金属的凝固成形 ppt课件
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第三章纯金属的凝固
3.3.1 均匀形核
均匀形核（均质形核）是指在均匀单一的母相中形 成新相结晶核心的过程。
1.均匀形核的能量条件
在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由 能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下 降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。假设单位体
积自由能的下降为 ΔGv(ΔGv<0) ，比表面能为σ，晶 胚假设为球体，其半径为r ,则晶胚形成时体系自由能
3.2.2 结晶的热力学条件
根据液固金属自由能
G与温度关系曲线如图 3-3可知，GL=Gs 所对 应的温度Tm即理论平衡 结晶温度，当T<Tm时， Gs<GL两者之差值即为结
晶的驱动力。过冷度越 大，结晶的驱动力也越 大，过冷是结晶的热力 学条件。
第三节 形核规律
形核方式有两种：一种是均匀形核，即新 相晶核在母相内自发地形成；另一种是非均匀 形核，即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面 处优先形成。工程实际中材料的凝固主要以非 均匀形核方式进行，但均匀形核的基本规律十 分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理 论基础，而且也是研究固态相变的基础。
假定固相晶胚α以球冠状形成于 基底B的平面上，如图3-8所示,设 固相晶核表面的曲率半径为r，晶
核与基体面的接触角为θ，球冠底
圆半径为R..
当晶核形成时，体系增加的表面能 为ΔGs ,
ΔGs=AαLσαL+AαwσαW-AαwσLW
式中 AαL,Aαw 分别为晶核α 与液相L 及B之间的界面积 ；σαL , σαW , σLW 分别为各相应界面的表面能，在其 相交点处，表面张力达到平衡。
3.1.2 纯金属的结晶过程
液态金属的结晶过程是一个形核及核长大的过程。 当液态金属冷却至熔点以下，经过一定时间的孕育，就 会涌现一批小晶核，随后这些晶核按原子规则排列的各 自取向长大，与此同时又有另一批小晶核生成和长大， 直至液体全部耗尽为止。
第四章纯金属的凝固
（二）临界晶核 设晶胚为半径r的球形，形核时总能量变化为： ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
ΔGV-单位体积自由能，σ-比表面能 ΔG是r的函数。
由 Gf(r) 的函数作图可知，在r=rc时△G取 得极大值。
讨论： 1.当r＜rk则晶胚生长 ，将导致体系 ΔG ，晶胚重新熔化而消失。 2.若r＞rk 晶胚r ，体系的ΔG,结晶 自发进行，此时的晶胚就成为晶核
2.金属熔化时的体积变化：大多数金属熔化时体积变化仅为
3％－5％，熔化前后原子间距变化不大，熔化前后原子间结 合力较为接近。
3.金属熔化熵值变化小:
金属熔化时结构变化小，只是相对“无序度”增加.
液态金属结构与固态相似存在近程有序，近程密堆， 远程无序.
二.材料凝固的过冷现象
过冷现象-实际结晶温度低于理论结 晶温度的现象。
假设：晶核是依附过冷液相现成基底B上形成晶核S；
设晶核为半径为r的球缺体；S1为球冠面积； S2为晶核与基底接触的面积； θ为晶核与基体的润湿角。
晶核形成稳定存在的瞬间（不 熔化、长大），三相交点处， 表面张力应达到平衡：
σLB=σSB+σLScosθ
非均匀形核示意图
σLB、σsB、σLs分别为L/B、S/B、L/S间的表面张力
均为自发过程.
结论：过冷是结晶的必要条件， 而 ΔT≥ΔTc是结晶的充分必要条件。
过冷度对临界晶核与 最大相起伏的影响
（五）临界晶核的形核功
ΔG=-ΔG体积+ΔG表面 =-433GV42
将
k
2 GV
代入上式可得：
3
2
G k4 3 L 2 m T T m G 4 L 2 m T T m 化简得
《金属的凝固特点》课件
。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
连铸工艺
连铸工艺是将液态金属通过连续浇注 的方式，在连铸机内冷却凝固成所需 形状和性能的金属制品的工艺方法。
连铸工艺的应用范围广泛，可生产各 种规格的钢材，如板材、管材、型材 等。
连铸工艺具有高效、节能、环保等优 点，是现代钢铁工业中的重要生产工 艺之一。
定向凝固工艺
定向凝固工艺是一种通过控制热 流方向，使液态金属在特定方向 上凝固，从而获得具有定向组织
结构的金属制品的工艺方法。
定向凝固工艺主要用于制备高性 能的金属材料，如高温合金、单
晶叶片等。
定向凝固工艺具有组织细密、力 学性能优异、耐高温等特点，广 泛应用于航空、航天、能源等领
域。
05
金属的凝固应用
在机械制造中的应用
01
02
03
零件制造
金属凝固后具有良好的强 度和耐久性，因此在机械 制造中广泛应用于制造各 种零件和工具。
金属的凝固速率
01
影响因素
冷却速率、金属的纯度和结晶温度。
02
规律
冷却速率越快，凝固速率越高；金属纯度越高， 凝固速率越高；结晶温度越高，凝固速率越高。
金属的凝固缺陷
01 凝固过程中由于各种原因导致金属内部结构的不 完善或异常。
02 主要类型：缩孔、疏松、偏析、裂纹等。
02 对金属的性能产生不良影响，如降低机械性能、 耐腐蚀性能等。
01 结晶温度
金属开始从液态向固态转变的温度点。
02 影响因素
金属的纯度、冷却速率和金属的种类。
03 规律
纯金属的结晶温度较高，合金的结晶温度较低； 冷却速率越大，结晶温度越高。
金属的凝固结构
金属的固态晶格结构。
影响因素：金属的原子半 径、晶体结构和化学键类 型。
第2章 金属的凝固成形
6） 活块造型 特点：将模样上妨碍起模的部分，做成可活动的活快， 便于起模。造型和制作模样都很麻烦，生产率低。 应用范围：单件小批生产带有突起部分的铸件。 7）刮板造型1、2 用刮板代替实体模样造型，可降低模样成本，节约木材， 缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。 用于有等截面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生 产、如带轮、铸管、弯头等。 8）地坑造型 在车间地坑内造型，用地坑代替下砂箱，只要一个上砂 箱，可减少砂箱的投资，大型铸件单件生产时,降低铸型 高度,便于浇注操作。但造型费工，而且要求操作者的技 术水平较高
缺点:铸件质量差,生产率低,劳动强度高.
应用:单件,小批.
分模面parting line
手 工 造 型 的 两 箱 造 型 图 解
零件part
木模wooden pattern
砂箱flask
手工造型的两箱造型图解
分型面
上箱
型腔
型芯
浇注系统
下箱
手工造型方法：整模造型、分模造型、挖砂造型、假 箱造型、三箱造型、活块造型、刮板造型、地坑造型等。 1） 整模造型 特点：分型面为平面，铸型型腔全部在一个砂箱内，造 型简单，铸件不会产生错箱缺陷。 应用范围： 铸件最大截面在一端，且为平面。 2）分模造型 特点：模样沿最大截面分为两半，型腔位于上、下两个砂 箱内。造型方便，但制作模样较麻烦。 应用范围：最大截面在中部，一般为对称性铸件。 3）挖砂造型 特点：模样为整体模，造型时需挖去阻碍起模的型砂，分 型面是曲面。造型麻烦，生产率低。 应用范围：单件小批生产模样薄、分模后易损坏或变形的 铸件
2、机器造型
加砂、紧砂与起模都由机器完成
优点：生产率高,铸件尺寸精确,光洁度高,加工 余量少,劳动强度小,大批量生产. 缺点：厂房、设备等要求高，投资大，批量生产 才经济，只适于两箱(中箱无法紧实)，不宜用活块。
第五章 纯金属的凝固
引言
多数金属制品的生产都需要经历熔炼和铸造两 个工艺过程。熔炼是为了获得符合要求的液态 金属。铸造是将液态金属注入铸模中使之凝固 成一定形状，尺寸的固态金属件或金属锭。 结晶：液态金属转变为固态金属晶体的过程。 结晶是铸锭，铸件，金属焊接生产的主要过程。 是材料制备的最主要工艺。 广义结晶定义：聚集态，晶态，非晶态—晶体 的过程。
dn / dt B2 exp(GA / KT ) I B exp[(G * GA ) / KT ]
下式中的ΔG*和ΔGA与扩散有关，但两项变化 趋势不同：ΔT↓时，ΔG*↑,而 ΔGA↓.
原子可动性 相变驱动力 e-ΔG*/KT
e-ΔGA/KT
I
温度T→Tm 温度 温度 I－t 曲线示意图
Tm Ts
无限缓慢
时间
过冷:金属开始凝固温度Ts,低于其熔点Tm的现 象. ΔT(过冷度)=Tm-Ts,Tm为熔点。 不同金属以及不同冷却条件，其凝固的过冷度 是不同的。 金属中纯度越高，无杂质，ΔT越大。冷却速 度越大，过冷度也越大。采取特殊手段，可使 金属的最大过冷度增加。象使液态金属细化成 液滴可使过冷度增加。如下表：
一，均匀形核
由均匀母相中形成新相结晶核心的过程，是一 种无择优位置的形核。 1，均匀形核的热力学分析 晶胚出现增添了一项表面自由能，系统自由 焓总变化为ΔG=-V·ΔGV+Aγ ，设晶胚的形状 为圆球，半径为γ0，ΔG=-4πr3ΔGV/3+ 4πr2γ(σ),该式给出给定温度下,晶胚半径与ΔG 之间的关系。(下图也能说明另一些问题)
d (G ) 4 r 2 Gv 8 r 0 dr 2 16 r 3 r* G* 2 Gv 3(Gv)
多数金属制品的生产都需要经历熔炼和铸造两 个工艺过程。熔炼是为了获得符合要求的液态 金属。铸造是将液态金属注入铸模中使之凝固 成一定形状，尺寸的固态金属件或金属锭。 结晶：液态金属转变为固态金属晶体的过程。 结晶是铸锭，铸件，金属焊接生产的主要过程。 是材料制备的最主要工艺。 广义结晶定义：聚集态，晶态，非晶态—晶体 的过程。
dn / dt B2 exp(GA / KT ) I B exp[(G * GA ) / KT ]
下式中的ΔG*和ΔGA与扩散有关，但两项变化 趋势不同：ΔT↓时，ΔG*↑,而 ΔGA↓.
原子可动性 相变驱动力 e-ΔG*/KT
e-ΔGA/KT
I
温度T→Tm 温度 温度 I－t 曲线示意图
Tm Ts
无限缓慢
时间
过冷:金属开始凝固温度Ts,低于其熔点Tm的现 象. ΔT(过冷度)=Tm-Ts,Tm为熔点。 不同金属以及不同冷却条件，其凝固的过冷度 是不同的。 金属中纯度越高，无杂质，ΔT越大。冷却速 度越大，过冷度也越大。采取特殊手段，可使 金属的最大过冷度增加。象使液态金属细化成 液滴可使过冷度增加。如下表：
一，均匀形核
由均匀母相中形成新相结晶核心的过程，是一 种无择优位置的形核。 1，均匀形核的热力学分析 晶胚出现增添了一项表面自由能，系统自由 焓总变化为ΔG=-V·ΔGV+Aγ ，设晶胚的形状 为圆球，半径为γ0，ΔG=-4πr3ΔGV/3+ 4πr2γ(σ),该式给出给定温度下,晶胚半径与ΔG 之间的关系。(下图也能说明另一些问题)
d (G ) 4 r 2 Gv 8 r 0 dr 2 16 r 3 r* G* 2 Gv 3(Gv)
金属凝固原理课件
形核速率
描述形核过程的快慢，与温度、过 冷度等因素有关。
晶体的长大与生长形态
晶体长大
晶核形成后，周围的原子或分子 继续附着到晶核上，使晶体逐渐
长大的过程。
生长形态
晶体生长过程中形成的外观形态， 如树枝状、柱状、球状等。
生长速率
晶体长大的速度，通常与温度梯 度、溶质浓度等因素有关。
04
金属凝固过程中的组织与性能
02
金属凝固过程中的传热与传质
传热与传质的基本概念
传热
指热量从高温处传递到低温处的 现象，是热量传递的一种方式。
传质
指物质从一处传递到另一处的现 象，是物质传递的一种方式。
金属凝固过程中的传热与传质现象
传热现 象
在金属凝固过程中，热量从液态传递 到固态，使液态金属逐渐冷却并转变 为固态。
传质现 象
03
金属凝固过程中的形核与长大
形核的基本概念
形核
指在液态金属中形成固相 晶核的过程。
形核过程
在液态金属冷却过程中， 原子或分子的排列逐渐变 得有序，最终形成固体晶 格结构。
形核率
单位时间内形成的晶核数量。
形核机制与形核速率
均质形核
在液态金属中自发形成晶核的过 程，需要克服能量障碍。
异质形核
在金属中的杂质或界面上形成晶核 的过程，通常较容易发生。
02
金属凝固是金属材料制备和加工 过程中最重要的物理过程之一， 对金属材料的性能和应用具有重 要影响。
金属凝固的物理过程
01
02
03
冷却过程
金属液体在冷却过程中， 原子逐渐失去液态的无序 性，开始形成固态晶格结 构的过程。
形核过程
在金属液体冷却到熔点以 下时，原子开始聚集形成 晶核的过程，是金属凝固 的起始点。
描述形核过程的快慢，与温度、过 冷度等因素有关。
晶体的长大与生长形态
晶体长大
晶核形成后，周围的原子或分子 继续附着到晶核上，使晶体逐渐
长大的过程。
生长形态
晶体生长过程中形成的外观形态， 如树枝状、柱状、球状等。
生长速率
晶体长大的速度，通常与温度梯 度、溶质浓度等因素有关。
04
金属凝固过程中的组织与性能
02
金属凝固过程中的传热与传质
传热与传质的基本概念
传热
指热量从高温处传递到低温处的 现象，是热量传递的一种方式。
传质
指物质从一处传递到另一处的现 象，是物质传递的一种方式。
金属凝固过程中的传热与传质现象
传热现 象
在金属凝固过程中，热量从液态传递 到固态，使液态金属逐渐冷却并转变 为固态。
传质现 象
03
金属凝固过程中的形核与长大
形核的基本概念
形核
指在液态金属中形成固相 晶核的过程。
形核过程
在液态金属冷却过程中， 原子或分子的排列逐渐变 得有序，最终形成固体晶 格结构。
形核率
单位时间内形成的晶核数量。
形核机制与形核速率
均质形核
在液态金属中自发形成晶核的过 程，需要克服能量障碍。
异质形核
在金属中的杂质或界面上形成晶核 的过程，通常较容易发生。
02
金属凝固是金属材料制备和加工 过程中最重要的物理过程之一， 对金属材料的性能和应用具有重 要影响。
金属凝固的物理过程
01
02
03
冷却过程
金属液体在冷却过程中， 原子逐渐失去液态的无序 性，开始形成固态晶格结 构的过程。
形核过程
在金属液体冷却到熔点以 下时，原子开始聚集形成 晶核的过程，是金属凝固 的起始点。
金属凝固及控制PPT
液体的特征： 具有良好的流动性，无确定的形状，原子间距稍大于固体， 配位数稍小于固体，存在近程有序状态。（图1－3）
图1-3 液体金属的球体模型
1.2 固体金属的晶体结构
固体金属由晶体组成，每个晶体具有相同的排列次序，而晶 体间的接合部－晶界的原子排列紊乱。如果取一个晶体中的单胞 来研究，按其点阵排列状况可分为：立方晶系、六方晶系、三斜 晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系、三角晶系。常见的有立 方晶系和六方晶系，如：面心立方、体心立方、密排六方晶胞等。
3.1 固—液相界面的结构
光滑界面（小平面）：是指固相界面上的原子排列成平整的原子 平面，即晶体学的某一晶面。（图3－1） 粗糙界面：是指固相界面上的原子排列高高低低粗糙不平，不显 示晶体学的任何晶面特征。（图3－2）
3.2 决定固相—液相界面类型的因素
表面自由能相对改变值： （图3－3）
表面位置被占据的分数： x 当特征值 α≤2 时，在x = 1/2处曲线出现一个极小值，说明这类物 质以粗糙界面形式长大（金属型界面）。 当特征值 α≥5 时，在x = 0、1处，曲线出现极小值，说明这类物 质以光滑面形式长大（非金属型界面）。（图3－4）
图1-19 体心立方晶胞的原子数
d）构成晶胞的原子堆积方式（图1－15） (1)ACAC (2)ABAB (3)ABCABC (4)ACBACB 如：密排六方的原子堆积方式ACACAC……或者ABABAB…… 面心立方的原子堆积方式ABCABCABC……
图1-15 密集排列的原子面，从中可见有B和C两 种凹穴位置，其上可放置第二层原子
图5-18 K0<1和K0>1两类平衡相图的一角
b)非平衡分配系数KE：反映在特定条件下非平衡凝固过程中固相 成分和液相成分的差别。 KE = 瞬时形成的固相成分/在同一时间内液相的平均成分
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第二章 金属的凝固成形
一、什么是液态成型（铸造生产）
将液态金属浇注到与零件形状相 适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，
以获得毛坯或零件的生产方法。
精品资料
二、砂型铸造的工艺过程
型砂
铸
铸
模型
型
落
零
造
件
工
图
艺
熔化 浇注
合 冷却 箱 凝固
砂 、 清
检 验
铸 件
图
芯盒
型
理
芯砂
芯
三、铸造生产的特点
1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的 制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。
孔
出，大孔独立存在，小孔则成群出
现。
缩松
2．缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩 孔。
粘 砂
铸件的部分或整个表面粘附着一层 金属和砂粒的机械混和物，多发生 裂纹 在铸件厚壁和热节处。
1．热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口 沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。
2）采用同时凝固的原则； 3）采用反变形法。
1 ．热裂 热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内 呈氧化色。 热裂的防止：① 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。
② 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。 ③ 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，
防止热脆性。
2 ．冷裂 冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属 光泽或轻微氧化色。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
（2）铸件的温度梯度
温度 温度
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。若铸件 内外层之间的温度差由小变，则 其对应的凝固区由宽变窄。
（二）合金的收缩
T浇 T液
T固
T室 成分
T2
S1
T1
S
表层 中心
1. 收缩的概念 合金的收缩经历如下三个阶段：
（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度 之间的收缩。T浇 — T液
冷裂的防止： 1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。
四、液态成形件的质量与控制
常见铸件缺陷及特征
名称
特征
名称
特征
气
主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，缩孔 表面较光滑，一般不在铸件表面露
1．缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞， 孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝 固部位。
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点
温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
0 80 60 40 20 0
Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
（二）浇注条件
1.浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。 2.充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，
原因。
2. 缩孔与缩松
液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩 减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些
孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。
1)缩孔和缩松的形成
2)缩孔和缩松的防止 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“顺序凝固”。
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。
热节
冷铁
确定热节的方法
等温线法 内切圆法
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
充型能力越强。 3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
（2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的 充填就困难。
二、液态金属的凝固与收缩
（一）铸件的凝固方式
温度 温度
1. 逐层凝固
bc a
2. 糊状凝固
3. 中间凝固
液相线
S
液相线 固相线
影响铸件凝固方 成分 式的主要因素 ：
固
表层
液
中心
（1）合金的结晶温度范围
固
表层
液
表层 中心 中心
凝固区
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 。
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
T室
弹性状态
t
t0 t1 t2
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。
（一）液态合金的流动性
合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。
浇口杯
出气口
0.45%C 铸钢： 240.30%mCm铸铁： 1800mm
浇口杯 出气口
流动性（cm）
温度（℃）Leabharlann 30 0 20 0 10 00
80
60
40
20
0
Pb
20
40
60
80 Sb
t3
热应力：由于形状复杂，厚薄不均，各部分 的冷却速度不同，以至在同一时刻，铸件各部 位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。热 应力的形成过程如下图框形梁铸件所示。
ⅡⅠⅡ
热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力是永久应力。
（二）铸件的变形与防止
+ -
反变形法
防（止三变形）的方铸法件： 的1）裂使铸纹件壁与厚防尽可止能均匀；
（2） 凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 — T固
（3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 — T室
体收缩率：V
V铸型V铸件10% 0 V铸件
体收缩率是铸件产生缩 孔或缩松的根本原因。
线收缩率：L
L铸型L铸件10% 0 线力收、缩变率形是、铸裂件纹产的生根应本
L铸件
一、什么是液态成型（铸造生产）
将液态金属浇注到与零件形状相 适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，
以获得毛坯或零件的生产方法。
精品资料
二、砂型铸造的工艺过程
型砂
铸
铸
模型
型
落
零
造
件
工
图
艺
熔化 浇注
合 冷却 箱 凝固
砂 、 清
检 验
铸 件
图
芯盒
型
理
芯砂
芯
三、铸造生产的特点
1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的 制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。
孔
出，大孔独立存在，小孔则成群出
现。
缩松
2．缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩 孔。
粘 砂
铸件的部分或整个表面粘附着一层 金属和砂粒的机械混和物，多发生 裂纹 在铸件厚壁和热节处。
1．热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口 沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。
2）采用同时凝固的原则； 3）采用反变形法。
1 ．热裂 热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内 呈氧化色。 热裂的防止：① 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。
② 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。 ③ 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，
防止热脆性。
2 ．冷裂 冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属 光泽或轻微氧化色。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
（2）铸件的温度梯度
温度 温度
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。若铸件 内外层之间的温度差由小变，则 其对应的凝固区由宽变窄。
（二）合金的收缩
T浇 T液
T固
T室 成分
T2
S1
T1
S
表层 中心
1. 收缩的概念 合金的收缩经历如下三个阶段：
（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度 之间的收缩。T浇 — T液
冷裂的防止： 1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。
四、液态成形件的质量与控制
常见铸件缺陷及特征
名称
特征
名称
特征
气
主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，缩孔 表面较光滑，一般不在铸件表面露
1．缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞， 孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝 固部位。
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点
温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
0 80 60 40 20 0
Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
（二）浇注条件
1.浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。 2.充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，
原因。
2. 缩孔与缩松
液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩 减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些
孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。
1)缩孔和缩松的形成
2)缩孔和缩松的防止 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“顺序凝固”。
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。
热节
冷铁
确定热节的方法
等温线法 内切圆法
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
充型能力越强。 3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
（2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的 充填就困难。
二、液态金属的凝固与收缩
（一）铸件的凝固方式
温度 温度
1. 逐层凝固
bc a
2. 糊状凝固
3. 中间凝固
液相线
S
液相线 固相线
影响铸件凝固方 成分 式的主要因素 ：
固
表层
液
中心
（1）合金的结晶温度范围
固
表层
液
表层 中心 中心
凝固区
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 。
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
T室
弹性状态
t
t0 t1 t2
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。
（一）液态合金的流动性
合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。
浇口杯
出气口
0.45%C 铸钢： 240.30%mCm铸铁： 1800mm
浇口杯 出气口
流动性（cm）
温度（℃）Leabharlann 30 0 20 0 10 00
80
60
40
20
0
Pb
20
40
60
80 Sb
t3
热应力：由于形状复杂，厚薄不均，各部分 的冷却速度不同，以至在同一时刻，铸件各部 位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。热 应力的形成过程如下图框形梁铸件所示。
ⅡⅠⅡ
热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力是永久应力。
（二）铸件的变形与防止
+ -
反变形法
防（止三变形）的方铸法件： 的1）裂使铸纹件壁与厚防尽可止能均匀；
（2） 凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 — T固
（3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 — T室
体收缩率：V
V铸型V铸件10% 0 V铸件
体收缩率是铸件产生缩 孔或缩松的根本原因。
线收缩率：L
L铸型L铸件10% 0 线力收、缩变率形是、铸裂件纹产的生根应本
L铸件