液态成型理论基础

1、液态成形理论基础 绪论 材料加工： 通过改变和控制材料的外部形状和内部组 织结构，将材料制造成为人类社会所需要 的各种零件和产品的过程 材料成形是一个材料、能量、信息不断变 化的热力过程。 不管何种材料、不管采用什么方式成形， 在成形过程中均遵循金属学、冶金学、物 理化学、热力学、塑性力学等基本规律。 材料成形原理是上述这些基础理论在材料 成形中的应用形成的技术理论。 液态成形过程中伴随材料凝固过程 凝固：从液态向固态转变的相变过程 研究凝固过程的目标：实现对凝固过程的 控制。 如，成分、收缩、缺陷、变形、组织、性 能、凝固过程等 凝固理论发展过程 20年代：晶体生长理论 40年代：缺陷晶生长

2、理论 5060年代：经典凝固理论 60年代以来：研究重点放在经典凝固理论 的应用上 最近20年：计算机技术的应用 由于高性能材料需求，在极端条件下 的凝固、特殊条件下的凝固研究 第一章 液态金属的结构与性质 物质三态：气、液、固 液体分三类； 按液体结构和内部作用力分 原子液体，如液态金属 分子液体，如极性分子液体 离子液体，如各种简单的熔盐 液体的表观特征 液体和气体一样占据容器的空间并取得 容器内腔的形状，但液体具有自由表面； 液体可压缩性很低，与固体相象； 液体具有流动性，但不能象固体那样承 受切应力 液体的性质 物理性质：密度、粘度、电导率等 物理化学性质：等压热容、熔化潜热等 热力学

3、性质：蒸气压、膨胀系数等 液体的结构特征 远程无序，近程有序 为什么研究液体结构和性质？ 材料大多经历凝固过程，液态固态转变 1）凝固过程的形核及晶体生长的热力学与 液体的界面张力、潜热等性质有关 2）探索凝固的微观机制，需要深入了解熔 体的结构信息 3）成分偏析、固液界面类型及晶体生长 方式受液体的原子扩散系数、界面张力、 结晶潜热、粘度等性质共同控制 4）性能优异的非晶、微晶、纳米晶材料的 凝固，受到与传热相关的液体性质微观结 构的制约 5）特殊条件下的凝固技术，均需要考虑液 体的相关物理性质 6）铸造合金及焊接熔池的精练，其去除有 害杂志和气体的效果，除受热力学因素影 响外，还受到反应物

4、在熔体及渣相中的扩 散速度 7）重力浇注及压力充型铸件外部轮廓和尺 寸精度、内部缩孔及缩松的控制与合金的 粘度、表面张力、熔点、热容、热导率等 性质密切相关 1液态金属的结构 晶体：原子以一定方式周期排列在三维空间 气体：相对于晶体，其分子间距比分子的尺 寸大得多，气体分子的统计分布相对于任一 原子是均匀的，空间分布特征为完全无序 液体：相对于周期有序的晶态固体是不规 则的。液体结构宏观上不具备平移、对称 性，表现出长程无序的特征； 相对于完全无序的气体，液体中存在这许 多不停“游荡”着的局域有序的原子集团， 液体结构表现除局域范围内短程有序 1.衍射特征 不同类型物 质结构示意 图及对应的

5、衍射结构参 数偶分布函 数的特征 偶分布函数g（r） 物理意义：对于粒子数为N，体积为V的任 一体系，其物理意义是距某一参考粒子R处 找到另一粒子的几率。 换言之，离开参考原子，距离为r位置的数 密度(r)对于平均数密度o的相对偏差 气体：由于其粒子的统计分布的均匀性， 其偶分布函数g(r)在任何位置均相等 g(r)=1 晶体:原子以特定方式周期排列,其g(r)以相 应的规律呈分立的若干尖锐峰 液体: g(r)出现若干减衰的钝化峰,直至几个 原子间距后趋于直线g(r)=1 r1表示液体的平均原子间距 2.由熔化过程认识液态金属结构 金属熔化时典型的体积变化为大约35 ,表明液体的原子间距接近于

6、固体; 在熔点附近其系统混乱度(熵)只是稍大于 固体,而远小于气体; 金属的熔化潜热Hm比气化潜热Hb小得 多,为1/151/30,表明熔化时其内部原子结 合键只有部分被破坏。 由以上可知： 金属的熔化，并不是原子间结合键的全部 破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有 一定的规律性。 可以说，在熔点附近（液相线），液态金 属的原子集团内短程结构类似域固体，而 与气体截然不同。 3.实际金属的液体结构 理想纯金属是不存在的。 假设：有99.999999的纯铁 即其杂质为10-8，每摩尔体积（7.1cm3）中 总的原子数为6.023x1023，则每cm3铁液中 所含杂质原子数相当于1015数量级 杂

7、质在液体中不均匀地分布； 存在第二组元（合金）时，情况更复杂； 存在浓度起伏； 也可形成临时不稳定化合物。 总之，液态结构相当复杂。 由于同种元素及不同元素之间的原子结合力存在差 别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原 子排挤到别处，而且这种局域成分的不均匀性随热 运动在不时发生着变化，这一现象称为浓度起伏。 2 液态金属的性质 液态金属有各种性质。只讨论两个性质： 粘度和表面张力。 一.粘度 粘度系数，简称粘度。 根据牛顿提出的数学表达式定义 = （1） 式中， 为作用于液体表面的外切应力； Vx为液体在x方向的运动速度； 表示沿y方向的速度梯度 为动力粘度 由于液体原子层之间的内摩擦

8、力，液体 第一原子层沿运动方向受第二层阻碍，第 二层受第三层阻碍. 内摩擦力越大，则每一原子层相对于下 一层的运动速度差别越小，表明液体越不 容易流动，则液体粘度越大。 因此，粘度是液体内摩擦阻力大小的表征 粘度的物理意义 = （1） 物理意义：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dVx/dy的 比例系数。 应力一定时，产生的速度剃度dVx/dy大， 表明粘度低。 方程（1）被称为液体粘度的牛顿定律。 粘度的表达式 弗伦克尔数学表达式 = 式中，Kb波尔兹曼常数 U无外力作用时原子间结合能 T热力学温度 0原子在平衡位置的振动周期 原子间距 影响粘度的因素 随U按指数关系增

9、加 液体的原子间结合力越大，内摩擦阻力 越大，粘度越高； 原子间距， 温度T ， 粘度在材料成形中的意义 在薄壁铸件的浇注过程中 在薄壁铸件时，流动管道直径较小，流动性 质属于层流。在这种情况下粘度影响金属 液的流动性，进而影响铸件的轮廓的清晰 度。 为降低液体的粘度，应适当提高过热度或加 入表面活性物质。 2.在金属液体精练工艺中 （1）夹杂、气泡 无论在铸造或焊接过程中，夹杂物和气泡 应该在金属凝固前排除出去，否则形成夹 杂或气孔。 夹杂物和气泡的上浮速度与粘度成反比 V= （斯托克斯公式） 式中， r气泡或夹杂的半径 m液体合金的密度 B夹杂或气泡的密度 g重力加速度 越大，夹杂或气泡上

10、浮的速度越慢 （2）杂质元素 杂质元素的存在对凝固组织和性能产生影 响，因此控制杂质含量。 在合金熔炼及焊接过程中，材料的脱硫脱 磷脱氧的冶金化学反应是在金属液和熔渣 的界面进行，金属液中的杂质元素及熔渣 中的反应物要不断地向界面扩散，同时界 面上的反应产物要离开界面向熔渣内扩散。 其反应速度和进行到何种程度，受到反 应物及生成物在金属也是熔渣中的扩散速 度的影响。 粘度低，则有利于扩散，有利于脱去杂 质。 3.在冒口补缩过程中 在铸件凝固过程中，因体积收缩而形成缩 孔和缩松，此时依靠冒口中液体的静压头 进行补缩。 补缩距离与的平方根成反比。 二.表面张力 表面张力是表面上平行与表面切线方向且

11、 各方向上大小相同的张力。 形成原因： 由于物体在表面上的质点受力不均所致。 原子间结合力越大，表面能越大，表面张力 越大 表面张力的单位：N/m；表面能：J/cm2 类似于表面张力，有界面张力 界面张力与界面两侧质点间结合力大小成反 比 1.润湿角 表面张力的大小也可以以润湿角大小表示。 两种物质接触，润湿与 不润湿取决于两种物质间的 亲和力，亲和力大就润湿， 否则就不润湿。 在图中的接触角，为锐角时为润湿，否则不 润湿。 平衡时，COS= 2.影响因素 （1）熔点 熔点越高，表面张力越大 （2）温度 T，表面张力 （3）溶质元素 降低表面张力的元素，如S 提高表面张力的元素，如Mg，Al

12、3. 表面张力在材料成形中的意义 表面张力通常在大体积系统中显示不出 它的作用，但在微小体积系统，特别是在 显微体积范围内将会显示很大的作用。 （1）表面张力引起的曲面两侧压力差及其 相关作用 表面为水平面时， 表面张力没有任何作用 当表面具有一定的曲度 时，表面张力使面的两侧 产生压力差。 压力差大小与曲率半径 成反比。 圆柱面时，P=/r ；为表面张力 压力差与表面曲率、表面张力 的关系 在铸造过程中是否粘砂 在铸造过程中金属液侵入砂型毛细管而形 成的粘砂，与表面张力引起的P有关。 通常金属液和型砂不润湿，有利于避免粘 砂。 但毛细管直径D及金属液静压头H越大，越 容易产生粘砂。 是否粘砂

13、的毛细管临界直径Dc Dc= 式中，金属液的密度 g重力加速度 据上式，可根据压头H，计算获得获得光洁 表面铸件的毛细管临界直径Dc，从而选用 砂型粒度。 气泡上浮 焊接、铸造熔炼过程中，析出的小气泡如 能迅速聚集为大气泡，便可以迅速地上浮， 在液体凝固前逸出。否则形成气孔。 假设，液体金属中存在两个大小不同的气 泡，由表面张力在大、小气泡内产生的附 加压力分别为P1和P2， 则P1P2 当两气泡汇集接触时，由于小气泡中的气 体压力高于大气泡，因此小气泡中的气体 迅速充入大气泡，两气泡聚合后尺寸增大。 由斯托克斯公式 V= 聚合后气泡的上浮速度显著加快。 （2）液膜拉断临界力及表面张力对凝固热

14、 裂的影响 凝固后期，不同的晶粒之间存在液膜。 因表面张力，液膜将其两侧的晶体紧紧地 吸附在一起，液膜的厚度越小，其吸附力 越大。 单位面积拉断力fmax、表面张力、液膜厚 度T的关系 两液体之间存在厚度为Ta 的液膜，液膜长度为H 静态液膜的表面为平面 当液膜两侧的晶粒拉开 时，液膜厚度TaTb 平面凹面，半径rb 当外力继续增加，液膜宽度 增至Tc，液膜长度HH, 曲率半径进一步变小为rc。 由于表面张力的作用，始终 存在一个与外力方向相反的 应力与之相平衡。 大小为 P=-/r r越小，P越大 r不是无限制地小，有一极限值 r达r*=T/2时，f=fmax=P*达临界值 由此，fmax=P*=/r*=2/T 液膜拉断时，若无外界液体补充，那么晶 粒间或枝晶间变形成了凝固热裂纹。 拉断力fmax越大，裂纹越难形成 三种情况 液膜与大量未凝固的液体相通，此时， 液膜两侧的固体枝晶拉开多少，液体补充 进多少，因此不会产生热裂。 这种情况属于凝固的早期 液膜已经与液体区隔绝，但是由于低熔点