材料成形(鑄造)

材料成形技術基礎FundamentalofMaterialsFormingFacultyofMechanicalEngineeringJimeiUniversity前言材料是人類文明的基石，是現(xiàn)代高科技的三大支柱之一。沒有材料，就沒有人類文明。

但是，材料需要成形才能使用，材料的發(fā)展和成形工藝的發(fā)展是密不可分的。所以材料成形工藝是材料能否得到善用的關鍵。1.金屬液態(tài)成形2.金屬塑性成形3.金屬連接成形4.非金屬材料成型5.材料成形方法選擇本課程內(nèi)容第一章金屬液態(tài)成型

定義：所謂金屬液態(tài)成型，即鑄造，casting，是將液態(tài)金屬借助外力充填到型腔中，使其凝固冷卻而獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件的工藝。

注意2個過程：（1）充填型腔；（2）凝固冷卻

鑄造工藝特點（1）適應性廣。適應鑄鐵，碳鋼，有色金屬等材料；鑄件大小，形狀和重量幾乎不受限制；壁厚1mm到1m。（2）可復雜成形。適合形狀復雜，尤其是有復雜內(nèi)腔的毛坯或零件。（3）成本較低。（4）但也存在一些不足，如組織缺陷，力學性能偏低，質(zhì)量不穩(wěn)定，工作環(huán)境較差。因此，鑄件多數(shù)做為毛坯用。分類按造型分:砂型鑄造與特種鑄造。

砂型鑄造是基礎，特種鑄造是在砂型鑄造基礎上革新發(fā)展起來的。

型砂配制

造型

砂型干燥工裝準備爐料準備

合金冶煉芯砂配制

造芯

型芯干燥工藝三大塊：冶煉，造型（芯）和澆注

落砂清理

鑄件檢驗

入庫砂型鑄造工藝流程圖

合型澆注

凝固冷卻

§1金屬液態(tài)成型工藝基礎

本節(jié)主要內(nèi)容：鑄造工藝性問題1.熔融合金的流動性與充型2.凝固過程中的收縮及其影響3.鑄件常見缺陷1.1流動性及充型

（1）流動性定義：flowability,液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰，形狀和尺寸符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力(CSS,configuration,shapeandsize)。流動性通義是流體的流動能力，但不同學科對流動性有不同的定義，這里是材料成形學的定義。它的定義說流動性是這樣的一種能力，這種能力體現(xiàn)在2個方面：（1）充滿型腔；（2）形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。這個定義突出地表明了流動性對金屬液態(tài)成型工藝的重要性。如果流動性不好，就不能充滿型腔，就不能形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。也說明不同的合金具有不同的流動性特點。在進行鑄件設計和鑄造工藝制定時，必須考慮合金流動性。那么，我們怎樣衡量合金的流動性呢？螺旋形流動性試樣

見圖1-2和表1-1。取澆注試樣長度做比較度量。分析表1-1。鑄鐵的流動性最好，最高可達1800mm。此外應注意到，化學成分有很大影響，Wc+Si表示合金元素的含量，weightpercent，用重量百分比度量。如鑄鐵，主要是鐵Fe和碳C的合金，還含硅Si等。

Wc+Si

=6.2%表示化學成分為含碳量C%+含硅量Si%為6.2%，其余為Fe的鑄鐵影響合金流動性的材料因素合金的流動性主要取決于它本身的化學成分。鋼鐵的流動性，可以從Fe-C合金相圖判別。溫度，T碳鋼鑄鐵共晶點合金的化學成分決定了2種凝固模式

純金屬和共晶合金，對應A點和C點成分，有確定的熔點，恒溫結晶，結果在鑄型中凝固過程將從表及里推進，稱為逐層凝固

非共晶合金沒有一個確定的熔點，它的凝固結晶是在一個溫度區(qū)間內(nèi)完成的，屬非恒溫結晶。在這個溫度區(qū)間內(nèi)，同時存在已經(jīng)凝固的部分，如先晶，或樹枝狀晶主干，和還沒有凝固的部分，固相和液相并存，象槳糊狀態(tài)，流動性差，所以稱為糊狀凝固

離共晶點C越遠，結晶溫度區(qū)間越寬，流動性就越差。換句話說，C點成分以前的鐵碳合金，即亞共晶鑄鐵，流動性隨含碳量的增加而提高；過共晶鑄鐵呢，即C點成分以后的合金，流動性隨含碳量的增加而下降。這就是鐵碳合金流動性與含碳量的關系。影響熔融合金充型的工藝條件

①澆注條件：主要指澆注溫度，澆注速度和靜壓頭高度。其中最重要的是澆注溫度。②鑄型：鑄型溫度，導熱性，發(fā)氣和排氣，鑄型結構。參看P3。澆注溫度指的是澆注時熔融合金的溫度，一般要求比它的液相線溫度高，即存在過熱度，推遲它的凝固時間，以保持良好的流動性。但是也不能太高，否則造成氧化，吸氣，過收縮，粘砂，脹砂等不良后果。所以，每種合金有自己的合理澆注溫度范圍。參教材P3。1.2液態(tài)合金的收縮

收縮定義是在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。

能產(chǎn)生縮孔，縮松，裂紋，變形，內(nèi)應力等缺陷，使鑄件質(zhì)量不符合要求。

收縮歷程對應凝固冷卻過程

可以分為3階段①液態(tài)收縮②凝固收縮③固態(tài)收縮。

合金收縮率是3階段收縮率之和。常用合金的收縮衡量：體收縮率和線收縮率。

P4?；瘜W成分。碳當量。可見，收縮與化學成分有關。

收縮是液態(tài)合金凝固冷卻過程中的必然現(xiàn)象，它產(chǎn)生縮孔與縮松，內(nèi)應力，變形和裂紋，對鑄造工藝影響很大。

縮孔與縮松

鑄造應力

鑄件變形

鑄件裂紋

1.縮孔與縮松

分布特征存在部位容積大小形狀特征發(fā)生材料縮孔集中上部，最后較大倒錐狀近共晶縮松分散特殊區(qū)域細小不規(guī)則遠共晶縮孔形成機理：逐層凝固方式下最后凝固部位得不到補充而形成的空隙。

縮松形成機理：樹枝狀晶體所分隔的晶間液體區(qū)得不到補縮形成的小孔隙。

縮孔形成過程圖解防止產(chǎn)生縮孔的有效措施：定向凝固，P6所謂定向凝固，是通過安放冒口和冷鐵等工藝措施，實現(xiàn)人為的順序凝固。

冒口：鑄型中特設的空腔，用于儲備多余金屬液體以彌補收縮引起的金屬液體不足。冷鐵：型壁上外設的鐵塊，用于加快該處的冷卻速度。定向凝固圖解澆注系統(tǒng)型腔冒口溫度距離123縮孔冷鐵的使用圖解123冷鐵2.鑄造應力與鑄件變形內(nèi)應力產(chǎn)生原因：凝固后固態(tài)收縮受阻引起。鑄造內(nèi)應力分類：熱應力與機械應力。

熱應力：由于鑄件壁厚不均，各部分冷卻速度不同，以致收縮不一致引起的應力。

機械應力：合金線收縮受到鑄型或型芯的機械阻礙而形成的內(nèi)應力。

熱應力形成分析所謂彈塑臨界溫度，epct（elasticplasticcriticaltemperature）指金屬從彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度。實際就是對應的固相線溫度tc。在epct以上，金屬處于塑性狀態(tài)，應力可以通過塑性變形消除。在epct以下，金屬處于彈性狀態(tài)，應力不能通過彈性變形消除。三桿熱應力分析模型+-+--+典型結構變形舉例+框架結構+-T型梁結構內(nèi)應力薄壓厚拉變形方向恰相反——鑄件變形歸納

由于內(nèi)應力的存在，厚薄不均、截面不對稱以及細長桿、板、輪類零件，在鑄造應力超過鑄件材料的屈服極限時，產(chǎn)生的翹曲變形。減小應力措施①工藝上同時凝固原則；②改善鑄型和型芯的退讓性；③去應力退火。

發(fā)生期引發(fā)因素特征傾向防止措施熱裂凝固高溫機械應力短寬曲氧塑性區(qū)寬退讓性，S冷裂凝固低溫復合應力光滑穿晶脆性，大型壁厚，P3.裂紋裂紋是鑄造內(nèi)應力超過金屬材料抗拉強度的產(chǎn)物。熱裂：凝固后期因機械應力超強而產(chǎn)生。影響因素：合金性質(zhì)和鑄型阻力。冷裂：繼續(xù)冷卻至室溫形成的裂紋。特點P101.3

鑄件常見缺陷冷隔、澆不足氣孔粘砂、夾砂砂眼，脹砂歸納

本節(jié)主要介紹鑄造工藝性：流動性與收縮。1.流動性：充型2.收縮：縮孔與縮松，內(nèi)應力：熱應力與機械應力（厚拉薄壓），變形與裂紋：拉凹壓凸；熱裂紋與冷裂紋。3.其它缺陷思考題：P62，1-1，1-3，1-5

作業(yè)1一、判斷題1.在鑄件熱節(jié)處安放冷鐵能夠起補縮作用。（）2.凝固溫度范圍大的合金，鑄造時鑄件中易產(chǎn)生縮松。（）3.防止或減少鑄件變形的方法之一是提高流動性。（）4.合金的澆注溫度越高越好。（）5.鑄鋼件一般都要安置冒口和冷鐵，使之實現(xiàn)同時凝固。（）二、選擇題1.造成鑄件冷隔的主要原因是

a.澆注溫度過高b.澆注溫度過低c.澆注速度太快2.生產(chǎn)中為提高合金的流動性常采用的方法是

a.加大出氣口b.延長澆注時間c.提高澆注溫度3.冒口的一個重要作用是

a.液體金屬迅速澆注滿型腔b.澆注金屬液的通道c.補縮和排氣4.澆注溫度過高，鑄件會產(chǎn)生

a.氣孔b.夾雜物c.冷隔5.在下列物品中，適用于鑄造生產(chǎn)的是

a.鋼精鍋b.鋁飯盒c.機床絲杠d.啞鈴6.能夠制造形狀復雜、特別是具有復雜內(nèi)腔毛坯的加工方法是

a.鑄造b.壓力加工c.焊接d.切削加工三、填空題1.澆注溫度過低，液體金屬量不夠，鑄件就會產(chǎn)生冷隔或__________。

2.______________對合金流動性的影響最顯著。

3.合金的鑄造性能用______________和______________來衡量。

4.鑄鋼的流動性比鑄鐵______。

5.澆注溫度越______，上砂箱越______，合金的充型