金属液态成型原理.docx

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金属液态成型原理

金属液态成型原理

内容简介

《金属液态成型原理》共10章，书中系统阐述了材料热加工过程中金属液态成形的基本原理。

第1章是液态金属的结构和性质，第2章是金属凝固过程的传热，第3章是液态金属凝固热力学及动力学，第4章是单相及多相合金的结晶，第5章是金属凝固组织的控制，第6章是凝固新技术，第7章是合金中的成分偏析，第8章是气孔与夹杂，第9章是缩孔与缩松，第10章是铸造应力、变形及裂纹。

《金属液态成型原理》是普通高等学校“材料成形与控制工程专业”液态成形（铸造）方向本科生用的教材，同时也可作为材料加工液态成形方向研究生的参考书，还可作为金属材料工程、热加工以及机械等工程专业师生和工程技术人员的参考用书。

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0绪论1

0.1金属的液态成形与凝固的关系1

0.2凝固过程研究的对象1

0.3凝固理论的研究进展2

第1章液态金属的结构和性质4

1.1固体金属的加热、熔化4

1.1.1晶体的定义与结构4

1.1.2金属的加热膨胀4

1.1.3金属的熔化6

1.2液态金属的结构6

1.2.1液态金属的热物理性质7

1.2.1.1体积和熵值的变化7

1.2.1.2熔化潜热与汽化潜热7

1.2.2X射线结构分析7

1.2.3液态金属的结构8

1.2.3.1纯金属液态结构8

1.2.3.2实际金属液态结构9

1.2.4PY理论10

1.3液态金属的性质12

1.3.1液态金属的黏滞性12

1.3.1.1液态金属黏滞性的基本概念13

1.3.1.2黏滞性（黏度）在材料成形过程中的意义14

1.3.2液态金属的表面张力15

1.3.2.1表面张力的基本概念和实质15

1.3.2.2影响表面张力的因素17

1.3.2.3毛细现象及表面张力引起的附加压力19

1.3.2.4表面张力在材料成形中的意义20

1.4液态金属的充型能力21

1.4.1液态金属充型能力的基本概念21

1.4.1.1充型能力的定义及其他相关名词21

1.4.1.2液态金属流动性测试方法22

1.4.2液态金属停止流动的机理与充型能力22

1.4.2.1液态金属停止流动的机理22

1.4.2.2液态金属的充型能力24

1.4.3影响充型能力的因素27

1.4.3.1金属性质方面的因素27

1.4.3.2铸型性质方面的因素29

1.4.3.3浇注条件方面的因素30

1.4.3.4铸件结构方面的因素31

1.5液体金属中的流动31

1.5.1自然对流和强迫对流31

1.5.2凝固过程液相区液态金属的流动

1.5.3液态金属对流对凝固组织的影响33

习题与思考题34

第2章金属凝固过程的传热35

2.1概述35

2.1.1热量传递的基本方式35

2.1.2铸造过程中的热交换35

2.2导热基本定律36

2.2.1温度场36

2.2.1.1概念36

2.2.1.2等温面及等温线36

2.2.2傅里叶定律36

2.2.3导热微分方程37

2.3凝固温度场的求解方法39

2.3.1方法介绍39

2.3.2铸件凝固温度场的解析解法39

2.3.3半无限大物体的非稳态导热解析法

2.3.4测温法43

2.3.5影响铸件温度场的因素43

2.3.5.1金属性质的影响43

2.3.5.2铸型性质的影响43

2.3.5.3浇注条件t浇44

2.3.5.4铸件结构的影响44

2.4不同界面热阻条件下温度场46

2.4.1概述46

2.4.1.1热阻46

2.4.1.2

32

41

多层板的热阻46

2.4.2铸件在非金属型中凝固48

2.4.3金属型铸造凝固48

2.5铸件的凝固方式及其对铸件质量的影响49

2.5.1凝固动态曲线49

2.5.2凝固区域及其结构49

2.5.3铸件的凝固方式及其影响因素51

2.5.3.1凝固方式51

2.5.3.2影响凝固方式的因素52

2.6合金凝固方式与铸件质量的关系52

2.6.1窄结晶温度范围的合金52

2.6.2宽结晶温度范围的合金53

2.6.3中等结晶温度范围的合金54

2.7无限大平板铸件的凝固时间计算54

2.7.1理论计算法54

2.7.2经验公式法55习题与思考题56

第3章液态金属凝固热力学及动力学57

3.1凝固热力学57

3.1.1液固相变驱动力57

3.1.2曲率、压力对金属平衡结晶温度的影响59

3.1.2.1曲率对金属平衡结晶温度的影响59

3.1.2.2压力对物质熔点的影响59

3.2自发形核过程60

3.2.1液态金属的结晶过程60

3.2.2自发形核形核功61

3.2.3自发形核形核率62

3.3非自发形核过程64

3.3.1非自发形核形核功64

3.3.2非自发形核的形核条件66

3.4晶核的生长67

3.4.168

3.4.2粗糙界面与光滑界面69

3.5晶体的生长方式及生长速度70

3.5.1晶体的生长方式70

3.5.2晶体的生长速度70

3.5.2.1连续生长71

3.5.2.2二维生核生长72

3.5.2.3沿螺型位错生长72

3.5.3晶体的生长方向和生长表面73

习题与思考题74

第4章单相及多相合金的结晶75

4.1凝固过程中的质量传输75

4.1.1溶质分配方程75

4.1.1.1扩散第一定律75

4.1.1.2扩散第二定律75

4.1.2凝固传质过程的有关物理量76

4.1.2.1扩散系数D76

4.1.2.2溶质平衡分配系数k076

4.1.2.3液相线斜率mL77

4.1.2.4液相温度梯度GL77

4.1.3

77

78

稳定态扩散（溶质传输）过程的一般性质

4.1.3.1稳定态定向凝固特征微分方程的通解

4.1.3.2固液界面处的溶质平衡78

4.1.3.378

4.2单相合金的凝固79

4.2.1溶质再分配现象的产生79

4.2.2平衡凝固时的溶质再分配80

4.2.3非平衡凝固时的溶质再分配81

4.2.3.1固相无扩散，液相充分扩散时的溶质再分配81

4.2.3.2固相无扩散，液相只有有限扩散的溶质再分配83

4.2.3.3固相无扩散、液相存在部分混合时的溶质再分配85

4.3成分过冷的产生87

4.3.1溶质富集引起界面前方熔体凝固温度的变化87

4.3.2热过冷与成分过冷88

4.3.3成分过冷判据88

4.4界面前方过冷状态对凝固过程的影响90

4.4.1热过冷对纯金属结晶过程的影响90

4.4.2成分过冷对一般单相合金结晶过程的影响91

4.4.3凝固参数和微观组织形态之间的关系96

4.5多相合金的凝固97

4.5.1共晶合金的凝固97

4.5.1.1共晶组织的分类与特点97

4.5.1.2规则共晶的凝固99

4.5.1.3102

4.5.1.4离异生长及离异共晶105

4.5.2偏晶合金的凝固106

4.5.2.1偏晶合金大体积的凝固106

4.5.2.2偏晶合金的单向凝固106

4.5.3包晶合金的凝固107

4.5.3.1平衡凝固107

4.5.3.2非平衡凝固107

习题与思考题109

第5章金属凝固组织的形成与控制111

5.1铸件宏观凝固组织的形成及其影响因素111

5.1.1铸件宏观凝固组织的特征111

5.1.2晶粒游离的产生111

5.1.2.1

111

液态金属流动对结晶中晶粒游离过程的作用

5.1.2.2铸件结晶中的晶粒游离112

5.1.3表面细晶粒区的形成114

5.1.4柱状晶区的形成115

5.1.5内部等轴晶区的形成116

5.1.5.1关于等轴晶晶核的来源116

5.1.5.2关于等轴晶区的形成过程116

5.2铸件宏观凝固组织的控制117

5.2.1铸件凝固组织对铸件质量和性能的影响117

5.2.2等轴晶组织的获得和细化118

5.2.2.1合理控制热学条件118

5.2.2.2孕育处理与变质处理120

5.2.2.3动态晶粒细化124

5.2.2.4等轴晶枝晶间距的控制125

习题与思考题125

第6章凝固新技术126

6.1定向凝固126

6.1.1定向凝固的理论基础126

6.1.1.1定向凝固技术的工艺参数126

6.1.1.2成分过冷理论与界面稳定性理论127

6.1.2非平衡条件下的定向凝固128

6.1.2.1非平衡凝固时的溶质分配系数128

6.1.2.2非平衡定向凝固的界面形态选择128

6.1.3定向凝固技术及其应用130

6.1.3.1传统的定向凝固技术130

6.1.3.2新型定向凝固技术132

6.1.3.3定向凝固技术的应用133

6.2快速凝固135

6.2.1快速凝固技术简介135

6.2.1.1急冷凝固技术136

6.2.1.2深过冷法137

6.2.2快速凝固方法137

6.2.2.1急冷快速凝固方法137

6.2.2.2深过冷快速凝固方法138

6.2.2.3表面快速熔凝技术140

6.2.2.4喷射成型技术141

6.2.2.5表面沉积技术141

6.2.3快速凝固显微组织141

6.2.4金属玻璃146

6.2.4.1金属玻璃的基本概念146

6.2.4.2容易形成金属玻璃的合金系147

6.2.4.3金属玻璃的性能特点147

6.3超常凝固147

6.3.1微重力下的凝固148

6.3.2微重力实验环境的获得148

6.3.3声悬浮下的凝固149

6.3.3.1声悬浮技术简介150

6.3.3.2声悬浮理论151

6.3.3.3声悬浮凝固组织152

6.3.4高压凝固153

6.3.4.1压力对凝固参数的影响153

6.3.4.2高压下的非晶形成155

6.3.4.3高压下的纳米晶的形成155

6.4物理场作用下的凝固156

6.4.1电脉冲作用下的凝固156

6.4.1.1液相线以上电脉冲处理机理156

6.4.1.2液固两相区内电脉冲处理机理探讨156

6.4.1.3电脉冲作用下的凝固组织157

6.4.2电场作用下的凝固157

6.4.2.1

157

连续电流作用下合金熔体凝固组织研究结果

6.4.2.2连续电流对凝固组织的作用机制158

6.4.3超声波作用下的凝固159

6.4.3.1超声波对液体的作用机理159

6.4.3.2超声波对金属凝固组织的作用160

6.5半固态金属的凝固161

6.5.1半固态凝固技术简介161

6.5.2半固态金属的特性及形成机理161

6.5.2.1半固态金属的特性161

6.5.2.2半固态金属的形成机理162

6.5.3半固态铸造162

6.5.3.1半固态金属原料的制备162

6.5.3.2半固态金属铸造的特点及方法163

习题与思考题165

第7章合金中的成分偏析166

7.1微观偏析166

7.1.1晶内偏析167

7.1.1.1晶内偏析的影响因素167

7.1.1.2晶内偏析的预防与消除169

7.1.2晶界偏析170

7.2宏观偏析171

7.2.1正常偏析172

7.2.2逆偏析173

7.2.3V型和逆V型偏析173

7.2.4带状偏析174

7.2.5重力偏析174

习题与思考题175

第8章气孔和夹杂176

8.1气孔176

8.1.1金属中气体的来源及种类176

8.1.1.1金属中气体的来源176

8.1.1.2

铁和钢中的气体177

8.1.1.3

铝及铝合金中的气体

177

8.1.1.4

镁及镁合金中的气体

177

8.1.1.5

铜及铜合金中的气体

177

8.1.2

铸件中气孔的分类及特征

177

8.1.2.1

反应性气孔177

8.1.2.2

侵入性气孔178

8.1.2.3

析出性气孔178

8.1.3

气孔的形成过程179

8.1.3.1

经典形核理论179

8.1.3.2

非经典形核理论182

8.1.4

防止气孔形成的措施186

8.1.4.1

防止侵入气孔的措施

186

8.1.4.2

防止析出气孔的措施

186

8.1.4.3

防止反应气孔的措施

187

8.1.4.4

防止卷入气孔的措施

187

8.2夹杂187

8.2.1夹杂物的来源及分类188

8.2.1.1夹杂物的来源188

8.2.1.2夹杂物的分类188

8.2.2非金属夹杂物的形成过程189

8.2.2.1

189

非金属夹杂物形成的热力学条件

8.2.2.2初生夹杂物的形成过程191

8.2.2.3二次氧化夹杂物的形成过程196

8.2.2.4次生夹杂物的形成过程197

8.2.3非金属夹杂物的去除197

8.2.3.1气体搅拌197

8.2.3.2电磁净化198

8.2.3.3氯盐精炼法199

8.2.3.4熔剂净化法199

8.2.3.5化学法199

8.2.3.6过滤器199习题与思考题199

第9章缩孔和缩松200

9.1金属收缩的概念200

9.1.1液态收缩201

9.1.2凝固收缩201

9.1.3固态收缩203

9.1.4铸件的收缩205

9.2缩孔与缩松的形成机理206

9.2.1缩孔207

9.2.1.1缩孔的形成207

9.2.1.2缩孔的容积207

9.2.1.3缩孔位置的确定209

9.2.2缩松210

9.2.2.1缩松的形成211

9.2.2.2缩孔和缩松的相互转化214

9.2.3灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松

9.3防止铸件产生缩孔和缩松的途径217

9.3.1顺序凝固和同时凝固217

9.3.1.1顺序凝固217

9.3.1.2同时凝固219

9.3.2浇注系统的引入位置及浇注工艺220

9.3.3冒口、补贴和冷铁的应用221

9.3.4加压补缩221习题与思考题221

第10章铸造应力、变形和裂纹222

10.1概述222

10.2铸造应力223

10.2.1铸造应力的分类223

10.2.2应力的形成223

10.2.2.1热应力的形成223

10.2.2.2相变应力的形成224

10.2.2.3机械阻碍应力的形成225

10.2.3控制应力的措施225

10.2.3.1形成铸造应力的影响因素225

10.2.3.2减小应力的途径225

10.2.3.3消除残余应力的方法226

10.3变形226

10.3.1变形的种类227

10.3.2控制变形的措施227

10.4铸造中的裂纹228

10.4.1铸造中的热裂纹的形成与控制228

10.4.1.1热裂纹的分类及特征228

10.4.1.2热裂纹的形成机理228

10.4.1.3热裂纹的影响因素231

10.4.1.4合金因素的影响231

10.4.1.5

232

工艺因素对热裂纹的影响

10.4.1.6防止热裂纹的措施232

10.4.2冷裂纹232

习题与思考题234

参考文献235