第一篇 液態(tài)金屬成型原理

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1、第一篇液態(tài)金屬成型原理液態(tài)金屬成型工藝有鑄造、液念沖壓和液壓模鍛等多種方法。但是，其歷史最悠久、應(yīng)用最廣泛的還是鑄造。例如機床、內(nèi)燃機、重型機械中占70%-90%；風(fēng)機、壓縮帆中大約占60%一80%；拖拉機、農(nóng)業(yè)機械中占40％-70％；汽車市占20%一30%；鐵路機車車輛中占40％一50％。此外，鑄件在儀表、航空航天、船舶、化工、國防等工業(yè)中也有廣泛應(yīng)用。但是，鑄造也存在缺點：鑄件尺寸均一性差，內(nèi)部質(zhì)量比鍛件差；工作環(huán)境粉塵多，溫度高，勞動強度大等。因此，提高鑄件質(zhì)量，改善鑄造的生產(chǎn)條件是每個材料加工作者的歷史責(zé)任。液態(tài)模鍛是把液態(tài)金屬直接澆入金屬模內(nèi)．然后在一定時

2、間內(nèi)，以一定的壓力作用于液態(tài)(或半液態(tài))金屬上，使之成型，并在此壓力下結(jié)晶和塑性流動。其實質(zhì)是是鑄造與鍛造的組合工藝。焊接成型雖然并不完全屬于液忠成型范的、但是，熔化焊中有焊接熔池，而焊接冶金和焊縫液態(tài)金屬的凝固及結(jié)晶的基本規(guī)律；焊接過程中產(chǎn)生的氣孔、偏析、夾雜及裂紋等焊接缺陷的形成機理與鑄造成型的規(guī)律基本相同或相近。因此．有關(guān)焊接成型的相關(guān)內(nèi)容，將與鑄造成型融合在一起來討論。本篇主要討論液態(tài)金屬成型過程中的基本規(guī)律及內(nèi)在聯(lián)系；闡明液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)；分析液態(tài)金屬充填鑄型后與鑄型間的熱交換特點，鑄件溫度場和焊接溫度場分布規(guī)律及影響因素；闡述液態(tài)金屬結(jié)晶的基本

3、規(guī)律，鑄件組織的形成、焊接熱影響區(qū)組織的特點及控制途徑等。第一章液態(tài)金屬及合金的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)鑄造是使金屬的狀態(tài)按著“固態(tài)一液態(tài)—固態(tài)“過程而成型的。金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)過程中發(fā)生很多現(xiàn)象：形核，晶體長大，溶質(zhì)的傳輸，液態(tài)體積變化等，這些均與金屬的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有關(guān)。因此金屬的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)對研究鑄件形成過程非常重要?？茖W(xué)上對液體狀態(tài)的認(rèn)識遠(yuǎn)落后于氣體狀態(tài)和固體狀態(tài)。理想氣體中的分子，基本上像是一些彈性體。在低壓和中壓下，分子間距大約分子自身尺寸，其間作用可忽略不計；在高壓下，分子間作用力不可忽略，其氣體狀態(tài)方程式為：PV=RT（范德瓦爾公式）對液態(tài)結(jié)構(gòu)的研究由于原子間的相互作

4、用，必須予以考慮，但原子相互位置不確定產(chǎn)生了困難。一、凝聚理論把液體看作是濃縮的氣體，從氣體運動論觀點出發(fā)，通過修正氣體狀態(tài)方程式，來修正濃縮氣體中原子或分子之間作用力的影響。博爾恩及格林提出了一組適于描述液體運動論的分子分布函數(shù)。但很復(fù)雜，實際很難應(yīng)用。二、點陣?yán)碚摪岩后w看作是無序的固體，該理論的出發(fā)點是將缺陷引人晶體點陣中，其中有3中理論。1.晶格理論晶格理論認(rèn)為固體的原子排列是有序的，原子在點陣位置上不停地作三維熱振動。被熔化的液體是從固態(tài)的有序排列轉(zhuǎn)變到液態(tài)的無序排列，原子仍被限制在點陣位置附近，但是可以獨自作隨機振動。2.空穴或空洞理論空穴理論把液體看作是

5、有大量空位的一種偽點陣。3.有效結(jié)構(gòu)理論根據(jù)這種理論，液體狀態(tài)可用似晶組分與似氣組分之間的配分關(guān)系來表示。三、幾何理論由J.D.Berna和S.V.King提出的，把液體看作是原子的某種“堆積物”。該理論認(rèn)為，液體是原子紊亂的密集球堆積的，或者更確切地說，液體是均質(zhì)的相互粘著的，本質(zhì)上為不規(guī)則的原子集合體。典型試驗為鋼球?qū)嶒灐４嗽囼灠l(fā)現(xiàn)“偽晶核”的高密度區(qū)，在液相中出現(xiàn)有序的似晶區(qū)域，從而可以】說明原子呈”近程有序“的規(guī)則排列。第一節(jié)固體金屬的加熱膨脹及熔化一、金屬中的原子結(jié)合金屬原子是靠金屬正離子和自由電子之間的靜電引力結(jié)合在一起。金屬鍵的結(jié)合強弱取決于原子結(jié)構(gòu)及

6、它們之間的相互作用力和熱運動。見圖1-1。有圖可知，R較?。≧R0時為引力。R=R0時W最小，此時原子處于最穩(wěn)定狀態(tài)，R0稱為平衡距離。二、金屬的加熱膨脹當(dāng)溫度升高時，右邊自由振動的原子的振幅增大。由于勢能曲線w的不對稱性，使得向左振動時動能很快全部轉(zhuǎn)化為勢能，振幅??；向右振動時，經(jīng)過很大振幅才能使動能轉(zhuǎn)化為勢能。溫升時，振動劇烈勢能按W1W2W3W4變化，原子平衡位置將安R1R2R3R4，可見將發(fā)生膨脹。但是只改變原子間距不改變相當(dāng)位置。在任何時刻總有些原子能量高于平均能量，而另一些原子能量低于平均能量，稱此

7、為能量起伏隨著溫度的升高，能量起伏增大，其中一部分能量大的原子可能越過勢壘跳到周圍原子之間的空隙中，使原來的位置成為空穴。同時空穴周圍的原子也可以進入空穴中，就使空穴發(fā)生”移動”?？昭ㄊ紫葟慕饘俦砻娈a(chǎn)生，向內(nèi)部擴散。溫度越高，能量起伏越大，離位原子和空穴數(shù)量越多，是金屬發(fā)生膨脹。所以原子間距增大和空穴的產(chǎn)生是造成膨脹的根本原因。三、金屬的熔化金屬的熔化首先是從晶界開始的。晶界上原子排列相對不規(guī)則，離位原子多，勢能大。隨著溫度的升高，在外力的作用下，這些原子作定向運動，造成晶粒之間的相對滑動。當(dāng)溫度達到熔點時，金屬晶粒逐漸被瓦解，金屬體積膨脹；此時金屬進一步吸收熔