材料成型原理精选文档.ppt

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1、材料成型原理1本讲稿第一页，共五十二页1-1 1-1 材料的固液转变材料的固液转变1.1.物质的物质的 “三态三态”转变及转变及相转变相转变2本讲稿第二页，共五十二页水的水的“三态三态”与温度、与温度、压力的关系压力的关系碳的碳的“三态三态”与温度、与温度、压力的关系压力的关系3本讲稿第三页，共五十二页2.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

2、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变为液态金属由固态转变为液态体积膨胀，电阻、粘度发生变化体积膨胀，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4本讲稿第四页，共五十二页表表1 1 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5本讲稿第五页，共五十二页 液液态态金金属属在在结结构构上上更更像像固固态态而而不不是是气气态态，原原子子之之间间仍仍然然具具有有很很高高

3、的的结结合能。合能。6本讲稿第六页，共五十二页l l）组成：）组成：原子团、游离原子和空穴原子团、游离原子和空穴2 2）特征）特征：“近程有序近程有序”、“远程无序远程无序”近程有序近程有序 相对于完全无序的气体，液体中存相对于完全无序的气体，液体中存 在着许多不停在着许多不停“游荡游荡”着的局域有着的局域有 序的原子集团序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性，液体结构表现出局域范围的有序性远程无序远程无序 不具备平移、对称性不具备平移、对称性1-2 1-2 液态金属的结构液态金属的结构7本讲稿第七页，共五十二页 原子间能量不均匀性，存在原子间能量不均匀性，存在能量起伏能量起伏 原子团是

4、时聚时散，此起彼伏存在原子团是时聚时散，此起彼伏存在结构起伏结构起伏 同一种元素在不同原子团中的分布量，存在同一种元素在不同原子团中的分布量，存在成成 分起伏分起伏三种起伏影响三种起伏影响液态金属的凝固过程液态金属的凝固过程，对产品质量产生重要的影响对产品质量产生重要的影响微观特点：微观特点：8本讲稿第八页，共五十二页液态金属结构示意图液态金属结构示意图 9本讲稿第九页，共五十二页 金属由液态转变为固态的金属由液态转变为固态的凝固过程凝固过程，实质：实质：原子由近程有序状态过渡为长程有原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程序状态的过程 10本讲稿第十页，共五十二页1-3 1-3 液态金属的

5、性质液态金属的性质一、粘度（一、粘度（Viscosity）1.1.粘度的实质及影响因素粘度的实质及影响因素液态金属是有粘性的流体液态金属是有粘性的流体流体在层界面上的质点相对另一层界面上流体在层界面上的质点相对另一层界面上质点作相对运动时，会产生摩擦阻力质点作相对运动时，会产生摩擦阻力质点作相对运动时，会产生摩擦阻力质点作相对运动时，会产生摩擦阻力11本讲稿第十一页，共五十二页牛顿粘性定律牛顿粘性定律12本讲稿第十二页，共五十二页0du/d y粘塑料流体假塑料流体胀塑料流体CBADA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系13本讲

6、稿第十三页，共五十二页 平行于平行于X方向作用于液体表面方向作用于液体表面 （X-Z面）面）的外加切应力的外加切应力 VX液体在液体在X方向的运动速度方向的运动速度 dVX/dy表示沿表示沿Y方向的速度梯度方向的速度梯度粘度粘度定定义义：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数系数系数系数或或或或粘度

7、粘度粘度粘度14本讲稿第十四页，共五十二页液体粘度常用单位为液体粘度常用单位为 PaS 或或 MPaS粘度的物理意义：粘度的物理意义：作用于液体表面的应力作用于液体表面的应力 与垂直于该平面方向上的速度与垂直于该平面方向上的速度 梯度的比例系数梯度的比例系数粘度粘度15本讲稿第十五页，共五十二页 富林克尔表达式：富林克尔表达式：粘度的本质：粘度的本质：原子间的结合力原子间的结合力 kb Bolzmann常数；常数；U 原子离位激活能原子离位激活能0 原子在平衡位置的振动周期原子在平衡位置的振动周期 （对液态金属约为（对液态金属约为10-13秒）秒）液体各原子层之间的间距液体各原子层之间的间距1

8、6本讲稿第十六页，共五十二页影响粘度的因素影响粘度的因素（1 1）化学成分）化学成分Fe-CFe-C合金的粘度合金的粘度合金的粘度合金的粘度 Al-SiAl-Si合金的粘度合金的粘度合金的粘度合金的粘度 17本讲稿第十七页，共五十二页a）Liquid Ni b）Liquid Co液体的粘度与温度的关系液体的粘度与温度的关系（2 2）温度）温度）温度）温度 T T（3）非金属夹杂物）非金属夹杂物 夹杂物夹杂物18本讲稿第十八页，共五十二页2.2.粘度在材料成形中的作用粘度在材料成形中的作用（1 1）对液态金属净化的影响）对液态金属净化的影响（除去夹杂和气泡）（除去夹杂和气泡）Stokes公式公式

9、杂质上浮杂质上浮速率速率19本讲稿第十九页，共五十二页流体流动的类型流体流动的类型-层流及湍流层流及湍流（2 2）对液态合金流动阻力的影响）对液态合金流动阻力的影响雷诺实验雷诺实验雷诺实验雷诺实验 18831883年年年年 英国物理学家英国物理学家英国物理学家英国物理学家Osbone ReynoldsOsbone Reynolds20本讲稿第二十页，共五十二页层流：流体质点的运动轨迹光滑而有规则；各部分层流：流体质点的运动轨迹光滑而有规则；各部分层流：流体质点的运动轨迹光滑而有规则；各部分层流：流体质点的运动轨迹光滑而有规则；各部分 的分层流动互不掺混、扰动，流场是稳定的，的分层流动互不掺混、

10、扰动，流场是稳定的，整个流场呈一簇互相平行的流线整个流场呈一簇互相平行的流线整个流场呈一簇互相平行的流线整个流场呈一簇互相平行的流线特点：特点：*流体质点做直线运动；流体质点做直线运动；*流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；流体分层流动，层间不相混合、不碰撞；*流动阻力来源于层间粘性摩擦力。流动阻力来源于层间粘性摩擦力。(a)层流21本讲稿第二十一页，共五十二页(b)过渡流(c)湍流湍流：与层流运动相反；是很粗糙的、不规则的混湍流：与层流运动相反；是很粗糙的、不规则的混 乱的、随机性的，流动流体质点做复杂无规乱的、随机性的，流动流体质点做复杂无规 则的运动则的运动（紊流）（紊流）特点：特点：主

11、体做轴向运动，同时有径向脉动；主体做轴向运动，同时有径向脉动；流体质点的脉动流体质点的脉动。22本讲稿第二十二页，共五十二页雷诺数雷诺数（ReynoldsReynolds）Re流体流体流动状态流动状态的判据的判据的判据的判据Re2300 层流层流Re2300 紊流紊流层流：流动阻力大层流：流动阻力大粘度大，流动阻力大材料成形过程中，金属液的流动方式为紊流材料成形过程中，金属液的流动方式为紊流23本讲稿第二十三页，共五十二页动力粘度与运动粘度动力粘度与运动粘度 运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度为动力学粘度除以密度，即：运动学粘度为动力学粘度除以密

12、度，即：运动学粘度运动学粘度运动学粘度运动学粘度 适用于适用于较大外力作用下较大外力作用下较大外力作用下较大外力作用下的流体力学流的流体力学流的流体力学流的流体力学流动，由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略动，由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略动，由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略动，由于外力的作用，液体密度对流动的影响可以忽略 动力学粘度动力学粘度动力学粘度动力学粘度 在在外力作用非常小的情况外力作用非常小的情况外力作用非常小的情况外力作用非常小的情况下适用，如下适用，如下适用，如下适用，如夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度夹杂的上浮过程和凝固过程中的

13、补缩等均与动力粘度夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度夹杂的上浮过程和凝固过程中的补缩等均与动力粘度系数系数系数系数有关有关有关有关24本讲稿第二十四页，共五十二页（3 3）对凝固过程中液态合金对流的影响）对凝固过程中液态合金对流的影响粘度大，对流强度小粘度大，对流强度小25本讲稿第二十五页，共五十二页粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响粘度对铸件轮廓的清晰程度的影响 在薄壁铸件的铸造过在薄壁铸件的铸造过程中，流动管道直径较程中，流动管道直径较小，雷诺数值小，流动小，雷诺数值小，流动性质属于层流。性质属于层流。26本讲稿第二十六页，共五十二页二、表面张力二、表面张力液体的物性参数液体的物性

14、参数表面：液体或固态同空气或真空接触的界面表面：液体或固态同空气或真空接触的界面1.1.表面张力的实质表面张力的实质27本讲稿第二十七页，共五十二页界面与表面的界面与表面的差别：差别：界面泛指界面泛指两相之间的交界面两相之间的交界面 表面专指表面专指液体或固体与气体或真空之间的界面液体或固体与气体或真空之间的界面，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28本讲稿第二十八页，共五十二页2.2.表面张力及其产生的原因表面张力及其产生的原因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实质：实质

15、：物体倾向于减小其表面积而产生的力物体倾向于减小其表面积而产生的力产生根源产生根源：表面层的分子或原子受力不均，：表面层的分子或原子受力不均，质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的质点（分子、原子等）间作用力不平衡引起的n n表面张力表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各向相等的张力面、且各向相等的张力29本讲稿第二十九页，共五十二页当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积当外界所做的功仅用来抵抗表面张力而使系统表面积增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量增大时，该功的大小则等于系统自由能的增量由于液体表面层内质点受到不平衡力场的作用，由于液

16、体表面层内质点受到不平衡力场的作用，导致表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的导致表面绷紧或弯曲，使表面内产生了多余的表表面能面能30本讲稿第三十页，共五十二页表面自由能：表面自由能：产生新的单位面积表面时系统自由能的增产生新的单位面积表面时系统自由能的增量量表明：表面张力表明：表面张力 就是单位长度上的就是单位长度上的力力负号负号:由于产生了新的单位面积的表面，而使系统的自由能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增加，增加值等于外力对单位表面所作的功31本讲稿第三十一页，共五十二页表面能及表面张力表面能及表面张力区别区别：1）从）从不同角度不同角

17、度描述描述同一同一表面现象，大小相等表面现象，大小相等2）不同的物理概念，单位不同，）不同的物理概念，单位不同，表面张力表面张力的单位为的单位为力力/距离（如距离（如N/m），），表面能表面能的单位为的单位为能量能量/面积（如面积（如J/m2）表面能或表面张力表面能或表面张力是界面能或界面张力的是界面能或界面张力的 特特例例32本讲稿第三十二页，共五十二页润湿角润湿角衡量界面张力的标志衡量界面张力的标志杨氏方程式杨氏方程式33本讲稿第三十三页，共五十二页 润湿现象润湿现象 90o 90o=0o=180oAbsolute wettingNo wettingGood wetting Bad wet

18、ting34本讲稿第三十四页，共五十二页 例如：水银与玻璃间例如：水银与玻璃间及金属液与及金属液与SiOSiO2 2间，由间，由于两者难以结合，所于两者难以结合，所以两相间的界面张力以两相间的界面张力很大，几乎不润湿。很大，几乎不润湿。相反，同一金属（或相反，同一金属（或合金）液固之间，由合金）液固之间，由于两者容易结合，界于两者容易结合，界面张力与润湿角就很面张力与润湿角就很小。小。35本讲稿第三十五页，共五十二页影响表面张力的因素影响表面张力的因素1）熔点）熔点 熔点、沸点熔点、沸点2）温度）温度 T 3）溶质元素）溶质元素表面张力表面张力结合力结合力表面张力表面张力溶质元素对液态金属表面

19、张力的影响分二大类：溶质元素对液态金属表面张力的影响分二大类：36本讲稿第三十六页，共五十二页n n两类溶质：两类溶质：n nA.A.使液态金属表面张力使液态金属表面张力使液态金属表面张力使液态金属表面张力降低降低 溶质对该金属称为液态金属的溶质对该金属称为液态金属的溶质对该金属称为液态金属的溶质对该金属称为液态金属的表面活性元素表面活性元素表面活性元素表面活性元素具有具有具有具有正吸附正吸附正吸附正吸附作用作用作用作用溶质在表面之浓度溶质在表面之浓度溶质在表面之浓度溶质在表面之浓度大于大于大于大于溶质在内部的浓度；溶质在内部的浓度；溶质在内部的浓度；溶质在内部的浓度；n nB.B.使液态金属

20、表面张力使液态金属表面张力使液态金属表面张力使液态金属表面张力增加增加增加增加溶质对该金属称为液态金属的溶质对该金属称为液态金属的溶质对该金属称为液态金属的溶质对该金属称为液态金属的非表面活性元素非表面活性元素非表面活性元素非表面活性元素具有具有具有具有负吸附负吸附负吸附负吸附作用作用作用作用溶质在表面之浓度溶质在表面之浓度溶质在表面之浓度溶质在表面之浓度小于小于小于小于溶质在内部的浓度。溶质在内部的浓度。溶质在内部的浓度。溶质在内部的浓度。活性和非活性物质必须是指某种溶质对某种金属而言。活性和非活性物质必须是指某种溶质对某种金属而言。活性和非活性物质必须是指某种溶质对某种金属而言。活性和非活

21、性物质必须是指某种溶质对某种金属而言。37本讲稿第三十七页，共五十二页毛细现象毛细现象3.3.表面张力在材料成形中的意义表面张力在材料成形中的意义拉普拉斯（拉普拉斯（Laplace）方程）方程任意曲面：任意曲面：曲面是球面：曲面是球面：r1=r2由于表面张力的作用产生由于表面张力的作用产生了一个附加压力了一个附加压力p38本讲稿第三十八页，共五十二页 90o，液体不润湿管壁，液体不润湿管壁39本讲稿第三十九页，共五十二页当固一液互相润湿时，当固一液互相润湿时，p有利于液体的充填，有利于液体的充填，否则反之。否则反之。表明表明:半径越小，附加压力越大，半径越小，附加压力越大，凸面液体（如液珠）凸

22、面液体（如液珠）r 0，附加压力，附加压力p为正；为正；凹面液体（如液体中的气泡）凹面液体（如液体中的气泡）r 0，附加压力，附加压力p为为负；负；平面液体平面液体r=，附加压力，附加压力p=0。40本讲稿第四十页，共五十二页浮在水面的白天鹅浮在水面的白天鹅41本讲稿第四十一页，共五十二页 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42本讲稿第四十二页，共五十二页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 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ab液相线液相线ac

23、b固相线固相线1-4 1-4 半固态金属的流变性及表观粘度半固态金属的流变性及表观粘度半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。43本讲稿第四十三页，共五十二页铸铸造造产产品品中中的的很很多多缺缺陷陷如如:热热裂裂纹纹、缩缩孔孔等等产产生于凝固过程中的半固态阶段生于凝固过程中的半固态阶段强强烈烈搅搅拌拌正正在在凝凝固固的的金金属属，可可得得到到具具有有近近球球状状晶粒结构的半固态金属晶粒结构的半固态金属 这种半固态金属可用于金属零部件的成形加工这种半固态

24、金属可用于金属零部件的成形加工 44本讲稿第四十四页，共五十二页流变铸造的发展流变铸造的发展液态金属冷却到液态金属冷却到液液/固两相区固两相区后，液态金属后，液态金属就开始结晶。就开始结晶。通过对液态金属的连续通过对液态金属的连续搅拌搅拌，迫使，迫使枝晶破碎枝晶破碎而维持固相质点尺寸在而维持固相质点尺寸在100-200m100-200m左右，左右，随着冷却散热不断增多，形成一种可以随着冷却散热不断增多，形成一种可以流动流动的半固态金属浆料的半固态金属浆料。浆料中固体组分所占比例较低时，粘度较低；浆料中固体组分所占比例较低时，粘度较低；随着固体组分的增加，粘度逐渐增加。随着固体组分的增加，粘度逐

25、渐增加。45本讲稿第四十五页，共五十二页当当固固体体组组分分达达50%50%时时，如如果果停停止止搅搅拌拌，粘粘度度可达可达10106 6PaPas s。这这样样高高粘粘度度的的半半固固态态金金属属，就就像像固固体体一一样样可可以以搬运。搬运。当当它它被被剪剪切切时时，其其粘粘度度迅迅速速下下降降，仍仍能能保保持持流流动动的的特特性性，可可象象粘粘性性液液体体一一样样以以极极低低的的粘粘度进行成形加工。度进行成形加工。把把这这种种半半固固态态金金属属浆浆料料直直接接铸铸成成锭锭或或在在压压力下制成铸件，称为力下制成铸件，称为流变铸造流变铸造。46本讲稿第四十六页，共五十二页 流变铸造流变铸造是

26、金属或合金在凝固温度区间给于强烈的搅拌，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使晶体的生长形态发生变化，由本来是静止状态的树枝晶树枝晶转变转变为为梅花状或接近于球形的晶粒梅花状或接近于球形的晶粒，然后再施加压力予以成形，然后再施加压力予以成形（如压铸、挤压）的一种方法（如压铸、挤压）的一种方法图图 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)压铸或挤压成形压铸或挤压成形 47本讲稿第四十七页，共五十二页48本讲稿第四十八页，共五十二页0du/d y0粘塑料流体假塑料流体胀塑料流体CB

27、ADA-牛顿流体；B-假塑性流体；C-宾汉塑性流体；D-胀塑性流体；牛顿流体与非牛顿流体剪应力与速度梯度的关系流变性流变性流变性流变性发生变化发生变化发生变化发生变化49本讲稿第四十九页，共五十二页流变铸造优点：流变铸造优点：半固态金属在压铸成型之前，已有半固态金属在压铸成型之前，已有半固态金属在压铸成型之前，已有半固态金属在压铸成型之前，已有50%50%50%50%的金属释放掉的金属释放掉的金属释放掉的金属释放掉了结晶潜热，降低了对压铸模具的了结晶潜热，降低了对压铸模具的了结晶潜热，降低了对压铸模具的了结晶潜热，降低了对压铸模具的热浸蚀热浸蚀热浸蚀热浸蚀作用，提作用，提高了模具寿命，也使高了

28、模具寿命，也使高熔点合金的压铸成为可能；高熔点合金的压铸成为可能；高熔点合金的压铸成为可能；高熔点合金的压铸成为可能；半固态金属在压铸时半固态金属在压铸时半固态金属在压铸时半固态金属在压铸时没涡流没涡流现象，降低了铸件产生现象，降低了铸件产生现象，降低了铸件产生现象，降低了铸件产生疏疏疏疏松和气孔松和气孔松和气孔松和气孔倾向；倾向；倾向；倾向；半固态铝合金可以加进高达半固态铝合金可以加进高达半固态铝合金可以加进高达半固态铝合金可以加进高达40%40%的填料，用以制取的填料，用以制取的填料，用以制取的填料，用以制取复合材料复合材料复合材料复合材料等等 50本讲稿第五十页，共五十二页半固态金属的流变性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采用半固态金属的表观粘度表观粘度来描述。来描述。51本讲稿第五十一页，共五十二页 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）52本讲稿第五十二页，共五十二页