绪论--材料成型原理--ytzhangppt课件.ppt

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1、材料成型原理-液态成形理论基础凝固现象什么是凝固？宏观上：物质从液态转变成固态的过程微观上：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程凝固现象广泛存在于自然界和工程领域。水的结冰火山熔岩的固化绪论水凝结成雪花晶体工程领域各种铸件的生产焊接熔池凝固锻件所需的钢坯、钢锭都要经历凝固6缸小轿车的发动机壳体6缸小轿车的内部结构钢坯的凝固船用发动机2万吨级船用螺旋桨船用发动机曲轴三峡水轮机转轮总重450t直径10m曲拐毛坯精加工后的曲拐大型船用曲轴按材料的功能分类大亚湾核电站奥运金镛（青铜钟）在武汉铸造成功2007年08月10日几乎一切金属制品在其生产

2、流程中都要经历一次或一次以上的凝固过程。因此，金属的凝固理论和实践远远超出了单纯的铸造学科的范畴，它已经成为冶金材料学科共同关心的课题，并影响这些学科的发展。单晶、非晶材料的制取都伴随着凝固现象。总之，凝固与材料制备及研发息息相关凝固及其与材料的关系凝固及其与材料的关系液态凝固成形理论研究内容液态金属转变成固态这一凝固过程的理论及技术，定性特别是定量地揭示其内在联系和理论；阐述液态金属的结构和性质；晶体的形核长大；宏观凝固组织及其控制；开拓新的凝固技术和工艺以提高金属材料的性能或开发新的金属材料成型工艺。主要研究对象——液体金属主要学习内

3、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）凝固过程中的传热、传质与液体的流动（4）具体合金的结晶方式——单相结晶、共晶（5）凝固组织控制、缺陷防止成分、工艺、组织、性能与使用性能称为材料科学与工程的四个基本要素。在这四大要素中，材料的制备工艺起关键作用，它能保证材料的成分和组织，达到需求材料的性能和使用性能。研究与发展材料的目的在于应用，材料又必须通过合理的工艺流程才能制备出具有合理价格与实用价值的工程材料。成分组织工艺性能成分-结构-工艺-性能四面体模型影响液态金属凝固过程的因素合金的化学成分是影响液态金属

4、凝固过程的主要因素不同成分的合金具有不同的凝固特性，根据相图可以对不同成分的合金的凝固特性进行预测。2.冷却速率是影响液态金属凝固过程的主要工艺因素普通工业条件下的冷却速率在10-3～102oC/s的范围内变化；快速凝固过程冷速可高达104～109oC/s，可使材料具有很细的晶粒（0.1m甚至达到纳米级）激光表面重熔冷速高达106～109，可以获得非晶组织。3.液态合金的结构和性质、冶金处理（如孕育处理、变质处理、微合金化等）及外力（如电磁力、重力、机械力等）的作用，对液态金属的凝固也有重要影响，如影响凝固组织、形貌、相组成等。液态金

5、属凝固学的发展凝固过程的理论研究大体上经历了三个阶段：第一阶段：20世纪50～60年代是经典凝固理论的诞生时期提出了著名的成分过冷理论，首次将传热与传质耦合起来分析凝固过程的组织形态；提出了局部溶质再分配方程等理论模型平方根定律第二阶段：20世纪60～80年代，研究重点发在经典凝固理论的应用以经典凝固理论为指导，通过大量的实践研究，实现了凝固组织和凝固过程的优化和控制，使得大型铸钢锭及铸件的冶金质量得到很大提高。出现了快速凝固、定向凝固、半固态铸造等先进的凝固技术和材料成形方法。第三阶段：20世纪80年代～现在，凝固过程的理论研究进入了新

6、的时期。表现在：极端条件下的凝固过程如极低速凝固和特殊条件下的凝固过程如微重力凝固、超重力凝固的研究；凝固过程的计算机模拟，可以实现铸件凝固过程的可视化，预测组织和可能的缺陷，提高铸件的性能/价格比。SZIIAl-Al3Ni共晶合金宏观形貌凝固终端(b)(a)10mm10mm空间地面空间样品表面光洁，内部均匀致密无明显缺陷地面样品表面粗糙和微小孔洞，内部存在尺寸较大的气孔首先采用计算机模拟软件和现代铸造理论，模拟铸件充型、凝固过程以及锻件的锻造过程其次用X射线实时观察和监测浇注过程第三通过实际铸、锻件生产并与模拟、监测结果对比，确定最佳的

7、生产工艺最后按工件形成软件包实时观察软件包企业试制数值模拟可视化铸造技术Real-timeX-rayradiographyX射线实时监测系统X射线实时观察和监测计算机模拟40Cr4铸钢支承辊采用了平稳充型随流式浇注系统及计算机模拟技术，全套工艺图纸。解决了20来年没有解决的难题，国产化成功。新概念设计浇注系统一重支承辊直径为1435mm,高7m,钢水重50吨鞍重支承辊直径为1620mm,高7.69m,钢水重65吨IRC-IMR工艺理论设计＆计算机模拟Solidification自然冒口，从底部到顶部的顺序凝固方式。新概念浇注系统设计，锥形

8、浇道。等轴枝晶生长的微观模拟金属所与英国Birmingham大学ICR中心联合开发的铸钢支承辊新工艺充型过程模拟缩孔温度场模拟3625s9013s16237stime一重铸钢支承辊的浇注过程一