液态压铸树枝晶组织半固态压铸非枝晶组织 Mg 9 Al合金 Mg 9 Al合金 40 41 稳定态下的速度梯度称为剪切速率 shearrate 42 幂定律 图1 17剪切速率对表观粘度的影响 图1 18冷却速度对表观粘度的影响 表观粘度 表征半固态浆料的粘性 以区别服从牛顿粘性定律液体的动力粘度 43 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 图1 15流变铸造成形工艺示意图 a 半固态制浆 b 移送至压室内 c 压铸或挤压成形 44 镁合金半固态流变压铸成形机 华中科技大学研究成果 45 镁合金半固态流变压铸零件图 汽车制动器推盘 46 镁合金半固态流变压铸零件图 壁厚仅1mm的薄壁零件 47 镁合金应用 电子产品 48 镁合金应用 汽车零件 49 高能超声制备半固态铝合金 2 保温电炉 3 特制样杯 4 变幅杆 5 换能器 6 超声波发生器 7 温控仪 1 型腔 2 模