材料成型加工第一章 液态成型理论基础

一、合金流动性与铸件质量关系
主要影响充型能力→影响质量
流动性好：完整、轮廓清晰、尺寸精确 流动性差：粘度大，易形成夹杂；浇不足 流动性太高：温度高，吸气；
冲刷型腔壁→粘砂、砂眼
二、合金的收缩性与铸件质量关系
收缩——缩孔、缩松 产生应力集中；气密性
收缩——应力，导致变形、开裂
三、合金的吸气与铸件质量
3. 缩孔和缩松 凝固过程中由于补缩不良而产生孔洞。 集中孔洞——缩孔 分散孔洞——缩松
（1） 缩孔的形成
常出现在最后凝固的部位 纯金属、共晶合金、凝固范围窄的合金 易产生缩孔
（2）缩松的形成
分散而细小的孔洞 借助高倍放大镜——显微缩松 影响气密性，易渗漏
多发生在铸件的轴线附近和热节部位 凝固温度范围越宽，越易产生缩松
三. 合金的吸气性
一般液态金属，在高温下会吸收大量气体， 若在其冷却过程中不能逸出，则在冷却后 使铸件内形成气孔缺陷。
气孔，减少铸件有效承载面积，降低性能 特别是韧性和疲劳性能
有三种类型的气孔
1. 侵入气孔
大量气体侵入金属液而形成 气体来源：浇注时，砂型及型心缩含水分
蒸发、有机物及附加物挥发 特征：位于砂型及型心表面附近
也称“皮下孔”
§1-2合金工艺性能与铸件质量关系
铸件质量：铸件本身能满足用户要求的程度 包括外观质量、内在质量、使用质量
①外观质量：指表面质量达到用户要求 粗糙度；表面质量；尺寸公差等
②内在质量：不能用肉眼检查出来的质量 化学成分；物理、力学性能等
③使用质量：能满足使用要求的性能 在高速、磨耗、高热等条件下 的工作性能；切削性能；焊接
（3）缩孔和缩松的防止
其产生使铸件的机械性能下降，甚至渗漏 ①采用顺序凝固原则
经冒口充型 向冒口和内浇道方向凝固 最终将缩孔转移到冒口中
可获得致密的铸件，但使铸件各部分 温差大，易产生内应力。冒口增加成本 用于收缩大，凝固温度范围窄的合金
②合理确定浇注系统和浇注工艺 浇注系统的位置影响铸型的温度分布， 进而影响其凝固顺序
宏观：晶粒的形态、大小、分布等 微观：晶粒内部结构的形状、大小、 分布等
凝固组织对铸件的力学性能影响很大。 二、铸件的凝固方式 凝固过程中的三个区域：
固相区、 凝固区、 液相区 凝固方式是根据凝固区的宽度来划分 1）逐层凝固 不存在液、固共存的凝固区，有一平滑的
界面。 纯金属和 共晶合金的凝固方式 图
一、流动性 1. 概念 流动性：合金流动的能力。是最重要的铸 造性能 充型能力：金属液充满铸型型腔，获得轮 廓清晰、形状准确的铸件的能力
流动性的测试：用螺旋形流动性试样长度 在相同的铸型及浇注条件下，流动性试样
长度越长，则合金的流动性越好
2. 影响流动性的因素
1）合金成分 主要影响其凝固方式，进而影响流动性 凝固方式： 层状凝固 糊状凝固 中间凝固
（3）铸件裂纹 有热裂和冷裂（弹性状态和塑性状态）
①热裂 在凝固后期或凝固后在较高温度下形成 的裂纹
裂纹断面严重氧化，无金属光泽，沿晶 常见于铸钢件、铝合金件
②冷裂 在较低温度下形成的裂纹 断面有金属光泽，或微氧化
常见于受拉的部位，特别是应力集中处
③防止裂纹的措施 ● 减少和消除应力 ●控制 S、P 含量
图
第二阶段
T1～T2之间 细杆温度已较低，难于产生塑性变形，但粗
杆温度仍较高 两个杆冷却速度不同，收缩不一致，但产生
的内应力将使粗杆产生微量的收缩而自行消 除。
图
第三阶段 T2之后 粗细杆温度均较低，难以产生塑性变形； 其中细杆已接近室温，收缩趋于停止； 粗杆温度较细杆高，仍会有较大的收缩， 因此将受到细杆阻碍而受拉，细杆受压
图
减少和消除热应力的方法
●合理设计铸件的结构 壁厚均匀、圆角过度等
●同时凝固原则 ●去应力退火
（2）铸件变形
铸件内应力存在，铸件总是力图趋于稳定 状态，故会自发地产生变形
一般，受拉应力部分——内凹 受压应力部分——凸出
防止措施： ①减少应力 ②增加铸件的刚性（如加强筋等） ③反变形法 造型时使型腔具有相反的预变形量 铸件凝固后抵消变形
材料成型加工
第一篇金属的液态成型
俗称“铸造” 指熔炼一定成分的合金，制造铸型并将熔
融金属浇进铸型内，凝固后获得一定形 状和性能的铸件
优点： 1）最经济地制造外形和内腔很复杂的零件 2）适应性广 3）成型件的形状、尺寸接近零件 4）原材料来源广，价廉，设备投资少
第一章 液态成型理论基础
§1.1 液态金属的凝固 一、凝固组织 凝固过程是一个结晶过程，是形核和长大 过程 凝固组织：
收缩的三个阶段：
收缩的三个阶段
1）液态收缩 液面下降
2）凝固收缩 液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、
缩松的根本原因 3）固态收缩
铸件的外形尺寸减小；用线收缩率 产生铸造应力，变形、裂纹等的原因
2. 影响收缩的因素
1）化学成分
2）浇注温度 温度高，收缩大
3）铸型条件，铸件结构 由于各部分冷却速度不同，使收缩相互 制约而不能自由收缩
呈椭圆形或梨形
2. 析出气孔
溶解于金属液中的气体在冷却过程中，因 气体溶解度下降而析出，并在铸件中残留 特征：尺寸小，分布面积广，甚至遍布
整个铸件截面。也称“针孔” 针孔影响机械性能、气密性
3.反应气孔
液态金属与铸型材料、心撑、冷铁或熔渣 之间发生化学反应而产生气体形成的气孔 特征：分布在铸件表层1～2mm处，
③合理应用冒口、冷铁、补贴 目的为使铸件顺序凝固
④加压补缩 使铸件在压力下凝固，可显著减少缩松 如压力铸造、离心铸造等
4.铸造应力、变形和裂纹
铸造应力——因凝固受阻产生
σs——变形 σb——开裂
（1） 铸造应力 有热应力和机械应力
① 机械应力（收缩应力） 在凝固收缩时，因铸型、型心、浇冒口及 铸件本身结构阻碍收缩而引起的应力。
2）铸型特点
（1）铸型的蓄热能力（蓄热系数） （2）铸型形状 （3）铸型温度 （4）铸型中气体
3）浇注条件 （1）浇注温度 温度↑ ，金属液的粘度↓，↑流动 性
（2）充型压力 在流动方向上受到的压力↑，流动 性越好
二、合金的收缩
1. 收缩
从液态→室温； 尺寸减少 铸件的缩孔、缩松、裂纹、变形等都于 收缩有关
吸气——气孔 破坏材质的连续性，↓承载能力； 应力集中； 渗漏
铸件的凝固方式
返回
热应力的形成
返回1
返回2
返回3
2）糊状凝固 合金的结晶温度范围宽 在凝固前沿有液、固共存区，结晶温度范
围很宽的时候，共存区贯穿整个断面 3）中间凝固 介于两种凝固之间
影响凝固方式的因素： 1）合金的结晶温度范围 2）铸件断面的温度梯度 温度梯度↑ 凝固区宽度↓
§1.2 液态金属的工艺性能 称铸造性能 流动性、收缩性、吸气性、偏析等
机械应力是暂时存在的应力 当形成应力的原因消除后便会消失
但机械应力一般是拉应力或切应力，铸件 在高温下强度低，若瞬间应力之和超过
其抗拉强度时，就可能产生裂纹。
② 热应力 凝固和冷却过程中，不同部位由于温差造
成不均匀收缩而引起的铸造应力
冷却后，来自百度文库应力残留在铸件内部
形成过程：三个阶段
第一阶段
Τ1之前 粗细杆温度较高，易产生变形 虽冷却速度不同收缩不一致，但产生的内 应力将会引起微量变形而自行消除。