1-材料成形理论基础

材料成形工艺基础1第一章 材料成形理论基础液态成形--铸造 固态成形--锻造 固态连接--焊接21第一节 液态成形基础1、液态金属的结构液态金属在结构上更象固态而不是汽态，原子之间 仍然具有很高的结合能。

液态金属的结构特征 液态金属内存在近程有序的原子集团。

这种原子集团是不稳定 的，瞬时出现又瞬时消失。

所以，液态金属结构具有如下特 点： l）液态金属是由游动的原子团构成。

2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相 同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起 伏。

3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时 大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。

3第一节 液态成形基础1、液态金属的性质液态金属是有粘性的流体。

粘度的物理本质是原子间作 相对运动时产生的阻力。

表面张力：在液体表面内产生的平行于液体表面、且各 向均等的张力421.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。

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。

51.2铸件的凝固组织合金从液态转变成固态的过程，称为一次结晶 或凝固。

一次结晶从物理化学观点出发，研究液态金属的 生核Formation of stable nuclei 、长大Growth of crystals、结晶组织的形成规律。

凝固从传热学观点出发，研究铸件和铸型的传热过 程、铸件断面上凝固区域的变化规律、凝固方式与 铸件质量的关系、凝固缺陷形成机制等。

631.2铸件的凝固组织凝固组织分宏观和微观。

宏观组织：铸态晶粒的形态、大小、取向、分布 微观组织：晶粒内部的亚结构的形状/大小/相 对分布/缺陷等 晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑 性和韧性越好。

71.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式逐层凝固方式(skin-forming solidification) 糊状凝固方式(mushy solidification) 中间凝固方式(middle solidification)。

凝固方式取决于凝固区域的宽度,而凝固区域的宽 度取决于合金的结晶温度范围和冷却强度。

控制铸件的工艺原则：顺序凝固 同时凝固841.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式 a b c逐层凝固方式:a) 恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金在 凝固过程中,断面上的固体和液体由一条 界线（凝固前沿）清楚地分开。

随着温 度的下降，固体层不断加厚，逐步达到 铸件中心。

91.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则铸件的凝固方式 a b c糊状凝固C） 合金的结晶温度范围很宽，液、固两相 共存区贯穿铸件的整个断面。

在凝固区 域里既有已结晶的晶体，也有未凝固的 液体。

这种凝固方式先呈糊状，然后整 体凝固非共晶合金没有一个确定的 熔点，它的凝固结晶是在一 个温度区间内完成的，属非 恒温结晶。

1051.3铸件的凝固方式和控制铸件的工艺原则中间凝固b）铸件的凝固方式 a b c大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和 糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面 上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，11第二节 金属与合金的铸造性能合金在铸造成形过程中，容易获得外形正 确、内部健全铸件的性能。

充型能力 收缩1262.1合金的充型能力充型能力(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。

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 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。

132.1合金的充型能力用测定给定条件下的流动性来表示液态 金属的充型能力影响因素： 浇注条件 合金成分 铸件结构1472.1合金的充型能力纯金属及共晶成分的合金: 很好的流动性从铸型表面到中心，液态合金逐层凝固，由于已凝固层的 内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。

共晶成分合金的凝固温度最低，相同浇注温度下其过热度 最大，延长了合金处于液态的时间，故流动性最好非共晶合金:流动性差152.2合金的收缩收缩：在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小 •液态金属浇入铸型后，金属温度下降，空穴数量减少，原子 间距离缩短，液态金属的体积减小。

体收缩(volumecontraction)。

•温度继续下降，发生由液态到固态的状态变化，原子间距离 进一步缩短；体收缩 •金属凝固完毕后，在固态下继续冷却，原子间距离还要缩 短。

线收缩(linear contraction)。

导致缩孔，缩松，裂纹，变形，内应力等缺陷1682.2合金的收缩收缩的三个阶 段： 液态收缩 凝固收缩 固态收缩合金收缩 率是3阶段 收缩率之 和。

172.2合金的收缩收缩的三个阶段： 液态收缩 金属处于液态，体积的缩小表现为型腔内液面 的降低。

液态收缩系数αV液的因素很多，如合金成分、 温度、气体和夹杂物含量等。

凝固收缩 型腔内液面的降低固态收缩，铸件各个方向上都表现出线尺寸的缩小。

因 此，这个阶段对铸件的形状和尺寸的精度影响最大。

金 属的线收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的根本原 因。

1892.2合金的收缩0含碳量高的灰铸铁由于石墨化，在凝固的最后阶段体积膨 19 胀抵消了由于相变过程带来的体积缩小 自补缩三、铸造性能对铸件质量的影响充型能力：浇不到，冷隔，气孔，夹扎、热裂等 收缩：缩孔，缩松，裂纹，变形，内应力20103.1 缩孔与缩松铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，在铸 件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔。

容积大而集中的孔洞称为集中缩孔，简称为缩孔； 细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称为缩松。

缩孔的形 状不规则；表面不光滑，可以看到发达的树枝晶末梢， 任何形态的缩孔都会减小受力的有效面积，在缩孔处产生应 力集中，显著降低铸件的机械性能。

还降低铸件的气密性和 物理化学性能。

213.1 缩孔与缩松缩孔形成机理：逐层凝固方式下 最后凝固部位得不到补充而形成 的空隙，形成大而集中的孔22113.1 缩孔与缩松缩孔形成过程图解 缩孔位置：在铸件的最后凝固部位 缩孔条件：金属恒温或很小的温度范围内结晶 缩孔原因：液态收缩和凝固收缩远大于固态收缩233.1 缩孔与缩松采用“凝固等温线法”和“内切圆法”近似地确定缩孔的位 置，凡是等温线未穿过的区域和内切圆的直径最大处， 即为易出现缩孔的热节。

24123.1 缩孔与缩松缩松形成机理：树枝状晶体所分 隔的晶间液体区得不到补缩形成 的小孔隙。

253.1 缩孔与缩松缩松位置：在铸件壁的轴线区域、热节/冒口根部、集中缩 孔下方 缩松条件：宽结晶温度范围的合金，凝固区域宽，散热条件 差，容易发展成为树枝晶发达的粗大等轴枝晶组织。

当 粗大的等轴枝晶相互连接以后(固相约为70％)，将使凝固 的液态金属分割为一个个互不沟通的溶池。

铸件的凝固 区域越宽，就越倾向于产生缩松 缩松原因：液态收缩和凝固收缩远大于固态收缩26133.1 缩孔与缩松显微缩松在各种合金铸件中或多或少都存在，它降低铸 件的力学性能，对铸件的冲击韧性和延伸率影响更大， 也降低铸件的气密性和物理化学性能，对于一般铸件往 往不作为缺陷。

但是，在特殊情况下，如要求铸件有较 高的气密性，高的力学性能和物理化学性能时，则必须 设法减少和防止显微缩松的产生。

显微缩松产生在晶间和分枝之间273.1 缩孔与缩松分布 特征 缩 孔 集中存在 部位 上部， 最后 特殊 区域容积 大小 较大形状 特征 倒锥状发生 材料 近共晶缩 松分散细小不规则远共晶28143.1 缩孔与缩松合金本身的影响 (1) 收缩率越大，缩孔容积越大。

(2) 导热性越大，温度场均匀，缩孔容积越小。

冷却条件的影响 (1) 外部冷却强度提高，边浇注边补缩，收缩总量减小，缩孔容积 减小。

但是缩孔集中。

(2) 铸型刚度小，有位移，缩孔容积增大。

浇注工艺的影响 (1) 浇注温度越高，液态收缩越大，缩孔容积越大。

(2) 浇注速度低，边浇注边补缩，缩孔容积减小。

铸坯结构的影响 铸坯厚度增加，形成表面壳后，内部液态金属多，总收缩量提高293.1 缩孔与缩松防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则： 制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的 补缩条件， 尽可能地使缩松转化为缩孔， 缩孔出现在铸件最后凝固的地方。

（顺序凝固）30153.1 缩孔与缩松顺序凝固(progressive solidification ）是采用各种措施保证 铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是 靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即在 铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递 增的温度梯度， 措施：通过安放冒口和冷铁等 措施：通过安放冒口和冷铁等 冒口：铸型中特设的空腔，用 冒口：铸型中特设的空腔，用 于储备多余金属液体以弥补收 于储备多余金属液体以弥补收 缩引起的金属液体不足。

缩引起的金属液体不足。

冷铁：型壁上外设的铁块，用 冷铁：型壁上外设的铁块，用 于加快该处的冷却速度。

于加快该处的冷却速度。

313.1 缩孔与缩松温度 缩孔顺序凝固浇注系统型腔3 21 距离32冒口163.1 缩孔与缩松冷铁的使用冷铁 321333.2裂纹裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。

裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。

裂纹都严重损害机械性能，使用时会因裂纹扩展使铸件断 裂，发生事故。

外裂容易发现，若铸造合金的焊接性能好，铸件经补焊后 仍可以使用，若焊接性能差，铸件则报废。

内裂隐藏在铸件的内部，不易发现，危害性更大。

34173.2裂纹裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。

裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。

发生期 热裂 冷裂 凝固 高温 凝固 低温 引发 因素 机械 应力 复合 应力 特征 短宽 曲氧 光滑 穿晶 倾向 塑性 区宽 脆性， 大型 防止 措施退让性 壁厚均 匀， 同时凝固 修改结 构，热裂：凝固后期因机 械应力超强而产生。

影响因素：合金性质 和铸型阻力。

冷裂：继续冷却至 室温形成的裂纹。

353.2裂纹36183.3 铸造应力铸造应力(casting stress)：金属在凝固和冷却过程中体 积变化受到外界或其本身的制约，变形受阻，而产生的 应力。

热应力(thermal stress)：铸件各部分厚薄不同， 在凝固和 其后的冷却过程中，冷却速度不同，造成同一时刻各部分 收缩量不一致，铸件各部分彼此制约，产生的应力。