材料成形理论基础
华中科技大学材料学院 教师：吴树森，柳玉起，余圣甫等
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第一篇 液态成形理论基础
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液态成形理论基础 液态成形中的流动和传热 液态金属的凝固形核及生长方式 单相合金与多相合金的凝固 铸件凝固组织的形成与控制 特殊条件下的凝固
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水凝结成雪花晶体
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Schematic of thermoplastic Injection molding machine
塑料注射成型后的凝固
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液体金属 （钢水） 浇注后凝 固成固体
金属
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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）具体合金的结晶方式——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）
理论基础
物理化学、金属学、传热学、传质学和动量 传输学。
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研究内容
液态金属的结构和性质、晶体的生核和长大、 宏观组织及其控制、凝固缺陷的成因及防止方法。
影响液态金属凝固过程的最主要因素是化学成 分。
第二个主要的因素是凝固速度。这是一个重要 的外在的工艺因素。
液态金属的结构和性质、冶金处理（如孕育、 球化、变质等）、外力（如电磁力、离心力、重力 等）也能对凝固过程产生重大的影响。
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凝固技术发展历程
最古老的艺术、技术之一 —— 冶铸技术 合金配制、凝固控制、组织控制
我国在夏朝已进入青铜器时代。商朝青铜器铸造已 很发达。司母戊方鼎是当时最大的青铜器。图案、文字 俱全,铸造相当精美。 曾候乙青铜器编钟，是距今2400 多年前战国初期铸造的。
战国时期的《考工记》记载：“金有六齐：六分其 金，而锡居其一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居其 一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡居其一，谓这戈戟 之齐；三分其金，而锡居其一，谓之大刃之齐；五分其 金，而锡居其二，谓之削杀矢之齐；金，锡半，谓之鉴 燧之齐”。是世界上最早的合金配比规律。
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20世纪60年代后，研究的重点在经典理论的应用， 出现了快速凝固、定向凝固、等离子熔化技术、激光表 面重熔技术、半固态铸造、扩散铸造。调压铸造等凝固 技术和材料成型方法。
其后，对凝固过程的认识逐渐从经验主义中摆脱出 来。大野笃美提出了晶粒游离和晶粒增殖的理论。通过 计算机定量地描述液态金属的凝固过程，对凝固组织和 凝固缺陷进行预测，在此基础上，出现了许多新的凝固 理论和模型。它们将温度场、应力场、流动场耦合起来 进行研究，其结果更接近于实际。国际国内已出现了许 多商品化的凝固模拟软件，它们在科研和生产中发挥着 重要作用。
液态比其从室温加热至熔点的熵变要小。 熵值变化是系统结构紊乱性变化的量度。 金属由固态变为液态熵值增加不大，说明 原子在固态时的规则排列熔化后紊乱程度 不大。这也间接说明液态金属的结构应接 近固体金属而远离气态金属。原子之间仍 然具有很高的结合能。
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X射线衍射分析 图1-5是由X射线衍射结果整
在固体中原子被束缚在晶格结点上，其振动频率约为1013 次/s。
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液态金属
液态金属中的原子和固态时一样， 均不能自由运动，围绕着平衡结点位 置进行振动，但振动的能量和频率要 比固态原子高几百万倍。
液态金属宏观上呈正电性，具有 良好导电、导热和流动性。
固体可以是非晶体也可以是晶体， 而液态金属则几乎总是非晶体 。
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第一章 液体金属的结构和性质 （Structure and Property of
Liquid Metal)
凝固：物质从液态转变成固态的相变过程。 主要研究对象——液体金属
液态金属凝固学就是研究液态金属转变
成固态金属这一过程的理论和技术。包括定
性和定量地研究其内在联系和规律；研究新
的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或
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§1-1 材料的固液转变
H2O的 “三态”转变
图1-2 H2O的压编力辑－pp温t 度相图
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固态金属
按原子聚集形态分为晶体与非晶体。
晶体
凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。
单晶体
在晶体中所有原子排列位向相同者称为单晶体
多晶体
大多数金属通常是由Байду номын сангаас向不同的小单晶（晶粒）组成，属 于多晶体。
开发新的金属材料成型工艺。
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凝固现象的广泛性：
自然界的物质通常存在三种状态，即 气态、液态和固态。在一定的条件下，物 质可以在三种状态之间转变。物质从液态 转变成固态的过程就是凝固。这是从宏观 上的定义。从微观上看，可以定义为物质 原子或分子从较为激烈运动的状态转变为 规则排列的状态的过程。
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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 仍有一定的规律性。
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
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凝固学与材料成形
液态成形：凝固过程对铸件的质量起着关键的作用。 连接成形：焊接的质量在很大程度上由焊缝的凝固特 性来决定，研究焊缝的凝固规律已成为重要的理论课题。 塑性成形：与液态金属凝固无直接关系，但有重要的 间接关系。凝固组织，特别是凝固过程中形成的夹杂、裂 纹、偏析等对塑性成形会造成严重的后果。 金属切削：成形所用的坯料，都是熔化和凝固后的产 品。 粉末成形：是冶金学的一个分支，粉末是经熔化和凝 固而成的。
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表1-1 一些金属在熔化和汽化时的热物性质变化
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这就可以认为金属由固态变成液态时，原子结合键 只破坏一个很小的百分数，只不过它的熔化熵相对 于固态时的熵值有较多的增加，表明液态中原子热 运动的混乱程度，与固态相比有所增大。
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§2-2 液态金属的结构与分 金属由熔点温度析的固态变为同温度的
理而得的原子密度分布曲 线。
横坐标为观测点至某一任 意选定的原子（参考中心） 的距离，对于三维空间， 它相当于以所选原子为球 心的一系列球体的半径。