材料成型工艺学2-1液态合金的充型
液态金属(合金)的流动性及充型能力-PPT课件
三、教法分析
基于本课题的特点，我主要采用了 以下的教学方法：
1. 直观演示法：利用多媒体进行直观演示，激 发学生的学习兴趣，活跃课堂气氛，促进学生 对知识的掌握。课节内容公式较多，采用板书 推导的方法便于学生理解。 2. 引导提问法：通过提出问题引导学生，以学 生为主体，使学生的独立探索性得到了充分的 发挥，培养学生的自觉能力、思维能力。 3. 集体讨论法：针对学生提出的问题，组织学 生进行集体和分组语境讨论，促使学生在学习 中解决问题，培养学生团结协作的精神。
（2）、教材内容要点
①、液态金属流动性及充型能力的 概念 ②、液态金属（合金）充型能力的 计算
（3）、教学目标 ①、知识目标： 了解液态金属在成形过程中的流动特点 了解影响充型能力的因素和提高措施 熟悉并掌握液态金属停止流动机理及液态金属充 型能力的计算方法 ②、能力目标： 由于本节课内容是本门课的重点内容之一，属于 理论性较强的内容。通过多媒体演示和板书的合理应 用，培养学生勤于思考的学习能力。并且本节内容计 算部分较多，锻炼学生独立思考，独立分析问题的能 力。 ③、德育目标： 培养学生从事研究工作认真、严谨的作风。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2. 讲授新课：（39分钟） 在讲授新课的过程中，我突出教材的重点 ，明了地分析教材的难点。我选择了多媒体的 教学手段,可以使抽象的知识具体化，枯燥的知 识生动化，乏味的知识兴趣华。还重视教材中 的疑问，适当对题目进行引申，使它的作用更 加突出，有利于学生对知识的串联、积累、加 工，从而达到举一反三的效果。教学过程：通 过幻灯片演示展开本节内容——液态金属在成 形过程中的流动特点——液态金属流动性和充 型能力概念——重点分析液态金属停止流动机 理——着重讲解液态金属充型能力的计算方法 ——影响充型能力的因素和提高措施。
材料成型复习题思考及答案
材料成型复习题思考及答案《材料成形技术基础》复习思考题第⼀篇铸造1.何谓液态合⾦的充型能⼒？充型能⼒不⾜，铸件易产⽣的主要缺陷有哪些？充型能⼒：液态⾦属充满铸型型腔，获得形状完整、尺⼨精确、轮廓清晰铸件的能⼒。
充型能⼒不⾜，会产⽣浇不⾜、冷隔、⽓孔、夹渣等缺陷。
提⾼充型能⼒的⽅法：1）选择凝固温度范围⼩的合⾦；2）适当提⾼浇注温度、充型压⼒；4）合理设计浇注系统结构；4）铸型预热，合理的铸型蓄热系数和铸型发⽓量；5）合理设计铸件结构。
2.影响液态合⾦充型能⼒的主要因素有哪些？影响液态合⾦充型能⼒的主要因素有：流动性、铸型条件、浇注条件和铸件结构等。
3.浇注温度过⾼或过低，对铸件质量有何影响？浇注温度过低，会产⽣浇不⾜、冷隔、⽓孔、夹渣等缺陷。
浇注温度过⾼，液态合⾦的收缩增⼤，吸⽓量增加，氧化严重，容易导致产⽣缩孔、缩松、⽓孔、粘砂、粗晶等缺陷。
可见，浇注温度过⾼或过低，都会产⽣⽓孔。
4.如何实现同时凝固？⽬的是什么？该原则适⽤于何种形状特征的铸件？铸件薄璧部位设置在浇、冒⼝附近，⽽厚璧部位⽤冷铁加快冷却，使各部位的冷却速度趋于⼀致，从⽽实现同时凝固。
⽬的：防⽌热应⼒和变形。
该原则适⽤于壁厚均匀的铸件。
注意：壁厚均匀，并⾮要求壁厚完全相同，⽽是铸件各部位的冷却速度相近。
5.试述产⽣缩孔、缩松的机理。
凝固温度范围⼤的合⾦，其缩孔倾向⼤还是缩松倾向⼤？与铸铁相⽐较，铸钢的缩孔、缩松倾向如何？产⽣缩孔、缩松的机理：物理机制是因为液态收缩量＋凝固收缩量＞固态收缩量（或写为：体收缩量＞线收缩量）；⼯艺原因则是由于补缩不⾜。
凝固温度范围⼤的合⾦，其缩松倾向⼤。
与铸铁相⽐较，铸钢的缩孔、缩松倾向⼤。
6.试述冒⼝与冷铁的作⽤。
冒⼝：补缩、排⽓。
冷铁：调整冷却速度。
7.⼀批铸钢棒料（Φ200×L mm ）加⼯：(1)沿其轴线，在⼼部钻Φ80mm 棒料长度为L １； (2)将其车为Φ80mm L2。
试分析L 、L1、L2是否相等。
材料成型原理及工艺第一章液态成型工艺基础理论
又同老的核心一起长大，直至凝固
结束。
液态成型原理及工艺
3、形核方式：
均质形核
依靠液态金属(合 金)内部自身的结
构自发地形核
异质形核
依靠外来夹杂 所提供的异质 界面非自发地
形核液态成型原理及工艺
4、纯金属晶体长大：
形成稳定的晶核后，液相中的
原子不断地向固相核心堆积，
使固－液界面不断地向液相中
推移，导致液态金属(合金)的
液态成型原理及工艺
1-1液态金属理论基础
一、 液
态
金
属
固态
的
结
从固态金属的熔化过 程看出，在熔点附近 或过热度不大的液态 金属中仍然存在许多 的固态晶粒，其结构 接近固态而远离气态.
构
液态
液态成型原理及工艺
1、纯金属的液态结构：
纯 金
原子集团由数
原子集团
量不等的原子 组成，其大小
属
为10-l0m数量
液态金属凝固的驱动 力是由过冷度提供的
图1-1 液态成型原理及工艺
2、液态金属(合金)凝固过程
在相变驱动力∆T的作用下，液态金
属开始凝固。凝固过程不是在一瞬
间完成的。首先产生结晶核心，然
后是核心的长大直至相互接触为止。
但生核和核心长大不是截然分开的，
而是同时进行的，即在晶核长大的
同时又会产生新的核心。新的核心
液 液态成型件在机械产品中占有重 态 要比例：
成 在机床、内燃机、重型机器中铸 型 件约占70％-90％；在风机、压
的 缩机中占60％-80％；在拖拉机
重 中占50％-70％；在农业机械中
要 占40％-70％；汽车中占20％-30
性 ％。
工程材料与成型工艺基础习题答案
4.常见的金属晶格类型有体心立方晶格、面心立方晶格和密排 六方晶格三种类型。α–Fe属于体心立方晶格，γ–Fe属于面 心立方晶格，δ–Fe属于体心立方晶格。
5.实际金属的晶体缺陷有点缺陷（空位或间隙原子）、线缺 陷（位错）和面缺陷（晶界）。
6.金属的理论结晶温度与实际结晶温度之差称为过冷度。金 属的冷却速度越快，过冷度越大，获得的晶粒越细。
组织是否相同，各是何种组织？
1）不同。
2）由于铸件壁厚不同，其 各部分冷却速度不同。壁厚 5、10、20、30、40mm 处的组织分别为麻口组织 （Ld'＋石墨)、P＋石墨、P ＋石墨、F+P＋石墨、F+石 墨。
图2-2 阶梯铸件
7.某厂铸造一个ф1500mm的铸铁顶盖，有如图2-3所示两 种设计方案，试分析哪种方案易于生产？并简述其理由。
34940N，拉断后测得标距长度为65㎜，断裂处直
径为5㎜。试计算σb、σs、δ、ψ的值。
bS Fb 0 33 .144 5924404(M 5 P ) a
s
FS S0
32 .114 5623207(M 5 P ) a
L k L 0 1% 0 0 6 5 31 0% 0 1 0.1 7 % 6
L 0
铸铁污水管 离心铸造，汽轮机叶片 压力铸造
二、简答题与应用题： 1．什么是液态合金的充型能力？影响液态合金充型能力的 因素有哪些？
（1）液态合金的充型能力是液体金属充满铸型型腔，获得 尺寸精确、轮廓清晰的成形件（铸件）的能力。
（2）影响液态合金充型能力的因素有合金的流动性、浇注 条件、铸型充填条件。
形、裂纹的原因是固态收缩 。
4．铸件在凝固过程中所造成的体积缩减如得不到液态金属 的补充，将产生缩孔或缩松。凝固温度范围窄的合金，倾 向于“逐层凝固”，因此易产生缩孔；而凝固温度范围宽 的合金，倾向于“糊状凝固”，因此易产生缩松。
液态金属的充型能力
4.流动性式样
衡量金属或合金的流动 性，常用螺旋形式样浇 铸后得到的长度制来衡 量。
1-浇口杯；2-低坝；3直浇道；4-螺旋试样； 5-高坝；6-溢流道；7全压井
金属成型理论基础
第二节
液态金属的停止流动机理及充型能 力的计算
一 液态金属的停止流动机理 二 液态金属充型能力的计算
金属成型理论基础
一、液态金属的停止流动机理
金属成型理论基础
二、铸型性质方面的因素
1. 铸型蓄热系数大，激冷作用强，流动性减小。 2.涂层，金属型铸造中浇冒口处涂料中加入蓄热系数小的 石棉粉，砂型铸造中加入烟黑材料等。 3. 铸型温度高，减小温差；提高充型能力。 4.发气量：铸型有一定的发气能力，在铸型和金属液之间 形成气层，减小摩擦阻力，利于充型，但应适当，气压力 过大导致浇不进，甚至飞溅等，减小发气物质含量，增加 铸型透气性。
金属成型理论基础
三、浇注条件性质方面的因素
1.适当的提高浇注温度： 浇注温度（决定性影响），提高利于充型，但到一程度 后，吸气量增加，氧化严重，不利充型；还会出现结晶 组织粗大，缩孔，缩松等缺陷。 2.充型压头高，浇注位置合适，顶注式浇注等，都提高充 型能力。 3.合理地布置内浇道在铸件上的位置，选择适当的浇注系 统结构。
1.纯金属、共晶成分合金和结晶范围很窄的合金： 纯金属、共晶成分合金和结晶范围很窄的合金： 纯金属
金属成型理论基础
2.结晶范围很宽的合金： 结晶范围很宽的合金： 结晶范围很宽的合金
金属成型理论基础
二、液态金属的充型能力的计算
假设某成分合金浇注一棒形试 样，充型能力l=vτ v：静压头H作用下液态金属 在型腔中的平均流速。 τ：液态金属进入型腔到停止 流动的时间 ≈ τ浇 V=µ(2gh)1/2 H：液态金属静压头 µ： 流量消耗系数
液态金属的流动性及充型能力
液态金属的流动性及充型能力液态金属充填过程是铸件形成的第一阶段，铸件的许多缺陷是在这个过程中形成的。
为了获得优质健全的铸件，必须掌握和控制这个过程。
为此，研究液态金属充满铸型的能力，以便得到形状完整、轮廓清晰的铸件，防止在充型阶段产生缺陷一、充型的概念液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性又叫做充型能力。
液态合金的流动性愈好，不仅易于铸造出轮廓清晰，薄而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。
若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷液态金属充填铸型是一个复杂的物理、化学和流体力学问题，涉及到金属液的各种性质，如密度、黏度、表面张力、氧化性、氧化物的性质及润湿性等。
充型能力的大小影响铸件的成型，充型能力较差的合金难以获得大型、薄壁、结构复杂的健全铸件而良好的流动性能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到液态金属的补充，铸件在凝固末期受阻出现的热裂可以得到液态金属的充填而弥合，有利于防止缺陷产生液态合金流动性的好坏，通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。
如图2-3所示，将液态合金注入螺旋形试样铸型中，冷凝后，测出其螺旋线长度。
为便于测量，在标准试样上每隔50mm 作出凸点标记，在相同的浇注工艺条件下，测得的螺旋线长度越长，合金的流动性越好。
常用合金的流动性如表2-1所示。
其中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差通常，流动性好的合金，充型能力强;流动性差的合金，充型能力差，在实际的铸造生产中，可以通过改善外界条件来提高其充型能力，根据铸件的要求及合金的充型能力采取相应的工艺措施以获得健全的优质铸件。
二、影响充型能力的因素影响充型的因素是通过两个途径发生作用的:一是影响金属与铸型之间的热交换条件，从而改变金属液的流动时间；二是影响液态金属在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速。
材料成形工艺学讲稿(2)
固相区
凝固区 液相区
固液部分
晶体连成封闭骨架，骨架间的少量液相互不沟通 晶体已连成骨架，液相可以在其间移动
液固部分：
晶体处于悬浮状态而未连成片，液相可以自由移动
对于纯金属和共晶成分的合金，不存在凝固区。
（a）金属凝固体断面的 （b）凝固动态曲线 温度—时间曲线
§2.4 液态金属凝固方式
一、液态金属凝固动态曲线
根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线，在位置 与时间的坐标图上绘制成的凝固体典型温度的连线图称为
凝固动态曲线。
典型温度： 液相线温度 固相线温度 共晶温度等
根据凝固动态曲线， 可以推断凝固体断面不同时刻的凝固状态和凝固区的宽窄（范围）。
一、充型能力
影响充型能力的主要因素： 液态金属的流动能力 （主要因素） 外界条件 铸型性质——导热能力、温度 浇注条件——浇注温度、浇注压头 铸件结构——热模数、复杂程度
用金属的流动性 来反映液态金属的流动能力。
流动性 取决于液态金属的成分、温度、杂质含量。
一、充型能力
用金属的流动性 来反映液态金属的充型能力。
H 0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
整理式（2-1）得
H0
v内2 2g
hi
v内2 2g
(1
i )
所以
v内
1
1 i
2gH0 2gH0
（2 - 2）
式中
为流量系数。
1. 充填下半型 通过内浇道的金属流量为
m1 t1F内 2gH0
所以
F内
t1
m1 2 gH 0
（流量=时间*流速*截面积） （2 - 3）
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第一章金属液态成形1.什么是液态合金的充型能力？它与合金的流动性有何关系？不同化学成分的合金为何流动性不同？为什么铸钢的充型能力比铸铁差？1 液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。
2 流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。
流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。
3 成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。
4 相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。
2. 既然提高浇注温度可提高液态合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。
3. 缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。
缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。
4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。
浇不足是沙型没有全部充满。
冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。
出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。
而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。
逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。
定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。
5. 定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。
机械制造基础(金属工艺学) 第二章 铸造
第2章 铸造
01 铸造工艺基础 02 合金铸件的生产工艺 03 砂型铸造 04 特种铸造 05 铸件结构设计
第2章 铸造
铸造工艺特点 1）适合制造形状复杂的毛坯
第2章 铸造
铸造工艺特点 2）毛坯大小不受限制
第2章 铸造
铸造工艺特点 3）材料不受限制（能熔化的金属） 4）生产成本低（原材料来源广泛） 5）应用广泛（历史最久的金属成型方法，40%~80%）
2.3.2 浇注位置和分型面的选择—浇注位置 1）铸件的重要加工面应朝下或位于侧面
2.3 砂型铸造
2.3.2 浇注位置和分型面的选择—浇注位置 2）铸件宽大平面应朝下
2.3 砂型铸造
2.3.2 浇注位置和分型面的选择—浇注位置 3）面积较大的薄壁部分应置于铸型下部
2.3 砂型铸造
2.3.2 浇注位置和分型面的选择—分型面 分型面：铸型组元之间的结合面或分界面。 分型面影响： 1）铸件质量； 2）生产工序的难易； 3）切削加工的工作量。
2.2.1 铸铁件生产 2）球墨铸铁 由于石墨成球状，它对基体的缩减和割裂作用减至最低限度，球墨
铸铁具有比灰铸铁高的多的力学性能，塑韧性大大提高。
2.2 合金铸件的生产工艺
2.2.1 铸铁件生产 2）球墨铸铁
球墨铸铁的牌号、 性能及用途 QTXXX-X
2.2 合金铸件的生产工艺
2.2.1 铸铁件生产 3）可锻铸铁 将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁中的渗碳体
04 特种铸造 05 铸件结构设计
2.3 砂型铸造
铸造工艺
砂型铸造
特种铸造
手工造型 机器造型 金属型铸造 熔模铸造
压力铸造 低压铸造
陶瓷型铸造 离心铸造
2.3 砂型铸造
材料成型技术基础(第2版)课后答案
第一章金属液态成形1. ①液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。
②流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。
流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。
③成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。
④相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。
2. 浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。
3. 缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。
缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。
4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。
浇不足是沙型没有全部充满。
冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。
出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。
而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。
逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。
定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。
5. 定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。
铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称作同时凝固。
材料成型复习题及答案-2
材料成型基础复习题2-1 判断题（正确的画O，错误的画×）1．浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素。
提高浇注温度有利于获得形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件。
因此，浇注温度越高越好。
（×）2．合金收缩经历三个阶段。
其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的基本原因，而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。
（O）3．结晶温度范围的大小对合金结晶过程有重要影响。
铸造生产都希望采用结晶温度范围小的合金或共晶成分合金，原因是这些合金的流动性好，且易形成集中缩孔，从而可以通过设置冒口，将缩孔转移到冒口中，得到合格的铸件。
（O）4．为了防止铸件产生裂纹，在零件设计时，力求壁厚均匀；在合金成分上应严格限制钢和铸铁中的硫、磷含量；在工艺上应提高型砂及型芯砂的退让性。
（O）5．铸造合金的充型能力主要取决于合金的流动性、浇注条件和铸型性质。
所以当合金的成分和铸件结构一定时；控制合金充型能力的唯一因素是浇注温度。
（×）6．铸造合金在冷却过程中产生的收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
共晶成分合金由于在恒温下凝固，即开始凝固温度等于凝固终止温度，结晶温度范围为零。
因此，共晶成分合金不产生凝固收缩，只产生液态收缩和固态收缩，具有很好的铸造性能。
（×）7．气孔是气体在铸件内形成的孔洞。
气孔不仅降低了铸件的力学性能，而且还降低了铸件的气密性。
（O）8．采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它也增加了造型的复杂程度，并耗费许多合金液体，同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。
（O）2-2 选择题1．为了防止铸件产生浇不足、冷隔等缺陷，可以采用的措施有（D）。
A．减弱铸型的冷却能力；B．增加铸型的直浇口高度；C．提高合金的浇注温度；D．A、B和C；E．A和C。
2．顺序凝固和同时凝固均有各自的优缺点。
为保证铸件质量，通常顺序凝固适合于（D），而同时凝固适合于（B）。
材料成型原理
润湿角是衡量界面张力的标志。
1.1纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子 这样的结构处于瞬息万变的状态 液体内部存在着能量起伏。
2 实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体 也就是说 实际的液态合金除了存在能量起伏外 还存在结构起伏。
充型能力中浇注条件方面的影响因素：1、浇注温度 2、充型压头 3、浇注系统的结构2.1液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。
（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。
系统吉布斯自由能G=H-TS H为焓、T为热力学温度、S为熵。
结构越混乱G越高。
G L 液相G s固相当T<Tm G L液相<G s固相金属结晶。
过冷度为金属结晶的驱动力。
成分起伏、相结构起伏、能量起伏。
对于外来固相的平面基地而言，凹>平>凸，凸界面，促进异质形核的能力随曲率增大而减小，凹界面，随增大而增大。
晶体宏观长大方式：平面方式长大，树枝晶方式生长。
3.1为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。
3.2何谓热力学能碍和动力学能碍？凝固过程是如何克服这两个能碍的？热过冷：金属凝固时所需的过冷度，若完全由热扩散控制，这样的过冷称热过冷。
2-1铸造工艺基础-1.2充型.收缩1
液态金属的流动性
流动性定义： 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰， 形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。 流动性不好：不能充满型腔，铸件易产生浇不到、冷
隔、气孔、夹杂等缺陷。
流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂
物上浮和对铸件进行补缩。
冷隔
浇不足
气孔
液态合金的流动性通常以“螺旋形试样”长度来衡 量。
机械学院金工教研室
课程考核方式及成绩评定方法
开课学时：48（理论44，实验4） 成绩构成：
卷面成绩60%：期末考试成绩×0.6；
实验成绩5%：实验室成绩（满分10分）/2；
作业成绩20%：共提交4次作业，每次5分，每次 作业打错1处扣1分，扣完5分为止；
平时成绩5%：缺席1次扣0.5分，扣完5分为止；
体收缩率：
线收缩率：
V0 V1 V 100% V (t0 t1 ) 100% V0
l0 l1 L 100% l (t0 t1 ) 100% l1
V0，V1——金属在 t0 和 t1 时的体积，m3； l0，l1——金属在 t0 和 t1 时的长度，m；
课程大作业10%：课程结束后提交大作业，满分 10分，答错一处扣1分，扣完10分为止。
机器生产过程：原材料——毛坯——零件——机器
机器制造方法： • 原材料选取择与改性（热处理）； • 毛坯成形（铸、锻、焊等）； • 零件成形（切削加工等）与装配。
主要教学内容
•
各种毛坯制造方法的生产原理、特点和应用
落砂后热应力仍存在与铸件之中，属于残余应力。
粗杆：拉应力
细杆：压应力
铸件热应力的产生
分析下列铸件内的纵向残余应力
厚壁筋板内拉伸应力 薄壁筋板内压缩应力
材料成型原理与工艺(01)-液态金属成形概论
夹杂物的排除： 夹杂物的排除：
金属液静止处理、真空浇注，加熔剂， 金属液静止处理、真空浇注，加熔剂，过滤法
2012-1-8
凝固区域
固相区、凝固区、液相区
凝固方式
逐层凝固方式 体积凝固（糊状凝固方式） 体积凝固（糊状凝固方式） 中间凝固方式
2012-1-8 22
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较 为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在 固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于 这种凝固方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故 称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄 铜等都是糊状凝固的合金。 中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状 凝固之间,称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口 铸铁等具有中间凝固方式
气压保温浇包
15
采用德国KW公司技术的新二线主机，发动机缸体造型生产线。
罗兰门第制芯中心
2012-1-8 16
二、液态金属在铸型中的流动
1、 液态金属充型能力的基本概念 、
液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力， 叫做液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。 液态金属充填铸型一般是在纯液态下充满型腔的，也有边充型边结晶的 情况，在充型过程中当液态金属中形成晶粒堵塞充型通道时，流动则停 止，造成铸件“浇不足”缺陷。 液态金属的充型能力（实验-螺旋形试样）：
2012-1-8
18
思考题 1 1. 液态金属成形的概念是什么？液态金属 液态金属成形的概念是什么？ 成形具有哪些优点？ 成形具有哪些优点？ 2. 液态金属成形生产过程。 液态金属成形生产过程。
液态金属的充型能力1
等固相法
内切圆法 特 征：形状不规则，表面不光滑，可以看到发达的树 枝晶末梢 2、缩松的形成 形成过程：
产生原因：液态收缩+凝固收 缩＞固态收缩
产生条件：宽结晶温度范围的 合金 出现部位：铸件中心轴线处 上一页 下一页 退出
3、防止措施
顺序凝固原则
同时凝固 原则
内冷铁：铸件 的一部分
冷铁
外冷铁：铸型 的一部分
以上影响因素错综复杂，在实际生产中必须根据具体情况具 体分析，找出其中的主要矛盾，采取措施，才能有效地提高液态 金属的充型能力。
上一页 下一页 退出
3、对铸件质量的影响
充型能力好：
◆ 可获得外形完整、尺寸准确、轮廓清晰的铸件 ◆ 有利于排气和排渣
◆ 有利于补缩
充型能力不好，铸件易产生以下缺陷： 浇不足：液态金属未充满铸型而产生缺肉的现象。 冷隔：两股金属流汇合时因表层氧化而未能融合而产生凹坑 或缝隙的现象。
2、防止措施 ⑴设计上：合理设计铸件结构，以减少铸造内应力；使铸 件形状对称，抵消变形 ⑵工艺上 a.反变形法 b.设置拉筋（热处理后去除） c.控制打箱时间 上一页 下一页 退出
㈤ 裂纹及其防止
1、裂纹的形成 当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。
热
形成区域 外观形状 （特征） 高
裂
温
冷
低
裂
温
形状曲折而不规则，裂纹表面 呈氧化色，无金属光泽；裂口 沿晶粒边界通过。 一般分布在铸件易产生应力集
外形呈连续直线状（没有分叉）
或圆滑曲线，裂纹表面干净，具 有金属光泽，有时呈轻微氧化色；
穿过晶粒。
常出现在铸件表面
分
布
中的部位或铸件最后凝固部位 的内部
材料成型原理及工艺第一章液态成型工艺基础理论
态 陷产生，导致成型件力学性能，
成 特别是冲击性能较低。
型 2. 涉及的工序很多，难以精确控
的 制，成型件质量不稳定。
缺 3.由于目前仍以砂型铸造为主，
点：
自动化程度还不很高，且属于热 加工行业，因而工作环境较差。
4.大多数成型件只是毛坯件，需 经过切削加工才能成为零件。
液态成型原理及工艺
冲天炉出铁
液态成型原理及工艺
绪论：
金属液态成型又称为铸造，
金 它是将固态金属熔炼成符合
属 液 态 成 型：
一定要求的液态金属，然后 将液态金属在重力或外力作 用下充填到具有一定形状型 腔中，待其凝固冷却后获得 所需形状和尺寸的毛坯或零 件，即铸件的方法。
制造毛坯或机器零件的重要方法。
液态成型原理及工艺
绪论：
的 游离原子
级，在此范围 内仍具有一定
近
液
的规律性。原
程
态
子集团间的空
结
空穴或裂纹 穴或裂纹内分
布着排列无规
有 序
构
则的游离的原
子。
液态成型原理及工艺
这样的结构不是静止的，而是 处于瞬息万变的状态，即原子 集团、空穴或裂纹的大小、形 态及分布及热运动的状态都处 于无时无刻不在变化的状态。 液态中存在着很大的能量起伏。
液 液态成型件在机械产品中占有重 态 要比例：
成 在机床、内燃机、重型机器中铸 型 件约占70％-90％；在风机、压
的 缩机中占60％-80％；在拖拉机
重 中占50％-70％；在农业机械中
要 占40％-70％；汽车中占20％-30
性 ％。
液态成型原理及工艺
液 态 成 型 的 优 点：
(1) 适应性广，工艺灵活性大
2-1 铸造工艺基础
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17
浇 不 足
后 退
18
冷
隔
后 退
19
三、影响充型能力的因素
1.合金性质——合金流动性：决定于合金种类与 化学成分。合金种类0.77
2.11
4.3
C%
2.浇注条件
浇注温度
对液态金属的充型能力有决定性的影响。
温度高，充型能力就强。这是因为浇注温度提高，合金液的粘度 就降低，浇注以后保持液态的时间也就延长，传给铸型的热量就 增多，这就使铸型和金属液的冷却速度就降低，从而使合金的充 型能力增强。 对于薄壁铸件，适当提高浇注温度是改善充型能力、防止产生浇 不到、冷隔的重要措施。这些措施在生产中经常采用，也比较方 便。
空腔中填充的金属。
冷铁：为了增加铸件局部的冷却速度，在砂型中安放的
金属物。
40
冒口补缩示意图
浇注系统 冒口
冷铁
设臵冒口，是我们在工艺上防止缩孔和缩松形成的非 常有效的一项措施。 铸件按照规定的方向顺序凝固，铸件的每一部分的收 缩都会得到在以后凝固的金属液的补充，这样使得缩 孔最后转移到冒口当中去，清理时将冒口切除即可。
有利于液态金属中的气体和熔渣的上浮 与排除。
有利于合金凝固收缩时的补缩等。
16
2.合金充型能力差，铸件容易产生浇不足、冷隔、气 孔、夹渣、缩孔等铸造缺陷，不能得到完整的零件。
浇不足： 铸件残缺，轮廓不完整，或轮廓可能
完整但边角圆而且光亮。
冷隔：在铸件上穿透或不穿透，边缘呈圆角状的
金属工艺学简答题（1）
金属工艺学简答题（1）5.1什么是液态合金的充型能力？与流动性有何关系？不同化学成分的合金为何流动性不同？液态合金充满型腔并使铸件形状完整，轮廓清晰的能力，称为合金的充型能力。
流动性越好充型能力越强。
共晶成分合金流动性最好。
凝固温度区间小，已结晶的固体层内表面光滑，对金属液阻力较小，过热度大。
纯金属是在一定温度范围内逐步凝固，经过液固并存区，枝状晶使得已结晶固体层表面粗糙，所以合金流动性变差。
5.4什么是缩孔和缩松？如何形成的？对铸件有何危害？如何防止？缩孔：由于液态金属逐层凝固，内部剩余液体由于液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积减小，产生空隙。
缩松：由于合金的糊状凝固，被枝状晶分隔开的液体区难以得到补缩而形成小的孔。
防止缩孔：1.增加冒口2.合理使用冷铁防止缩松：1选取凝固区域小的合金2.采用顺序凝固原则3.增大结晶压力危害：使铸件有效承载面积减少，孔洞部位易产生应力集中，力学性能下降，气密性，物理性能和化学性能也下降。
5.5铸造内应力，变形，裂纹是如何产生的？如何减少危害？内应力分为热应力和机械应力。
热应力由于壁厚分布不均冷却速度不一致。
机械应力是由于铸件受到各种机械阻碍而产生的应力。
采用合理铸造工艺，造型工艺减小铸造应力。
逐渐结构上要注意避免牵制收缩的结构，去应力退火。
变形：薄厚不均匀截面不对称及具有细长特点的铸件，残留铸造应力大于铸件屈服极限。
、采用合理铸造工艺，合理造型结构，尽量简单对称壁厚均匀。
采取同时凝固原则。
时效处理。
反变形法。
5.6什么是顺序凝固，什么是同时凝固原则？各须采取什么结构来实现？凝固原则适用于什么场合？顺序凝固原则是采用各种工艺使远离冒口的部分到冒口之间形成温度梯度，实现由远离冒口向冒口顺序凝固。
适用于收缩大壁厚差别较大易产生缩孔的合金铸件，如铸钢，可锻铸铁。
同时凝固原则是使铸件各部分冷却速度尽量相等。
适用于壁厚均匀的薄铸件以及气密性要求不高的，结晶温度范围宽，收缩较小的合金。
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▲缩孔的形成
如图，以集中缩孔为例。
不同铸造合金的缩孔和缩松的倾向不同。
逐层凝固合金(纯金属、共晶合金或结晶温度范 围窄的合金)的缩孔倾向大, 缩松倾向小;
糊状凝固的合金缩孔倾向虽小, 但极易产生缩松。
2. 缩孔和缩松的防止
▲危害： ●使铸件的力学性能下降； ●缩松使铸件渗漏。
▲防止措施：使铸件实现 “顺序凝固”(定向凝固）
§2. 铸件的凝固与收缩
一. 铸件的凝固方式
如图，依据凝固区的 宽窄，划分为：
1 逐层凝固 2 糊状凝固 3 中间凝固
1. 逐层凝固
纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存 在液、固并存的凝固区(图2-3a)，故断面上外层 的固体和内层的液体由一条界限(凝固前沿)清楚 地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚、液 体层不断减少，直达铸件的中心，这种凝固方式 称为逐层凝固。
○ 离共晶成分愈远的合金，流动性愈差
灰口铸铁、硅黄铜的流动性最好， 铸钢的流动性最差。
二. 浇注条件
1 浇注温度
温度↑→合金的粘度↓、过热度↑→充型能力↑ 温度↑→缩孔、粘砂、气孔、粗晶↑
》合适
△通常，灰铁：1200-1380℃ 铸钢：1520-1620℃ 铝合金：680-780℃
2 充型压力
▲缩孔 液态合金在冷凝过程中，若其液态收
缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足， 在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。
按照孔洞的大小和分布, 可将其分为
(1) 缩孔(集中缩孔) 集中在铸件上部或最后
凝固部位容积较大的孔洞。 缩多呈倒圆锥形, 内表面粗糙。
(2) 缩松(分散缩孔) 分散在铸件某区域内的
细小缩孔。 宏观缩松、显微缩松
铸造
铸造：
将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸 相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获 得毛坯或零件的生产方法，叫做铸造。
特点： 1. 工艺实质：液态成型 2. 铸件大小不受限制 3. 成本低 4. 废品率高
流动性的测定：
影响合金流动性的因素: 化学成分
△
化学成分：○共晶成分的合金流动性最好 ◇结晶特点（逐层） ◇过热度
(灰铁与铸钢、S含量）
◊ 铸型阻力: 退让性↑→ 机械应力↑→ 热裂↓
2. 冷裂
形成: 低温下形成的裂纹
特征: 裂纹细小、呈连续直线状、有时缝内呈
氧化色
防止(影响因素): ◊ 合金性质: 塑性好↑→应力↓ → 冷裂↓
(灰铁与铸钢、P含量） ◊ 铸型内应力: 复杂件↑→ 应力↑→ 冷裂↑
§4 铸件中的气孔
(2) 凝固收缩 从凝固开始温度到凝固终止温 度(即固相线温度)间的收缩。
(3) 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收 缩。
液态收缩 > 合金体积的缩减 > 缩孔 > 体收缩率 凝固收缩
固态收缩 > 合金尺寸的缩减 > 内应力 > 线收缩率
三、铸件中的缩孔与缩松
三. 铸件中的缩孔与缩松
1. 缩孔与缩松的形成
2. 糊状凝固
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温 度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内， 铸 件表面并不存在固体层，而液、固并存的凝固区 贯穿整个断面(图2-3c)。由于这种凝固方式与 水泥类似，即先呈糊状而后固化，故称糊状凝固。
3. 中间凝固
大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝 固之间(图2-3b)，称为中间凝固方式。
一、. 内应力的形成
分为热应力和机械应力两种。
1. 热应力
▲热应力：它是由于铸件的壁厚不均匀、各部分
的冷却速度不同, 以致在同一时期内铸 件各部分收缩不一致而引起的。
▲热应力形成分析：如图
固态金属：●在再结晶温度以上(钢和铸铁为620～650℃)时, 处于塑性状态。 ●在再结晶温度以下的金属呈弹性状态
壁厚差 线收缩率 弹性模量
▲热应力：使铸件： 厚壁（+）、径：减少铸件温度差，使其均匀冷却 设计上： 壁厚均匀，减少聚集 工艺上： 同时冷却，“同时凝固” 如图：浇口开在薄壁处、 在厚壁处安放冷铁
注意：同时凝固时，铸件 心部容易出现缩孔 或缩松
主要用于灰铸铁、锡青铜
铸件质量与其凝固方式密切相关。
二. 铸造合金的收缩
▲收缩：合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体
积或尺寸缩减的现象，称为收缩。
收缩是合金的物理本性。
▲收缩性：合金的主要性能之一。
收缩给铸造工艺带来许多困难，是多种铸造 缺陷(如缩孔、缩松、裂纹、变形等)产生的根源。
▲合金的收缩经历的三个阶段:
(1) 液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度(即 液相线温度) 间的收缩。
2. 机械应力
▲机械应力：合金的线收缩受到铸型或型芯机械 阻碍而形成的应力
▲暂时的：铸件落砂后， 自行消失
▲在铸型中，与热应力共 同作用，促进裂纹产生
二. 铸件的变形与防止
▲变形： 利用变形来减少内应力：
受拉部分产生压缩变形 受压部分产生拉伸变形
▲防止、减少变形的措施：
◊ 基本途径：同热应力 ◊ 设计上： ◊ 工艺上：同时凝固 ◊ 反变形法： ◊ 时效处理：
充型压力↑ →充型能力↑ （充型压力与直浇道的高度有关)
△ 压力铸造、离心铸造因充型压力提高， 所以充型能力较强。
三. 铸型填充条件
1 铸型的蓄热能力 （即铸型从液态金属中 吸收和储存热量的能力）
蓄热能力↑ → 充型能力↓ 2 铸型温度↑ → 液体冷速↓ → 充型能力↑ 3 铸型中气体↑ → 充型能力↓ 4 铸件结构复杂↑ → 充型能力↓
◆顺序凝固：如图。
▲选用共晶成分或结晶温度范围较窄的合金生产铸件是适宜的
热节：铸件上厚大的部位。
冷铁作用：加快某些部位的 冷却速度，以控制铸件的凝 固，本身并不起补缩作用。
冷铁材料：钢或铸铁
§3 铸造内应力、变形和裂纹 §3 铸造内应力、变形和裂纹
固态收缩若受到阻碍, 铸件内部将产生内应力 铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因
气孔：由于金属液中的气体未能排出，在铸件中形成气
自然时效 （置露天半年以上） 人工时效 （550 — 650℃去应力退火）
三、三.铸铸件件的的裂裂纹纹与与防止止
铸造内应力 > 金属的强度极限 →产生裂纹 1. 热裂
形成: 是在高温(凝固末期) 下形成的裂纹。
机械应力> 金属强度极限
特征: 缝隙宽、形状曲折、 缝内呈氧化色
防止(影响因素):
◊ 合金性质: 结晶间隔↑→ 收缩↑→ 热裂↑