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。
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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↑