金屬液態(tài)成型原理

0 緒論1
0.1 金屬的液態(tài)成形與凝固的關(guān)系1
0.2 凝固過程研究的對象1
0.3 凝固理論的研究進展2
第1章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)4
1.1 固體金屬的加熱、熔化4
1.1.1 晶體的定義與結(jié)構(gòu)4
1.1.2 金屬的加熱膨脹4
1.1.3 金屬的熔化6
1.2 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)6
1.2.1 液態(tài)金屬的熱物理性質(zhì)7
1.2.1.1 體積和熵值的變化7
1.2.1.2 熔化潛熱與汽化潛熱7
1.2.2 X射線結(jié)構(gòu)分析7
1.2.3 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)8
1.2.3.1 純金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)8
1.2.3.2 實際金屬液態(tài)結(jié)構(gòu)9
1.2.4 液態(tài)金屬理論結(jié)構(gòu)模型鋼球模型與PY理論10
1.3 液態(tài)金屬的性質(zhì)12
1.3.1 液態(tài)金屬的黏滯性12
1.3.1.1 液態(tài)金屬黏滯性的基本概念13
1.3.1.2 黏滯性（黏度）在材料成形過程中的意義14
1.3.2 液態(tài)金屬的表面張力15
1.3.2.1 表面張力的基本概念和實質(zhì)15
1.3.2.2 影響表面張力的因素17
1.3.2.3 毛細現(xiàn)象及表面張力引起的附加壓力19
1.3.2.4 表面張力在材料成形中的意義20
1.4 液態(tài)金屬的充型能力21
1.4.1 液態(tài)金屬充型能力的基本概念21
1.4.1.1 充型能力的定義及其他相關(guān)名詞21
1.4.1.2 液態(tài)金屬流動性測試方法22
1.4.2 液態(tài)金屬停止流動的機理與充型能力22
1.4.2.1 液態(tài)金屬停止流動的機理22
1.4.2.2 液態(tài)金屬的充型能力24
1.4.3 影響充型能力的因素27
1.4.3.1 金屬性質(zhì)方面的因素27
1.4.3.2 鑄型性質(zhì)方面的因素29
1.4.3.3 澆注條件方面的因素30
1.4.3.4 鑄件結(jié)構(gòu)方面的因素31
1.5 液體金屬中的流動31
1.5.1 自然對流和強迫對流31
1.5.2 凝固過程液相區(qū)液態(tài)金屬的流動32
1.5.3 液態(tài)金屬對流對凝固組織的
影響33
習題與思考題34
第2章 金屬凝固過程的傳熱35
2.1 概述35
2.1.1 熱量傳遞的基本方式35
2.1.2 鑄造過程中的熱交換35
2.2 導(dǎo)熱基本定律36
2.2.1 溫度場36
2.2.1.1 概念36
2.2.1.2 等溫面及等溫線36
2.2.2 傅里葉定律36
2.2.3 導(dǎo)熱微分方程37
2.3 凝固溫度場的求解方法39
2.3.1 方法介紹39
2.3.2 鑄件凝固溫度場的解析解法39
2.3.3 半無限大物體的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱解析法41
2.3.4 測溫法43
2.3.5 影響鑄件溫度場的因素43
2.3.5.1 金屬性質(zhì)的影響43
2.3.5.2 鑄型性質(zhì)的影響43
2.3.5.3 澆注條件t澆44
2.3.5.4 鑄件結(jié)構(gòu)的影響44
2.4 不同界面熱阻條件下溫度場46
2.4.1 概述46
2.4.1.1 熱阻46
2.4.1.2 多層板的熱阻46
2.4.2 鑄件在非金屬型中凝固48
2.4.3 金屬型鑄造凝固48
2.5 鑄件的凝固方式及其對鑄件質(zhì)量的影響49
2.5.1 凝固動態(tài)曲線49
2.5.2 凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)49
2.5.3 鑄件的凝固方式及其影響因素51
2.5.3.1 凝固方式51
2.5.3.2 影響凝固方式的因素52
2.6 合金凝固方式與鑄件質(zhì)量的關(guān)系52
2.6.1 窄結(jié)晶溫度范圍的合金52
2.6.2 寬結(jié)晶溫度范圍的合金53
2.6.3 中等結(jié)晶溫度范圍的合金54
2.7 無限大平板鑄件的凝固時間計算54
2.7.1 理論計算法54
2.7.2 經(jīng)驗公式法55
習題與思考題56
第3章 液態(tài)金屬凝固熱力學及動力學57
3.1 凝固熱力學57
3.1.1 液固相變驅(qū)動力57
3.1.2 曲率、壓力對金屬平衡結(jié)晶溫度的影響59
3.1.2.1 曲率對金屬平衡結(jié)晶溫度的影響59
3.1.2.2 壓力對物質(zhì)熔點的影響59
3.2 自發(fā)形核過程60
3.2.1 液態(tài)金屬的結(jié)晶過程60
3.2.2 自發(fā)形核形核功61
3.2.3 自發(fā)形核形核率62
3.3 非自發(fā)形核過程64
3.3.1 非自發(fā)形核形核功64
3.3.2 非自發(fā)形核的形核條件66
3.4 晶核的生長67
3.4.1 液固界面的結(jié)構(gòu)及其影響因素68
3.4.2 粗糙界面與光滑界面69
3.5 晶體的生長方式及生長速度70
3.5.1 晶體的生長方式70
3.5.2 晶體的生長速度70
3.5.2.1 連續(xù)生長71
3.5.2.2 二維生核生長72
3.5.2.3 沿螺型位錯生長72
3.5.3 晶體的生長方向和生長表面73
習題與思考題74
第4章 單相及多相合金的結(jié)晶75
4.1 凝固過程中的質(zhì)量傳輸75
4.1.1 溶質(zhì)分配方程75
4.1.1.1 擴散第一定律75
4.1.1.2 擴散第二定律75
4.1.2 凝固傳質(zhì)過程的有關(guān)物理量76
4.1.2.1 擴散系數(shù)D76
4.1.2.2 溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k076
4.1.2.3 液相線斜率mL77
4.1.2.4 液相溫度梯度GL77
4.1.3 穩(wěn)定態(tài)擴散（溶質(zhì)傳輸）過程的一般性質(zhì)77
4.1.3.1 穩(wěn)定態(tài)定向凝固特征微分方程的通解78
4.1.3.2 固液界面處的溶質(zhì)平衡78
4.1.3.3 遠離固液界面的液體成分78
4.2 單相合金的凝固79
4.2.1 溶質(zhì)再分配現(xiàn)象的產(chǎn)生79
4.2.2 平衡凝固時的溶質(zhì)再分配80
4.2.3 非平衡凝固時的溶質(zhì)再分配81
4.2.3.1 固相無擴散，液相充分擴散時的溶質(zhì)再分配81
4.2.3.2 固相無擴散，液相只有有限擴散的溶質(zhì)再分配83
4.2.3.3 固相無擴散、液相存在部分混合時的溶質(zhì)再分配85
4.3 成分過冷的產(chǎn)生87
4.3.1 溶質(zhì)富集引起界面前方熔體凝固溫度的變化87
4.3.2 熱過冷與成分過冷88
4.3.3 成分過冷判據(jù)88
4.4 界面前方過冷狀態(tài)對凝固過程的影響90
4.4.1 熱過冷對純金屬結(jié)晶過程的影響90
4.4.2 成分過冷對一般單相合金結(jié)晶過程的影響91
4.4.3 凝固參數(shù)和微觀組織形態(tài)之間的關(guān)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 共晶組織的分類與特點97
4.5.1.2 規(guī)則共晶的凝固99
4.5.1.3 非小平面小平面共晶合金的結(jié)晶102
4.5.1.4 離異生長及離異共晶105
4.5.2 偏晶合金的凝固106
4.5.2.1 偏晶合金大體積的凝固106
4.5.2.2 偏晶合金的單向凝固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
習題與思考題109
第5章 金屬凝固組織的形成與控制111
5.1 鑄件宏觀凝固組織的形成及其影響因素111
5.1.1 鑄件宏觀凝固組織的特征111
5.1.2 晶粒游離的產(chǎn)生111
5.1.2.1 液態(tài)金屬流動對結(jié)晶中晶粒游離過程的作用111
5.1.2.2 鑄件結(jié)晶中的晶粒游離112
5.1.3 表面細晶粒區(qū)的形成114
5.1.4 柱狀晶區(qū)的形成115
5.1.5 內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成116
5.1.5.1 關(guān)于等軸晶晶核的來源116
5.1.5.2 關(guān)于等軸晶區(qū)的形成過程116
5.2 鑄件宏觀凝固組織的控制117
5.2.1 鑄件凝固組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響117
5.2.2 等軸晶組織的獲得和細化118
5.2.2.1 合理控制熱學條件118
5.2.2.2 孕育處理與變質(zhì)處理120
5.2.2.3 動態(tài)晶粒細化124
5.2.2.4 等軸晶枝晶間距的控制125
習題與思考題125
第6章 凝固新技術(shù)126
6.1 定向凝固126
6.1.1 定向凝固的理論基礎(chǔ)126
6.1.1.1 定向凝固技術(shù)的工藝參數(shù)126
6.1.1.2 成分過冷理論與界面穩(wěn)定性理論127
6.1.2 非平衡條件下的定向凝固128
6.1.2.1 非平衡凝固時的溶質(zhì)分配系數(shù)128
6.1.2.2 非平衡定向凝固的界面形態(tài)選擇128
6.1.3 定向凝固技術(shù)及其應(yīng)用130
6.1.3.1 傳統(tǒng)的定向凝固技術(shù)130
6.1.3.2 新型定向凝固技術(shù)132
6.1.3.3 定向凝固技術(shù)的應(yīng)用133
6.2 快速凝固135
6.2.1 快速凝固技術(shù)簡介135
6.2.1.1 急冷凝固技術(shù)136
6.2.1.2 深過冷法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 深過冷快速凝固方法138
6.2.2.3 表面快速熔凝技術(shù)140
6.2.2.4 噴射成型技術(shù)141
6.2.2.5 表面沉積技術(shù)141
6.2.3 快速凝固顯微組織141
6.2.4 金屬玻璃146
6.2.4.1 金屬玻璃的基本概念146
6.2.4.2 容易形成金屬玻璃的合金系147
6.2.4.3 金屬玻璃的性能特點147
6.3 超常凝固147
6.3.1 微重力下的凝固148
6.3.2 微重力實驗環(huán)境的獲得148
6.3.3 聲懸浮下的凝固149
6.3.3.1 聲懸浮技術(shù)簡介150
6.3.3.2 聲懸浮理論151
6.3.3.3 聲懸浮凝固組織152
6.3.4 高壓凝固153
6.3.4.1 壓力對凝固參數(shù)的影響153
6.3.4.2 高壓下的非晶形成155
6.3.4.3 高壓下的納米晶的形成155
6.4 物理場作用下的凝固156
6.4.1 電脈沖作用下的凝固156
6.4.1.1 液相線以上電脈沖處理機理156
6.4.1.2 液固兩相區(qū)內(nèi)電脈沖處理機理探討156
6.4.1.3 電脈沖作用下的凝固組織157
6.4.2 電場作用下的凝固157
6.4.2.1 連續(xù)電流作用下合金熔體凝固組織研究結(jié)果157
6.4.2.2 連續(xù)電流對凝固組織的作用機制158
6.4.3 超聲波作用下的凝固159
6.4.3.1 超聲波對液體的作用機理159
6.4.3.2 超聲波對金屬凝固組織的作用160
6.5 半固態(tài)金屬的凝固161
6.5.1 半固態(tài)凝固技術(shù)簡介161
6.5.2 半固態(tài)金屬的特性及形成機理161
6.5.2.1 半固態(tài)金屬的特性161
6.5.2.2 半固態(tài)金屬的形成機理162
6.5.3 半固態(tài)鑄造162
6.5.3.1 半固態(tài)金屬原料的制備162
6.5.3.2 半固態(tài)金屬鑄造的特點及方法163
習題與思考題165
第7章 合金中的成分偏析166
7.1 微觀偏析166
7.1.1 晶內(nèi)偏析167
7.1.1.1 晶內(nèi)偏析的影響因素167
7.1.1.2 晶內(nèi)偏析的預(yù)防與消除169
7.1.2 晶界偏析170
7.2 宏觀偏析171
7.2.1 正常偏析172
7.2.2 逆偏析173
7.2.3 V型和逆V型偏析173
7.2.4 帶狀偏析174
7.2.5 重力偏析174
習題與思考題175
第8章 氣孔和夾雜176
8.1 氣孔176
8.1.1 金屬中氣體的來源及種類176
8.1.1.1 金屬中氣體的來源176
8.1.1.2 鐵和鋼中的氣體177
8.1.1.3 鋁及鋁合金中的氣體177
8.1.1.4 鎂及鎂合金中的氣體177
8.1.1.5 銅及銅合金中的氣體177
8.1.2 鑄件中氣孔的分類及特征177
8.1.2.1 反應(yīng)性氣孔177
8.1.2.2 侵入性氣孔178
8.1.2.3 析出性氣孔178
8.1.3 氣孔的形成過程179
8.1.3.1 經(jīng)典形核理論179
8.1.3.2 非經(jīng)典形核理論182
8.1.4 防止氣孔形成的措施186
8.1.4.1 防止侵入氣孔的措施186
8.1.4.2 防止析出氣孔的措施186
8.1.4.3 防止反應(yīng)氣孔的措施187
8.1.4.4 防止卷入氣孔的措施187
8.2 夾雜187
8.2.1 夾雜物的來源及分類188
8.2.1.1 夾雜物的來源188
8.2.1.2 夾雜物的分類188
8.2.2 非金屬夾雜物的形成過程189
8.2.2.1 非金屬夾雜物形成的熱力學條件189
8.2.2.2 初生夾雜物的形成過程191
8.2.2.3 二次氧化夾雜物的形成過程196
8.2.2.4 次生夾雜物的形成過程197
8.2.3 非金屬夾雜物的去除197
8.2.3.1 氣體攪拌197
8.2.3.2 電磁凈化198
8.2.3.3 氯鹽精煉法199
8.2.3.4 熔劑凈化法199
8.2.3.5 化學法199
8.2.3.6 過濾器199
習題與思考題199
第9章 縮孔和縮松200
9.1 金屬收縮的概念200
9.1.1 液態(tài)收縮201
9.1.2 凝固收縮201
9.1.3 固態(tài)收縮203
9.1.4 鑄件的收縮205
9.2 縮孔與縮松的形成機理206
9.2.1 縮孔207
9.2.1.1 縮孔的形成207
9.2.1.2 縮孔的容積207
9.2.1.3 縮孔位置的確定209
9.2.2 縮松210
9.2.2.1 縮松的形成211
9.2.2.2 縮孔和縮松的相互轉(zhuǎn)化214
9.2.3 灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件的縮孔和縮松215
9.3 防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑217
9.3.1 順序凝固和同時凝固217
9.3.1.1 順序凝固217
9.3.1.2 同時凝固219
9.3.2 澆注系統(tǒng)的引入位置及澆注工藝220
9.3.3 冒口、補貼和冷鐵的應(yīng)用221
9.3.4 加壓補縮221
習題與思考題221
第10章 鑄造應(yīng)力、變形和裂紋222
10.1 概述222
10.2 鑄造應(yīng)力223
10.2.1 鑄造應(yīng)力的分類223
10.2.2 應(yīng)力的形成223
10.2.2.1 熱應(yīng)力的形成223
10.2.2.2 相變應(yīng)力的形成224
10.2.2.3 機械阻礙應(yīng)力的形成225
10.2.3 控制應(yīng)力的措施225
10.2.3.1 形成鑄造應(yīng)力的影響因素225
10.2.3.2 減小應(yīng)力的途徑225
10.2.3.3 消除殘余應(yīng)力的方法226
10.3 變形226
10.3.1 變形的種類227
10.3.2 控制變形的措施227
10.4 鑄造中的裂紋228
10.4.1 鑄造中的熱裂紋的形成與控制228
10.4.1.1 熱裂紋的分類及特征228
10.4.1.2 熱裂紋的形成機理228
10.4.1.3 熱裂紋的影響因素231
10.4.1.4 合金因素的影響231
10.4.1.5 工藝因素對熱裂紋的影響232
10.4.1.6 防止熱裂紋的措施232
10.4.2 冷裂紋232
習題與思考題234
參考文獻235