1.1液态金属成形理论基础全解
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第一章 金属液态成形理论基础
第一节 液态金属充型能力与流动性
0、什么是液态金属的充型能力
1）定义：
液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的 成型件的能力，称为充型能力。
2）充型能力对成型的影响
充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔 等缺陷。
3）影响充型能力的因素
充型能力首先取决于金属本身的流动性(流动能力)，同 时又受铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素影响。
一、铸件的凝固方式
在铸件凝固过程中，其断面上一般存在三个区 域：固相区、凝固区和液相区。
1、分类
依据对铸件质量影响较大的凝固区的宽窄划分 铸件的凝固方式为如下三类：
(1)逐层凝固
纯金属和共晶成分的合金在凝固过程中不存在液、固并 存的凝固区，随着温度下降，固体层不断加厚，液体不 断减少，直达铸件中心，这种凝固方式称为逐层凝固。
机械应力
二、铸件的变形及其防止
1、变形的原因：
铸件内部残余内应力。 只有原来受拉伸部分产生压缩 变形、受压缩部分产生拉伸变 形，才能使铸件中的残余内应 力减小或消除。
平板铸件的变形
杆件的变形
床身铸件的变形
粱形铸件的弯曲变形
2、防止措施：
减小应力； 将铸件设计成对称结构，使其内应力互相平衡； 采用反变形法； 设置拉肋； 时效处理。
2、冷裂纹的特征
裂纹细小，呈连续直线状，裂缝内有金属光泽或轻 微氧化色。
3、防止措施
凡是能减少铸件内应力和降低合金脆性的因素 均能防止冷裂。 设置防裂肋亦可有效地防止铸件裂纹。
防裂肋
三、合金的吸气性
液态合金中吸入的气体，若在冷凝过程中不能溢 出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。
一）气孔的危害
气孔破坏了金属的连续性，减少了其承载的有效 截面积，并在气孔附近引起应力集中，从而降低 了铸件的力学性能。 弥散性气孔还可促使显微缩松的形成，降低铸件 的气密性。
材料成型原理-1.1 液态金属的结构
横坐标r为观测点至某一
任意选定的原子（参考中
心）的距离，对于三维空
间，它相当于以所选原子
为球心的一系列球体的半
径。
纵坐标 4πr 2ρ(r) = 4πr 2 ⋅ dr ⋅ ρ
表示当半径增减一个单位
长度时，球体（球壳）内
原子个数的变化值，其中
ρ（r）称为密度函数。 图1-1 700℃液态铝中原子密度分布线
第一章 液态金属的结构与性质
12
初步定性结论
熔化后原子间距稍有增大，排列松散； 液态金属与固态相比，金属原子的结合键 破坏很少部分； 排列的有序性下降，混乱度增加； 气、液、固相比较，液态金属结构更接近 固态。
第一章 液态金属的结构与性质
13
1.1.2 液体结构的衍射研究
由X射线衍射结果整理而 得的原子密度分布曲线。
得到一些有成效的结果。但由于在某种程度上以
长程有序的点阵构造为基础，而这种构造在液体
中并不存在。因此这类理论的致命弱点是对于熔
化引起的熵变，总是估计过低。
第一章 液态金属的结构与性质
23
C. 几何理论
将液体看成是原子或分子的随机密堆积物。即液 体是原子及分子的均质的、密集的、实质上是无 序的集合体。其中既无晶体区域，也无大到足以 容纳另一原子的空穴。
6
Structure and Properties of Liquid Metals
1.1 液态金属的结构 1.2 液态金属的性质
第一章 液态金属的结构与性质
2
1.1 液态金属的结构
凝固过程从液态开始。金属和合金液的 结构对凝固过程和组织有重要影响。合 金液的预处理，如过热处理、微合金化 处理等可以改变液体的状态与结构，从 而影响凝固组织。 科学上对物质的液体状态的认识，远远 落后于气态和固态。
金属材料液态成型原理(1-液态金属的结构和性质)
1.3.3 遗传性的影响因素
1.4 半固态金属的流变性
在液态成型过程中，熔体有较大的过热度时，在浇注前或 浇注时可近似为牛顿流体。但当合金处于凝固过程，开始 析出一定体积分数的固相后，合金即开始具有固相特征， 无流动性。但随着半固态铸造工艺的出现，通过压铸或挤 压装置对半固态浆料施加较大的作用力，使其具有良好的 充型能力，此时流动的半固态金属已不再遵循牛顿流体的 运动规律，而呈现相应的流变特性。
1.1.2 液态金属结构
例-[铸铁]
铸铁是含铁、碳、硅、锰、硫等元素的复杂多元合金；
1.2 液态金属的性质
黏度 表面张力
1.2.1 黏度
定义
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-毛细管法
1.2.1 黏度
1.2.1 黏度
测定方法-振荡容器法（扭摆法）
1.2.1 黏度
1.4.1 半固态铸造
1.4.1 半固态铸造
1.4.2 半固态金属的流变性
对于非牛顿流体，根据其切应力与速度梯度之间的关 系，有宾汉体（Bingham Body）、开尔文体（Kelvin Body）、麦克斯韦体（Maxwell Body）、施韦道夫体 （Schwedoff Body）等类型。
贾志宏 江苏大学材料学院
2011.6
[导入案例]
众所周知，世界上所有 的元素或化合物均以固 体、液体或气体的形式 存在，其存在方式取决 于温度和压力条件；
1.1 液态金属的结构
熔化过程
固相→液相的相变； 两种观点
（1）认为金属固→液转变是通过单个原子间的分离途径来实现 的，即有规则排列的固相晶体直接分裂成单独的原子；
测量方法 （1）座滴法
液态金属成型基础知识
用途:低压铸造广泛用于大批量生产铝合金和镁合金铸件，如发动 机的缸体和缸盖、内燃机活塞、带轮、粗纱绽翼等，也可用于球墨 铸铁、铝合金等较大铸件的生产。
离心铸造：
离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用 下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间 位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。
铸件结构工艺性：
铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷：
1.壁厚合理：设计铸件的时候应首先保证金属液的充型能力，在此 前提下减少铸件壁厚。
2.铸件壁厚力求均匀：防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大 等缺陷，并能减少铸造热应力及因此产生的变形和裂纹等缺陷。
3.铸件壁的连接：铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡。拐弯和交接处 应采用较大的圆弧连接，避免锐角结构而采用大角度过渡，以避免 因应力集中而产生开裂。
2.体积疑固
当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸 件凝固的某段时间内，其液固共存的疑固区域很宽，甚至贯穿整个 铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）
3.中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度
梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积跽固之间， 称为“中间凝固”。
工艺缺点:熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重 量受到铸型（沙壳体）承载能力的限制（一般不超过25公斤）。
用途:成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的 小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。
三、压力铸造
压力铸造是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在 压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种。
为改善铸型的充填条件，在设计铸件的时候必须保证其壁厚不 小于规定的“最小壁厚”。
离心铸造：
离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用 下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间 位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。
铸件结构工艺性：
铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷：
1.壁厚合理：设计铸件的时候应首先保证金属液的充型能力，在此 前提下减少铸件壁厚。
2.铸件壁厚力求均匀：防止形成热节而产生缩孔、缩松、晶粒粗大 等缺陷，并能减少铸造热应力及因此产生的变形和裂纹等缺陷。
3.铸件壁的连接：铸件不同壁厚的连接应逐渐过渡。拐弯和交接处 应采用较大的圆弧连接，避免锐角结构而采用大角度过渡，以避免 因应力集中而产生开裂。
2.体积疑固
当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸 件凝固的某段时间内，其液固共存的疑固区域很宽，甚至贯穿整个 铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）
3.中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度
梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积跽固之间， 称为“中间凝固”。
工艺缺点:熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重 量受到铸型（沙壳体）承载能力的限制（一般不超过25公斤）。
用途:成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的 小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。
三、压力铸造
压力铸造是压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在 压力下凝固，以获得铸件的方法。压铸机分为立式和卧式两种。
为改善铸型的充填条件，在设计铸件的时候必须保证其壁厚不 小于规定的“最小壁厚”。
材料成型基础第一章液态成形理论基础
29
防止和减小铸造应力的措施
①合理设计铸件结构 铸件的形状愈复杂，各部分 壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈 大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、 对称、壁厚均匀。 ②尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。 ③采用同时凝固的工艺 所谓同时凝固是指采取一 些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进 行凝固，如下图所示。因各部分温差小，不易产生 热应力和热裂，铸件变形小。
凝固组织： 晶粒形态、大小、分布（宏观） 晶粒内部结构的形态、大小、分布（微观）
影响因素：炉料、铸件冷却速度、生产工艺
3
2、铸件的凝固方式
铸件的凝固一般存在3个区：固相、凝固、液相； 凝固区的宽度S决定了凝固方式。 （1）逐层凝固
动画3
只发生在纯金属或共晶成分合金 （2）糊状凝固
动画4
发生在结晶温度范围很宽的合金 （3）中间凝固
4
动画5
3、影响铸件凝固方式的主要因素： （1）合金的结晶温度范围
5
（2）铸件的温度梯度
（陡平程度）
6
铸件的温度梯度主要取决于： 1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、 结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温 度梯度就愈小。 2）铸型的蓄热能力好，对铸件的激冷能力愈强， 使铸件的温度梯度愈大。 3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从 而降低铸件的温度梯度。 总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温 度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈 容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件 时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺 措施，减小其凝固区。
热应力 相变应力
24
热应力
铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，在同 一时间内铸件各部分收缩不同，先冷却的部位阻碍了后 冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力。
金属液态成型理论与技术基础
目录绪论第1章铸造方法简介1.1 砂型铸造1.2 特种铸造1.3 液态金属凝固控制技术1.3.1定向凝固技术1.3.2快速凝固技术1.3.3悬浮铸造技术1.3.4流变铸造技术第1章液态金属及合金的结构和性质1.1 固态金属的加热膨胀及熔化1.2 液态金属和合金的结构1.3 液态金属和合金的性质第2章液态金属及合金的凝固2.1 傅立叶（Fourier）导热微分方程2.2 铸件的温度场2.3 焊接温度场2.4 铸件的凝固方式2.5 凝固时间的计算第3章液态金属及合金的结晶3.1 概论3.2 生核过程3.3 晶体生长过程3.4 单晶合金的结晶3.5 共晶合金的结晶第4章金属结晶组织4.1 金属的结晶组织4.2 结晶组织的形成及性能4.3 金属凝固过程中细化晶粒的措施第5章液态金属成型过程中的缺陷5.1应力、变形和裂纹5.2化学成分的不均匀性5.3 缩孔与缩松5.4 气孔5.5 非金属夹渣物第6章液态金属的铸造性能及质量检验6.1液态合金的铸造性能6.2铸件质量与检验第8章焊接理论基础8.1 电弧焊的本质8.2 金属材料的焊接性8.3 焊接接头的组织与性能8.4 焊接质量检验第9章焊接方法及其发展9.1 焊接方法分类9.2 熔化焊9.3 钎焊9.4 先进焊接方法参考教材：1）材料成形原理，陈玉喜主编，中国铁道出版社2002；2）材料成形原理陈平昌等主编机械工业出版社, 2001；3）材料成形原理胡礼木等主编机械工业出版社，2005；4）材料成形原理与工艺应宗荣主编哈尔滨出版社，2005；5）材料成型工艺基础翟封祥尹志华主编哈尔滨工业大学出版社，2003；6) 材料成形工艺基础汤酞则主编中南大学出版社，2003；7）材料成形工艺基础刘新佳姜银方蔡郭生主编化学工业出版社，2006.。
第一篇 液态金属成型原理
表面光滑，树枝状组织较少，接近球状。 三、液态金属的流变学特征
1.切应力与固相体积分数的关系 固体体积分数大于临界值，切应力随固相体积分数的增大而迅速增大。
2.切应力与剪切变形量的关系 随变形量的增大，切应力增大，达到最大值后逐渐减小。最大值随固相 分数的增大而升高。 3.连续搅拌对半固态金属凝固的影响
3.影响合金流动性的因素 （1）合金的成分 合金中： 磷量增加，液相线和固相线温度降低，粘度下降，流动性提高，但过 高使铸铁变脆。一般不用其提高流动性。 硅增加，液相线下降，流动性提高。 锰小于0.25%影响不大，但与S反应，使流动性降低。 铜和镍稍微提高流动性；铬降低流动性，但<1%无影响。 铸钢中： 硅<0.6%，流动性随含量的增加而提高。 锰<2%无明显影响；2%~14含量增加而提高 磷>0.05%，流动性提高，但会使钢变脆。 硫与锰形成化合物使粘度增大，降低流动性。 铬>1.5%降低钢液流动性， 铜提高流动性。
PV=RT（范德瓦尔公式） 对液态结构的研究由于原子间的相互作用，必须予以考 虑，但原子相互位置不确定产生了困难。
一、凝聚理论 把液体看作是浓缩的气体，从气体运动论观点出发，通
过修正气体状态方程式，来修正浓缩气体中原子或分子之间 作用力的影响。博尔恩及格林提出了一组适于描述液体运动 论的分子分布函数。但很复杂，实际很难应用。 二、点阵理论
SG LS LG • cos
cos SG LS LG
σSG>σLS时，cosθ 为正值，即θ<90º 为锐角，称为润 湿固体； θ=0º 时，液体在固体表面铺展成薄膜，完全润湿。
σSG<σLS时，cosθ 为负值，即θ>90º 为钝角，称为不能 润湿固体； θ=180º 时，液体完全不润湿固体。
1.切应力与固相体积分数的关系 固体体积分数大于临界值，切应力随固相体积分数的增大而迅速增大。
2.切应力与剪切变形量的关系 随变形量的增大，切应力增大，达到最大值后逐渐减小。最大值随固相 分数的增大而升高。 3.连续搅拌对半固态金属凝固的影响
3.影响合金流动性的因素 （1）合金的成分 合金中： 磷量增加，液相线和固相线温度降低，粘度下降，流动性提高，但过 高使铸铁变脆。一般不用其提高流动性。 硅增加，液相线下降，流动性提高。 锰小于0.25%影响不大，但与S反应，使流动性降低。 铜和镍稍微提高流动性；铬降低流动性，但<1%无影响。 铸钢中： 硅<0.6%，流动性随含量的增加而提高。 锰<2%无明显影响；2%~14含量增加而提高 磷>0.05%，流动性提高，但会使钢变脆。 硫与锰形成化合物使粘度增大，降低流动性。 铬>1.5%降低钢液流动性， 铜提高流动性。
PV=RT（范德瓦尔公式） 对液态结构的研究由于原子间的相互作用，必须予以考 虑，但原子相互位置不确定产生了困难。
一、凝聚理论 把液体看作是浓缩的气体，从气体运动论观点出发，通
过修正气体状态方程式，来修正浓缩气体中原子或分子之间 作用力的影响。博尔恩及格林提出了一组适于描述液体运动 论的分子分布函数。但很复杂，实际很难应用。 二、点阵理论
SG LS LG • cos
cos SG LS LG
σSG>σLS时，cosθ 为正值，即θ<90º 为锐角，称为润 湿固体； θ=0º 时，液体在固体表面铺展成薄膜，完全润湿。
σSG<σLS时，cosθ 为负值，即θ>90º 为钝角，称为不能 润湿固体； θ=180º 时，液体完全不润湿固体。
金属的液态成型
与浇注条件、铸型材料和铸型条件等有关。 测定:螺旋试样法
·流动性对铸件质量的影响
1)流动性好，容易获得尺寸准确，轮廓清晰的铸件。
2)流动性好的合金 ，有利于液态金属中的非金属夹杂 物和气体的上浮和排除，从而使铸件的内在质量得到 保证 。 3)流动性好的合金，可使铸件的凝固收缩部分及时得 到液态合金的补充，从而可防止铸件中产生缩孔、缩 松等缺陷。
断后伸长率≥6％ 。
性能：抗拉强度比灰铸铁高，为碳钢的40~70%，
接近于铸钢；有一定塑性和韧性。但仍不可锻造。
断口 心部 呈黑 色
铁素体基体黑心可锻铸铁
珠光体基体可锻铸铁
3. 球墨铸铁
是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。
牌号：QT × × ×- × ×
（如QT600-03）
组织 ：钢基体+ 球状G
成分
合金铸铁（特殊性能铸铁）
按石墨的形 态(灰口铸 铁分类)
灰 铸 铁：石墨呈粗片状 可锻铸铁：石墨呈团絮状 球墨铸铁：石墨呈球状 蠕墨铸铁：石墨蠕虫状
白口 灰口
● 常用铸铁的特点及应用
常用铸铁的种类：
灰口铸铁 合金铸铁
灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁
1. 灰铸铁
指石墨呈片状分布的灰口铸铁。 成分： 2.5～4.0%C； 1.0～3.0% Si；少量Mn 、S、P 等。 组织： F +片状G ；F + P+片状G； P +片状G ； 性能：抗压不抗拉，塑性差，铸造性能和切削加工性能好；
二. 合金的收缩
(一)收缩的概念
金属由液态向固态的冷却过程中，其体积和尺寸减小 的现象称为收缩。
三个收缩阶段: 液态收缩,凝固收缩,固态收缩
应用:在常用的合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁的 最小。
·流动性对铸件质量的影响
1)流动性好，容易获得尺寸准确，轮廓清晰的铸件。
2)流动性好的合金 ，有利于液态金属中的非金属夹杂 物和气体的上浮和排除，从而使铸件的内在质量得到 保证 。 3)流动性好的合金，可使铸件的凝固收缩部分及时得 到液态合金的补充，从而可防止铸件中产生缩孔、缩 松等缺陷。
断后伸长率≥6％ 。
性能：抗拉强度比灰铸铁高，为碳钢的40~70%，
接近于铸钢；有一定塑性和韧性。但仍不可锻造。
断口 心部 呈黑 色
铁素体基体黑心可锻铸铁
珠光体基体可锻铸铁
3. 球墨铸铁
是石墨呈球状分布的灰口铸铁，简称球铁。
牌号：QT × × ×- × ×
（如QT600-03）
组织 ：钢基体+ 球状G
成分
合金铸铁（特殊性能铸铁）
按石墨的形 态(灰口铸 铁分类)
灰 铸 铁：石墨呈粗片状 可锻铸铁：石墨呈团絮状 球墨铸铁：石墨呈球状 蠕墨铸铁：石墨蠕虫状
白口 灰口
● 常用铸铁的特点及应用
常用铸铁的种类：
灰口铸铁 合金铸铁
灰铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁
1. 灰铸铁
指石墨呈片状分布的灰口铸铁。 成分： 2.5～4.0%C； 1.0～3.0% Si；少量Mn 、S、P 等。 组织： F +片状G ；F + P+片状G； P +片状G ； 性能：抗压不抗拉，塑性差，铸造性能和切削加工性能好；
二. 合金的收缩
(一)收缩的概念
金属由液态向固态的冷却过程中，其体积和尺寸减小 的现象称为收缩。
三个收缩阶段: 液态收缩,凝固收缩,固态收缩
应用:在常用的合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁的 最小。
液态成型原理
平面生长
树枝状晶体生长示意图
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3.1 液-固界面前沿液相中的温度梯度 •正温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越高。 •负温度梯度：液相中，距液-固界面越远，温度越低。 固
液
第一章：凝固理论基础
1.4 晶体的长大
1.4.3.2 平面状长大形态
1.3 晶体的长大
1.4 单向合金的凝固
1.5 多项合金的凝固
第一章：凝固理论基础
1.1 液态金属的结晶
物质从液态到固态的转变过程。若凝固后的物质 为晶体，则称之为结晶。金属及其合金都是晶体， 所以它们的凝固过程就是结晶。 凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。 凝固是相变过程，可为其它相变的研究提供基础。 金属冶炼、铸造、焊接工艺过程就是结晶过程。
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。
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
01-1金属液态成形
2.影响因素
① 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造 合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
② 浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 ③ 铸件结构 与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不
同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍， 又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总 是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越 小。
因消除后，应力随之消失。 • 残余应力——应力长期存在一直保留到室温的应力。
应用科学学院
第21页，共44页。
第一节 金属液态成形工艺基础
（三）铸造内应力
• 铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是 铸件产生变形和裂纹的基本原因。
铸造（内）应力：
铸造应力
应用科学学院
铸件收缩受到机械阻碍
➢流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。 ➢流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进
行补缩。 ➢不同的合金具有不同的流动性。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必
须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？
应用科学学院
第2页，共44页。
第一节 金属液态成形工艺基础
应用科学学院
第6页，共44页。
温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
0 80 60 40 20 0
Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
应用科学学院
第7页，共44页。
Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系 亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金
① 化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造 合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
② 浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 ③ 铸件结构 与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不
同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍， 又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总 是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越 小。
因消除后，应力随之消失。 • 残余应力——应力长期存在一直保留到室温的应力。
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第21页，共44页。
第一节 金属液态成形工艺基础
（三）铸造内应力
• 铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是 铸件产生变形和裂纹的基本原因。
铸造（内）应力：
铸造应力
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铸件收缩受到机械阻碍
➢流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。 ➢流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进
行补缩。 ➢不同的合金具有不同的流动性。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必
须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？
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第一节 金属液态成形工艺基础
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温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
0 80 60 40 20 0
Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
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Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系 亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金
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合金元素
凡能形成低熔点化合物、降低合金液体粘度和 表面张力的元素，均能提高合金流动性，如 P 元素； 凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会降低合金 流动性。如S、Mn等。
13
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
合金的结晶特点
金属在结晶状态下流动
（a)纯金属 (b）结晶温度范围宽的合金
14
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
3
概念和特点
铸造工艺的缺点
(1)铸件力学性能特别是塑性与冲击性能低于塑 性成形件； (2)铸造工序多，难以精确控制，铸件质量不稳 定； (3)砂型铸造劳动条件差； (4)铸件大多为毛坯件。
4
概念和特点
铸造方法的分类
金属型铸造
砂型铸造 特种铸造
低压铸造
压力铸造 熔模铸造
离心铸造 陶瓷型铸造 实型铸造
4.铸件结构方面 模数（折算厚度） 模数大的铸件，由于与铸型的接触表面积相对较 小，热量散失比较缓慢，则充型能力较高；
铸件的壁越薄，模数越小，则越不容易被充满。
铸件的复杂程度：
铸件结构复杂，则型腔结构复杂，流动阻力大， 铸型的充填就困难。
合金的流动性； 合金的收缩性； 合金的吸气性。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
液态金属浇注入铸型后，液体利用自身的流 动性而充填铸型。充型能力：液体金属充满 型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的 能力。 充型能力的影响因素： 合金液体的流动性； 铸型性质； 浇注条件； 铸件结构。
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
2.铸型性质 铸型的蓄热系数 铸型的温度
蓄热系数是指当某一足够厚度 单一材料层一侧受到谐波热作 用时，表面温度将按统一周期 波动，通过表面的热流波幅与 表面温度波幅的比值。其值越 大，材料的热稳定性越好。即 蓄热系数小时，受热来的快， 凉时去也快。
铸型中的气体
19
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力 （3）合金的物理性质对流动性的影响
合金的热导率λ，比热容C和密度ρ对流动性的影响
C、ρ较大，λ较小的合金，因其本身含有较多的热量，而 热量的散失又较慢，因此，流动性就好；反之，流动性就差。
合金的表面张力对流动性的影响
在相同条件下，一般合金表面张力大的，流动性差；相反， 则流动性就好。 液态合金的粘度与其化学成分、温度及夹杂物的含量和状态 等有关。一般粘度愈大，流动性就愈差，而粘度愈小流动性 就愈好。
10
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
影响充型能力的因素
1、合金的流动性
合金的种类及结晶特点
合金结晶潜热和晶粒形状
合金的物理性质
11
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
（1）合金种类 合金种类不同，流动性不同。 灰铸铁最好，铸钢最差。
12
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
20
液态合金的粘度对流动性的影响
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
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。
21
1.1 液态金属成形理论基础
1
概念和特点
概念
铸造：将液态金属浇入与零件形状、尺寸相适 应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得毛坯 或零件的工艺方法。
灰口铸铁齿轮箱
内燃机气缸
2
概念和特点
铸造工艺的优点
(1)适合复杂形状，特别是复杂内腔铸件成形；
(2)对材料适应性广，特别是低塑性材料； (3)尺寸、重量几乎不受限，工艺灵活； (4)原料广，近形近尺寸成形，省料省工，成本低。
5
概念和特点
液态成形（砂型铸造）工艺流程
型砂配制 工装准备 芯砂配制 造型 炉料准备 造芯 砂型干燥 合金熔炼 型芯干燥 合箱浇注 凝固冷却
落砂清理
铸件检验
成品入库
6
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
铸造性能
是否容易铸造出形状完整和性能优异的铸件，通 常用铸造性能指标来表示。 影响铸造性能的因素：
18
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
结晶晶粒的形状对流动性的影响
在固定温度下结晶的三种Al－Cu合金：
中间化合物 AlCu（WCu—54％）
Al＋AlCu共晶（WCu—33％）
纯Al（WAl＝100％）
由于前两种合金形成球状及规则形状的晶粒，其流
动性就比形成树枝状晶粒的纯铝好。
铁碳合金的流动性
铸铁的流动性比铸钢好。 铸铁愈接近共晶成分，结晶温度区间愈小，流 动性愈好。
17
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
（2）合金结晶潜热和晶粒形状的影响
在合金的结晶过程中放出潜热愈多，则液态合金 保持时间就愈久，流动性就好。但是，结晶潜热 对流动性的良好作用是否能充分发挥，则取决于 合金的结晶特点。 对于纯金属和共晶成分的合金其结晶潜热提高流 动性的作用能够比较充分地发挥；而对于结晶温 度范围较宽的合金则影响不显著。
8
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
流动性的概念与意义 指熔融合金自身的流动能力。 流动性好，充型能力强，易于获得尺寸准确、外 形完整和轮廓清晰的铸件。 流动性不好，充型能力差，铸件易产生浇不到、 冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
9
1.Байду номын сангаас.1 液态金属的流动性和充型能力
用“螺旋形试样”长度来衡量. 在相同浇注条件下，浇出的试样越长，合金流 浇口杯 出气口 动性越好.
22
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
3.浇注条件 ①浇注温度
浇注温度越高，保持液态的时间越长，充型能力越高。 液体金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越 高。压力铸造、离心铸造。 浇注系统越复杂，流动阻力越大，充型能力差。
②充型压力
③浇注系统
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
共晶合金的流动性
恒温下从表向内逐层凝固，凝固层内表面较光 滑，对未凝液体的流动阻力小，流动性好。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力 固溶体合金的流动性
在一定温度范围内结晶，铸件截面上存在一定宽度 的液固共存糊状区，固液界面粗糙，液体流动阻力 大，流动性差。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
凡能形成低熔点化合物、降低合金液体粘度和 表面张力的元素，均能提高合金流动性，如 P 元素； 凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会降低合金 流动性。如S、Mn等。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
合金的结晶特点
金属在结晶状态下流动
（a)纯金属 (b）结晶温度范围宽的合金
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
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概念和特点
铸造工艺的缺点
(1)铸件力学性能特别是塑性与冲击性能低于塑 性成形件； (2)铸造工序多，难以精确控制，铸件质量不稳 定； (3)砂型铸造劳动条件差； (4)铸件大多为毛坯件。
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概念和特点
铸造方法的分类
金属型铸造
砂型铸造 特种铸造
低压铸造
压力铸造 熔模铸造
离心铸造 陶瓷型铸造 实型铸造
4.铸件结构方面 模数（折算厚度） 模数大的铸件，由于与铸型的接触表面积相对较 小，热量散失比较缓慢，则充型能力较高；
铸件的壁越薄，模数越小，则越不容易被充满。
铸件的复杂程度：
铸件结构复杂，则型腔结构复杂，流动阻力大， 铸型的充填就困难。
合金的流动性； 合金的收缩性； 合金的吸气性。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
液态金属浇注入铸型后，液体利用自身的流 动性而充填铸型。充型能力：液体金属充满 型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的 能力。 充型能力的影响因素： 合金液体的流动性； 铸型性质； 浇注条件； 铸件结构。
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
2.铸型性质 铸型的蓄热系数 铸型的温度
蓄热系数是指当某一足够厚度 单一材料层一侧受到谐波热作 用时，表面温度将按统一周期 波动，通过表面的热流波幅与 表面温度波幅的比值。其值越 大，材料的热稳定性越好。即 蓄热系数小时，受热来的快， 凉时去也快。
铸型中的气体
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力 （3）合金的物理性质对流动性的影响
合金的热导率λ，比热容C和密度ρ对流动性的影响
C、ρ较大，λ较小的合金，因其本身含有较多的热量，而 热量的散失又较慢，因此，流动性就好；反之，流动性就差。
合金的表面张力对流动性的影响
在相同条件下，一般合金表面张力大的，流动性差；相反， 则流动性就好。 液态合金的粘度与其化学成分、温度及夹杂物的含量和状态 等有关。一般粘度愈大，流动性就愈差，而粘度愈小流动性 就愈好。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
影响充型能力的因素
1、合金的流动性
合金的种类及结晶特点
合金结晶潜热和晶粒形状
合金的物理性质
11
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
（1）合金种类 合金种类不同，流动性不同。 灰铸铁最好，铸钢最差。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
20
液态合金的粘度对流动性的影响
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
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。
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1.1 液态金属成形理论基础
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概念和特点
概念
铸造：将液态金属浇入与零件形状、尺寸相适 应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得毛坯 或零件的工艺方法。
灰口铸铁齿轮箱
内燃机气缸
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概念和特点
铸造工艺的优点
(1)适合复杂形状，特别是复杂内腔铸件成形；
(2)对材料适应性广，特别是低塑性材料； (3)尺寸、重量几乎不受限，工艺灵活； (4)原料广，近形近尺寸成形，省料省工，成本低。
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概念和特点
液态成形（砂型铸造）工艺流程
型砂配制 工装准备 芯砂配制 造型 炉料准备 造芯 砂型干燥 合金熔炼 型芯干燥 合箱浇注 凝固冷却
落砂清理
铸件检验
成品入库
6
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
铸造性能
是否容易铸造出形状完整和性能优异的铸件，通 常用铸造性能指标来表示。 影响铸造性能的因素：
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
结晶晶粒的形状对流动性的影响
在固定温度下结晶的三种Al－Cu合金：
中间化合物 AlCu（WCu—54％）
Al＋AlCu共晶（WCu—33％）
纯Al（WAl＝100％）
由于前两种合金形成球状及规则形状的晶粒，其流
动性就比形成树枝状晶粒的纯铝好。
铁碳合金的流动性
铸铁的流动性比铸钢好。 铸铁愈接近共晶成分，结晶温度区间愈小，流 动性愈好。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
（2）合金结晶潜热和晶粒形状的影响
在合金的结晶过程中放出潜热愈多，则液态合金 保持时间就愈久，流动性就好。但是，结晶潜热 对流动性的良好作用是否能充分发挥，则取决于 合金的结晶特点。 对于纯金属和共晶成分的合金其结晶潜热提高流 动性的作用能够比较充分地发挥；而对于结晶温 度范围较宽的合金则影响不显著。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
流动性的概念与意义 指熔融合金自身的流动能力。 流动性好，充型能力强，易于获得尺寸准确、外 形完整和轮廓清晰的铸件。 流动性不好，充型能力差，铸件易产生浇不到、 冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
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1.Байду номын сангаас.1 液态金属的流动性和充型能力
用“螺旋形试样”长度来衡量. 在相同浇注条件下，浇出的试样越长，合金流 浇口杯 出气口 动性越好.
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
3.浇注条件 ①浇注温度
浇注温度越高，保持液态的时间越长，充型能力越高。 液体金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越 高。压力铸造、离心铸造。 浇注系统越复杂，流动阻力越大，充型能力差。
②充型压力
③浇注系统
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力
共晶合金的流动性
恒温下从表向内逐层凝固，凝固层内表面较光 滑，对未凝液体的流动阻力小，流动性好。
15
1.1.1 液态金属的流动性和充型能力 固溶体合金的流动性
在一定温度范围内结晶，铸件截面上存在一定宽度 的液固共存糊状区，固液界面粗糙，液体流动阻力 大，流动性差。
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1.1.1 液态金属的流动性和充型能力