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1、1教材：材料成形工艺基础第三版主编：沈其文出版：华中科技大学，2003年2材料成型工艺基础课程是机械类各专业必修的专业技术基础课，主要研究工程材料的各种成形方法与规律。方案学时为32学时，与之相配合的有课堂练习、习题和金工实习等教学环节。课程性质3 通过学习金属材料成型加工的方法、工艺过程、特点和应用，使学生具有选择材料成型方法及工艺分析的初步能力，具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力，为学习其它有关课程及以后从事与机械相关的工作奠定必要的基础知识。课程目的41.杜丽娟主编.材料成型工艺.哈尔滨工业大学出版社，2023.2.刘建华主编.材料成型工艺基础.西安电子科技大学出版社，2
2、007.3.汤酞则主编.材料成形技术基础.清华大学出版社20234.张彦华,薛克敏主编.材料成形工艺.高等教育出版社，2023.5.周述积,侯英玮,茅鹏主编.材料成形工艺.机械工业出版社，2005.l 参考书：5绪 论1 工程材料与材料成形工艺2 材料成形技术的开展史3 材料成形技术在国民经济中的地位 4 本课程的学习内容61 工程材料与材料成形工艺 材料是人类的生活和生产赖以进行的物质基础，它直接用于制造人类所需要的各种生产工具和生活用具。任何材料在被人们制造成有用物品无论是生活用品或是生产工具等的过程中，都要经过成形加工;材料成形工艺是人类的生产活动中始终不可缺少的基础性技术。7 材料成形
3、技术用于把材料从原材料的形态通过加工而转变为具有所要求的形状及尺寸的毛坯或成品的所有加工方法或手段的总称。l机械工程材料，按化学成分可分为以下四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。8 在现代机械产品的制造过程中，一般是应用材料成形的方法将材料制成毛坯，再经过机械加工方法制成所需的零件。9 从材料到毛坯，再由毛坯到零件的工艺过程是贯穿机械制造过程中的一条主线，它包含了材料成形技术及机械制造技术的基本理论、基本知识、基本方法。对于一个合格的工程技术人员来说掌握这些知识，对所从事的工作是非常重要的。102 材料成形技术的开展史 材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史而开展的。在人类使用材
4、料之初，通过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器，就诞生了最原始的材料成形工艺。随着人们对金属材料青铜、钢铁等的使用，相应地产生了铸造、锻造、焊接等金属成形加工技术。20世纪以后，随着塑料和先进陶瓷材料的出现，这些非金属材料的成形工艺得到了迅速开展；在跨人21世纪后的今天，已进入了各种人工设计、人工合成的新型材料层出不穷的，各种与之相应的先进的成形工艺也在不断涌现并大显身手。11 材料成形工艺经历了从简单的手工操作到如今的复杂化、大型化和智能化生产的开展过程。蒸汽空气锤、水压机、模锻压力机、高速冲床等设备的使用，使金属锻压工艺彻底改变了传统的“手工打铁的落前方式，进入到机械化现代化生产的
5、行列。1885年发现了气体放电电弧作为电弧焊接的热源，1886年创造了电阻焊，从此电焊便成为现代焊接技术的主流。12 20世纪中期以后，随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速融入，在涌现出一大批新型的成形技术的同时，材料成形加工生产已开始向着优质化、精密化、绿色化和柔性化的方向开展。1314板料成形Sheet-Metal Forming Processes1 应用背景15铸造Casting焊接Welding16锻造Forging非金属材料成形17u我国材料成形技术的开展历史 我国的材料成形技术具有悠久而辉煌的历史 明朝大科学家宋应星编著的天工开物一书中，详细论述了冶铁、铸钟、锻铁、淬火等各
6、种金属的加工方法。这部论著是世界上有金属材料成形及加工方法以来最早的科学论著，充分反映了我国历代劳动人民在材料成形及机械加工技术方面的卓越奉献。18 我国的冶铸技术至少有4000年以上的悠久历史，前2000年是青铜的天下。到商周时代，冶铸技术已到达很高水平，形成了灿烂的青铜文化。铸造技术在我国源远流长，并有很高的水平，形成了闻名于世的以泥范砂型、铁范金属型和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。19青铜文化二里冈出土饕餮 二里冈出土饕餮(taotie)(taotie)纹方鼎 纹方鼎 大禾人面方鼎 大禾人面方鼎20司母戊鼎 司母戊鼎青铜文化商代青铜文化司母戊鼎，1939年安阳武官村出土，高133
7、厘米，重833千克，是中国目前发现最重的青铜器。据估计，铸造这样大型青铜器，需300多人同时工作。体积庞大，花纹精巧，造型精美 21青铜文化四羊方尊 四羊方尊虎食人卣 虎食人卣22青铜文化饕餮纹鼎司母辛方鼎 司母辛方鼎23青铜文化豕 豕(shi)(shi)尊 尊司母辛觥 司母辛觥(gong)(gong)2425 我国的锻造技术在二三千年前已被成熟地应用于生产工具和各类兵器的制造上。湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑swf26 我国也是世界上应用焊接技术最早的国家之一。河南辉县战国墓中的殉葬铜器的耳和足就是用铸焊方法与本体连接的，比欧洲早了2000多年。27 成立以后，我国机械制造业得到了飞速开展，经
8、历了由仿制到自行设计、制造，从生产普通机械到制造精密和大型机械，从生产单机到制造成套设备的开展过程。20世纪50年代，自行制造汽车、拖拉机及飞机；60年代，制造万吨水压机，和齿轮磨床、坐标镗床等精密机床；70年代，制造大型成套设备和万吨级远洋巨轮；直至90年代，为我国航天、原子能等工业领域提供先进的技术装备等等。28 我国成功地进行了耗用钢水达490t的轧钢机机架和长江三峡电站巨型水轮机的巨型铸件的铸造，锻造了196t汽轮机转子；采用铸一焊组合方法制造了12000t水压机的立柱高18m、底座和横梁等大型零、部件；我国已成功地生产出了用于锻造大型锻件的12000t水压机；解决了30万吨级远洋油轮
9、船体的焊接技术；CAD/CAE/CAM等计算机技术及机器人技术在材料成形技术中得到越来越广泛的应用，粉末冶金、高分子、陶瓷、复合材料制品的应用也日益扩大等等。29550MW水轮机组铸件三峡700MW机组提供的上冠、下环和全套叶片组成的水轮机转轮体正在东电重金工分厂精加工。303132333 材料成形技术在国民经济中的地位 材料成形技术在国民经济中占有十分重要的地位；并且在一 材料成形技术在国民经济中占有十分重要的地位；并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技开展水平。定程度上代表着一个国家的工业和科技开展水平。占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接制成件或产品后 占全世界总产量将近一半的钢材
10、是通过焊接制成件或产品后投入使用的；投入使用的；在机床和通用机械中铸件质量占 在机床和通用机械中铸件质量占70 70 80 80；农业机械中铸件质量占 农业机械中铸件质量占40 40 70 70；汽车中铸件质量约占 汽车中铸件质量约占20 20，锻件质量约占，锻件质量约占70 70；飞机上的锻件质量约占 飞机上的锻件质量约占85 85；发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；家用电器和通信产品中 家用电器和通信产品中60 60 80 80的零部件是冲压件和塑料 的零部件是冲压件和塑料成形件。成形件。34交通工具交通工具轿车的构成来
11、看轿车的构成来看：发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造铸造而成；而成；连杆、传动轴、车轮轴等是连杆、传动轴、车轮轴等是锻造锻造而成；而成；车身、车门、车架、油箱等是经车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接冲压和焊接制成；制成；车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形塑料成形制制件，轮胎等是件，轮胎等是橡胶成形橡胶成形制品制品。因此，可以毫不夸张地说：没有先进的材料成形工艺，就没有现代制造业。35毛坯零件切削加工装配液态成形铸造塑性成形压力加工连接成形焊接热处理型材铸锭生铁矿石冶炼形状、尺寸、性能炼钢塑性成形压力加工
12、塑性成形压力加工切削加工机器零件的基本生产工艺过程及工艺学4 本课程的学习内容3637增压柴油机曲轴3839学习目的及要求1掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和应用场合，了解各种常用的成形设备的结构和用途，具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯或零件成形方法的初步能力。2具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。3了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其开展趋势。即学会“五选：材料、毛坯、工艺方法、热处理、结构工艺性40抓住一主线：成形原理成形方法工艺及应用成形工艺过程设计成形件的结构工艺性l学习方法：41工艺、工艺过程、工艺学的定义 工艺-将原料或半成品加工成产品的方法、技
13、术等。工艺过程-将原料或半成品加工成产品的过程。工艺学-研究工艺过程的科学。诸如机械制造工艺学包括：铸造工艺学、锻造工艺学、焊接工艺学，机械加工工艺学。42材料成形技术基础主要学习内容 铸造 液态成型 锻压塑性成型 焊接 链接成型 非金属材料成形 粉末冶金 材料成形工艺的选择43第一篇 金属的铸造成形工艺44 铸 造工艺基础 铸件生产 结构设计 铸造工艺 1234工艺性能45第一章 铸造成形工艺理论基础l铸造成形工艺的特点和分类l合金的铸造性能46q定义：铸造casting是指将熔融态的金属或合金浇注于特定型腔的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的成形工艺。q铸造的基本过程：液 液 态 态金 金
14、 属 属充 充 型 型 铸 铸 件 件凝 凝 固 固收 收 缩 缩第一节 铸造成形工艺的特点和分类475/16/2023 4:28 PM 砂型铸造过程3合金的浇注；4铸件的清理；5铸件的检验48 金属液态成形在机械制造业中占有重要的地位。它是制造毛坯、零件的重要方法之一。就重量而论，铸件在一般机械设备中占4590，在金属切削机床中占7080%，在汽车及农业机械中占40%70。49一、铸造工艺特点 1适应性广。既可用于单件、小批生产，也可用于成批、大量生产；适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制：壁厚几mm到几m，质量零点几克到数百吨三峡的水轮机叶轮重达430T。材料能
15、熔便可铸50一、铸造工艺特点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。如箱体、床身、机架、车轮、阎体、泵体、叶轮、汽缸体、螺旋桨等。3成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；51 2007 金工教研室 机械制造基础现代作品：发动机缸体52 2007 金工教研室 机械制造基础本讲内容 铸造工艺基础 常见铸造合金 砂型铸造 特种铸造 铸件的结构工艺性 机械制造基础复杂零件5354 55564但也存在一些缺乏：工艺过程难以控制，铸件易产生组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。组织缺陷：铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性
16、能较低.铸件多数做为毛坯用。污染环境：铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。57 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。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。58合金的铸造性能:充型能力收缩性吸气性 第二节合金的铸造
17、性能l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。即获得优质铸件的能力。p合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。铸造性能对获得合格的铸件有很大的影响。59一、合金的充型能力 充型能力：熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。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，于是铸件将产生浇缺乏或冷隔等缺陷。浇缺乏使铸件未能获得完整的形状；冷隔，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，铸件的力学性能严重受损。60swf61 充型
18、能力对铸件质量的影响 液态合金的充型能力强，则容易获得薄壁而复杂的铸件，不易出现轮廓不清、浇缺乏或冷隔等缺陷；液态合金的充型能力强，有利于金属液中气体和非金属夹杂物的上浮、排出，减小气孔、夹渣等缺陷；液态合金的充型能力强，能够 提高补缩能力，减少产生缩孔、缩松的倾向性。62影响合金充型能力的主要因素：合金的流动性与合金种类、合金的化学成分、温度、杂气量等有关 浇注条件温度、压力 铸型条件铸型的蓄热能力、铸型温度、铸型中的气体、铸件结构631、合金的流动性 流动性定义flowability：流动性是指液态合金的流动能力。这种能力表达在2个方面：1充满型腔；2形成符合要求的优质铸件。如果流动性不好
19、，就不能充满型腔，就不能形成符合要求的优质铸件。不同的合金具有不同的流动性特点。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？64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！螺旋形流动性试样 l测定方法65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%铝合金镁合金（含Al和Zn）锡青铜（wSn10%，wZn
20、2%）硅黄铜（wSi=1.5%4.5%）砂型砂型金属型（300）砂型砂型砂型16001640680720700104011001002007008004006004201000表1-1常用合金的流动性砂型，试样截面88 66l灰铸铁、硅黄铜的流动性较好；l铸钢较差；l铝合金居中。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、缩孔影响合金流动性的主要因素：合金的成分与铸件的凝固方式 u不同成分合金的结晶特性示意图见图1-267含碳量温度，T碳钢铸铁共晶点 共晶点68图1-2 不同成分合金的结晶特性在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸
21、件质量有较大影响。铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图1-2。液态金属的凝固69铸件的凝固方式 纯金属、共晶类合金及窄结晶温度范围的合金，在恒温下以共晶团进行结晶，结晶时从表层开始向中心逐层凝固。紧靠铸型壁的外层合金，一旦冷却至凝固点或共晶点温度时，即凝固成固态晶体；而处于上述温度以上的里层合金，仍为液态。固相线成分温度表层中心T铸件液固1.逐层凝固:70特征 l如灰口铸铁、硅黄铜及低碳钢等固液界面清楚、平滑，不存在固液交错，凝固前沿比较平滑，对金属的流动阻力小，因而充型能力强。712.糊状凝固结晶温度范围很宽的合金的一旦冷却至液相线温度时，结晶出的第一批晶粒即被周围剩余的液体合金所
22、包围，温度继续下降，新形成的另一批晶粒又被液体合金包围，枝晶与液体合金互相交错充满整个断面，固、液交错。成分温度表层 中心T铸件固相线液相线72这种凝固方式犹如水泥凝固，先呈糊状而后固化，凝固前沿粗糙，对金属流动的阻力大，因而充型能力差，容易产生铸造缺陷。特征 l远离共晶点成分的合金，如锡青铜、球墨铸铁及高碳钢等 733.中间凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式。温度成分表层中心ST铸件温度固相线液相线中碳钢、白口铁以及局部特种黄铜等，倾向于中间凝固方式。74 铸件的凝固方式752铸件的温度梯度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铸件内外层之间的温度差。假设铸
23、件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。S1表层中心St铸件温度成分温度T1T21合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。影响铸件凝固方式的主要因素：l金属的凝固温度范围越大，树枝晶越兴旺，其流动性越差。76如何提高合金的流动性 提高流动性：形成低熔点化合物且降低金属粘稠度的成分均有助于提高流动性。磷：铁液的凝固温度和粘度流动性；铸铁的冷脆性；硫：形成悬浮于铁液中的MnS质点高熔点，增加内摩擦铁液的粘度流动性。77v纯金属、共晶类合金及结晶温度范围窄的合金：只存在固、液两相区v结晶温度范围大的合金：存在固相区、凝固固-液两相区和液相区。倾倾向于
24、逐向于逐层层凝固方式凝固方式倾倾向于糊状凝固方式向于糊状凝固方式 在相同的浇注温度下，共晶成分合金凝固温度最低，即液态金属的过热度较大，推迟了液态金属的凝固，所以从流动性考虑，宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。782.浇注条件 浇注温度粘度、过热度蓄热多保温时间 流动性。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。1浇注温度指的是浇注时熔融合金的温度。对于薄壁铸件或 流动性差的合金，利用提高浇注温度以改善充型能力的措施。过热度=浇注温度凝固温度79浇注温度金属的收缩吸气氧化缩孔、缩松、气孔和粘砂。充型能力足够时浇注温度应尽可能低。每种合金有自
25、己的合理浇注温度范围：铸钢15201620；铸铁1230 1450；铝合金680 780802浇注压力采用方法：增加直浇道高度、压力铸造、离心铸造 来提高浇注压力。浇注压力合金的流动性。金属液体在流动方向上所受的压力越大，则流速越大，充型能力就越好。但充型压力过大，会产生金属飞溅或因为气体排出不及时而产生气孔等缺陷。813.铸型填充条件1铸型导热能力l 铸型材料 导热系数大，比热大 金属液冷却快铸件的温度梯度 凝固区变宽充型能力l 铸型温度 温度 金属液冷却慢充型能力干砂型铸型加热 合金的流动性 金属型铸型 导热能力 合金的流动性823.铸型填充条件l 铸型结构 当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，
26、铸型型腔狭窄、结构复杂以及有大的水平面等或铸型材料发气量大时型腔内气体如排气不畅金属液流动阻力合金的流动性。2铸型的阻力 铸型的排气能力 铸型的排气能力差气体不易排出阻碍液态合金的充型 所以铸型具有良好透气性，并在最高处设出气口。83二、合金的收缩性1.合金收缩的概念合金在浇注、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。合金的收缩控制不好缩孔、缩松、变形、裂纹。收缩是多种铸造缺陷的根源:84l合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩过程有三个阶段：温度成分T浇T凝T固浇凝固液态收缩液从浇注温度T浇到凝固开始温度即液相线温度T液间的收缩。凝固收缩凝从凝固开始温度T凝到凝固终止温度即固相
27、线温度T固间的收缩。固态收缩固从凝固终止温度T固到室温T室温间的收缩。85体收缩率：l液态收缩和凝固收缩表现为铸型空腔内金属液面的下降，引起液体铸件体积的变化，故称体积收缩或体收缩。l液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔或缩松的基本原因。86l固态收缩是铸件产生铸造应力导致铸件变形，甚至产生裂纹的主要原因。固态收缩将引起铸件外部形状、尺寸发生变化尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩。线收缩率：合金的总收缩为上述三种收缩之和。872.影响合金收缩的因素化学成分浇注温度铸件结构和铸型条件882.影响合金收缩的因素化学成分不同成分合金的收缩率不同 几种铁碳合金的收缩率碳素钢C凝固；灰铸铁C、Si收缩率；S收
28、缩率。89浇注温度为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温度一般控制在高于液相线温度50150。浇注温度 T过 液、总收缩率。90由于铸件壁厚不均匀，各局部冷速不同各部收缩先后不一致相互制约对收缩产生阻力；铸型和型芯收缩机械阻力实际收缩率比自由收缩率小。铸件结构和铸型条件l铸件的凝固收缩凝并非自由收缩，而是受阻收缩。其阻力来源于两个方面:91(a)自由线收缩率为2.5%；(b)受阻较小的线收缩率为1.5%；(c)受阻较大的线收缩率为1.0%；(d)受阻特别大的线收缩率为0.5%。92 在设计和制造模样 时，不应直接采用合金的线收缩率，而应根据合金种类和铸件收缩的受阻情况，采用实际的
29、收缩率。933.铸件中的缩孔与缩松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，细小而分散的孔洞称为缩松。危害-缩孔和缩松会减小铸件的有效承载面积，并在该处造成应力集中，从而降低力学性能。对于要求气密件，缩孔、缩松还会造成渗漏而严重影响其气密性。所以，缩孔和缩松是很大的铸造缺陷之一。94缩孔与缩松的形成由液、凝体积得不到补充最后凝固局部产生孔洞形成集中孔洞缩孔。缩孔的形成：演示95缩孔形成的条件:金属在恒温或很小的温度范围内结晶，如纯金属、共晶成分的合金，浇注后在型腔内是由表及里的以逐层凝固方式进行凝固。缩孔种类缩孔产生的基本原因:合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值。缩
30、孔与缩松的形成演示96缩孔易出现的部位缩孔产生的部位:一般在铸件最后凝固区域，如壁的上部或中心处，以及铸件两壁相交处，即热节处。97假设在铸件顶部设置冒口，缩孔将移至冒口。冒口：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属液体缺乏。98缩松形成的条件:它主要出现在结晶温度范围宽、呈糊状凝固方式的合金中，或断面较大的铸件壁中。缩松的形成树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松 缩松动画99 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；显微缩松用显微镜才能观察到。缩松产生的部位:大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。图1-6铸件缩松的
31、形成过程100101分布特征存在部位容积大小形状特征发生材料缩 孔集中上部，最后 较大 倒锥状 近共晶缩 松分散 特殊区域细小 不规则 远共晶102缩孔缩松的形成规律1合金的液态收缩和凝固收缩越大如铸钢、白口铁等，铸件越易形成缩孔。2合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。3结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。锡青铜等4纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。103缩孔和缩松的防止l判断缩孔出现的方法等温线法 根据铸件各局部的散热情况，把同时到达凝固温度的各点连接成等温线，逐层向内绘制，直到最窄的截面上的等温线相互接触为止。这样，就可以确定铸件最后凝固的部位，即缩
32、孔和缩松的位置。104在内接圆直径最大的局部称为“热节，有较多的金属积聚，往往最后凝固，容易产生缩孔和缩松。内接圆法常用来确定铸件上相交壁处的缩孔位置。105缩孔和缩松的防止定向顺序凝固原则原则合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。消除缩孔的方法缩孔的防止106 利用各种工艺措施，使铸件从远离冒口的局部到冒口之间建立一个递增的温度梯，凝固从远离冒口的局部开始，逐渐向冒口方向顺序进行，最后 是冒口本身凝固。这样就能实现以厚补薄，使缩孔移至冒口，从而获得致密的铸件。缩孔和缩松的防止“定向凝固原则：适用于收缩大或壁厚差异大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、
33、可锻铸铁等。107在铸件一些局部厚大的部位上安放冷铁，加快该处的冷却，以便充分发挥冒口的补缩作用冷铁Chill：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。p冒口的设计：应将冒口安放在铸件最厚和最高处，其尺寸要足够大。内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；应将内浇道开设在冒口上，使充型的炽热金属液首先流经冒口。p内浇道的设计：p冷铁的设计：冒口和冷铁设计108定向凝固directionalfreezing图解浇注系统Pouringsystem型腔mouldcavity冒口Riser温度距离123缩孔shrinkagecavity定向凝固动画109n n 冷铁的使用图解123冷铁ChillChi
34、lls are metallic objects,which are placed in the mould to increase the cooling rate of castings to provide uniform or desired cooling rate.110解决缩孔的方法演示 冒口和冷铁1 111冷铁热节112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，可采用增大凝固的温度梯度方法。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。l缩松转化为缩孔的方法：113由于
35、铸件各局部有温差，凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固使清理工作量大。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。l定向凝固的优点：l定向凝固的缺点：1144.铸造内应力及铸件的变形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。它是产生变形和裂纹的主要原因。内应力热应力机械应力铸件在固态收缩和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，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热应力thermalstress thermalstress。铸件在固
36、态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。内应力的形成115图1-10热应力的形成第一阶段T0T1a:高温阶段t临再结晶温度以上，塑性状态，杆、杆都是塑性变形，热应力消失；以框架铸件为例，说明热应力的形成过程，如图1-10所示，其热应力形成过程分三阶段。铸造热应力的形成过程分析第二阶段T1T2b、c:杆塑性状态、杆弹性状态，杆受拉应力；受压应力，塑性变形,热应力消失；116第三阶段T2T3d：杆、杆均弹性变形，杆比 杆温度高，杆收缩大于 杆，杆收缩受 杆的阻碍，杆产生拉应力，杆产生压应力。热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各局部壁厚差异及温度差成正比。图1-10热应
37、力的形成动画演示117118结论：热应力的特点：固态收缩使铸件厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。合金固态收缩率愈大，铸件壁厚差异愈大，形状愈复杂，所产生的热应力愈大。防止热应力产生的途径：缩小铸件各部位的温差，使其均匀冷却。、选用弹性模量小的合金；、设计壁厚均匀的铸件；、从工艺方面促使铸件各部位同时凝固原则。119冷铁同时凝固原则 整个铸件几乎同时凝固。l同时凝固可有效防止热应力。凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；l由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。l缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。120机械应力收缩应力mechanicalstressmec
38、hanicalstress机械应力是暂时应力。上型下型铸件收缩受到铸型、型芯及浇铸系统的机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力。简称机械应力。l铸型或型芯退让性良好，机械应力则小。l机械应力在铸件落砂之后可自行消除。l机械应力在铸型中能与热应力共同起作用，增加了铸件产生裂纹的可能性.121减小和消除铸造应力的途径工艺方面a.使铸件按“同时凝固原则进行凝固。将内浇道开设在薄壁处，在厚壁部位安放冷铁使铸件各局部温差很小，同时进行凝固，由此热应力可减小到最低限度。应该注意的是，此时铸件中心区域往往出现缩松，组织不够致密。122b.提高铸型和型芯的退让性，及早落砂、打箱以消除机械阻碍，将铸件放入保温坑中
39、缓冷，都可减小铸造应力。结构设计方面应尽量做到结构简单，壁厚均匀，薄、厚壁之间逐渐过渡，以减小各局部的温差，并使各局部能比较自由地进行收缩。采用自然时效、人工时效等方法消除铸件中产生的热应力。123铸件的变形及其防止如果铸件存在内应力，则铸件处于一种不稳定状态，铸件厚的局部受拉应力，薄的局部受压应力。如果内应力超过合金的屈服极限时，则铸件本身总是力图通过变形来减缓内应力，因此细而长或大又薄的铸件易发生变形。图2-15框架铸件的变形 图2-16T形梁的变形124不对称结构不对称结构对称结构125结论：最后凝固厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。薄部、外表受压应力，出现外凸变形。126l防止变形的方
40、法：例如：设计时，铸件壁厚力求均匀、结构简单对称；制定铸造工艺时，尽量使铸件各局部同时冷却，增加型芯砂的退让性等。防止铸件变形的根本措施是减少铸造内应力。在制造模样时，可以采用反变形法，即预先将模样做成与铸件变形相反的形状，以补偿铸件的变形。在薄壁处附加工艺筋。127 分析有长、短不一的两根弹簧，将其固定，使其到达同等长度，即其中一弹簧被拉长，另一弹簧被压缩，此时所受的应力状态？然后将其固定约束去掉，试分析其变形趋势？被拉长的弹簧，受的拉应力被压缩的弹簧，受的压应力只有原来受拉伸局部产生收缩变形、受压缩局部产生拉伸变形，才能使剩余应力减少或消除。128问题讨论 将一长度为L的圆柱体铸件：1将中
41、间钻一通孔；2将外外表车掉一层；3从侧面切去一局部？问：在这三种情况下其长度会发生什么变化？129 如果铸造内应力超过合金的强度极限时，铸件便会产生裂纹。铸件的裂纹及防止裂纹分为热裂和冷裂两种。1热裂HotTearing在凝固末期、接近固相线的高温下形成的裂纹。产生原因：在凝固后期，结晶出来的固态物质已形成了完整的骨架，开始了线收缩，但晶粒间还存有少量液体低熔点的共晶产物FeS，故金属的高温强度很低。例如，wC0.3%的碳钢，室温强度480MPa，而在130014l0 时的高温强度0.75MPa。当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂。130特征：裂纹短、形状曲折、缝隙宽、断面有严重
42、氧化、无金属光泽、裂纹沿晶界产生和开展等，在铸钢和铝合金铸件中常见。131l热裂一般分布在应力集中部位尖角或断面突变处或热节处。132133 形成热裂的主要因素 形成热裂的主要因素 合金性质 合金性质 结晶温度范围宽，液、固两相绝对收缩量愈大，结晶温度范围宽，液、固两相绝对收缩量愈大，热裂 热裂倾向也愈大。倾向也愈大。另外，含硫 另外，含硫S S高，热裂倾向也大。高，热裂倾向也大。铸钢、可锻铸铁热裂倾向大。铸钢、可锻铸铁热裂倾向大。灰铸铁、球铸热裂倾向小。灰铸铁、球铸热裂倾向小。铸型阻力 铸型阻力 铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向小。铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向小。砂土中参
43、加少量锯木屑可增加退让性。砂土中参加少量锯木屑可增加退让性。134防止热裂的措施：应尽量选用凝固温度范围小、热裂倾向小的合金；提高铸型、型芯的退让性，减小机械应力；合理设计浇道、冒口；对于铸钢、铸铁件，严格控制硫含量，防止热脆性。l硫增加合金的热脆性，使热裂倾向大大提高。1355/16/2023 4:28 PM 是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。轮形铸件的冷裂 2冷裂Coldcrackingl特征：冷裂外形呈连续直线状或圆滑曲线状，常常穿过晶粒，断口有金属光泽或呈轻微的氧化色。产生的原因：是铸件中内应力超出合金的强度极限而产生的。136冷裂常出现在铸件受拉应力的部位。特别是有应力集中的地
44、方如内尖角处和缩孔、气孔及其非金属夹杂物的附近。塑性差的台金容易产生冷裂；灰铸铁、球铸冷裂倾向大。塑性差的台金容易产生冷裂；灰铸铁、球铸冷裂倾向大。钢中磷含量高，冷脆性增加；钢中磷含量高，冷脆性增加；演示137防止方法：冷裂尽量减小铸造应力。把内浇口开在薄的轮辐处，以实现同时凝固。较早打箱，以去除铸型对收缩的阻碍，打箱后立即用砂子埋好铸件，使其缓慢冷却。修改结构，加大轮辐和轮缘的连接圆角，以增加强度和减少应力集中。设置防裂筋可有效防止铸造裂纹138三、合金的吸气性液态合金中吸入的气体，如果在冷凝过程中不能逸出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。危害：气孔破坏了金属的连续性，减少了其承载的有效截
45、面积，并在气孔附近引起应力集中，降低了铸件的力学性能。按照气体的来源可分为：侵入气孔、析出气孔和反响气孔三类。气孔是出现在铸件内部或表层，截面形状呈圆形、椭圆形、腰圆形、梨形或针头状，孤立存在或成群分布的孔洞。气孔1391.侵入气孔砂型和型芯中的气体侵入金属液中形成的气孔。特征：在砂型和型芯外表附近，比较集中，尺寸较大，孔壁光滑，外表常呈氧化色或蓝色、呈椭球形或梨形。防止：降低砂型和型芯的发气量和增强铸型的排气能力。侵入的气体一般为水蒸气、一氧化碳、氮气、碳氢化合物等气体。1402.析出气体 溶解有氢的金属液在冷凝过程中，由于氢的溶解度下降，呈过饱和状态，于是，结合成分子以气泡的形式从金属液中
46、析出。上浮的气泡假设遇阻碍或金属液因冷却而粘度增加等情况，则不能浮出金属液，铸件中就形成了析出气孔。特征：气孔尺寸小，分布面积较广，甚至遍布整个铸件面积，而且，用同一种金属液浇注的所有铸件均有气孔，使铸件成批报废。1mm的称为针孔，危害较大。防止：保证炉料入炉前不含水、油、锈等污物，严格遵守操作工艺，减少金属液与空气的接触，控制炉气为中性气氛。1413.反响气孔 防止：芯撑、冷铁外表不得有锈蚀、油污，并保持枯燥液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反响而形成的气体。特征：在芯撑、冷铁附近形成气孔。142铸件气孔和缩孔典型的区别：前者内壁光滑后者内壁粗糙，但在实际生产中气孔和缩孔玩往往
47、混在一起很难区别开来，这时就叫气缩孔。气孔一般在铸件的浇注位置上部，和铸件外表出现，缩孔在铸件的厚大部位出现比方冒口的下部，和铸件补缩不到的较厚的部位。1431、铸造中，设置冒口的目的。A.改善冷却条件B.排出型腔中的空气C.减少砂型用量D.有效地补充收缩2、铸件产生缩松、缩孔的根本原因。A.固态收缩B.液体收缩C.凝固收缩D.液体收缩和凝固收缩3为提高铸件的流动性,在以下铁碳合金中应选用。A.C=2.5%B.C=3.2%C.C=4.0%D.C=5.0%4铸造应力按产生的原因不同，主要可分为和两种。5、铸件上各局部壁厚相差较大，冷却到室温，厚壁局部的剩余应力为应力，而薄壁局部的剩余应力为应力。
48、6、为了防止铸件变形,再进行铸件结构设计时,应力求壁厚_,形状_。练习144例：如下图应力框铸件。浇注并冷却到室温后，各杆的应力状态为。假设用钢锯沿A-A线将30杆锯断，此时断口间隙将。断口间隙变化的原因是各杆的应力，导致30杆，10杆。A增大；B减小；C消失；D伸长；E缩短；F不变；145表2影响充型能力的因素和原因146上节课复习第一章 铸造成形工艺理论基础 第一节 铸造成形工艺的特点和分类什么是铸造？是指将熔融态的金属或合金浇注于特定型腔的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的成形工艺。铸造工艺特点适应性广、可复杂成形、成本较低、工艺过程难以控制，铸件易产生组织缺陷。常见铸造缺陷有那些？浇缺
49、乏、冷隔、缩孔、缩松、变形裂纹、粘砂、夹渣、砂眼、夹杂、错型 147 第二节 合金的铸造性能 什么是合金的铸造性能？是指在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。合金的铸造性能是指那些性能？什么是合金的充型能力？熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。充型能力缺乏时，铸件将产生什么缺陷。浇缺乏、冷隔 浇缺乏、冷隔充型能力收缩性吸气性148影响合金充型能力的主要因素：合金的流动性与合金种类、合金的化学成分、温度、杂气量等有关 浇注条件温度、压力 铸型条件铸型的蓄热能力、铸型温度、铸型中的气体、铸件结构 影响合金流动性的主要因素：合金的成分与铸件的凝固方式149 铸件的凝固方
50、式150逐层凝固逐层凝固特征 l如灰口铸铁、硅黄铜及低碳钢等固液界面清楚、平滑，不存在固液交错，凝固前沿比较平滑，对金属的流动阻力小，因而充型能力强。151这种凝固方式犹如水泥凝固，先呈糊状而后固化，凝固前沿粗糙，对金属流动的阻力大，因而充型能力差，容易产生铸造缺陷。糊状凝固糊状凝固特征 l远离共晶点成分的合金，如锡青铜、球墨铸铁及高碳钢等 152v纯金属、共晶类合金及结晶温度范围窄的合金：只存在固、液两相区v结晶温度范围大的合金：存在固相区、凝固固-液两相区和液相区。倾倾向于逐向于逐层层凝固方式凝固方式倾倾向于糊状凝固方式向于糊状凝固方式 在相同的浇注温度下，共晶成分合金凝固温度最低，即液态