液态金属在特殊条件下的凝固及成形
材料加工原理作业答案
作业第一章液态金属的结构与性质1、如何理解实际液态金属结构及其三种“起伏”特征？理想纯金属液态结构能量起伏和结构起伏；实际纯金属液态结构存在大量多种分布不均匀、存在方式（溶质或化合物）不同的杂质原子；金属（二元合金）液态结构存在第二组元时，表现为能量起伏、结构起伏和浓度起伏；实际金属（多元合金）液态结构相当复杂，存在着大量时聚时散，此起彼伏的原子团簇、空穴等，同时也含有各种固态、气态杂质或化合物，表现为三种起伏特征交替；能量起伏指液态金属中处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也会随时间而不停变化，出现时高时低的现象。
结构起伏指液态金属中大量不停“游动”着的原子团簇不断分化组合，由于“能量起伏”，一部分金属原子（离子）从某个团簇中分化出去，同时又会有另一些原子组合到该团簇中，这样此起彼伏，不断发生着的涨落过程，似乎团簇本身在“游动”一样，团簇的尺寸及内部原子数量都随时间和空间发生着改变的现象。
浓度起伏指在多组元液态金属中，由于同种元素及不同元素之间的原子间结合力存在差别，结合力较强的原子容易聚集在一起，把别的原于排挤到别处，表现为游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化的现象2、根据图1-8及式（1-7）说明动力学粘度的物理意义和影响粘度的因素，并讨论粘度在材料成形中的意义动力学粘度的物理意义：表示作用于液体表面的外加切应力大小与垂直于该平面方向上的速度梯度的比例系数。
是液体内摩擦阻力大小的表征影响粘度的因素：1）液体的原子之间结合力越大，则内摩擦阻力越大，粘度也就越高；2）粘度随原子间距δ增大而降低，与δ3成反比；3）η与温度T 的关系总的趋势随温度T 而下降。
（实际金属液的原子间距δ也非定值，温度升高，原子热振动加剧，原子间距随之而增大，因此η会随之下降。
）4）合金组元（或微量元素）对合金液粘度的影响，如果混合热H m为负值，合金元素的增加会使合金液的粘度上升（H m 为负值表明异类原子间结合力大于同类原子，因此摩擦阻力及粘度随之提高）如果溶质与溶剂在固态形成金属间化合物，则合金液的粘度将会明显高于纯溶剂金属液的粘度，这归因于合金液中存在异类原子间较强的化学结合键。
第9章液态金属在特殊条件下的凝固及成形2概述
第9章液态金属在特殊条件下的凝固及成形2概述液态金属在特殊条件下的凝固及成形是一个研究领域，它涉及到利用高温和高压条件下的金属熔体材料的特殊性质，使其在固态下表现出优异的性能和形状。
这一领域的研究对于开发制造新型材料和提高材料性能具有重要意义。
本文将从液态金属的特点、凝固过程和成形方法等方面进行概述，以探讨液态金属在特殊条件下的凝固及成形的相关研究进展。
首先，我们来看一下液态金属的一些基本特点。
不同于传统固态材料，液态金属具有较低的黏度和较高的导热性能，这使得它们在高温下容易流动和传热。
此外，液态金属在固态下具有良好的电导率和机械性能，这使得它们在成形过程中能够保持较高的导电和机械稳定性。
液态金属在凝固过程中的特殊性质使其表现出与传统凝固方法不同的行为。
一种常用的凝固方法是在导热性好的介质中进行凝固，通常称为渗透凝固。
在渗透凝固过程中，液态金属从外部环境中吸热，逐渐凝固形成固态材料。
由于液态金属的高导热性能，其熔体可以迅速充满整个渗透体，从而实现较快的凝固。
此外，由于液态金属的高流动性，其凝固时常常表现出多晶固态材料中的晶界移动、晶粒合并和细化等现象。
除了渗透凝固外，还有一些其他的凝固方法可以应用于液态金属。
例如，快速凝固是一种将液态金属迅速冷却成固态的方法，通常通过液态金属熔滴在冷却介质中的快速凝固来实现。
由于凝固速度非常快，液态金属无法形成固态结构，因此快速凝固一般会产生非晶态或亚晶态材料，这些材料具有较好的力学性能。
此外，还有一些其他的凝固方法，如微重力凝固和高压凝固等，可以通过控制不同的条件来调控凝固过程中的微观结构和性能。
液态金属在凝固后可以通过不同的成形方法来加工成所需的形状和尺寸。
一种常用的成形方法是利用热压成形，即将固态的金属材料加热到一定温度，然后施加压力使其塑性变形并保持固态结构。
另一种方法是利用粉末冶金成形，即将液态金属凝固成粉末，然后通过压制和烧结等方法来制备复杂形状的金属制品。
液态金属凝固成形的方法
液态金属凝固成形的方法
液态金属凝固成形的方法主要是指铸造成形的工艺过程，它是首先制造一个形状、尺寸与所需零件相应的铸型型腔，然后将液态金属充填入型腔，待其冷却凝固后，而获得零件（称为铸件）的方法，今天，山东伊莱特重工有限公司就跟您一起探讨液态金属凝固成形的方法：
凝固成形的方法很多，根据金属液充填进铸型方法是不同可分为重力铸造（液态金属靠自身重力充填型腔），低压铸造、挤压铸造、压力铸造（液态金属在一定的压力下充填型腔）等。
根据形成铸型材料的不同，可分为一次型（如砂型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造）及永久型（如金属型铸造）。
对于砂型铸造，根据型砂粘结剂的不同，有粘土砂、树脂砂、水玻璃砂等。
根据造型方法不同有手工造型和机械造型。
此外，对于一些特殊的凝固成形件，还可采用连续铸造（等截面长铸件）、离心铸造（四筒形铸件）、实型铸造、熔模铸造等方法。
希望以上信息对您有所帮助。
金属的液态成形原理资料PPT课件
合金成分和温度
铸件的收缩
铸型、型芯条件
铸件结构
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常用铸造合金的收缩率
合• 金铸造合含金从碳浇量注，凝固浇直注到至冷却液到态室温的过凝程固中，其体固积或态尺寸缩总减收的现缩 种类象，称（为收%缩）。收缩是温铸度件产生缩收孔缩、缩松、收裂缩纹、变形收的根缩源。 （%）
• 液态收缩
铸造• 碳钢•
（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
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（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。
1、合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸 件
产生变形和裂纹的基本原因。
按阻碍收缩的原因分为：
1）热应力
金属液态成形工艺原理讲稿
金属液态成形工艺原理讲稿一、引言金属液态成形工艺是一种重要的金属加工方法，它利用金属在液态状态下的可塑性，通过施加外力，将金属材料压制成所需形状的工艺过程。
金属液态成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等众多领域，具有高效、精确、灵活的特点。
本文将介绍金属液态成形工艺的原理和应用。
二、金属液态成形工艺的原理金属液态成形工艺主要依靠金属在液态状态下的可塑性来实现材料的变形。
在液态状态下，金属具有较高的流动性和可塑性，可以通过施加外力使金属流动，从而制造出复杂形状的金属构件。
金属液态成形工艺的主要原理包括以下几点： 1. 温度控制：金属液态成形工艺需要将金属升温到液态状态，通常通过加热设备控制金属的温度。
2. 施加外力：在金属材料处于液态状态时，需要施加适当的外力，如压力、压力冲击等，以实现对金属的形状变化和压制成型。
3. 液态流动：金属在液态状态下具有较高的流动性，可以通过控制液态金属的流动轨迹和速度，实现对金属的精确塑性变形。
4. 液态金属的熔化和凝固特性：金属在液态和固态之间的相变过程对金属液态成形工艺具有重要影响。
不同金属具有不同的熔化温度和凝固温度，需要根据具体金属材料选择合适的工艺参数。
三、金属液态成形工艺的应用金属液态成形工艺在许多领域都有广泛的应用，具有以下几个优点： 1. 高效生产：金属液态成形工艺可以实现多工位、多工序的同时进行，提高了生产效率。
2. 精确成形：金属液态成形工艺可以制造出复杂形状的金属构件，加工精度高，尺寸和形状可控性强。
3. 节约材料：金属液态成形工艺可以使金属材料得到较好的填充，减少了材料的浪费。
4. 节约能源：金属液态成形工艺可以在短时间内实现金属材料的加热和冷却，节约了能源消耗。
金属液态成形工艺在以下领域有广泛的应用： 1. 航空航天：金属液态成形工艺可以制造出高强度和轻质的航空航天零部件，提高了飞行器的性能和燃油效率。
2. 汽车制造：金属液态成形工艺可以制造出汽车发动机缸体、曲轴等零部件，提高了汽车的动力性能和燃油效率。
金属的液态成形与半固态成形
19
快速 凝固 技术
急冷 凝固
模冷技术
“枪”法 双活塞法
熔体旋转法
平面流铸造法 电子束急冷淬火法 熔体提取法
水雾化与气体雾化法 双流雾化 高速旋转筒雾化法
雾化技术
离心雾化
可采用铸造、挤压、锻造和焊接等多种 成形工艺。 • 铸件质量高，力学性能好，尺寸精度高。 • 对成形装置的热冲击小，能耗低。 • 便于实现自动化，劳动生产率高。 • 生产成本低。
4
• 3、半固态成形的发展 • 20世纪70年代初，美国MIT的博士研究生D B
Spencer在研究Sn-15%wt Pb合金的高温特性时， 偶然发现金属的半固态力学行为和组织特点。 这些发现引起了MIT的M C Flemings 教授的特别 重视，投入大量人力、物力，进行了深入、广 泛的研究，创立了金属半固态铸造技术。 • 半固态流变铸造（rheocasting） 金属液 搅拌、凝固半固态浆料 输送 成 形
控制方便灵活，但设备投资大，
成本高。
电磁搅拌
7
• 应变激活工艺（Strain-induced melt activation
process，SIMA)
预先连续铸造出晶粒
细小的金属锭, 再将金属
锭热态挤压变形，变形
量要大，通过变形破碎
铸态组织，随后再加以
小量冷变形，在组织中
储存部分变形能量，最
后按需要将变形的金属
5
• 4、半固态合金的制备方法 • 半固态合金的制备常用机械搅拌法、电
磁搅拌法和应变激活工艺。
连续式机械搅拌
【材料成型原理--铸造】第3章 液态金属凝固热力学与动力学
全被原子占满，或几乎全是空位，微观上是光滑平整 的，称平整界面。
非金属及化合物大多数属于这种结构。
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27/33
• （3）注意： 粗糙界面在显微尺度上是平滑界面（也称非小晶
面）； 平整界面在显微尺度上是不光滑的，由小晶面组
• （3）非平衡凝固：不仅大范围内溶质的扩散不充分， 即使固液界面附近溶质原子也不能充分扩散，凝固界面 上溶质的迁移远离平衡状态，称非平衡凝固。如快速凝 固、激光重熔等，冷速可达106℃/s以上。
9/33
第二节 均质形核
生核方式：（1）均质形核； （2）非均质形核（异质形核）。
• 1、概念 均质形核：依靠液态金属内部自身的结构自发地形核。
v3 K 3TK2
K3为动力学常数。
33/33
• 2）旋转孪晶生长 孪晶旋转一定角度后产生台
阶，原子向台阶处Байду номын сангаас砌而侧向生长。 容易产生于层状结构的晶体中，如， 灰铸铁中的石墨。
• 3）反射孪晶生长 由反射孪晶构成的凹角为台阶，
原子向凹角处堆砌生长。
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• （4）各晶体生长方式生长速率的比较 • 1）连续生长速度最快。粗糙界面相当于大量台阶； • 2）螺旋生长其次； • 3）当△T很大时，三者生长速率趋于一致。
为零时，驱动力不存在，凝固不会发生。
结论：液态金属不会在没有过冷度情况下结晶。
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二、液态金属的凝固过程
相变动力学理论： 高能态的液态原子变成低 能态的固态原子，必须越 过能态更高的高能态△GA 区。只有液态金属中那些 具有较高能态的原子（被 激活的原子）才能越过高 能态的界面变成固体中的 原子，完成凝固。
液态金属在特殊条件下的凝固及成形
能人为地控制。
• 3） 快速凝固法 （H. R. S法）
• 铸型加热器始终加热， 在凝固时，铸件与加 热器之间产生相对移 动。
• 与P. D法相比可以大大 缩小凝固前沿两相区， 局部冷却速度增大， 有利于细化组织，提 高机械性能。
H. R. S法示意图
2、定向凝固技术的应用 （1）柱状晶的生长
（一种顺序凝固组织）
• （2）单晶生长
• 根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。
• 1） 正常凝固法
• 有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法 • 或将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，“籽晶”
处开始结晶，随着固—液界面移动，单晶不断长大。 • 主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核
图 晶体提拉示意图
• （3） 区域提纯
• 区域熔化是获得超纯材料的极有效的手段，由于区域熔化 的发明，才出现了半导体工业。
• 当正常凝固，固—液界面前沿加强搅拌时，可以使试样的 起始凝固端的纯度提高，而整个试样溶质分布是极不均匀 的。
CE CL Csm C0 k0C0
0
CE Csm C0 k0C0
炉丝
熔体
挡板
坩埚 炉管
a)
b)
图 坩埚移动单向凝固示意图
a）垂直式 b）水平式
图 自生粒晶法生产单晶叶片
1-铸件 2-选晶段 3-起始段
通过x、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件
z
y 0 x
图2-42 选晶段示意图
等轴晶
定向柱状晶 单晶体
提拉杆 籽晶 晶体
熔体
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图 连续生产锭材的工艺原理图
1－感应加热坩埚2—气体雾化器（喷嘴）3—圆柱沉积锭 4—沉积室5—排气管6—循环分离器
图
几种激光表面熔化处理方法的工作原理图a）表面硬化 b）表源自熔凝 c）表面合金化 d）表面粘附
3、快速凝固的产物及其特征
快速凝固使金属材料的结构发生了前所未有的变化
可形成具有特殊性能的新材料。
2） 功率降低法 （P. D法）
铸型加热感应圈分两段 铸件在凝固过程中不移动。 GL随着凝固的距离增大而 不断减小。GL、R值都不 能人为地控制。
• 3） 快速凝固法 （H. R. S法）
• 铸型加热器始终加热， 在凝固时，铸件与加 热器之间产生相对移 动。
• 与P. D法相比可以大大 缩小凝固前沿两相区， 局部冷却速度增大， 有利于细化组织，提 高机械性能。
（3）表面熔化与沉积技术
喷射沉积法可根据制件的需要设计基板的形状和尺寸，从而 获得最终制件或近终形制件，因此更容易实现工业化生 产。 该技术是由英国Swansee大学singer于70年代发明的，并很快 在Osprey金属有限公司实现工业化生产，目前已经在许 多国家得到广泛应用。
1 —沉积室2 —基板3 —喷射粒子流4 —气体雾化室5－合金液6一坩埚 7 －雾化气体 8 —沉积体9 －运动机构 10 —排气及取料窒
•
•
1、快速凝固的条件
实现液态金属快速凝固的最重要条件，是要求液/固相变 时有极高的热导出速度。 如果依靠辐射散热，对于直径为1μm，温度为1000℃的 金属液滴，获得的极限冷却速率只有103K/s，可见冷却 速度不高； 通过对流传热，将导热良好的氢或氦以高速流过厚度为 5μm的试样，获得的极限冷速为1×104~2×104 K/s；
100 102 熔体 104 106 108 冷却速度/(K•s )
-1
常规显微组织
粗大的树枝晶、共晶及其他显微组织
改善的显微组织
受化学成分及 工艺因素影响
细化的树枝晶、共晶及其他显微组织
新型显微组织
扩大的固溶极限、超细晶粒、无偏析 或少偏析、亚稳相、直至非晶态
组 织 及 成 分 的 均 匀 性
（1） 形成过饱和固溶体
液态金属在特殊条件下的凝固及成形
Chapter 10 Solidification and Processing of liquid metals under special condition
§10-1
快速凝固
快速凝固是指液态金属以105～1010 K/s的冷速进行凝固的液 态急冷技术。 快速凝固定义为：由液相到固相的相变过程非常快，从而获 得普通铸件或铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构 的过程。 快速凝固过程抑制了各种传输现象，凝固偏离平衡，经典凝 固理论中假设的许多平衡条件不再适应，成为材料凝固 学研究的一个特殊领域。
•
•
要获得高于105 K/s的冷速，只能借助于热传导。 用急冷凝固方法获得高的凝固速率的条件是： (1)减少单位时间内金属凝固时的产生的结晶潜热。 (2)提高凝固过程中的传热速度.
途径?
2、急冷凝固技术及特点
（1）模冷技术
单向凝固速率与导热条件的关系 δ－ 凝固层厚度 Ti－铸件/铸型界面温度 TK－ 凝固界面温度
H. R. S法示意图
2、定向凝固技术的应用 （1）柱状晶的生长
（一种顺序凝固组织）
• （2）单晶生长
• 根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。
• 1） 正常凝固法
• 有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法 • 或将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，“籽晶” 处开始结晶，随着固—液界面移动，单晶不断长大。 • 主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核
• 如果凝固速率不仅达到了“绝对稳定”界限，而且超过了
界面上溶质原子的扩散速率，即进入完全的“无偏析、无 扩散凝固”时，可在铸件的全部体积内获得完全不存在任 何偏析的合金
（4）形成亚稳相（非平衡相）
亚稳相的晶体结构可能与平衡状态图上相邻的某一中间相的 结构极为相似，因此可看成是在快速冷却和大过冷度条 件下中间相亚稳浓度范围扩大的结果。
用中获得大的GL的重要途径。同时，也会使凝 固速率R增大。 • 因此，常用提高固—液界面前沿熔体的温度来达 到提高GL的目的。
• 2. 定向凝固的方法 • 1） 发热剂法
• 绝热耐火材料箱中，底部水冷结晶器型壳上部盖 以发热剂，金属液处于高温，建立自下而上的凝 固条件。 • 无法调节凝固速率和温度梯度，只能制备小的柱 状晶铸件，多用于磁钢生产。
（3）极少偏析或无偏析
平直界面 胞状晶 树枝晶 无特征晶
凝固生长速度 冷却速度 （相近的温度梯度）
如果生长速度加剧，枝晶端部的温度开始时上升， 当生长速度足够高时，枝晶端部的温度会重新下降到平衡的 固相线温度。此时的固相成分又回到合金的原始成分，凝固 前沿亦重新成为平界面，表明合金凝固进入了“绝对稳定界 限”
通常生产几十微米 厚的薄带
图 双辊法快速凝固技术的基本原理
1一带材2－合金液流3－加热炉 4一坩埚5一漏出孔6－双辊
通常生产几十微米 厚的薄带
图 单辊法复合层快速凝固过程原理图
1－单辊 2－合金液1 3一坩埚1 4－坩埚2 5－合金液2 6－感应加热线圈 7一复合层带材
（2）雾化技术
1）气体雾化法，工作原理如图 所示。 熔化的合金液浇入漏包中经过喷嘴雾化并在雾化室中进一步 破碎、凝固，最后在收集室中收集。
（5）高的点缺陷密度
• 在快速凝固的过程中，液态金属的缺陷会较多地保存 在固态金属中
（6）形成非晶态合金
液态金属为短程有序排列结构，原子有极高的迁移速率。采 用极快的冷却速率冷却，可能导致金属在凝固后保留液 态时结构。 Duwez等人用液态急冷法使接近共晶成分的Au-Si合金凝固成 了非晶态材料。
将液态合金以高速急冷快速地穿过液/固两相区，就 阻止了第二相的生核和长大。使溶质原子以超常 规溶解度陷在α 相晶格中。
表 部分合金元素在Al中平衡固溶度和扩展固溶度（%）
（2） 超细的晶粒度 随着冷却速率的增大，晶粒尺寸减小，可以获得 微晶甚至纳米晶。 快速凝固合金比常规合金低几个数量级的晶粒尺 寸，一般为<0.1~1.0μ m 在Ag-Cu（ω Cu=50%）合金中，观察到细至3nm的 晶粒。 原因：很大过冷度下达到很高形核率
目前所能达到的冷却速率，只能使很少一部分合金能够抑制 结晶过程而形成非晶态。
原则上讲，只要有更高的冷却速率，就可以将所有合金系的 合金凝固成非晶态。
§10-2
微重力凝固
§10-3
超重力凝固
（自学）
§10-4
定向（单向）凝固
• 1、必要条件：
GL>0
GL mC0 (1 k 0 ) R DL k 0
• （3） 区域提纯
• 区域熔化是获得超纯材料的极有效的手段，由于区域熔化 的发明，才出现了半导体工业。
• 当正常凝固，固—液界面前沿加强搅拌时，可以使试样的 起始凝固端的纯度提高，而整个试样溶质分布是极不均匀 的。
CE CL Csm C0 k0C0 0
S x
L l
S
0.5 距离分数 a) S
最后过渡区
1.0
CE Csm C0 k0C0 0
0.5 距离分数 b)
1.0
图 区熔的溶质分布
a）凝固过程中 b）凝固之后
必须在固—液界面前沿建立必要的温度梯度 温度梯度大小直接影响晶体生长速率和晶体质量
x
熔体 高温区
x
X
隔热板 X 晶体 低温区
0 a)
0
T0 Tm Tn T
b)
图 坩埚下降单向凝固法生长装置和温度分布
a）装置示意图 b）温度分布图
S GS LR m GL L L
• 通过增大GS来增强固相的散热强度，这是实际应
雾化气体进人排气管，经过滤后排出或循环使用。
高速气流的主要作用是使液态金属雾化成细小的颗粒。
雾化气体可采用空气、氮气、氩气或氦气等，为了避免合金 的氧化污染，通常采用保护性气氛，特别是氩气进行气 体雾化。
图 气体雾化设备工作原理图
1一 细粉 2一 气体 3一 气源 4－ 合金液 5一真空感应加热器 6一 喷嘴 7 — 雾化室 8一 收集室 9一 粉末
炉丝
熔体
挡板
坩埚 炉管
a)
b)
图 坩埚移动单向凝固示意图
a）垂直式 b）水平式
图 自生粒晶法生产单晶叶片
1-铸件 2-选晶段 3-起始段
通过x、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件
z
y 0 x
图2-42 选晶段示意图
等轴晶
定向柱状晶
单晶体
提拉杆
籽晶 射频感应圈 晶体 坩埚
熔体
图 晶体提拉示意图