(材料成形原理液态成形原理)5凝固流动-5.1-5.2
材料成型原理
材料成型原理
材料成型原理是指通过加工工艺将原始材料经过一定的变形、组合或者结合等方式，使其达到预期的形状、结构和性能的过程。
该原理涉及多种加工方式，如挤压、铸造、锻造、注塑等，每种方式都有自己独特的原理和应用领域。
挤压是一种常用的材料成型方式，通过将加热至熔融状态的材料通过模具的压力，使其在一定形状的模具孔中流动，并成型为所需的形状。
这种方式适用于制造管材、线材等长条状零件。
挤压的成型原理是利用材料在受到压力作用时的流动性，使其顺应模具的形状，并形成所需的截面形状。
铸造是一种将液态材料倒入铸型中形成所需形状的成型方式。
该方式适用于制造各种形状的零件。
铸造的成型原理是利用熔融态的材料具有流动性，通过将熔融金属或合金倒入模具中并冷却凝固，得到所需的形状。
锻造是一种通过加热金属材料至一定温度后施加压力使其塑性变形、改变原始形状、提高性能的成型方式。
该方式适用于制造各种形状的零件。
锻造的成型原理是通过应用压力改变材料的组织结构，使其粒子得到重新排列并获得更好的力学性能。
注塑是一种将熔融材料注入模具中形成所需形状的成型方式。
该方式适用于制造复杂形状的零件。
注塑的成型原理是将熔融态的材料注射进模具中，并通过冷却凝固，得到所需的形状。
以上是几种常见的材料成型方式及其成型原理，每种方式都有
其独特的应用领域和适用对象。
工程师们可以根据具体需求选择不同的成型方式，以实现材料的预期形状、结构和性能。
材料成型原理及工艺第一章液态成型工艺基础理论
态 陷产生，导致成型件力学性能，
成 特别是冲击性能较低。
型 2. 涉及的工序很多，难以精确控
的 制，成型件质量不稳定。
缺 3.由于目前仍以砂型铸造为主，
点：
自动化程度还不很高，且属于热 加工行业，因而工作环境较差。
4.大多数成型件只是毛坯件，需 经过切削加工才能成为零件。
液态成型原理及工艺
冲天炉出铁
缸体等。
液态成型原理及工艺
液 (3) 成本较低
态
所用原料大都来源广泛，价格
成
低廉，一般不需要昂贵的设备。
型
的 (4)成型件尺寸精度高
优
成型件与最终零件的形状相似、
点：
尺寸相近，因而切削加工余量可 减少到最小，从而减少了金属材
料消耗，节省了切削加工工时。
液态成型原理及工艺
液
1. 组织疏松，晶粒粗大，成型件 内部常有缩孔、缩松、气孔等缺
液态成型原理及工艺
一、液态合金的流动性
1、合金流动性：是指液态合金本身的
流动能力。
合金的流动性用浇注 流动性试样的方法来 衡量。流动性试样的 种类很多，如螺旋形、 球形、α形、真空试 样等等，应用最多的 是螺旋形试样，如图11所示。
图1-1 液态成型原理及工艺
合金流动性主要取决于合金化学成分。对应着纯 金属、共晶点和形成金属间化合物的成分，流动 性出现最大值；而有结晶温度范围的合金，流动 性下降。这是因为纯金属和共晶成分的合金是在 恒温下结晶的，凝固层表面光滑，对尚未凝固的 金属液流动阻力小，因此流动性好；如图1-2a。
液态成型原理及工艺
绪 论 复习题
1、什么是液态成型？优缺点有哪些？
液态成型原理及工艺
第一章液态成型工艺基础理论
第2章 液态成形中的流动与传热
2013-9-12
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2013-9-12
14
材料成型原理——液态成形
15 5表面张力 造型材料一般不被液态金属润湿，即润湿角＞90°。 故液态金属在铸型细簿部分的液面是凸起的，而由表面张力 产生一个指向液体内部的附加压力，阻碍对该部分的充填。 所以，表面张力对薄壁铸件、铸件的细簿部分和棱角的成形 有影响。型腔越细薄，棱角的曲率半径越小，表面张力的影 响则越大。为克服附加压力的阻碍，必须在正常的充型压头
材料成型原理——液态成形
第 2 章 液态成形中的流动与传热
2013-9-12
1
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
2.1 液态金属的流动性与充型能力
充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的 能力，即液态金属充填铸型的能力。是设计浇注系统的重要依据之一；此外 还涉及此过程中可能产生的浇不足、冷隔、砂眼、铁豆、抬箱，以及卷入性 气孔、夹砂等缺陷的防止措施。因此获得质量健全的铸件必须对此进行掌握
上增加一个附加压头h。
液态金属充填铸型尖角处的能力还与铸型的激冷能力有 关。在激冷作用较大的铸型中，可在合金中加入表面活性元 素或采用特殊涂料，降低或润湿角 。
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2013-9-12
材料成型原理——液态成形
铸型的蓄热系数b2表示铸型从其中的金属中吸取并储存于本 身中热量的能力。蓄热系数b2越大，铸型的激冷能力就越强， 金属液于其中保持液态的时间就越短，充型能力下降。 c2ρ2---单位体积的铸型在温度升高1℃时所吸取的热量。 此值大，铸型吸取较多的热量而本身的温升较小，使金属 与铸型之间在较长时间内保持较大的温差。 λ2－铸型的导热系数大，表示从金属吸取的热量能很快地由 温度较高的型内表面传导到温度较低的“后方”，使铸型参 加蓄热的部分增多，从而能够储存更多的热量，并且铸型内 表面的热量能迅速传走，温升速度也就比较缓慢，而保持继 续吸取热量的能力。
液态成形中铸件补缩原理及冒口设计
(4)采用回转铸型法的浇注工艺。在某些情况下(如铸件形状复杂， 合金液易氧化等)必须采用底注式，但底注式又无法造成冒口补缩 所需的凝固顺序。
宽结晶温度范围的合金倾向于糊状凝固，结晶始点波 较快到达铸件断面中心，结晶骨架迅速布满整个断面， 使冒口的补缩通道受到阻碍，顺序凝固的原则就较难实 现。
顺序凝固原则容易使铸件不同部位存在较大的温差,使 铸件出现裂纹、残留应力和变形等缺陷倾向增大。
2）同时凝固(contemporaneous solidification)的原则
合理地确定浇注系统和浇注工艺，不仅影响铸型内的温度场 分布和冒口的补缩效果，而且对防止其他各种缺陷(如气孔、夹 砂、冷隔、氧化夹渣、应力裂纹等)均有很大影响。因此，究竟 采用怎样的浇注系统和浇注工艺，必须根据铸件的结构特点， 合金的凝固特性以及铸件的技术要求综合地考虑，并且在生产 实践中不断地总结和改进，才能不断提高产品质量。
对某一具体铸件而言，到底应该采取顺序凝固原则 还是同时凝固原则,还应当根据该铸件的合金特点，具 体铸件结构及其技术要求，以及可能出现的其它缺陷 (如残留应力、变形、裂纹)等综合考虑，找出矛盾的 主要方面，才能最后合理地加以确定。
5.2确定合理浇注系统及浇注工艺
要获得良好的补缩条件，得到健全的铸件，首先必须合 理地确定浇注系统，主要包括如何选择浇口在铸件上的引 入位置，确定浇口和冒口的相对位置，确定浇注系统的类 型等，这些对铸件凝固时的温度场分布有着显著的影响。 (1)浇口从铸件厚实处引入以加强铸件的顺序凝固。
第1章 液态金属的结构和性质
材料成型原理——液态成形
水凝结成雪花晶体
Principle of Materials Forming材料成型原理——液态成形
液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体 金属
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
主要研究（学习）内容
（1）液体金属的性质
（2）晶体的生核和长大——凝固热力学及动力学 （3）凝固过程中的“三传” （4）具体合金的结晶斱式——单相结晶、共晶 （5）零件的组织控制、缺陷防止 （气孔、夹杂、缩孔、缩松）
材料成型原理——液态成形
（2）对液态合金流动阻力的影响
Re
根据流体力学，Re＞2300为湍流（紊流），Re＜2300为 层流。Re的数学式为 Dv 设f为流体流动时的阻力系数，则有： 64 64
当液体以层流斱式流动时，阻力系数大，流动阻力大。金 属液体的流动成形，以紊流斱式流动最好，由于流动阻力小， 液态金属能顺利地充填型腔，故金属液在浇注系统和型腔中的 流动一般为紊流。总之，液态合金的粘度大其流动阻力大。
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
（4）粘度对成形质量的影响
a. 影响铸件轮廓的清晰程度 在薄壁铸件的铸造过程 中，流动管道直径较小，雷 诺数值小，流动性质属于层 流。此时，为降低液体的粘 度应适当提高过热度或者加 入表面活性物质等。
Principle of Materials Forming
材料成型原理——液态成形
液态金属的热物理性质
1.体积变化 金属熔化，由固体变成液体时，比容仅增加 3%～5%。即原子间距平均只增大1%～1.5％，这说 明原子间仍有较大的结合能。液态原子的结构仍有 一定的觃律性。 2．潜热 熔化潜热一般只有升华热的3%～7%，即熔化时 原子间的结合能仅减小了百分之几。见表1-1
材料成型原理-6 凝固过程的流体流动
液态金属成型原理0、概论 1、液态金属的结构和性质 2、凝固的热力学基础 3、界面 4、凝固的结晶学基础 5、凝固的传热基础 6、凝固过程的流动 7、凝固金属的组织结构 8、凝固过程的缺陷和对策12液体流动的分类和影响z 凝固过程中的液体流动主要包括： 自然对流 强迫对流z 对凝固过程的影响： 传热和传质过程 气泡和夹杂物的行为 流动性好，铸件轮廓清晰、形状完整，利于补缩、热裂纹愈合。
凝固组织3第一节 凝固过程的流动 第二节 液态合金的充型能力4一、自然对流 凝固过程自然对流包括浮力流和凝固收缩引起的 流动。
浮力流是最基本、最普遍的对流方式。
因为溶质再分 配、传热、传质引起液相密度不均匀造成的。
其中密 度小的液相发生上浮；密度大的液相发生下沉，引起 自然对流。
凝固收缩引起的对流主要发生在枝晶间。
5凝固过程中铸锭内的对流浮力流：溶质密度较小时收缩流：Al-10%Cu 合金凝固枝晶间的疏松6二、强迫对流 凝固过程中，可通过各种方式驱动液体流动。
对凝固组 织形态及传热、传质条件进行控制。
控制的流动方式通常是与一定的凝固技术有关。
强迫对流举例：z 液相的机械搅拌 z 电磁场搅拌驱动液体流动 z 凝固过程的铸型振动7三、流动对凝固组织的影响 A.枝晶迎流生长 B.通道偏析。
凝固时间长的大型铸件，如大型轴易出现。
C.枝晶脱落，脱落→核→ 等轴晶。
8第二节 液态合金的充型能力一、充型能力的基本概念 二、影响充型能力的因素 三、铸造流动性的测量9一、液态金属充型能力z 液态金属充满铸型型腔，获得 形状完整、轮廓清晰的铸件的 能力，即液态金属充填铸型的 能力，是设计浇注系统的重要 依据之一。
z 充型能力弱，则可能产生浇不 足、冷隔、砂眼、铁豆，以及 卷入性气孔、夹砂等缺陷。
10例：“浇不足”缺陷-流动性不良11第二节液态合金的充型能力一、充型能力的基本概念二、影响充型能力的因素三、铸造流动性的测量13二、影响充型能力的因素1. 金属性质方面的因素2. 铸型性质方面的因素3.浇注条件方面的因素4.铸件方面的因素1415纯金属、共晶成分合金及结晶温度宽结晶温度合金停止很窄的合金停止流动机理示意图流动机理示意图前端析出15~20％的固相量时，流动就停止。
材料成形原理 吴树森 答案docx1
第一章（第二章的内容）第一部分：液态金属凝固学1.1 答：（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。
（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。
1.2答：液态金属的表面张力是界面张力的一个特例。
表面张力对应于液－气的交界面，而界面张力对应于固－液、液－气、固－固、固－气、液－液、气－气的交界面。
表面张力σ和界面张力ρ的关系如（1）ρ＝2σ/r,因表面张力而长生的曲面为球面时，r为球面的半径；（2）ρ＝σ（1/r1+1/r2）,式中r1、r2分别为曲面的曲率半径。
附加压力是因为液面弯曲后由表面张力引起的。
1.3答：液态金属的流动性和冲型能力都是影响成形产品质量的因素；不同点：流动性是确定条件下的冲型能力，它是液态金属本身的流动能力，由液态合金的成分、温度、杂质含量决定，与外界因素无关。
而冲型能力首先取决于流动性，同时又与铸件结构、浇注条件及铸型等条件有关。
提高液态金属的冲型能力的措施：（1）金属性质方面：①改善合金成分；②结晶潜热L要大；③比热、密度、导热系大;④粘度、表面张力大。
（2）铸型性质方面：①蓄热系数大；②适当提高铸型温度；③提高透气性。
（3）浇注条件方面：①提高浇注温度；②提高浇注压力。
（4）铸件结构方面：①在保证质量的前提下尽可能减小铸件厚度；②降低结构复杂程度。
1.4 解： 浇注模型如下：则产生机械粘砂的临界压力 ρ＝2σ/r显然r ＝×0.1cm ＝0.05cm 21则 ρ＝＝6000Pa 410*5.05.1*2－不产生机械粘砂所允许的压头为H ＝ρ/（ρ液*g ）＝＝0.08m 10*750060001.5 解： 由Stokes 公式上浮速度 92(2v )12r r r －＝r 为球形杂质半径，γ1为液态金属重度，γ2为杂质重度，η为液态金属粘度γ1＝g*ρ液＝10*7500＝75000γ2＝g 2*ρMnO ＝10*5400＝54000所以上浮速度 v ＝＝9.5mm/s 0049.0*95400075000(*10*1.0*223）－）（－3.1解：（1）对于立方形晶核 △G 方＝－a 3△Gv+6a 2σ①令d △G 方/da ＝0 即 －3a 2△Gv+12a σ＝0，则临界晶核尺寸a *＝4σ/△Gv ，得σ＝△Gv ，代入①4*a △G 方*＝－a *3△Gv ＋6 a *2△Gv ＝ a *2△Gv 4*a 21均质形核时a *和△G 方*关系式为：△G 方*＝ a *3△Gv 21（2）对于球形晶核△G 球*＝－πr *3△Gv+4πr *2σ34临界晶核半径r *＝2σ/△Gv ，则△G 球*＝πr *3△Gv 32所以△G 球*/△G 方*＝πr *3△Gv/( a *3△Gv)3221将r*＝2σ/△Gv ，a *＝4σ/△Gv 代入上式，得△G 球*/△G 方*＝π/6<1，即△G 球*<△G 方*所以球形晶核较立方形晶核更易形成3-7解： r 均*＝(2σLC /L)*(Tm/△T)＝cm ＝8.59*10－319*6.618702731453*10*25.2*25）＋（－9m△G 均*＝πσLC 3*Tm/（L 2*△T 2）316＝π*＝6.95*10－17J 316262345319*)10*6.61870(2731453*10*10*25.2(）＋（）－3.2答：从理论上来说，如果界面与金属液是润湿得，则这样的界面就可以成为异质形核的基底，否则就不行。
工程材料液态成型原理
工程材料液态成型原理工程材料液态成型（Liquid State Forming）是一种现代加工技术，用于制造有机、无机、金属材料。
它是由液态材料在热条件下凝固成形的一种方法。
液态成型是一种高质量、高效率的加工方法，能够制造高精度、高质量的结构部件，具有广泛的应用前景。
液态成型已经成为了现代工程加工技术的一个重要分支，包括压力铸造、真空浸渍成型、低压浸渍成型、熔蜡精密浇铸、热等静压、往复挤压、高压铸造等。
液态成型原理1. 压力铸造压力铸造是液态成型的最常见形式。
其原理是将液态铝等金属注入铸造模具，以高压或低温凝固，最终形成所需形状的零件。
压力铸造可分为铸模压铸和压机压铸两种。
在铸模压铸中，液态金属被注入封闭铝模中，并在高压下流动。
当铸造模具冷却后释放压力，铝合金零件便可被移除。
而在压机压铸中，液态金属通过压力机压缩，以形成所需形状。
2. 真空浸渍成型真空浸渍成型原理是在真空状态下，将预先制作好的聚合物或金属部件浸泡在低粘度液体中，让它充分渗透被浸部件中的空气，并在部件中形成空气孔。
然后将液态金属注入到部件内，使缺陷被填充，完成零件整形。
3. 低压浸渍成型低压浸渍成型原理是通过设定合适的压力和温度，将合成树脂或组合材料浸渍在含有固体颗粒的介质中，以形成所需零件。
浸渍后，材料被取出并放置在固定模具中，在热的条件下进行脱模。
4. 熔蜡精密浇铸熔蜡精密浇铸是通过将精密铸造模具准备好，根据所需形状制作铸造芯，然后将蜡熔化注入模具中。
经冷却后，蜡壳就形成了模具。
蜡壳填入砂中，在浇注时烘烤蜡浇口使之熔化并渗入砂的内部，从而形成所需的金属零件。
这种方法的优点是制造精度高、表面光洁度好，但成本较高。
5. 热等静压热等静压是在塑料条件下使用高压和高温，将金属坯体制成成型零件。
在加工过程中，利用高温条件使金属母材软化，再通过高压使其形成零件的形状。
这种方法的优点是可以制造出形状复杂的零件，并且可以增强零件内部的晶体结构和强度。
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材料成形原理
——液态成形原理
主讲教师：姚曼 教授 大连理工大学
材料科学与工程学院
5 凝固过程的液相流动现象
5 凝固过程液相的流动现象
5.1 熔体中的颗粒、气泡和液滴 5.2 凝固过程液相流动现象 5.3 用数学描述凝固过程流体流动的方法 5.4 充型过程流动 5.5 半固态熔体流变行为
• 2≤Rep≤500，
18.5 C
Re 0.6
• 500≤Rep≤2×105， 阻力近似为常数， C≈0.44， 称为牛顿定律区。
最大夹杂物的直径（Stokes公式适用）
熔体内可以使用Stokes公式计算运动速度的最大夹杂物的尺寸
熔 体 材 颗粒密度ρ颗粒 kg/m3
料
熔 体 密 度 ρ 熔 体 熔体粘度
• 颗粒开始沉浮时，逐渐加速， 直到引起运动的体积力与阻 碍运动的阻力达到平衡，对 静止的熔体，沉浮速度就为 常数，称为沉浮终速；
• 引入阻力系数C和颗粒雷诺数Re两个无因次量， 反映颗粒受力和周围流体状况。
C 2F
AV 2
作用在垂直于颗粒运动方向的平面上的 单位面积上的阻力F（N）和运动颗粒 的单位体积的动能的比值称为阻力系数
图中的球、圆盘和圆柱形指颗粒的形状
Stokes公式
当雷诺数Rep小于2，即流 动缓慢时，阻力系数与 雷诺数成反比，有
C=24/Rep
这个区域称为缓慢流动区 或斯托克斯定律区。
对球形颗粒，A=πr2（r为颗粒 半径），可得阻力
F=6πrVμ
这就是著名的斯托克斯 （Stokes）公式，Stokes 于1851年通过解NavierStokes方程得到这一结果。
A-颗粒在垂直于运动方向的平面上的投影面积（m2） V-流体与颗粒的相对速度（m/s） ρ-熔体密度（kg/m3）。
Re dV
d-颗粒直径（m），μ-熔体的粘度（Pa·s）
雷诺数Re是流体力学中确定流动类型的 参数。对于一定的研究对象，ρ、d、μ 为常数，雷诺数与速度成正比。
颗粒的阻力系数与雷诺数的关系（实验结果）
kg/m3
μ Pa·s
最大夹杂物 的直径μm
钢
纯铝
纯铜 纯锌
2700 5400 (MnO) 3970 (Al2O3) 4000 (Al2O3) 6000 (Cu2O) 5470 (ZnO)
7100 7000 2315 2400 7930 6920
0.0055
152
0.0049
198
0.0014
123
解：上浮速度
V = 2r2 (液 – 杂 )/9 =[2(0.0001)2(7000-5400)9.81]/9 ×0.0049
=0.0071m/s (7.1mm/s)
校核Re,
自行完成。
Re dV
注： g
“单个颗粒在液相中的运动” 进一步参考书
“Fluid Flow Phenomena in Metals Processing”, 1979 中译本：冶金中的流体流动现象, 1985 Szekely(舍克里), J.
( MIT. 材料科学与工程系)
气泡和液滴在液相中的运动
参阅p131： • 上浮过程中，气泡在力的作用下，由于静压头不断下降，气泡将
逐渐膨胀。金属密度大，即使上升距离不大，膨胀也很明显。例 如，在自由表面为1大气压，气泡从深度为1.4m的铁水上升到表 面，其体积将增大一倍，如果熔体处于真空系统中，则气泡的膨 胀更显著。 • 对于很小的气泡，当Reb <2，气泡呈球形，其行为与刚性球相似。 单个颗粒在液相中的沉降（上浮）终速的计算方法也适用于分析 尺寸不变的气泡和液滴在液相中的运动。 • 液滴的行为与气泡类似。当尺寸很小，Red <<1时，可以视为刚 性颗粒，公式适用 。当液滴尺寸较大时，液滴内部会产生环流， 液滴行为偏离刚性球行为，其上升速度将比用Stokes公式计算值 要大。 • 考虑气泡膨胀和液滴内部产生环流等不宜使用。
0.00106
103
0.00341
140
0.00224
122
令Re =2， 根据
Re dV
得到V，然后使用Stokes公式
计算得到表中最大夹杂物的直径.
例题: 钢液中MnO颗粒上浮速度计算
已知：钢液温度=1550ºC ， = 4.9×10-3 N.s/m2， 密度 = 7000kg/m3；球形MnO半径r=0.1×10-3m, 密度 = 5400kg/m3 ,
• 液体流动称为对流。液体受力引起流动，其他部位将 补充流体，因而过程是连续不断的。
自然对流（natural convection）
• 凝固过程中，在温度梯度和浓度 梯度联合作用下，在液相内部形 成密度梯度。在重力场条件下， 它将驱使流体流动，称为自然对 流。是难以避免的。
Hale Waihona Puke 强迫对流（forced convection）
熔体中颗粒沉浮的影响
• 排除熔体中的气泡和杂质
• 将导致组织和成分不均匀，这种因为密 度差异引起的现象称为重力偏析 （gravity segregation）
•
↓
需要计算其运动速度
5.1 熔体中的颗粒、气泡和液滴
单个颗粒在液相中的运动
• 在密度差的驱动下，熔体中 的颗粒、气泡、液滴和先凝 固小晶体将会沉降或上浮。
• 熔体被外力驱动的流动称为强迫对流。
– 普遍存在的驱动力是固相收缩产生的作用力。 – 电场和磁场产生的电磁力。如:
5 凝固过程液相的流动现象
5.1 熔体中的颗粒、气泡和液滴 5.2 凝固过程液相流动现象 5.3 用数学描述凝固过程流体流动的方法 5.4 充型过程流动
5.2 凝固过程液相流动现象
一、驱动力 • 存在三种力驱动凝固过程液相流动：
– 密度差→自然对流（natural convection） – 外力→强逼对流（forced convection） – 界面张力→界面张力流
基于实验的关系式
Stokes公式应用-计算沉浮终速V
• 令作用于颗粒F动= F阻，可求
出F沉3 4 降r（3(上P浮）L终)g速6 Vr；V
V
2r2
9
(P
L)g
ρ –密度 (kg/m3) r - 颗粒半径（m） μ - 熔体的粘度（Pa·s）
核算Rep数
• 应用Stokes公式计算运动速度后，应当核算Rep数。如 果Rep >2，不能应用Stokes公式（适用于Rep <2 ）。