金属的凝固成形
金属材料的成型工艺
金属材料的成型工艺金属材料的成型工艺是指通过物理或化学方法将金属材料加工成所需形状的工艺过程。
成型工艺广泛应用于各个领域，如汽车、航空、船舶、建筑、制造业等。
它可以改变金属材料的形状、尺寸、性能和组织结构，使其适应不同的使用需求。
锻造是将金属材料加热至一定温度后，施加力并改变形状的工艺。
锻造可分为自由锻造、模锻和精锻。
自由锻造是直接对金属进行锻造，适用于简单形状的零部件。
模锻是使用模具对金属进行锤击或压制，适用于复杂形状和高精度要求的零部件。
精锻是在高温下对金属进行精密锻造，适用于高精度要求的零部件。
冲压是通过金属板材的拉伸、弯曲、切割和成形等工艺来制作零部件。
冲压工艺具有高效、节约材料、适用于大批量生产等优点，广泛应用于汽车制造、家电制造等领域。
铸造是通过将金属材料熔化后倒入模具中，使其凝固成型的工艺。
铸造可分为压力铸造和重力铸造。
压力铸造包括压铸、低压铸造和真空压力铸造。
压铸是将熔融金属注入压铸机模腔中，通过高压填充，并快速凝固成型。
低压铸造是将熔融金属通过压力填充式注射系统注入模具中，然后通过压力使其充满整个模腔，并凝固成型。
真空压力铸造是在真空环境中进行压铸，以提高铸件的质量和密度。
重力铸造是靠铸造机中的重力将熔融金属倒入模具中，凝固成型。
焊接是通过加热材料至熔化状态，通过外界压力和/或其他形式的能量传递，使金属材料连接起来的工艺。
常用的焊接方法包括电弧焊、气体保护焊、激光焊接等。
焊接工艺广泛应用于电子、汽车、船舶、航空航天等领域。
拉伸成型是将金属材料通过拉伸、挤压或者弯曲等方法成型的工艺。
拉伸成型可以提高材料的强度、硬度和耐磨性。
常见的拉伸成型工艺包括拉伸成型、锻造成型和爆炸成型等。
热成型是通过加热金属材料至塑性状态，然后在模具中进行变形的工艺。
热成型可以提高材料的塑性，使其更容易成形，并改变金属材料的结构和性能。
常用的热成型方法包括热压成型、热挤压、热拉伸等。
挤压成型是通过将金属材料放置在模具中，然后施加压力，使其通过模孔挤压成型的工艺。
液态金属凝固成形的方法
液态金属凝固成形的方法
液态金属凝固成形的方法主要是指铸造成形的工艺过程，它是首先制造一个形状、尺寸与所需零件相应的铸型型腔，然后将液态金属充填入型腔，待其冷却凝固后，而获得零件（称为铸件）的方法，今天，山东伊莱特重工有限公司就跟您一起探讨液态金属凝固成形的方法：
凝固成形的方法很多，根据金属液充填进铸型方法是不同可分为重力铸造（液态金属靠自身重力充填型腔），低压铸造、挤压铸造、压力铸造（液态金属在一定的压力下充填型腔）等。
根据形成铸型材料的不同，可分为一次型（如砂型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造）及永久型（如金属型铸造）。
对于砂型铸造，根据型砂粘结剂的不同，有粘土砂、树脂砂、水玻璃砂等。
根据造型方法不同有手工造型和机械造型。
此外，对于一些特殊的凝固成形件，还可采用连续铸造（等截面长铸件）、离心铸造（四筒形铸件）、实型铸造、熔模铸造等方法。
希望以上信息对您有所帮助。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从液态到固态的过程，这一过程是金属加工和制造中至关重要的一环。
了解金属凝固原理对于提高金属制品的质量和性能具有重要意义。
首先，我们需要了解金属凝固的基本原理。
金属凝固是由于金属在液态和固态之间的相变所引起的。
当金属被加热至其熔点以上时，金属开始融化成液态，而当温度降低到熔点以下时，金属则开始凝固成固态。
在这一过程中，金属的分子结构和排列发生了改变，从而产生了不同的性质和特征。
其次，金属凝固的过程受到许多因素的影响。
首先是金属的成分，不同种类的金属具有不同的凝固特性，例如铝、铁、铜等金属的凝固温度和凝固速度都有所不同。
其次是金属的冷却速度，冷却速度快则会形成细小的晶粒，冷却速度慢则会形成大块的晶粒。
此外，金属的形状和结构也会对凝固过程产生影响，例如浇铸、锻造、挤压等不同的加工方式会导致不同的凝固结构。
最后，了解金属凝固的原理对于金属加工和制造具有重要意义。
通过控制金属的凝固过程，可以获得理想的金属结构和性能，从而提高金属制品的质量和性能。
例如，通过控制金属的冷却速度和形状，可以获得细小、均匀的晶粒结构，从而提高金属的强度和硬度。
此外，还可以通过添加合金元素和调整工艺参数，来改善金属的凝固特性，从而获得更优异的金属制品。
总之，金属凝固原理是金属加工和制造中至关重要的一环。
了解金属凝固的基本原理和影响因素，可以帮助我们更好地控制金属的凝固过程，从而提高金属制品的质量和性能。
希望本文能够为大家对金属凝固原理有所了解，同时也能够在实际生产中加以应用。
金属材料八大成形工艺
金属材料八大成形工艺
（6）金属型铸造(gravity die casting) 金属型铸造：指液态金属在重力作用下充填金属铸型并在型中 冷却凝固而获得铸件的一种成型方法。 应用：金属型铸造既适用于大批量生产形状复杂的铝合金、镁 合金等非铁合金铸件，也适合于生产钢铁金属的铸件、铸锭等。
金属材料八大成形工艺
金属材料八大成形工艺
（3）挤压 挤压：坯料在三向不均匀压应力作用下，从模具的孔口或 缝隙挤出使之横截面积减小长度增加，成为所需制品的加 工方法叫挤压，坯料的这种加工叫挤压成型Байду номын сангаас 应用：主要用于制造长杆、深孔、薄壁、异型断面零件。
金属材料八大成形工艺
（4）拉拔 拉拔：用外力作用于被拉金属的前端，将金属坯料从小于 坯料断面的模孔中拉出，以获得相应的形状和尺寸的制品 的一种塑性加工方法。 应用：拉拔是金属管材、棒材、型材及线材的主要加工方 法。
金属材料八大成形工艺
（10）连续铸造（continual casting） 连续铸造：是一种先进的铸造方法，其原理是将熔融的金属， 不断浇入一种叫做结晶器的特殊金属型中，凝固（结壳）了的 铸件连续不断地从结晶器的另一端拉出，它可获得任意长或特 定的长度的铸件。 应用：用连续铸造法可以浇注钢、铁、铜合金、铝合金、镁合 金等断面形状不变的长铸件，如铸锭、板坯、棒坯、管子等。
金属材料八大成形工艺
（4）低压铸造(low pressure casting) 低压铸造：是指使液体金属在较低压力(0.02～0.06MPa)作用下 充填铸型，并在压力下结晶以形成铸件的方法.。 应用：以传统产品为主（气缸头、轮毂、气缸架等）。
金属材料八大成形工艺
（5）离心铸造(centrifugal casting) 离心铸造：是将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力作用下填 充铸型而凝固成形的一种铸造方法。 应用：离心铸造最早用于生产铸管，国内外在冶金、矿山、交 通、排灌机械、航空、国防、汽车等行业中均采用离心铸造工 艺，来生产钢、铁及非铁碳合金铸件。其中尤以离心铸铁管、 内燃机缸套和轴套等铸件的生产最为普遍。
金属凝固理论
2. 负温度梯度下生长的晶体形态
34
如：白磷在低长大速度时（小过冷度ΔT）为小晶面界面，在长大速度增大到一定时，却转变为非小晶面。 非均质形核临界晶核半径： 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。 在相变驱动力的驱使下，借助 得临界晶核半径 r*： 一、 液-固界面自由能及界面结构 非均质形核与均质形核时临界曲率半径大小相同，但球缺的体积比均质形核时体积小得多。 由于前面讨论的热力学因素，生长过程中仍可维持粗糙面的界面结构。 其生长方向为界面的法线方向，即垂直于界面生长。 1、粗糙界面与光界滑面 三、晶体宏观生长方式 只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。 由金属原子穿越界面过程所引起 液态相间的界面，界面具有界面 只要原子沉积供应不成问题，可以不断地进行“连续长大”。 凝固动力学是研究形核、界面结构及晶体长大。 凝固是物质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术的核心问题，也是材料研究和新材料开发领域共同关注的问题。
3
Chapter 4 Thermodynamics and kinetics of solidification
4
主要内容
4.1 凝固热力学 4.2 凝固动力学 4.3 纯金属的晶体长大
4.1 凝固热力学
4.1.1 ห้องสมุดไป่ตู้-固相变驱动力
4.1.2 溶质平衡分配系数（K0）
4.1.1 液-固相变驱动力
错配 度 aCaNaN10% 05%完 , 全共 格 25% ； 完 , 全不共
晶格结构越相似，它们之间的界面能越小 ，越易形核。
杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
4.3 纯金属的晶体长大
一、 液-固界面自由能及界面结构 二、 晶体长大机制 三、 晶体宏观生长方式
第五章 纯金属的凝固
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)
凝固成形
凝固成形俗称铸造，是将金属材料熔化成液态后浇注入与拟 成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔中，待液态金属冷却凝 固后将铸型打开（或破坏）取出所形成的铸件毛坯，然后清理掉 由于工艺需要而添加的部分（如浇口，冒口等）后，即可得到所 需的铸件。
液态金属
获得合格的高质量的液态金属是凝固成形技术的 非常重要的方面。 所谓合格的，高质量的液态金属，通常包括三个 方面的要求：
五、熔模铸造
熔模铸造师用易熔材料制成模型，然后在模型上 涂挂耐火材料，经硬化后，将模型熔化、排出型外， 从而获得无分型面的铸型。
六、离心铸造 离心铸造是将液态金属浇入高速旋转 （250~1500r/min）的铸型中，使金属注在离 心力作用下充填铸型并凝固的铸造方法。
几种常见凝固成形方法的比较
凝固成形凝固成形铸造的定义液态凝固成形俗称铸造是将金属材料熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔中待液态金属冷却凝固后将铸型打开或破坏取出所形成的铸件毛坯然后清理掉由于工艺需要而添加的部分如浇口冒口等后即可得到所需的铸件
凝固成形
凝固成形（铸造）的定义 液态 金属 充 型 凝 固 铸 件
1、具有所需要的温度 2、杂质含量低 3、具有所要求的化学成分
凝固成形方法
一、砂型铸造
砂型铸造——在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、 铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。 由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简 便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适 应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。
二、金属型铸造
金属型铸造就是将液态金属浇入金属铸型，以获 得铸件的一种凝固成形方法。 由于金属型可以反复使用，故有永久型铸造之称。
三、压力铸造
压力铸造是在高压下（30~70MPa）快速地将液 态或半液态金属压入金属铸型中，并使液态金属在压 力下凝固金属型铸造和压力铸造之间的一 种铸造方法，在30~70kPa压力的作用下，将金属液 注入型腔，并在压力下凝固，以获得铸件的凝固成形 方法。
金属凝固总结汇报
金属凝固总结汇报金属凝固是指金属从液态转变为固态的过程。
在金属凝固中，分为两个主要阶段：核心形成和晶体生长。
核心的形成是指在透明化温度以下，金属内部亚稳态结构的形成过程。
晶体生长是指核心逐渐长大、形成固态晶体结构的过程。
金属凝固具有高度的复杂性和迷人的特点，对于金属学研究和工程应用有重要意义。
首先，金属凝固的关键因素是温度。
金属在高温下处于液态，温度逐渐降低时，金属分子之间的运动逐渐减慢，金属开始发生结构的重组和重新排列，形成固态结构。
温度的下降或升高都会影响金属凝固的过程和结构，从而影响金属的性质和用途。
此外，温度的不均匀分布也会对凝固过程产生影响，引起金属的非均匀性和缺陷。
其次，金属凝固的速度也是影响金属结构和性能的重要因素。
凝固速度快或慢直接影响到金属晶体的尺寸和形态。
在快速凝固过程中，金属晶体的尺寸较小，晶界密度大，导致金属的强度和硬度增加；而在慢速凝固过程中，晶体尺寸较大，晶界密度小，金属的塑性和韧性增加。
在工程应用中，可以通过控制凝固速度来调节和改善金属的性能。
再次，晶核形成是金属凝固的起始点。
金属凝固前，会出现微小的凝固核，凝固核通过扩散和生长形成晶体。
晶核形成的速度和数量决定了晶体生长的速度和结构的演变。
晶核形成的方式有两种：自发形核和异质形核。
自发形核是指金属内部原子在固态结构相邻的位置形成晶核；异质形核是指金属中的杂质或异物作为起始点形成晶核。
晶核的形成方式直接影响到金属的晶体结构和缺陷。
最后，金属凝固还受到外界因素的影响，如压力和成分。
压力的增加可以促使金属凝固温度的降低，同时影响金属晶体的尺寸和形态。
成分的变化也会对金属凝固过程产生重要影响，不同的金属成分决定了不同的凝固行为和结构特点。
综上所述，金属凝固是一个复杂的过程，涉及到温度、速度、晶核形成、外界因素等多个因素。
了解金属凝固的过程和规律，对于金属学研究和工程应用有着重要意义。
通过调控金属凝固条件，可以获得不同结构和性能的金属材料，满足不同领域的需求，并推动金属学的发展。
金属凝固原理
金属凝固原理
金属凝固原理是指金属从液态到固态的过程。
在金属熔化后，通过降低温度或进行其他处理，金属开始逐渐凝固。
凝固过程中，金属内部的原子或分子逐渐重新排列并结晶，形成有序的晶体结构，从而形成固态金属。
金属凝固原理基于凝固行为的研究，涉及到熔化、相变、晶体生长等多个方面。
首先，金属在熔化过程中，吸收热量使得金属内部的原子或分子运动加速，失去了原子之间的排列有序性，形成了液态金属。
当温度进一步降低时，金属开始进入凝固阶段。
在凝固的早期，金属内部出现一些微小的核心，这些核心是由一部分原子或分子聚集形成的。
这些核心吸引周围的原子或分子，从而导致晶体生长。
晶体生长过程中，较小的核心会扩大并联系在一起，形成更大的晶体。
在金属凝固过程中，晶体生长的速度取决于多种因素，包括温度、凝固速率、金属成分等。
高温下，原子或分子的运动速度较快，晶体生长速度较快；而低温下，晶体生长速度较慢。
凝固速率越快，金属内部的原子或分子越来越无序，晶体结构越复杂。
凝固过程中，金属的凝固形式也有多种，常见的有均匀凝固和偏析凝固。
均匀凝固指金属内部晶体结构均匀、成分均匀分布的凝固方式，一般适用于成分均匀的金属。
而偏析凝固则是指金属内部存在组分不均匀的现象，即某些金属元素或杂质在凝
固过程中会向其中心或表面区域富集。
综上所述，金属凝固原理是由金属熔化到固态的过程，涉及到熔化、相变、晶体生长等多个方面。
通过研究金属凝固原理，我们可以更好地理解金属的结构与性能，并可以针对不同的凝固条件来控制金属的制备过程。
金属成形方法大全
金属成形方法大全金属成形是一种制造工艺，通过对金属材料进行加工和变形以获得所需形状和尺寸。
金属成形方法有很多种，下面将详细介绍几种常见的金属成形方法。
1.锻造：锻造是将金属材料加热至一定温度后，利用锤击或压力使之在模具内进行塑性变形的金属成形方法。
锻造可分为手锻和机械锻造两种。
手锻是在锻锤或锻压机上进行的锻造过程，适用于小批量、复杂形状和大型件。
机械锻造则使用锻压设备，适用于大批量生产。
2.挤压：挤压是将金属材料通过模具的流道进入挤压腔，受到持续压力下挤压而获得所需形状和尺寸的金属成形方法。
挤压可分为冷挤压和热挤压两种。
冷挤压适用于高强度、高耐蚀性和高热导率的金属材料，热挤压适用于高塑性材料。
3.拉伸：拉伸是将金属材料置于拉伸设备中，在一定温度和应力下使之获得所需形状和尺寸的金属成形方法。
拉伸适用于金属板材或线材的成形，可以制作出各种形状的金属零部件。
4.深冲：深冲是将金属材料置于冲压设备中，在一定应力和压力下通过冲压模具进行多次变形，获得所需形状和尺寸的金属成形方法。
深冲适用于连续成形和大批量生产，可以制作出薄壁零件。
5.折弯：折弯是将金属材料通过折弯设备使其产生变形和弯曲的金属成形方法。
折弯适用于金属板材的成形，可以制作出各种折弯形状的零部件。
6.铸造：铸造是将熔化的金属通过铸造设备倒入模具中，经冷却凝固得到所需形状和尺寸的金属成形方法。
铸造适用于生产大型、复杂形状和不易加工的金属件。
7.焊接：焊接是将金属材料进行加热至熔点，并通过填充材料或熔化金属材料相互连接的金属成形方法。
焊接可以将多个金属部件连接成一个整体，广泛应用于制造和建筑行业。
8.金属粉末冶金：金属粉末冶金是利用金属粉末经过成型、烧结和后处理等工艺制造金属件的金属成形方法。
金属粉末冶金可以制造出复杂形状和高精度的金属零部件。
总结起来，金属成形方法包括锻造、挤压、拉伸、深冲、折弯、铸造、焊接和金属粉末冶金等。
每种方法都有其独特的特点和适用范围，根据具体的需求选择相应的成形方法可以提高生产效率和产品质量。
金属凝固总结分析报告
金属凝固总结分析报告
在金属凝固的研究中，我们通过实验和分析得出了以下结论。
首先，金属凝固是指在升高温度过程中，金属从液态逐渐过渡到固态的过程。
在凝固过程中，金属原子逐渐排列有序，形成晶体结构，并释放出热量。
其次，金属凝固的过程可分为几个阶段。
首先是液态金属的冷却阶段，在这个阶段中，金属原子的热运动逐渐减弱，使得金属原子能量降低。
随着温度的降低，金属原子逐渐聚集在一起，形成微小的团簇。
接下来是核化阶段，也就是凝固过程的起始点。
在这个阶段，金属原子团簇持续增长，形成固态的核，在固态核周围形成过冷液态金属。
随后是晶化阶段，这个阶段中，过冷液态金属逐渐转变为晶态结构。
由于晶体的结构有序性和周期性，固态金属的密度、硬度等物理性质也会随着晶化的进行而改变。
最后是固态金属的生长阶段，也就是凝固过程的终点。
在这个阶段，固态核逐渐长大，形成完整的晶体结构。
金属原子的排列有序性进一步加强，形成具有特定晶体结构的金属。
此外，金属凝固的速度也会受到一些因素的影响。
其中，温度是最主要的因素之一。
温度越低，金属凝固的速度越慢，固态金属的晶体结构也越完整。
另外，金属的成分和冷却速度也会
对凝固过程产生影响。
综上，金属凝固是一个复杂的过程，涉及多个阶段和因素。
研究金属凝固可以帮助我们了解金属材料的性质和加工过程，对于提高金属的质量和性能具有重要意义。
液态金属在特殊条件下的凝固及成形
能人为地控制。
• 3） 快速凝固法 （H. R. S法）
• 铸型加热器始终加热， 在凝固时，铸件与加 热器之间产生相对移 动。
• 与P. D法相比可以大大 缩小凝固前沿两相区， 局部冷却速度增大， 有利于细化组织，提 高机械性能。
H. R. S法示意图
2、定向凝固技术的应用 （1）柱状晶的生长
（一种顺序凝固组织）
• （2）单晶生长
• 根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。
• 1） 正常凝固法
• 有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法 • 或将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，“籽晶”
处开始结晶，随着固—液界面移动，单晶不断长大。 • 主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核
图 晶体提拉示意图
• （3） 区域提纯
• 区域熔化是获得超纯材料的极有效的手段，由于区域熔化 的发明，才出现了半导体工业。
• 当正常凝固，固—液界面前沿加强搅拌时，可以使试样的 起始凝固端的纯度提高，而整个试样溶质分布是极不均匀 的。
CE CL Csm C0 k0C0
0
CE Csm C0 k0C0
炉丝
熔体
挡板
坩埚 炉管
a)
b)
图 坩埚移动单向凝固示意图
a）垂直式 b）水平式
图 自生粒晶法生产单晶叶片
1-铸件 2-选晶段 3-起始段
通过x、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件
z
y 0 x
图2-42 选晶段示意图
等轴晶
定向柱状晶 单晶体
提拉杆 籽晶 晶体
熔体
金属凝固特点
铸型条件的影响
①铸型结构：若不合理,如壁厚小，直浇 口低, 浇口小等充型能力↓
②铸型导热能力：导热↑，金属降温快， 充型能力↓；
金属凝固特点
铸型条件的影响
③铸型温度：t↑，充型能力↑，如金属 型预热
④铸型中气体：排气能力↑，充型能力 ↑，减少气体来源，提高透气性，少量 气体在铸型与金属液之间形成一层气膜， 减少流动阻力，有利于充型。
第二章 金属的凝固成形（铸造）
定义：将液态金属浇注到与零件的形状和尺 寸相适应的铸型型腔中，待其冷却后得到坯 料或零件的方法，称为液态凝固成形，或称 为铸造成形方法。
分类：砂型铸造（应用较广）、 特种铸造
金属凝固特点
铸造特点 铸造优点 1．具有较强的适应性 重量：几克—几百吨 尺寸：几毫米—十几米 壁厚：0.2mm—1m 结构：复杂外形、内腔 材质：不限，特别是脆性材料 2．铸件成本低 原材料：来源广、价格低、投资少、易生产 铸件：机械加工量相对较小，成本低
金属凝固特点
浇注温度和压力的影响
1.浇注温度 t↑ 合金粘度下降, 流动性↑ t↑液态金属的过热度↑，充型能力↑ 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔, 晶粒粗 大等,故不宜过高 结论：要在金属液体具有足够的充型能 力的前提下，尽量降低浇注温度。
金属凝固特点
浇注温度和压力的影响
2 充型压力 充型压力↑，液态合金在流动方向上 所受的压力↑液体进入型腔的速度↑ 充型能力↑ 如 砂形铸造---直浇道,静压力. 压力铸 造,离心铸造等充型压力高.
金属凝固特点
铸造特点
铸造缺点 工序复杂，方法落后，铸件尺寸精 度不高，表面质量难保证，铸件内部 易出现气孔、砂眼、缩孔、晶粒粗大 等现象。
金属凝固特点
第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化
3.1 金属的凝固（solidification of metal） 金属的凝固（ metal） 3.2 铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 铸造、 3.3 冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化 3.4 热塑性变形过程中的材料行为及性能变化 退出
第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化
作业： ， ， ， ， 。 作业：3，4，6，9，10。
本章结束
返 回
图3-1 纯金结晶时冷却曲线示意图
返回
图3-2 纯金属结晶过程示意图 返回
图3-3 钢锭中的树枝状晶体
返回
图3-4 树枝状晶体生长示意图
返回
图3-5 形核率和长大速率与过冷度的关系曲线
返回
图3-6 铸件的宏观组织形成过程示意图
•零件常用的成形方法： 零件常用的成形方法： 零件常用的成形方法 整体凝固成形。 铸 件——整体凝固成形。 整体凝固成形 焊 件——局部熔化（凝固）连接成形。 局部熔化（ 局部熔化 凝固）连接成形。 其它件——塑性成形（包括切削成形）， 塑性成形（包括切削成形） 其它件 塑性成形 如锻件、冲压件及机制件。 如锻件、冲压件及机制件。 •成形过程中材料内部组织结构有变化 材料行 成形过程中材料内部组织结构有变化→材料行 成形过程中材料内部组织结构有变化 为、性能变化。 性能变化。
3.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 3.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化
3.2.1 铸锭组织（ingot microstructure） 铸锭组织（ microstructure） •实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在①模壁作用 实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在① 实际结晶时 方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织。 ②方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织。 图3-6 表面细等轴晶区：模壁激冷（ 及非自发形核→细 表面细等轴晶区：模壁激冷（大△T ）及非自发形核 细 小晶粒薄层，无实用价值。 小晶粒薄层，无实用价值。 且方向性散热→垂直模壁单相长 柱 状 晶 区：△T↓且方向性散热 垂直模壁单相长 且方向性散热 柱晶， 大 →柱晶 ， 致密但粗大 ， 性能有方向 柱晶 致密但粗大， 性且柱晶间为薄弱环节。 性且柱晶间为薄弱环节。 晶区：温度均匀，到处同时形核、各向长大， 中心 等轴 晶区：温度均匀，到处同时形核、各向长大， 晶粒较小，性能较好。 晶粒较小，性能较好。
金属凝固原理
金属凝固原理金属凝固是指金属从熔化状态向固态转变的过程。
金属凝固是金属加工和制造中的关键工艺之一，对于金属材料的性能和结构具有重要影响。
金属凝固有两种基本模式，分别是平衡凝固和非平衡凝固。
平衡凝固是在金属熔体达到热力学平衡条件下进行的凝固过程。
在平衡凝固过程中，金属熔体的凝固速度较慢，使得晶体有足够的时间进行有序排列，形成结晶的晶格结构。
这种凝固方式下得到的晶体结构一般是均匀、致密的。
而非平衡凝固则是在金属熔体未达到热力学平衡条件下进行的凝固过程，通常是由于快速冷却或其他条件的限制。
非平衡凝固下得到的金属结构通常不具备完整的晶格结构，其中可能包含一些缺陷，如晶界、孪生晶和扩散限制。
金属凝固的主要原理包括热力学原理和动力学原理。
热力学原理研究的是金属凝固的平衡过程和热力学参数，如凝固温度、凝固速度等。
相变热是研究金属凝固的重要参数之一，它是单位质量金属从液态到固态过程中释放或吸收的热量。
相变热的大小直接影响到金属凝固过程的温度和能量交换。
动力学原理研究的是金属凝固的凝固速率和晶体生长行为。
凝固速率与温度梯度成正比，与金属的热导率和定向凝固度有关。
晶体生长通常是以晶核为起点，通过界面扩散分子在凝固过程中不断形成新的晶核，最终形成完整的晶体结构。
在金属凝固中，晶体生长过程是一个重要环节。
晶体生长可以分为表面扩散和体内扩散两种方式。
表面扩散是指晶体表面上的原子或离子通过空间的跳跃来进行扩散，而体内扩散则是指晶体内部的原子或离子通过晶面间的空隙进行扩散。
晶体生长的速度与扩散速率和扩散路径有关，因此扩散是影响金属凝固过程的重要因素之一温度梯度和凝固界面形貌也是金属凝固的关键因素。
温度梯度会导致凝固界面的变形和变动，从而影响到晶体生长和凝固速率。
凝固界面的形貌也对凝固过程有重要影响。
对于非平衡凝固，凝固界面通常是不规则的，形成了一些晶界、孪生晶和其他缺陷。
这些缺陷会影响金属的性能和结构。
除了热力学和动力学原理外，还有其他一些因素也会影响金属凝固的过程。
第一节 金属的液态成形原理
决定凝固方式的因素： （1）结晶温度范围 （2）铸件断面温度场分布变化
二 液态合金的充型能力
充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力 : 液态合金充满铸型型腔 , 获得形状完整 , 轮廓清晰的铸件的能力
若充型能力不足，易产生:
1）浇不足: 不能得到完整隙或凹坑 , 机械性能下 降.
2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点 低,过热度大；
3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初 生树枝状晶阻碍液流 。 常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。
逐层凝固（好）
糊状凝固（差）
不同成分合金流动性
（过热度）
碳钢
铸铁
碳钢随着结晶温 度范围的增加而 流动性变差；亚 共晶铸铁随含碳 量的增加流动性 提高。
纵向温度分布曲线
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均 匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺 陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各 种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。 （1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
2)糊状凝固
• 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 • 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。
温度
固
液
表层
中心
铸件的凝固方式
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
之间的收缩。T浇 — T液
（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 线收缩率：
V铸型 V铸件 V铸件 100%
体收缩率是铸件产生缩 孔或缩松的根本原因。
L
L铸型 L铸件 L铸件
i) 刮板造型
（二）机器造型
机器造型是指用机器全部完成或至少完成 紧砂操作的造型工序。机器造型铸件尺寸精确、 表面质量好、加工余量小，但需要专用设备， 投资较大，适合大批量生产。 1. 机器造型方法分类 常用的机器造型方法有：压实紧实、高压紧实、 震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、 射压紧实、射砂紧实。
+ -
反变形法
防止变形的方法： 1）使铸件壁厚尽可能均匀； 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。
（三）铸件的裂纹与防止
① 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。 热裂的防止： 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。
f) 挖砂造型
假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型
前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱， 因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单， 且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。
j) 假箱造型
分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位
于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面 在中部的铸件。
（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： 200mm 4.3%C 铸铁： 1800mm
浇口杯
出气口
温度（℃）
30 0 20 0 10 0 0 80
流动性cm）
60
40 20 0
Pb 20
40
60
80
Sb
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点
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。
冷铁
热节
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）
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。 铸件表面上有凸起的金属片状物， 化学 表面粗糙，边角锐利，有小部分与 成分 铸件本体相连。 及力 灰铸铁件断面全部或表面出现亮白 学性 色组织，常在铸件薄的断面，棱角 能不 合格 及边缘部分。
夹 砂
白 口
铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击 韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技术条 件要求。
b) 高压紧实
震击紧实主要依靠
震击力坚实砂型。该方 法机器结构简单，制造 成本低，但噪声大、生 产率低、要求厂房基础 好。砂型坚实度沿砂箱 高度方向愈往下愈大。 主要适用于需成批生产 的中，小型铸件。
c) 震击紧实
震压紧实是经过
多次震击后再压实砂 型。该方法生产率高， 能量消耗少，机械磨 损少，砂型坚实度较 均匀，但噪声大。广 泛用于成批生产中、 小型铸件。
铸件缺陷的产生与铸造工艺、造型材料、模具、合金的熔炼与浇注、 铸造合金的选择、铸件结构设计、技术要求的设计是否合理等各个环节密 切相关。因此，应从以下几个方面控制铸件质量： 1．合理选定铸造合金和铸件结构 2．合理制定铸件的技术要求 具有缺陷的铸件并不都是废品，在合格铸件 中，允许存在那些缺陷及其存在的程度，应在零件图或有关的技术文件中 做出具体规定，作为铸件质量要求的依据。 3．铸件质量检验 铸件质量检验是控制铸件质量的重要措施。 铸件检验的项目有：铸件外观质量，包括铸件表面缺陷、表面粗糙度、重 量公差和尺寸公差等；铸件内在质量，包括铸件内部缺陷、化学成分、金 相组织和材质性能等；铸件使用性能，包括铸件在强力、高速、耐蚀、耐 热、耐低温等不同条件下的工作能力。 铸件质量检验最常用的是宏观法。它是通过肉眼观察（或借助尖咀锤） 找出铸件的表面缺陷和皮下缺陷，如气孔、砂眼、夹渣、粘砂、缩孔、浇 不到、冷隔、尺寸误差等。对于内部缺陷则要用仪器检验，如着色渗透检 验、超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、荧光探伤、耐压试验等。此外， 若有必要还应对铸件进行解剖检验、金相检验、力学性能检验和化学成分 分析等。
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。 2．缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩 孔。 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．冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有 金属光泽或有轻微氧化色。
粘 砂
线收缩率是铸件产生应 100% 力、变形、裂纹的根本 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”。
砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大 批量生产形状复杂的铸件。
d) 组芯造型
整模造型的模样是整体的，分型面是平面，铸型
型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生 错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的 铸件。
e) 整模造型
挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。
为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造 型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面 不是平面的单件、小批生产铸件。
（2）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。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。
温度 T浇 T液 温度
S1
T2 T1
T固
S
T室 成分
表层 中心
（二）合金的收缩
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
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。
二、砂型铸造的工艺过程
型砂
零 件 图 铸 型 熔化 芯盒 芯砂 浇注 型 芯 合 冷却
铸 造 工 艺 图
模型
箱 凝固
落 砂 、 清 理
检 验
铸 件
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。 （1）合金种类不受限制； 2．适应性强： （2）铸件大小几乎不受限制。
2 2
T室 t 0 t1
2 t2 t3
t
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。
Ⅱ Ⅰ Ⅱ
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
第二节 砂型铸造
用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。 砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法，其主要 工序包括：制造模样，制备造型材料、造型、造 芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。 一、造型方法的选择 二、铸造工艺设计
一、造型方法的选择
用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称 为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工 造型和机器造型两大类。 （一）手工造型 手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形 状复杂的铸件。 1. 手工造型方法分类 根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱 造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型、组芯造型；根 据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、 分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。 各种手工造型方法的示意图如图1-15所示。 2. 各种手工造型方法的主要特征及其适用范围
g) 分模造型
活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，
肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起 出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工 人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出 部分、难以起模的铸件。
h) 活块造型
刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低
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。用于有等载面或回转体的大、 中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。
2. 各种机器造型方法的主要特征及其适用范围
压实紧实方法单纯借助
压力紧实砂型，机器结构简 单、噪声小，生产率高，消 耗动力少，型砂的紧实度沿 砂箱高度方向分布不均匀， 上下紧实度相差很大。主要 适用于成批生产高度小于 200mm薄而小的铸件。 a) 压实紧实
高压紧实主要是用较
高压实比压（一般在 0.7MPa-1.5MPa）压实砂 型。砂型紧实度高，铸件 尺寸精度高，表面粗糙度 Ra值小，废品率低，生产 率高、噪声低、灰尘小、 易于机械化、自动化、但 机器结构复杂、制造成本 高。主要适用于需大量生 产的中、小型铸件，如汽 车、机械车辆、缝纫机等 产品较为单一的制造业。