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1、材料成形工艺基础材料成形工艺基础 学时 32FundamentalofMaterialsFormingq材料科学与工程的四大要素材料科学与工程的四大要素合成加工组织结构材料科学与工程性能使用效能q材料科学与工程的多学科化材料科学与工程的多学科化材料科学材料科学材料科学材料科学与工程与工程与工程与工程物理学物理学物理学物理学冶金学冶金学冶金学冶金学化化化化 学学学学陶瓷学陶瓷学陶瓷学陶瓷学计算计算计算计算数学数学数学数学生物生物生物生物学学学学q材料科学与材料工程的差异材料科学与材料工程的差异材料科学和材料工程材料科学和材料工程材料科学和材料工程材料科学和材料工程是一个是一个整体整体整体整体，不
2、可分割；它们，不可分割；它们之间的差异主要表现在学科的之间的差异主要表现在学科的侧重点不同侧重点不同侧重点不同侧重点不同。材料科学侧重于材料科学侧重于材料科学侧重于材料科学侧重于发现和揭示四个要素之间的关系，发现和揭示四个要素之间的关系，提出新概念、新理论。提出新概念、新理论。材料工程侧重于材料工程侧重于材料工程侧重于材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入应用，二者相辅相成。并使之投入应用，二者相辅相成。v 尼龙纤维的研制：尼龙纤维的研制：1928年杜邦公司年杜邦公司开始研究天然尼龙开始研究天然尼龙Carother等成功合等成功合成聚酯等高分子成聚
3、酯等高分子物理化学家发现聚物理化学家发现聚酯能够冷拉丝成形酯能够冷拉丝成形利用利用X射线发现拉射线发现拉伸纤维强度源于高伸纤维强度源于高分子链的高度取向分子链的高度取向Carother等提出熔等提出熔融纺纤的新概念融纺纤的新概念工程技术人员发明工程技术人员发明尼龙熔融纺纤技术尼龙熔融纺纤技术小分子流体力学不小分子流体力学不使用于高分子物质使用于高分子物质纺纤设备的要求纺纤设备的要求铜容器腐蚀造成尼铜容器腐蚀造成尼龙熔体颜色污染龙熔体颜色污染1938年首批合成尼年首批合成尼龙纤维产品问世龙纤维产品问世材料材料科学科学材料材料科学科学材料材料科学科学材料材料工程工程材料材料工程工程材料材料工程工程
4、材料材料科学科学材料材料工程工程q材料工程所涉及的三大制备技术材料工程所涉及的三大制备技术 根据所需材料的性能、结构要求，进行根据所需材料的性能、结构要求，进行材料的提纯洁材料的提纯洁化、原料化、原料成分成分配制和合成或合配制和合成或合金化金化的过程是材料制的过程是材料制备工程的首要环节。备工程的首要环节。熔融凝固制备技术熔融凝固制备技术原材料原材料熔融熔融精炼精炼凝凝固固坯坯料料常常用用于于金金属属、无无机机非非金金属属化化合合物物、半半导导体体材材料料坯坯锭锭和和玻璃制品的制备。玻璃制品的制备。粉末冶金制备技术粉末冶金制备技术原料原料粉末粉末压压制制烧烧结结混混合合 这这是是陶陶瓷瓷材材料
5、料、水水泥泥以以及及硬硬质质合合金金以以及及铁铁基基合合金金等等材材料的主要成材途径。料的主要成材途径。单体聚合制备技术单体聚合制备技术 这是高分子材料的典型的制备技术。这是高分子材料的典型的制备技术。天然气天然气聚聚合合聚合物聚合物单单体体煤炭煤炭石油石油q材料工程的加工成形技术材料工程的加工成形技术 通过上述三种材料制备技术得到的材料，大多数不是通过上述三种材料制备技术得到的材料，大多数不是材料的最终产品，需要进一步的后续加工处理。材料的最终产品，需要进一步的后续加工处理。玻玻璃璃材材料料有有它它的的特特殊殊性性，从从原原材材料料配配制制、熔熔化化，到到熔熔体快冷成形为制品，必须一步完成。
6、体快冷成形为制品，必须一步完成。材料的常规加工技术主要有锻造、冲压、轧制、挤压、材料的常规加工技术主要有锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、焊接以及注射成形等。拉拔、焊接以及注射成形等。课程的主要目的课程的主要目的 材料成形工艺基础材料成形工艺基础是机械类或近机械是机械类或近机械类专业的一门学科基础课，学习本课程的主要目类专业的一门学科基础课，学习本课程的主要目的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造、的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造、压力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡胶、陶瓷压力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡胶、陶瓷以及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。以及有关模具设计、加工、制
7、造方面的专业知识。其主要任务是介绍以下内容：其主要任务是介绍以下内容：1 1制定铸造过程图，了解合金的熔炼与浇注过程制定铸造过程图，了解合金的熔炼与浇注过程的基本知识以及砂型铸造、特种铸造等；的基本知识以及砂型铸造、特种铸造等；2 2制定锻造过程图，了解材料塑性变形基本规律；制定锻造过程图，了解材料塑性变形基本规律；了解粉末成形、塑料、橡胶、陶瓷成型过程和板了解粉末成形、塑料、橡胶、陶瓷成型过程和板料冲压成形过程；料冲压成形过程；3 3了解常用金属材料焊接过程基本知识；了解常用金属材料焊接过程基本知识；材料与人类文明材料与人类文明人类的文明进程是人类的文明进程是依据什么而划分的依据什么而划分的
8、？材料应用的开展是人类开材料应用的开展是人类开展的里程碑展的里程碑：石器时代、铜器时代、铁器时代。开展得越来越快。历历 史史中国古代三大铸造技术中国古代三大铸造技术 在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位，具有广泛的社会影响，像“模范、“陶冶、“熔铸、“就范等习语，就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。泥范铸造我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就开展起来。熔模铸造传统的熔模铸造一
9、般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造开展而来的。金属型铸造铸型材料从石和泥、砂改用金属，从一次型经屡次型又改进成为耐用性更高的所谓“永久型金属型，在铸造技术的历史开展上具有重要的意义。1953年河北兴隆铁范的发现，证明我国早在战国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件。这批铁范包括锄、镰、斧、凿、车具等类共87件，大部完整配套。其中，镰和凿是一范两件，锄和斧还采用了金属芯。它们的结构十分紧凑，颇具特色。范的形状和铸件相吻合，
10、使壁厚均匀，利于散热：范壁带有把手，以便握持，又能增加范的刚度。可以说是创造了一种中国风格的金属型，并且在那个时候已经大体定型了。近年来，在河南南阳、郑州、镇平和河北满城、山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件，品种比战国时期显著增多，型式却基本相同。河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范。4,500BC1,000BC青铜时代青铜时代BronzeAge从矿石中提炼铜冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一人类冶金业的最早纪录之一青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素锡、镍、铅、磷等的合金。史学上所称的“青铜时代是指大量使用青铜
11、工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从开展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋战国时期，齐国工匠总结科技经验写成的考工考工记记一书中，提出了金有六齊，這是世界科技史上最早的冶铜经验总结。青铜：第一种合金青铜：第一种合金夏钺戈历历 史史青铜文化青铜文化商代青铜商代青铜bronze文化文化仰韶文化的后期，即大约在公元前仰韶文化的后期，即大约在公元前仰韶文化的后期，即大约在公元前仰韶文化的后期，即大约在公元前35003500年以后的一个时年以后的一个时年以后的一个时年以后的一个时期，我们的祖先已经知道了铜，并且已会制造简单的小期，我们的祖先已
12、经知道了铜，并且已会制造简单的小期，我们的祖先已经知道了铜，并且已会制造简单的小期，我们的祖先已经知道了铜，并且已会制造简单的小件铜器。现已知道的最早的青铜器物，是件铜器。现已知道的最早的青铜器物，是件铜器。现已知道的最早的青铜器物，是件铜器。现已知道的最早的青铜器物，是19751975年在甘肃年在甘肃年在甘肃年在甘肃东乡县林家的甘肃仰韶文化马家窑类型遗址中出土的一东乡县林家的甘肃仰韶文化马家窑类型遗址中出土的一东乡县林家的甘肃仰韶文化马家窑类型遗址中出土的一东乡县林家的甘肃仰韶文化马家窑类型遗址中出土的一件公元前件公元前件公元前件公元前30003000年左右青铜刀。年左右青铜刀。年左右青铜刀
13、。年左右青铜刀。到了商代，青铜器冶铸工艺高度发展，商代晚期即殷墟到了商代，青铜器冶铸工艺高度发展，商代晚期即殷墟到了商代，青铜器冶铸工艺高度发展，商代晚期即殷墟到了商代，青铜器冶铸工艺高度发展，商代晚期即殷墟时期，已经出现特别巨大或精细的器物，技术水平和艺时期，已经出现特别巨大或精细的器物，技术水平和艺时期，已经出现特别巨大或精细的器物，技术水平和艺时期，已经出现特别巨大或精细的器物，技术水平和艺术水平都很高。西周晚期，事实上是青铜器走向衰落的术水平都很高。西周晚期，事实上是青铜器走向衰落的术水平都很高。西周晚期，事实上是青铜器走向衰落的术水平都很高。西周晚期，事实上是青铜器走向衰落的时期。时
14、期。时期。时期。青铜文化青铜文化四羊方尊四羊方尊四羊方尊四羊方尊虎食人卣虎食人卣虎食人卣虎食人卣youyou青铜文化青铜文化二里冈出土饕二里冈出土饕二里冈出土饕二里冈出土饕(tie)(tie)餮乳钉纹方鼎餮乳钉纹方鼎餮乳钉纹方鼎餮乳钉纹方鼎大禾人面方鼎大禾人面方鼎大禾人面方鼎大禾人面方鼎青铜文化青铜文化饕餮纹鼎饕餮纹鼎饕餮纹鼎饕餮纹鼎司母辛方鼎司母辛方鼎司母辛方鼎司母辛方鼎司母戊鼎司母戊鼎司母戊鼎司母戊鼎青铜文化青铜文化商代青铜文化商代青铜文化司母戊鼎，司母戊鼎，司母戊鼎，司母戊鼎，19391939年安阳年安阳年安阳年安阳武官村出土，高武官村出土，高武官村出土，高武官村出土，高133133厘米
15、，厘米，厘米，厘米，重重重重833833千克，是中国目前千克，是中国目前千克，是中国目前千克，是中国目前发现最重的青铜器。发现最重的青铜器。发现最重的青铜器。发现最重的青铜器。据估计，铸造这样大型据估计，铸造这样大型据估计，铸造这样大型据估计，铸造这样大型青铜器，需青铜器，需青铜器，需青铜器，需300300多人同时多人同时多人同时多人同时工作。工作。工作。工作。青铜文化青铜文化豕豕豕豕(shi)(shi)尊尊尊尊司母辛觥司母辛觥司母辛觥司母辛觥(gong)(gong)湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑历历 史史三星堆三星堆立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上
16、最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王。突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世界上亦属首见。历历 史史铜钟通高铜钟通高6.756.75米，钟米，钟壁厚度不等，最厚处壁厚度不等，最厚处185185毫米，最薄处毫米，最薄处9494毫毫米，重米，重w w约约4646吨。钟体吨。钟体内外遍铸经文，共内外遍铸经文，共22.722.7万字。铜钟合金万字。铜钟合金成分为：铜成分为：铜80.5480.54、锡锡16.4016.40、铝、铝1.121.12，为泥范铸造。为泥范铸造。永乐大钟永乐大钟历历 史史中国古代铁器中带有球状石墨的金相组织湖南长沙砂
17、子塘战国凹形铁锄历历 史史现代铸造我国已成功地生产出了世界上最大的轧钢机机架铸钢件重410t和长江三峡电站巨型水轮机的特大型铸件大飞机、航空母舰。第一篇第一篇金属的铸造金属的铸造成形工艺成形工艺第一章 铸造成形工艺理论基础第一节第一节铸造成形工艺的特点和分类铸造成形工艺的特点和分类定义：所谓金属液态成型，即铸造，定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting，是将液态金属是将液态金属借助外力借助外力充填到型腔中，使其充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。件的工艺。注意注意2个过程：个过程：1充填型腔；充填型腔；2凝固冷却凝固冷却
18、 q实质：实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。凝固和冷却。砂型铸造概略图砂型铸造概略图一、铸造工艺特点一、铸造工艺特点 1 1适适应应性性广广。适适应应铸铸铁铁，碳碳钢钢，有有色色金金属属等等材材料料；铸铸件件大大小小，形形状状和和重重量量几几乎乎不不受受限限制制；壁壁厚厚1 1mmmm到到1 1m m，质质量量零零点点几几克克到到数数百百吨吨三三峡峡的水轮机叶轮重达的水轮机叶轮重达430430T T。2 2可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。3 3成成本本较较
19、低低。可可直直接接利利用用成成本本低低廉廉的的废废机机件件和和切切屑屑，设设备备费费用用较较低低；在在金金属属切切削削机机床床中中，铸铸件件占占机机床床总总重重量量75%75%以以上上，而而生生产产成成本本仅仅占占15-15-30%30%4 4但但也也存存在在一一些些缺缺乏乏，如如组组织织缺缺陷陷，力力学学性性能能偏偏低低，质质量量不不稳稳定定，工工作作环环境境较较差差。因因此此，铸铸件件多多数数做做为为毛毛坯坯用用。组组织织疏疏松松、晶晶粒粒粗粗大大，铸铸件件内内部部常常有有缩缩孔孔、缩缩松松、气气孔孔等等缺缺陷陷产产生生，导导致致铸铸件件力力学学性性能能，特特别是冲击性能较低别是冲击性能较
20、低.开展了铸锻联合工艺开展了铸锻联合工艺污污染染环环境境。铸铸造造生生产产会会产产生生粉粉尘尘、有有害害气气体体和和噪噪声声对对环环境境的的污污染染，比比起起其其他他机机械械制制造造工工艺艺来来更更为为严严重重，需需要要采采取取措措施施进进行行控控制制。特特种种铸铸造工艺造工艺二、铸件成形工艺分类二、铸件成形工艺分类 按照形成铸件的铸型分可分为：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为：重力铸造、压力铸造、离心铸造等。传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造。砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸
21、造生产的铸件占铸件总产量的90以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，其工艺流程如图1所示。工艺三大块：冶炼，造型芯和浇工艺三大块：冶炼，造型芯和浇注注落砂落砂shakeout 清理清理cleaning 铸件检验铸件检验入库入库砂型砂型sandmould铸造工艺流程图铸造工艺流程图合型浇注合型浇注合型浇注合型浇注凝固冷却凝固冷却型砂型砂moldingsand配制配制造型造型造型造型砂型干燥砂型干燥工装准备工装准备炉料准备炉料准备合金冶炼合金冶炼芯砂芯砂coresand配制配制造芯造芯造芯造芯coremakingcoremaking型芯干燥型芯干燥砂型铸造造型生产线动画铸件的质量品质直接影响
22、到机械产品的质量品质。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生产质量品质和经济效益、改变行业面貌的关键之一。在材料成形工艺开展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年历史了，目前我国铸件年产量已超过1000万t。由于历史原因，长期以来，我国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水平的比较见表1。表表1国内外铸造生产技术水平的比较国内外铸造生产技术水平的比较比较工程国 外国 内尺寸精度汽缸体和汽缸盖：一般为CT8CT
23、9CT10，与国外差24级外表粗糙度汽缸体和汽缸盖：50m使用寿命汽缸套为600010000h30006000h铸件废品率美、英、法、日约为2%815%耗能/吨铸件360370kg标准煤合格铸件650kg标准煤劳动生产率65t/人年8t/人年熔炼技术富氧送风，铁水温度15001400造型工艺广泛采用流水线，采用高压造型、射压造型、和气冲造型除汽车等行业中少数厂采用半自动、自动化流水线外，多数厂普遍采用40年代造型技术铸造工艺装备造型机精度和精度保持能力很高。造型线精度可保持12年，设备综合开工率80%，装备全部标准化、系列化、商品化精度低，精度保持能力差半年。设备综合开工率50%。装备标准化、
24、系列化、商品化程度很低铸造用工艺材料质量很高，如 硅砂都经水洗，含泥量小于0.2%质量很差，砂只作筛分，含泥量在2%以上第二节第二节 合金的铸造性能合金的铸造性能合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。确、结构完整的铸件的能力。主要包括合金的流动性、收缩性、吸气性及其主要包括合金的流动性、收缩性、吸气性及其成分偏析倾向性等性能。成分偏析倾向性等性能。一、合金的充型一、合金的充型 液态合金填充铸型的过程简称充型；液态合金填充铸型的过程简称充型；液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件的
25、能力，简称充型能力。的铸件的能力，简称充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，假设充型能力缺乏时，在型腔被填满之前，形成的假设充型能力缺乏时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生是铸件将产生浇缺乏或冷隔浇缺乏或冷隔等缺陷。浇缺乏使铸件等缺陷。浇缺乏使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。力学性能严重受
26、损。充型能力首先取决于金属液本身的流动能充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。素的影响。影响充型能力的因素有：合金的流动性、影响充型能力的因素有：合金的流动性、合金的收缩性、合金的吸气性等。合金的收缩性、合金的吸气性等。1.流动性定义：流动性定义：flowability,液态合金液态合金充充满满型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力合要求的优质铸件的能力CSS,configuration,shapeandsize。流流动动性性通通义义是是流流体体的的流
27、流动动能能力力，但但不不同同学学科科对对流流动动性性有有不不同同的的定定义义，这这里里是是材材料料成成形形学学的的定定义义。它它的的定定义义说说流流动动性性是是这这样样的的一一种种能能力力，这这种能力表达在种能力表达在2个方面：个方面：1充满型腔；充满型腔；2形形成成符符合合要要求求的的优优质质铸铸件。件。这这个个定定义义突突出出地地说说明明了了流流动动性性对对金金属属液液态态成成型型工工艺艺的的重重要要性性。如如果果流流动动性性不不好好，就就不不能能充充满满型型腔腔，就就不不能能形形成成符符合合要要求求的的优优质质铸铸件件。也也说说明明不不同同的的合合金金具具有有不不同同的的流流动动性性特特
28、点点。在在进进行行铸铸件件设设计计和和铸铸造造工工艺艺制制定定时时，必必须须考考虑虑合合金金流流动动性性。那那么么，我们怎样衡量合金的流动性呢我们怎样衡量合金的流动性呢？图1-1螺旋型试样在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！螺螺旋旋形形流流动动性性试试样样合金种类铸型种类浇注温度/螺旋线长度/铸铁wC+Si=6.2%wC+Si=5.9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢wC=0.4%铝硅合金（硅铝明）镁合金（含Al和Zn）锡青铜（wSn10%，
29、wZn2%）硅黄铜（wSi=1.5%4.5%）砂型砂型金属型（300）砂型砂型砂型16001640680720700104011001002007008004006004201000表表1-1常用合金的流动性（砂常用合金的流动性（砂型，试样截面型，试样截面88）液态金属本身的流动能力。流动性充型能力易薄壁复杂铸件气孔、夹渣、缩孔灰铸铁、硅黄铜的流动性较好；铸钢较差；铝合金居中。不同成分合金的结晶特性示意图见图1-2含碳量含碳量温度，温度，T碳钢碳钢铸铁铸铁共晶点共晶点共晶点共晶点图图1-2 1-2 不同成分合金的结晶特性不同成分合金的结晶特性在在铸铸件件凝凝固固过过程程中中，铸铸件件断断面面上
30、上存存在在三三个个区区域域，即即固固相相区区、凝凝固固区区和和液液相相区区。其其中中凝凝固固区区对对铸铸件件质质量量有有较较大大影影响响。铸铸件件的的凝凝固固方方式式也也可可根根据据凝凝固固区区的的宽宽窄窄来来划划分分，如图如图1-21-2。液态金属的凝固液态金属的凝固铸件的凝固方式铸件的凝固方式 1.1.逐层凝固逐层凝固 纯金属或共晶成分的合金的凝固，如图纯金属或共晶成分的合金的凝固，如图2-1a2-1a；2.2.糊状凝固糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金的凝固，如图结晶温度范围很宽的合金的凝固，如图2-1c2-1c；3.3.中间凝固中间凝固介于逐层凝固介于逐层凝固和糊状凝固之和糊状凝固之间，
31、大多数合间，大多数合金为此凝固方金为此凝固方式，如图式，如图2-1b2-1b所示。所示。影响铸件凝固方式的主要因素影响铸件凝固方式的主要因素 ：表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液表层中心St铸件温度液相线固凝固区2 2铸件的温度梯度铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。假铸件内外层之间的温度差。假设铸件内外层之间的温度差由设铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄宽变窄 。表层中心St铸件温度成分温度S1T1T21 1合金的结晶温
32、度范围合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固层凝固 。合金流动性主要取决于合金化学成分所决合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点定的结晶特点 PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（）0合金的种类合金的种类:合金合金不同流动性不同不同流动性不同合金的成分：合金的成分：同同种合金，成分不同，种合金，成分不同，其结晶特点不同，其结晶特点不同，流动性也不同。如流动性也不同。如图图所所示铅锡合金的示铅锡合金的流动性与相图的关流动性与相图的关系；系；铅锡合金的流动性与相图的
33、关系铅锡合金的流动性与相图的关系图图1-3 1-3 结晶特性对流动性的影响结晶特性对流动性的影响 a a恒温下恒温下 b b一定温度范围一定温度范围 结晶特性结晶特性:恒温下结晶，流动性较好；两相恒温下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差区内结晶，流动性较差纯金属和共晶合金在恒温纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，下结晶，为逐层凝固方式，如图如图1-3a1-3a所示，凝固层外所示，凝固层外表光滑，阻力小，故流动表光滑，阻力小，故流动性好，同时共晶合金熔点性好，同时共晶合金熔点最低，故流动性最好。最低，故流动性最好。而亚共晶合金，为中间凝而亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍
34、流固方式，复杂枝晶阻碍流动，故流动性差，如图动，故流动性差，如图1-1-3b3b所示。所示。2.2.浇注条件浇注条件1 1浇注温度浇注温度 指的是浇注时熔融合金的温度。指的是浇注时熔融合金的温度。一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。浇注温度浇注温度粘度粘度 过热度过热度蓄热多蓄热多保温时间保温时间流动性流动性。浇注温度浇注温度金属收缩金属收缩吸气吸气氧化氧化缩孔、缩孔、缩松、气孔和粘砂缩松、气孔和粘砂。充型能力足够时浇注温度应尽可能低。充型能力足够时浇注温度应尽可能低。所
35、所以以，每每种种合合金金有有自自己己的的合合理理浇浇注注温温度度范范围围。浇浇注温度：注温度：铸铸钢钢15201520 16201620；铸铸铁铁1230 1230 14501450；铝铝合合金金680 680 7807802 2浇注压力浇注压力 浇注压力浇注压力合金的流动性合金的流动性。采用方法：采用方法：增加直浇道高度、压力铸造、离心铸造增加直浇道高度、压力铸造、离心铸造 来提高来提高浇注压力。浇注压力。3.3.铸型填充条件铸型填充条件 1 1铸型导热能力铸型导热能力 金属型铸型金属型铸型合金的流动性合金的流动性。干砂干砂型铸型加热型铸型加热合金的流动性合金的流动性 2 2铸型的阻力铸型的
36、阻力 铸型型腔狭窄、复杂或铸型材料发气量大铸型型腔狭窄、复杂或铸型材料发气量大型腔内气体型腔内气体 如排气不畅如排气不畅金属液流动阻力金属液流动阻力合金的流动性合金的流动性。二、合金的收缩性二、合金的收缩性constriction constriction 1.1.合金的收缩合金的收缩 合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象称为收缩。中体积或尺寸缩减的现象称为收缩。合金的收缩控制不好合金的收缩控制不好缩孔、缩松、缩孔、缩松、变形、裂纹。变形、裂纹。合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩过程有三个阶段：过程
37、有三个阶段：要经历液态收缩、凝固收要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段。缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段。液态收缩液态收缩 液液、凝固收缩、凝固收缩 凝凝、固态收缩、固态收缩 固固液态收缩液态收缩 液液 从浇注温度从浇注温度T T浇浇到凝固到凝固开始温度即液相线温度开始温度即液相线温度T T液液间的收缩。间的收缩。T T浇浇 T T液液 Liquidshrinkage 凝固收缩凝固收缩 凝凝 从凝固开始温度从凝固开始温度 T T凝凝到到凝固终止温度即固相线温度凝固终止温度即固相线温度T T固固间的间的收缩。收缩。T T凝凝 T T固固 Solidificationshri
38、nkage 固态收缩固态收缩 固固 从凝固终止温度从凝固终止温度 T T固固到到室温室温T T室温室温间的收缩。间的收缩。T T固固 T T室温室温Solidshrinkage 固态收缩将引起铸件外部尺寸的变化，故称固态收缩将引起铸件外部尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩。尺寸收缩或线收缩。体收缩率是铸件产生缩体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。孔或缩松的根本原因。体收缩率：体收缩率：线收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生应线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本力、变形、裂纹的根本原因。原因。液态收缩和凝固收缩将引起液体铸件体积的变化，液态收缩和凝固收缩将引起液体铸件体积的变化，故称体积收
39、缩或体收缩。故称体积收缩或体收缩。合金的总收缩为上述三种收缩之和。合金的总收缩为上述三种收缩之和。2.2.影响合金收缩的因素影响合金收缩的因素 化学成分化学成分 碳素钢碳素钢C C 凝凝 固固；灰铸铁灰铸铁C C、Si Si 收缩率收缩率；S S 收缩率收缩率。浇注温度浇注温度 浇注温度浇注温度 T T过过 液液、总收缩率总收缩率。铸件结构和铸型条件铸件结构和铸型条件 凝凝是受阻收缩，不是自由收缩。是受阻收缩，不是自由收缩。各部各部V V冷冷不同不同各部收缩不一致各部收缩不一致对收缩产生阻对收缩产生阻力；力；铸型和型芯铸型和型芯收缩机械阻力收缩机械阻力实际收缩率比自由实际收缩率比自由收缩率小。
40、收缩率小。3.3.铸件中的缩孔铸件中的缩孔shrinkagecavity与缩松与缩松铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。洞称为缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以至成为废品。理化学性能大大降低，以至成为废品。缩孔与缩松的形成缩孔与缩松的形成由由 液液、凝凝 体积体积 得不到补充得不到补充最后凝最后凝固局部产生孔洞固局部产生孔洞形成集中孔洞缩孔、形成集中孔洞缩孔、细小分散的孔洞缩松。细小分散的孔洞缩松。
41、缩孔的形成见图缩孔的形成见图1-51-5：假定合金在恒：假定合金在恒温下凝固或凝固温度范围很窄。温下凝固或凝固温度范围很窄。图1-5铸件缩孔形成过程示意图缩孔形成过程图解缩孔形成过程图解树枝状晶体树枝状晶体分隔开的液分隔开的液体区难以得体区难以得到补缩所致。到补缩所致。缩松大多分缩松大多分布在铸件中布在铸件中心轴线处、心轴线处、热节处、冒热节处、冒口根部、内口根部、内浇口附近或浇口附近或缩孔下方缩孔下方 缩松分为宏观缩松和显微缩松：缩松分为宏观缩松和显微缩松：宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到；宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到；显微缩松用显微镜才能观察到。显微缩松用显微镜才能观察到。图1-6铸件缩松
42、的形成过程缩松的形成见图缩松的形成见图1-61-6：假定合金在恒温下凝固：假定合金在恒温下凝固或凝固温度范围较宽或凝固温度范围较宽缩松形成机理：缩松形成机理：树枝状晶体树枝状晶体 dendritic dendritic crystal crystal 所分隔的晶间液体区得不到补缩形所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。成的小孔隙。缩松缩松缩松缩松动画动画缩孔形成机理：缩孔形成机理：逐层凝固方式下最后逐层凝固方式下最后凝固部位得不到补充而形成的空隙。凝固部位得不到补充而形成的空隙。缩孔缩孔缩孔缩孔动画动画缩孔种类分布分布特征特征存在存在部位部位容积容积大小大小形状形状特征特征发生发生材料材料
43、缩缩孔孔集集中中上部，上部，最后最后较大较大倒锥状倒锥状近共晶近共晶缩缩松松分分散散特殊特殊区域区域细小细小不规则不规则远共晶远共晶定向凝固定向凝固directional freezingdirectional freezing：是通：是通过安放冒口和冷铁等工艺措施，实现人过安放冒口和冷铁等工艺措施，实现人为的顺序凝固为的顺序凝固。冒口冒口riserriser：铸型中特设的空腔，用于：铸型中特设的空腔，用于储藏多余金属液体以弥补收缩引起的金储藏多余金属液体以弥补收缩引起的金属液体缺乏。冷铁属液体缺乏。冷铁ChillChill：型壁上外设：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。的铁块，用于加
44、快该处的冷却速度。缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止缩孔的防止缩孔的防止 防止产生缩孔的有效措施：防止产生缩孔的有效措施：定向凝固定向凝固定向凝固定向凝固directionalfreezing图解图解浇注系统浇注系统Pouringsystem型腔型腔mouldcavity冒口冒口Riser温度温度距离距离123缩孔缩孔shrinkagecavity定向凝固动画定向凝固动画n n冷铁的使用图解冷铁的使用图解123冷铁冷铁ChillChills are metallic objects,which are placed in the mould to increase the cooling rat
45、e of castings to provide uniform or desired cooling rate.在实际生产中，通常采用在实际生产中，通常采用“定向凝同原则，定向凝同原则，目的是使铸件在凝固过程中建立良好的补缩目的是使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，并设法使分散的缩松转化为集中的缩条件，并设法使分散的缩松转化为集中的缩孔，再使集中的缩孔转移到冒口中，最后将孔，再使集中的缩孔转移到冒口中，最后将冒口割去，即可获得健全的铸件。也就是通冒口割去，即可获得健全的铸件。也就是通过没置冒口和冷铁，使铸件从远离冒口的地过没置冒口和冷铁，使铸件从远离冒口的地方开始凝回并逐渐向冒口推进，冒口
46、最后凝方开始凝回并逐渐向冒口推进，冒口最后凝固固亦即使铸件进行定向顺序凝固，在亦即使铸件进行定向顺序凝固，在铸件凝固过程中，冒口始终保持液态并对铸铸件凝固过程中，冒口始终保持液态并对铸件的液态收缩和凝固收缩进行补充，合金的件的液态收缩和凝固收缩进行补充，合金的液态收缩和凝固收缩转移到冒口中，最终获液态收缩和凝固收缩转移到冒口中，最终获得健全的铸件。见图得健全的铸件。见图1-71-7。防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固。顺序凝固。寻找热节的方法等温线法内切圆法冷铁同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。同
47、时凝固可有效防止同时凝固可有效防止热应力。凝固期间不热应力。凝固期间不容易产生热裂，凝固容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、后也不易引起应力、变形；由于不用冒口变形；由于不用冒口或冒口很小而节省金或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少属，简化工艺、减少工作量。工作量。缺点是铸件中心区域缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不往往有缩松，铸件不致密致密。暗冒口冒口 储存补缩用金属液的空腔。顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固。冷铁热节定向凝固的优点：冒口补缩作用好，可防定向凝固的优点：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。对于凝固收缩止缩孔和缩松，铸件致密。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金
48、，常采用定大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。向凝固原则以保证铸件质量。定向凝固的缺点：由于铸件各局部有温差，定向凝固的缺点：由于铸件各局部有温差，凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固使清理工铸件产生应力和变形。定向凝固使清理工作量大。作量大。缩松的防止缩松的防止缩松的防止比缩孔困难，目前多采用在热节处加冷铁和加大结晶压力的方法，减少金属液流动的阻力，能到达局部防止缩松的效果。缩松转化为缩孔的方法：缩松转化为缩孔的方法：尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固；对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固
49、的温度梯度方法。4.4.铸造内应力铸造内应力stress及铸件的变形及铸件的变形deform和裂纹和裂纹 铸件的固态收缩受到阻碍时，在铸件内部产生的内应力称为铸造内应力铸造内应力。它是产生变形和裂纹的主要原因。内应力的形成铸件在凝固和其后的冷却过程中，因壁厚不均，各局部冷却速度不同，造成同一时刻各局部收缩不一致，从而在铸件中相互制约产生内应力。这种内应力称为热应力热应力thermalstressthermalstress。金属在冷却过程中，从凝固终了温度到再结晶温度阶段，处于塑性状态，在较小的外力作用下，就可以生塑性变形，变形后应力可自行消除。低于再结晶温度的金属处于弹性状态，受力时产生弹性变
50、形，变形后应力继续存在。内应力产生原因：内应力产生原因：凝固后固态收缩受阻引起凝固后固态收缩受阻引起+-+-+表示拉应力-表示压应力铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，在同一时间内铸件各局部收缩不同，先冷却的部位在同一时间内铸件各局部收缩不同，先冷却的部位阻碍了后冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力。阻碍了后冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力。图1-10应力框及其热应力的形成过程三杆热应力分析模型三杆热应力分析模型 综上所述，热应力的特点：综上所述，热应力的特点：固态收缩使铸件厚壁或心部受拉伸。薄壁或表固态收缩使铸件厚壁或心部受拉伸。薄壁或