液态成型原理
金属液态成形工艺原理讲稿
金属液态成形工艺原理讲稿一、引言金属液态成形工艺是一种重要的金属加工方法，它利用金属在液态状态下的可塑性，通过施加外力，将金属材料压制成所需形状的工艺过程。
金属液态成形工艺广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶制造等众多领域，具有高效、精确、灵活的特点。
本文将介绍金属液态成形工艺的原理和应用。
二、金属液态成形工艺的原理金属液态成形工艺主要依靠金属在液态状态下的可塑性来实现材料的变形。
在液态状态下，金属具有较高的流动性和可塑性，可以通过施加外力使金属流动，从而制造出复杂形状的金属构件。
金属液态成形工艺的主要原理包括以下几点： 1. 温度控制：金属液态成形工艺需要将金属升温到液态状态，通常通过加热设备控制金属的温度。
2. 施加外力：在金属材料处于液态状态时，需要施加适当的外力，如压力、压力冲击等，以实现对金属的形状变化和压制成型。
3. 液态流动：金属在液态状态下具有较高的流动性，可以通过控制液态金属的流动轨迹和速度，实现对金属的精确塑性变形。
4. 液态金属的熔化和凝固特性：金属在液态和固态之间的相变过程对金属液态成形工艺具有重要影响。
不同金属具有不同的熔化温度和凝固温度，需要根据具体金属材料选择合适的工艺参数。
三、金属液态成形工艺的应用金属液态成形工艺在许多领域都有广泛的应用，具有以下几个优点： 1. 高效生产：金属液态成形工艺可以实现多工位、多工序的同时进行，提高了生产效率。
2. 精确成形：金属液态成形工艺可以制造出复杂形状的金属构件，加工精度高，尺寸和形状可控性强。
3. 节约材料：金属液态成形工艺可以使金属材料得到较好的填充，减少了材料的浪费。
4. 节约能源：金属液态成形工艺可以在短时间内实现金属材料的加热和冷却，节约了能源消耗。
金属液态成形工艺在以下领域有广泛的应用： 1. 航空航天：金属液态成形工艺可以制造出高强度和轻质的航空航天零部件，提高了飞行器的性能和燃油效率。
2. 汽车制造：金属液态成形工艺可以制造出汽车发动机缸体、曲轴等零部件，提高了汽车的动力性能和燃油效率。
液态成形概述
注意2个过程： （1）充填型腔； （2）凝固冷却
金属液态成型
定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting， 是将金属加热到液态，使其具有流动性，然后 浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金 属在重力场或外力场的作用下充满型腔，冷却 并凝固成具有型腔形状的铸件。
实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中
复合材料制备）
现代铸造
我国已成功地生产出了世界上最大的轧
钢机机架铸钢件（重410t）和长江三峡 电站巨型水轮机的特大型铸件
感受铸造
砂型sand mould铸造工艺流程图
型砂molding sand配制造型砂型干燥 工装准备炉料准备合金冶炼 芯砂core sand配制造芯core making型芯干燥
青铜文化
司母辛觥
豕尊
春秋晚期越国青铜兵器 出土于湖北江陵楚墓
长55.7厘米
剑锷锋芒犀利
锋能割断头发
湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑
三星堆
立人像铸于商代晚期，人像
高172厘米，底座高90厘米， 通高262厘米，是世界上最 大的青铜立人像，被尊称为 “世界铜像之王”。
突目面具铸于商代晚期，原
件高64.5厘米，宽138厘米， 眼球柱状外突长达13.5厘米， 其造型在世界上亦属首见。
第一篇 液态成形原理
第一章 概述
第二章 液态金属的结构与性质 第三章 液态成形过程的传热
第章 液态金属的结晶
第五章 铸件凝固组织的形成及控制
第六章 铸件中缺陷及其控制
第一章
液态材料 浇注 铸型模腔
概述
凝固 固态毛坯
金属的铸造工艺
陶瓷的注浆成形
塑料的注射成形
金属液态成形工艺原理
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
式中：
P杯 —— 浇口杯液面压力 P腔 —— 型腔内的液面压力 v杯 —— 浇口杯液面金属流动速度 v内 —— 内浇口出口金属流动速度 hi —— 浇注系统中某段的流体压头损失
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算结果
计算条件： a. 浇注系统为充满流动
封闭式浇注系统； 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。
b. 浇口杯液面保持不变
c. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
γ —— 重度（=ρg）
2. 充填上半型 设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P内
v内2 2g
hi
3. 充填整个铸型
设充填时需要金属液m，充填时间为t，则
m
F内 t 2gH均
式中 m为充填铸型所需金属液； t为充填时间； 为流量系数； H均为充型平均静压头。
学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
精确成型技术 第三讲液态成形原理
浇注条件方面的影响因素：
➢ 浇注温度 ➢ 充型压头 ➢ 浇注系统结构
怎样影响？ 为什么？
液态金属的充型能力
充型能力对铸件质量的影响：
充型能力不足
浇不足
冷隔
夹砂 气孔
夹渣
液态金属的凝固方式
液态金属的凝固方式
➢ 金属凝固方式：逐层凝固
怎样影响？ 为什么？
体积凝固（糊状凝固） 中间凝固
➢ 金属凝固方式与铸件质量的关系
思考题
➢ 冷却速度怎样影响合金流动性？ ➢ 什么是导热系数，导热系数怎样影响合金流动
性？
➢ 解释铸型蓄热系数b2 c222 的物理意义，
b2怎样影响合金流动性？ ➢ 铸型温度怎样影响合金流动性？ ➢ 铸型发气量怎样影响合金流动性？
思考题
➢ 什么是铸件折算厚度？折算厚度怎样影响合 金流动性？
➢ 什么是逐层凝固 、中间凝固和体积凝固，什 么样的合金分别倾向于逐层凝固 、中间凝固 和体积凝固？
书上思考与练习
➢ 试述液态金属充型能力与流动性之间在概念上 的区别，并举例说明。
➢ 在影响充型能力的诸多因素中，哪些是可控的， 哪些是不可控的?
➢ 铸件形成过程中，合金收缩要经历哪几个阶段？ 各有什么特点？阐述铸件收缩与合金收缩的区 别与联系。
➢ 缩孔与缩松的形成原因和形成条件有何异同？
书上思考与练习
《材料精确成形技术》 第三讲
液态成形原理
➢液态金属的充型能力 ➢液态金属的凝固方式 ➢液态金属充型后的收缩 ➢铸件凝固原则
液态金属的充型能力
液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮 廓清晰的成形件的能力。
影响因素 ➢ 金属流动性：合金成分、杂质含量、热
物理性质 ➢ 外界条件： 铸型条件、浇注条件、铸件
第七章 金属的液态成形
缩松：分散在铸件内部分散而细小的缩孔，大多分布在 铸件中心轴线处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。形成 的原因与缩孔基本相同。 缩孔及缩松使铸件力学性能下降，防止其发生的主要 措施是“定向凝固”，通过增设冒口、冷铁等一些工艺措施 ，使凝固顺序形成向着冒口方向进行，如下图。远离冒口的 部位先凝固，冒口最后凝固，使缩松和缩孔产生在冒口处。 或在铸件厚大部位增设冷铁，以加快该处的凝固速度。
第七章 金属的液态成形
什么是金属的液态成形: 即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔 中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦 称铸造. 金属的液态成形的作用: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。 按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特 种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）。 其中砂型铸 造产品成本最低，应用最普遍，所生产的铸件要占铸件 总量的80%以上。但工艺过程较复杂不易控制，，铸件内 部常有缩孔、夹渣、气孔、裂纹等缺陷产生，导致铸件 力学性能，特别是冲击性能较低。
• （2） 浇注温度 • 浇注温度越高，液态合金的流动性越好，若过高，铸 件易产生缩松、粘沙等缺陷。一般浇注温度控制在：铸钢 1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。 • （3）铸型填充条件 • 内浇道横截面小、型腔表面粗糙、型砂透气性差都会增加 液态合金的流动阻力；铸型材料的导热性过大，使液体金 属凝固快，同样会降低流动性。
f) 挖砂造型
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。
活块造型
三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度 需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作 费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生 产的铸件。
液态成形工艺技术
液态成形工艺技术液态成形工艺技术是一种将液体材料注入模具中，通过各种方式使其固化成形的技术。
液态成形工艺技术包括压铸、注塑、压力真空成型等。
这些技术广泛应用于工业生产中，能够生产高精度、高性能的零部件和产品。
液态成形工艺技术的基本原理是通过将液体材料注入模具中，并施加一定的压力，使其充满整个模腔。
在一定的温度和时间下，液体材料会逐渐固化，从而得到所需的成品。
压铸是一种常见的液态成形工艺技术。
在压铸中，液态金属被注入到模具中，并经过高压力的作用，使其充满整个模腔，然后在一定的时间内进行冷却固化。
最终，通过打开模具，可以得到精确的金属零部件。
注塑是另一种常见的液态成形工艺技术。
在注塑中，熔融的塑料被注入到模具中，并且根据模具的形状和尺寸，塑料材料会逐渐固化。
注塑工艺技术可以生产各种塑料制品，如塑料壳体、包装材料等。
注塑工艺技术具有生产效率高、成本低等优点，因此在工业生产中得到广泛应用。
压力真空成型是一种利用压力和真空力来注入液态材料进行成形的技术。
在压力真空成型中，将液态材料放入模具中，并在一定的压力和真空条件下，使其充满整个模腔，并在固化过程中保持形状。
压力真空成型技术适用于各种不同材料的成形，如橡胶、塑料、陶瓷等。
液态成形工艺技术具有许多优点。
首先，液态成形工艺技术可以生产高精度的零部件和产品，尺寸和形状的精准度较高。
其次，液态成形工艺技术可以实现大规模的生产，生产效率较高。
此外，液态成形工艺技术具有良好的表面质量和产品性能，可以生产出高质量的产品。
然而，液态成形工艺技术也存在一些局限性。
首先，液态成形工艺技术对模具的要求较高，模具制造成本较高。
其次，对液态材料的选择和控制有一定的技术要求，不同的液态材料需要不同的成形工艺。
此外，液态成形工艺技术在处理高温材料和特殊材料时存在一定的困难。
总之，液态成形工艺技术是一种重要的加工技术，能够生产出高精度、高性能的零部件和产品。
随着材料和工艺的不断创新，液态成形工艺技术将在工业生产中发挥越来越重要的作用。
第二章 液态成型
2.1.1 液态金属的充型能力
(1) 液态合金的充型能力与流动性
液态金属充型一般是纯液态下充满或边充 型边结晶 充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状 完整，轮廓清晰铸件的能力。
衡量充型能力可用所能形成的铸件最小壁厚
不同金属和铸造方法铸造的铸件最小壁厚／mm
砂型 灰铸铁 铸钢 铝合金
3
金属型
>4
熔模
0.4～0.8
壳型
0.8～1.5
压铸
——
4
8～10
0.5～1
2.5
——
3
3～4
——
——
0.6～0.8
充型能力的好与差， 首先取决于铸 造合金的流动性；同时又受到外界条件， 如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因 素的影响，是各种因素的综合反映。
流动性：液态铸造合金本身的流动
能力。 衡量流动性一般采用螺旋试样 长度
合金成分对流动行的影响
金属在结晶状态下流动
Fe-C合金流动性与状态图的关系
总的来说，流动性好的合金在多数 情况下其充型能力都较强；流动性差的 合金其充型能力较差。 但也可以通过改善其它条件来提高 充型能力（如提高熔炼质量、浇注温度 和浇注速度，改善铸型条件及铸件结构 等），以获得健全铸件。
(2) 影响合金充型能力的主要因素
铸造应力是热应力、相变应力和收缩应力 三者的矢量和。 在不同情况下，三种应力有时相互抵消， 时相互叠加；有时是临时的，有时是剩余的。 但在实际生产中，对于不同形状的铸件，其铸 造应力的大小分布是十分复杂的。
铸件中各种应力与产生部位的关 系
铸造应力对厚薄不均、截面不对称，细长杆、板及 轮类结构，当残余应力 >屈服强度，产生翘曲变 形。
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
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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。
液态金属成型工艺的研究与应用
液态金属成型工艺的研究与应用导言液态金属成型工艺是一种利用金属在高温状态下具有流动性的特点来进行加工和成型的技术。
它具有高精度、高效率、可塑性强等优点，并在航空航天、汽车制造、电子设备等领域得到广泛应用。
本文将探讨液态金属成型工艺在材料科学与工程中的研究和应用。
一、液态金属成型的基本原理液态金属成型是利用金属在高温状态下的流动性，通过控制金属的温度和形状来进行成型工艺。
通常液态金属成型工艺包括：压铸、浇铸、挤压、注射成形等。
压铸是将金属液体注入模具中，在高压下迅速冷却固化得到零件的一种工艺。
它具有制造复杂形状零件的优势，并且能够实现高度自动化和大规模生产。
浇铸是将金属液体注入到模具中，通过冷却后得到铸件的工艺。
它是一种常用的金属成型工艺，可以制造各种形状和尺寸的零件，广泛应用于汽车制造和航空航天等领域。
挤压是将金属材料加热至液态，通过挤压机的作用将液态金属迫入模具中，然后冷却固化成型。
挤压工艺适用于制造长条形零件或中空零件。
注射成形是将金属液体注射到模具中，通过冷却后得到零件的工艺。
它具有高精度和高稳定性的优势，常用于制造微小和复杂形状的零件。
二、液态金属成型的优势和应用液态金属成型工艺具有以下几个优势：1. 高精度：液态金属成型可以制造出高精度的零件，满足现代产品对精度的要求。
2. 高效率：液态金属成型工艺可以实现连续生产，提高生产效率，节省时间和成本。
3. 可塑性强：液态金属成型可以加工各种复杂形状的零件，具有较强的可塑性和可变性。
液态金属成型工艺在多个领域得到广泛应用：1. 航空航天领域：液态金属成型工艺可以用于制造飞机的发动机部件、燃烧室等关键零件，提高飞行器的性能和安全性。
2. 汽车制造领域：液态金属成型可以用于制造汽车发动机、车身结构和底盘等部件，提高汽车的性能和安全性。
3. 电子设备领域：液态金属成型工艺可以用于制造电子产品的外壳、散热器和连接器等零件，提高产品的可靠性和美观度。
三、液态金属成型的研究进展液态金属成型工艺的研究一直是材料科学与工程领域的热点。
液态金属成型
gx −
1 ∂P +ν ρ ∂x
∂ 2u ∂ 2u ∂ 2u ∂ u ∂u ∂u ∂u ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w∂z
∂ 2v ∂ 2v ∂ 2v ∂ v 1 ∂P ∂v ∂v ∂v gy − +ν + + 2 = + u + v + w 2 2 ρ ∂y ∂x ∂y ∂z ∂y ∂z ∂t ∂x gz − 1 ∂P +ν ρ ∂z ∂ 2w ∂ 2w ∂ 2w ∂ w ∂w ∂w ∂w ∂ x2 + ∂ y2 + ∂ z2 = ∂t + u ∂x + v ∂y + w ∂z
五、实验报告 分析总结铝合金的熔炼处理工艺流程，比较精炼处理、 变质处理、 振动以及冷却条件对 铝合金组织及性能的影响。
实验二、液态成型过程 CAE 实验 一、基础理论 计算机辅助工程（ Computer Aided Engineering，简称 CAE）技术是一门以 CAD/CAM 技术水平的提高为发展动力，以高性能计算机及图形显示设备的推出为发展条件，以计算 力学和传热学、 流体力学等的有限元、 有限差分、 边界元、 结构优化设计及模态分析等方法为 理论基础的新技术。目前液态成型 CAE 主要以铸件的温度场模拟和流动场模拟为主，软件 水平已经达到实用化，国内外均有商品化软件出现。国外主要有德国的 MagmaSoft、美国的 ProCAST、 Flow3D、 韩国的 AnyCAST 等，国内主要有华中科技大学的华铸 CAE、 清华的 FTStar、华北工学院的 CastSoft 等。 1）温度场模拟 温度场模拟主要是利用传热学原理，分析铸件的传热过程，模拟铸件的冷却凝固进程 ，
第四章 金属的液态成形与半固态成形 第一节 液态成形
第四章金属的液态成形与半固态成形第一节液态成形一．特点1．把金属变为变形阻力小的液态金属，浇入铸型后，一次制作出所需形状的铸件。
故适应性强，工艺灵活性大，几乎所有的工程材料都可以用液态成形。
2．成形件精度高。
3．成本低廉。
4．零件力学性能差，常存有缺陷，组织疏松、晶粒粗大、质量不稳定，生产过程劳动强度大、条件差、生产率低。
二．发展史三．液态成形合金性能液态成形过程合金要发生一系列物理、化学变化，并对铸件的质量性能产生极大影响，故液态成形合金必须具有合适的性能要求。
（一）合金的充型性能作为最基本要求,液态金属要能充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的健全铸件，并防止铸件产生浇不足，冷隔等缺陷。
影响合金充型能力的因素有：1、合金的流动性：作为合金本身性能，它与合金成分、温度、杂质含量及物理性能有关；2、浇注条件：其中包括浇注温度、充型压力与浇注系统的结构。
决定性影响的因素是温度。
在一定范围内，随着温度提高，合金的粘度减少，充型能力提高。
但超过某界限后，合金液氧化、吸气严重，易产生缩松、气孔等缺陷。
提高充型压力（增大静压头高度，压铸）可提高充型能力。
浇铸系统结构较复杂（如蛇形浇道）,流动阻力增加，相同静压条件下，充型能力小。
3、铸型性质及结构铸型从合金中吸收及储存热性能的能力称蓄热能力。
材料的导热率、比热越大，它也越大。
大的蓄热能力使合金的充型能力变差，预热铸型,降低合金液与铸型温差，减缓合金液冷却速度，能提高合金的充型能力。
加强铸型结构的排气，能减少铸型的发气，提高充型效果。
铸型结构不合理，如壁厚太小，急剧变化，过大的水平面等结构能产生较大流动阻力，充型能力大大受影响。
（二）合金的收缩，铸件缩孔、缩松特征1、液态合金在冷却凝固过程中，体积、尺寸均缩小的现象称为收缩，是产生缩孔（松）、变形、裂缝的原因。
有体收缩和线收缩两种，发生在液态收缩和凝固收缩的体收缩是缩孔、缩松形成的主要原因。
固态收缩表现为铸件外形尺寸的线收缩，是产生铸造应力、变形、裂缝的主要原因。
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
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
第五章 金属的液态成形与半固态成形
（2）变形：若冷却到室温的铸件内部存在有较大的残余应力，此时铸件
不稳定，将自发通过变形来减小或消除残余应力。
常见变形是翘曲变形，其变形方向是铸件受拉应力处内凹，相反受压应力 处外凸。
（3）裂纹：当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件变产生裂纹。
裂纹按形成的温度范围分为热裂纹和冷裂纹。 • 热裂纹：在结晶温度范围内的固相线附近形成。
③ 铸型性质及铸件结构（外因）
◎ 铸型温度--铸型预热有利于金属液保持较好流动。 ◎ 铸型材料--材料的蓄热能力影响金属降温速度，材料的比热容和导热 率越大，材料的蓄热系数越大，激冷能力就越强，充型能力就越差。
蓄热系数指铸型从金属吸收并储存在本身中热量的能力。 ◎ 铸型排气能力--排气能力差，气体来不及排出，气体压力增大，阻碍 充型。 ◎ 铸件大小及壁厚--铸件壁厚过小，壁厚急剧变化或结构复杂，流动阻力 增加，充型困难。
二、液态成型合金性能
液态成形过程中，合金发生系列物理化学变化，对铸件质量和性能有很大 影响。因此，液态金属必须具有合适的性能。
1、合金的充型能力
（1）概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰、尺寸准 确的铸件的能力。
（2）充型能力对铸造生产的影响：
充型能力强： 易于充满型腔，获得完整铸件； 气体易浮出液面； 易于补缩；
αV，αL——合金由t0到t1温度范围内的体收缩系数和线收缩系数。
合金种类 含碳量%
碳钢
0.35
白口铸铁 3.00
灰铸铁
3.50
浇铸温度℃
1610 1400 1400
液态收缩%
1.6 2.4 3.5
凝固收缩%
3 4.2 0.1
固态收缩%
7.86 5.4~6.3 3.3~4.2
液态成型工艺课程设计
液态成型工艺课程设计引言液态成型工艺是一种常见的制造工艺，广泛应用于汽车、航空航天、电子等行业。
液态成型工艺是指通过将材料加热至液态，然后注入模具中，通过冷却和固化获得所需形状的方法。
本文将介绍液态成型工艺的基本原理、常见的液态成型工艺和其优缺点，并针对一种特定的产品设计一个液态成型工艺课程。
液态成型工艺的基本原理液态成型工艺是通过将材料加热至液态来实现材料成形的工艺。
一般情况下，常用的液态成型材料包括塑料、金属和陶瓷等。
液态成型工艺的基本原理是将材料加热至液态，然后注入模具中，通过冷却和固化使材料获得所需的形状。
液态成型工艺具有成本低、生产效率高、生产周期短的优点。
常见的液态成型工艺注塑成型注塑成型是一种常见的液态成型工艺，适用于塑料材料的制造。
注塑成型的工艺过程包括：将塑料颗粒加热至液态，然后通过注射机将液态塑料注入模具中，通过冷却和固化使塑料成型。
注塑成型具有成本低、生产效率高、生产周期短的优点，广泛应用于汽车零部件、电子产品外壳等领域。
压铸成型压铸成型是一种常见的液态金属成型工艺，适用于铝、镁等金属材料的制造。
压铸成型的工艺过程包括：将金属加热至液态，然后通过压铸机将液态金属注入模具中，通过冷却和固化使金属成型。
压铸成型具有成本低、生产效率高、生产周期短的优点，广泛应用于汽车发动机零部件、电子器件外壳等领域。
熔融成型熔融成型是一种常见的液态陶瓷成型工艺，适用于陶瓷材料的制造。
熔融成型的工艺过程包括：将陶瓷粉末加热至液态，然后通过注射机将液态陶瓷注入模具中，通过冷却和固化使陶瓷成型。
熔融成型具有成本低、生产效率高、生产周期短的优点，广泛应用于陶瓷器具、陶瓷零部件等领域。
液态成型工艺课程设计课程目标本液态成型工艺课程的目标是培养学生对液态成型工艺的基本原理和常见工艺的了解，以及掌握液态成型工艺在产品设计和制造中的应用能力。
通过本课程的学习，学生将能够独立完成一个液态成型产品的设计和制造。
课程内容第一章：液态成型工艺概述•液态成型工艺的定义和分类•液态成型工艺的优缺点及应用领域•液态成型工艺与传统加工方法的比较第二章：注塑成型工艺•注塑成型工艺的基本原理和流程•注塑成型机的结构和工作原理•注塑成型工艺中的关键技术和操作要点第三章：压铸成型工艺•压铸成型工艺的基本原理和流程•压铸机的结构和工作原理•压铸成型工艺中的关键技术和操作要点第四章：熔融成型工艺•熔融成型工艺的基本原理和流程•熔融成型机的结构和工作原理•熔融成型工艺中的关键技术和操作要点第五章：液态成型工艺在产品设计中的应用•液态成型工艺在产品设计中的优势和局限性•液态成型工艺与产品设计的关系•液态成型工艺在不同行业的实际应用案例课程教学方法本液态成型工艺课程采用理论教学与实践教学相结合的教学方法。
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第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 两个过程重叠交织
形核
长大
形成多晶体
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 形核：母相（液相）中形成等于或大于一定临界大小
的新相晶核的过程。
临界形核功相当于表面能的1/3，这意 均匀形核：在过冷的液态金属中，依靠液态金属本身的 味着固、液之间自由能差只能供给形成 能量变化获得驱动力，由晶胚直接成核的过程。 临界晶核所需表面能的 2/3，其余1/3的 非均匀形核：在过冷液态金属中，晶胚依附在其他物质 能量靠能量起伏来补足。
均匀形核是在过冷液态金属中，依靠结构起伏形 成大于临界晶核 的晶胚，同时必须从能量起伏中获 得形核功，才能形成稳定的晶核 。
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
1.2.2 均匀形核速率
均质形核速率由两个因素决定：
* G 均 N * N L exp( ) KT
GA f 0 N s vp exp( ) KT
△G m
第三章：液态金属凝固热力学和动力学
3.1 液态金属凝固热力学
二、液态金属凝固过程中的溶质再分配
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶
三、结晶过程
（1）结晶的基本过程：形核－长大。（见示意图）
（2）描述结晶进程的两个参数 形核率：单位时间、单位体积液体中形成的晶核数量。用 N表示。 长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上 单位时间内迁移的距离。用G表示。
1.3 异质形核
1.3.2 异质形核速率
I均 N * f 0 K1 exp( （
* G均 G A
KT
） ) I异 N * f 0 K1 exp( （
* G异 G A
KT
） )
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
1.3.3 形核控制
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.2 晶体的长大机制 晶体长大机制：液态原子向固相表面的添加方式。 与固-液界面结构有关 晶体长大方式：垂直长大，横向长大 1.4.2.1 垂直长大方式 粗糙界面结构，垂直于界面方向长大。 特点：长大速度相当快，过冷度小。 这种机制适用于多数金属。
第一章：凝固理论基础
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 2、液态金属的表面张力 1.1 表面张力的实质及影响因素 表面张力与表面能数值相等，但单位不同， 也即意义不同 1.2 表面张力在材料成形过程中的意义
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 三、液态金属的流动性及充型能力
1、基本概念 流动性(fluidity)：液态金属本身流动的能力。流动性与金属的 成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。表2－1给出了一些合金 的流动性。
1.4 晶体的长大
1.4.2.2 横向长大方式(台阶生长机制) 光滑界面结构，依靠小台阶接纳液态原子。
长大速度较慢，所需过冷度较垂直长大高
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.2.2 横向长大方式(台阶生长机制) • 二维晶核台阶生长机制：均匀形核-二维晶核-横向长大 特点：长大不连续，速度慢 • 晶体缺陷台阶生长机制：依靠螺型位错或孪晶面生长 特点：长大连续，速度较慢
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
理论证明： 界面粗糙化时，界面自由能的相对 变化：
△Gs/(NkTm)=αx(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x)
α=ξLm/(kTm) ξ为晶体学因子，晶面原子密度小， ξ小。 α ≤2时，x=0.5处，界面能最小，粗 糙界面 α ≥5时，x靠近0或1处界面能最小， 光滑界面
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
1.2.2 均匀形核速率
* G G A * 均 I N f 0 K1 exp( （ ） ) KT
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
1.3.1 异质形核热力学
异质形核：形核依赖于液相中的固相质点表面发生；液相中的原子集 团依赖于已有的异质固相表面并在界面张力作用下，形成球冠。
表面上成核的过程。 （凝固形核的主要方式）
形核方式：均匀形核，非均匀形核
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 1.1.2 结晶热力学
液态金属结晶的动力：过冷度
液态金属结晶的阻力：形成新的界面 热力学能障:由被迫处于高自由能过度状态下的
界面原子所产生
动力学能障：由金属原子穿越界面过程所引起
属间化合物成分的合金，潜热的影响较大；而对于宽结晶温度范围的
合金，潜热对流动性影响不大。
合金液的粘度
第三章：液态金属凝固热力学和动力学
3.1 液态金属凝固热力学
一、液体金属凝固热力学条件 △Gv=Gl-Gs=(HL-TSL)-(Hs-TSs) =(HL-Hs)-T(SL-Ss)=L-T △S 在Tm点： △Gv=L-Tm △S=0 △S= L/Tm △Gv=L △T/Tm 过冷现象 （ 1 ）过冷：金属的实际结晶温度总是低于 其理论结晶温度的现象。
一、概述
（一）共晶合金的分类及共晶组织特点
规则共晶：层片状、棒状（金属-金属/金属金属间化合物）
非规则共晶：金属-非金属，非金属-非金属： 形态多种多样 （二）近平衡状态下的共晶共生区
① 伪共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶 组织。 ② 形成原因：不平衡结晶；成分位于共晶点附近。 ③ 不平衡组织 由非共晶成分的合金得到的完全共晶组织。 共晶成分的合金得到的亚、过共晶组织。
金属 结晶 理论 晶核的 长大
二维晶核台阶机制
应用：
晶体缺陷台阶机制 形态 平面状长大：正温度梯度，粗糙界面为主 树枝状长大：负温度梯度，粗糙界面 参数：长大速度，与界面结构、过冷度有关
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
胞状晶转变为胞状树枝晶
第六章：多相合金的凝固
第一节 共晶合金的凝固
充型能力(mold-filling capacity)：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。即液态金属反映铸型型腔 的能力。充型能力与金属液本身的流动能力及铸型性质等因素有 关。 充型能力与流动性的关系：充型能力是外因（铸型）和内因 （流动性）的共同结果。外因一定时，流动性就是充型能力。
在相变驱动力的驱使下，借助于成分起伏、结构 起伏和能量起伏来克服热力学能障和动力学能障，使 凝固过程得以不断进行，最后完成。
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
1.2.1 均匀形核热力学
相变驱动力公式推导
（1）晶胚形成时的能量变化
假定晶胚为球形，半径为r，当过冷液体中出现一个晶胚时，总的自 由能变化： △G＝V△Gv+σS
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
一个晶粒各个界面长大速度不一致，以平均值表示晶体 长大速率。 晶体长大速率与过冷度的关系：
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3 晶体的长大形态 长大形态：长大过程中液-固界面的形态。 长大形态有两种：平面状长大，树枝状长大 其取决于：液-固界面结构的类型，界面前沿液相中温度分布
（2）过冷度：金属材料的理论结晶温度 (Tm) 与其实际结晶温度To之差 △T=Tm-To
注：过冷是结晶的必要条件，结晶过程总是在 一定的过冷度下进行。
第三章：液态金属凝固热力学和动力学
3.1 液态金属凝固热力学
二、液态金属凝固 过程中能量的增加 Gd
△G d
GL
GS
a
0 原子位置 凝固过程的吉布斯自由能的变化
稳定长大过程，界面能量始终保持最低。 两种能量低的界面结构：光滑界面，粗糙界面 •光滑界面：液-固界面上的原子 排列较规则，界面处两相截然分 开。微观上界面光滑，宏观上有 若干小平面。 •粗糙界面：液-固界面上的原子 排列较混乱，原子分布高低不平 整，在几个原子厚度的界面上， 液、固两相原子各占位置的一半。 宏观上界面平直。
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.3 异质形核
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
晶核长大条件：动态过冷、合适的晶核表面结构
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大 1.4.1 液-固界面微观结构
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 1.1.1 结晶的基本规律 一 、液态金属的结构 结构：长程有序而短程有序。 特点（与固态相比）：原子间距较大、原子配位数较 小、原子排列较混乱。
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶 二、液态金属的性质 1、液态金属的粘滞性（粘度） 1.1 粘度的实质及影响因素 1.2 粘度在材料成形过程中的意义 对液态金 属净化的 影响 对液态合金 流动阻力的 影响 对液态合金 凝固过程中 对流的影响
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
（2）临界晶核半径
r＝rk时,△G最大; r<rk 时 , 晶胚不稳定，难以长大， 最终熔化而消失; r>rk时,晶胚成为稳定的晶核。
第一章：凝固理论基础
1.2 均质形核
临界形核功相当于表面能的1/3，这意味 着固、液之间自由能差只能供给形成临界 晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠 能量起伏来补足。
金属凝固总结
热力学条件：过冷度 临界过冷度 条件 结构条件：结构起伏（相起伏） 临界晶核 能量条件：能量起伏 临界形核功
均匀形核：形核率受过冷度影响 方式 非均匀形核：形核率受过冷度、杂质结构 及表面形貌影响 参数：形核率 条件：动态过冷度 垂直长大：粗糙界面 机制 横向长大：光滑界面