材料成型基础大纲

材料成型基础考试知识点（模具塑工）

1、液态金属的结构

液态金属是由许多“原子集团”组成，其中原子呈与原固体“显微晶体”类似的规则排列。热运动剧烈，原子集团时散时聚，空位较多。

可将液态金属的结构总结为：“近程有序，远程无序”+“能量起伏、结构起伏、成分起伏”。

液态金属结构特点

1）液态金属是由游动的原子集团构成。

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，成为能量起伏。

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，成为结构起伏。

4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。

2、液态金属的充形能力和流动性

1）充形能力：液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。

2）流动性：液态金属本身的流动能力。

影响充形能力的因素：液态金属的流动性（金属）、铸型、浇筑条件、铸件结构。

3、铸件的凝固方式

金属或合金在铸型中凝固时，可以分为三个典型的区域：

1）液相区

2）固液两相区

3）固相区

三种凝固方式：逐层凝固、体积凝固、中间凝固

1）逐层凝固：铸件凝固过程中，液体和固体之前有明显的界限分开，液体

向固体转变。固体逐层加厚，这种方式称为逐层凝固。（纯金

属是典型的逐层凝固）

2）体积凝固：宽结晶温度范围的合金在凝固过程中，液体和固体之前的凝

固区域很宽，甚至贯穿铸件的整个断面，这种方式称为体积

凝固。

3）中间凝固：介于上两者之前的凝固方式。

影响凝固方式的因素：

1）结晶温度范围的影响：结晶温度范围增加，凝固由逐层凝固向体积凝固发展；

结晶范围范围剑侠，凝固由体积凝固向逐层凝固发展。 2）温度梯度的影响：温度梯度增加，凝固向逐层凝固发展；

温度梯度减小，凝固向体积凝固发展。

4、铸造合金的收缩

铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩，他主要包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段。

1）液态收缩：金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。

2）凝固收缩：熔融金属在凝固阶段的体积收缩。

液态收缩和凝固收缩是产生缩孔和缩松的基本原因。

3）固态收缩：金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。

固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。

5、缩孔及缩松

1）缩孔：由于合金的收缩，在最后凝固部位出现的体积大而集中的孔洞称为缩孔。

2）缩松：由于合金的收缩，在最后凝固部位出现的细小而分散的孔洞称为缩松。

缩孔、缩松的防止措施

1）冒口、补贴和冷铁的应用

2）加压补缩

6、铸件的热裂和冷裂

1）热裂

在凝固结束阶段（高温段），在铸件中产生的裂纹称为热裂。

①热裂是铸件生产中最常见的铸造缺陷之一。

②裂纹沿晶粒边界发生和扩展，外形曲折而不规律，表面有氧化的颜色。

③热裂分为外裂和内裂

热裂的形状特征：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。

2）冷裂

冷裂是铸件处于弹性状态，即在低温时，当应力大于抗拉强度时，形成冷裂。

①冷裂表面光滑，具有金属光泽或轻微氧化色。

②冷裂常出现在铸件受拉伸的部位，尤其是应力集中的地方。

③冷裂纹常常穿过晶界，外形规则。

冷裂的形状特征：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。

7、偏析

在铸造条件下，想要获得成分完全均匀的铸件（锭）几乎是不可能的，这种化学成分的不均匀现象称为偏析。

偏析分为微观偏析和宏观偏析。

1）微观偏析

①胞状偏析

②晶界偏析

③枝晶偏析

2）宏观偏析

宏观偏析不是在晶粒尺度上的偏析，而是在整个铸件的宏观尺度上发生的成分不均匀现象。

8、气孔及气孔的形成

1）气孔的分类：析出性气孔与反应性气孔

2）气体在金属液中以三种方式存在：固溶、形成化合物和气泡（气孔）。

9、铸件凝固的三种典型组织

1）表面细晶区：当液体金属浇入铸型型腔时，铸件表面温度较低，铸件凝

固的温度梯度较大，有利于液态金属原子集团的形核与长

大，形成表面细晶区。

2）柱状晶区：表面细晶区形成以后，型腔表面温度升高，只有垂直于型壁方向的温度梯度较大，便于液态金属原子的形核与长大，垂

直于型壁方向生成柱状晶区。

3）内部等轴晶区：表面细晶区和柱状晶区形成以后，铸件内部温度梯度变

小，液态金属原子沿各方向自由生长，形成晶粒粗大的

等轴晶区。

10、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。

11、型砂：按一定比例配合的造型材料，经过混制成符合造型，造芯要求的混合

料。

组成型砂的基本物质：原砂、粘结剂、水和附加物混制而成。

12、铸造工艺对铸件结构的要求

1）铸件外形应便于取出模型

①避免外侧侧凹

②应尽量使分型面平直

③改进妨碍起模的凸台，凸缘和肋条的结构。

2）应使铸件尽可能不用或少用型芯，并有利于型芯的固定和排气

3）铸件要有结构斜度

13、合金的铸造性对铸件结构的要求

1）铸件应有合理的壁厚

2）铸件壁厚应力求均匀

3）铸件的转角应采用圆角联接

4）尽量增设防裂筋

5）铸件结构应注意缓解收缩压力

14、浇注位置

对于铸件结构中有两个或三个甚至更多个壁相连的情况，可采用交错街头或环形接头的形式。

1）分型面：为了将已成型的铸件从模具型腔内取出来，把铸型组元间的接合面成为分型面。

2）分型负数：为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时，为抵消铸件在分型

面部位的增厚（垂直于分型面的方向），在模样上相应减去的

尺寸，成为分型负数。

3）起模斜度：为使模样容易从铸型中取出或型芯自型芯盒中脱出，平行于

起模方向在模样或型芯盒上的斜度称为起模斜度。

15、浇注系统

1）浇口杯：承受金属液，防飞溅外溢，分离熔渣，避免对型腔的直接冲击。

2）直浇道：提供充形压力，控制充形能力和流速。

3）横浇道：水平通道，梯形截面，起挡渣，分配流量的作用。

4）内浇道：在横浇道的下部，直接和型腔相连的部分，截面扁梯形，分配金属、控制充形速度。

浇筑系统的四种类型

根据浇注系统各单元截面的比例关系，浇筑系统可分为：封闭式、半封闭式、开放式、封闭开放式等四种类型。

根据金属液相对于铸件引入位置的不同，浇筑系统可分为：顶注式、底注式、中注式、阶梯式和垂直缝隙式。

16、冒口及其作用

冒口：在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空腔，称为冒口，也指该空腔中充填的金属。

冒口的作用：

1）补给铸件凝固收缩所需的金属，避免产生缩孔。

2）有时也起排气和集渣作用。

17、冷铁及其作用

冷铁可分为内冷铁和外冷铁两种。

1）内冷铁：采用与铸件材质相同或相近的材料直接插入需要激冷处的型腔内，随后与浇筑金属熔接在一起，成为铸件壁的一部分。（内冷

铁大多用于厚大而又不十分重要的铸件，例如垫座、落锤等。

对于承受高温、高压的铸件不宜采用。）

2）外冷铁：只与铸件上被激冷部位表面相接触而不熔接，故用后可回收重复使用。

冷铁的作用：加速铸件壁厚部位的冷却，使其与邻近部位同时凝固，避免在热节处出现缩孔、缩松，当它与冒口配合使用时，可实现铸件的顺序凝

固和扩大冒口的有效补缩距离，从而消除铸件的缩孔、缩松缺陷。

18、粘结剂的分类（型（芯）砂的分类）

1）粘土砂 2）水玻璃砂

3）油砂和合脂砂 4）树脂砂

19、特种铸造

特种铸造的优点

1）铸件尺寸精确，表面光洁度好，更接近零件最后尺寸，从而易于实现少切削或无切削加工。

2）铸件内部质量好，力学性能高，铸件壁厚可以减薄。

3）降低金属消耗和铸件废品率。

4）简化生产工序，便于生产。

5）改善劳动条件，提高劳动生产率。

差压铸造

定义：液体金属在压力差的作用下，填充到预先有一定压力的铸型中，进行凝固而获得铸件的一种工艺方法。

优点：1）可获得更佳的充型速度。

2）铸件尺寸精确和表面粗糙度低。

3）铸件组织致密，力学性能高。

4）可以实现可控气氛浇筑。

缺点：设备较庞大，操作麻烦。

适用范围：差压铸造可用于砂型，金属型，石膏型，石墨型及壳型铸造的单件，小批量及批量生产中，并适用于铝合金，锌合金，铜合金，

铸铁及铸铜，特别是铝镁合金。

金属型铸造

定义：将定量的液态金属浇入金属型中，在重力作用下凝固而获得铸件的方法。

优点：1）生产效率高，劳动条件好。

2）金属型导热性和蓄热性高，铸件冷却速度快，组织致密。

3）工序简单，铸件质量和尺寸易于控制，其稳定性高。

4）具有较高的尺寸精度，减少了加工余量，材料消耗减少。

5）工序简化，易于实现生产的机械化和自动化。

缺点：1）模具结构复杂，成本高。

2）金属型激冷作用大，无退让性，无透气性，易出现冷隔、浇不足等缺陷。

3）不易生产过大和过薄的铸件。

4）铸造铸钢等高熔点合金是，金属型的寿命低。

适用范围：主要用于铝、铜、镁等有色合金铸件的大批量生产，也少量用于一些铸铁件的生产。

熔模铸造

定义：又称“失蜡铸造”，它是用可熔性材料(不限于石墨）制成尺寸精确，没有分模面的实体模样，在模样上涂挂数层耐火材料，经硬化，干燥

制成型壳，然后加热使模样熔失制得空心型壳，再经高温焙烧，然后

进行浇筑而得到铸件的一种成型方法。

基本特点：制壳时采用的可熔化的一次性模。

优点：1）铸件尺寸精确，表面光滑。

2）可铸造形状复杂的铸件。

3）不受合金材料的限制。

4）可以提高金属材料的利用率。

5）生产灵活性高，适应性强。

缺点：1）铸件尺寸不能太大。

2）工艺过程复杂，工序繁多，生产周期长。

3）铸件冷却速度慢，降低机械性能。

适用范围：主要适用于生产汽轮机，涡轮发动机等的各种叶片以及其他小型零件。目前其应用范围已扩大到航空、汽车、船舶、仪器、仪表

等制造工业中。

消失模铸造

定义及原理：消失模铸造的原理是用泡沫塑料模样（包括浇冒口）代替普通模样紧实造型，造好型后不取出模样就浇入金属液，在灼热液

态金属的热作用下，泡沫塑料气化、燃烧而消失，金属液取代

了原来泡沫塑料模所占的空间位置，冷却凝固后即可获得所需

要的铸件。

消失模铸造的三个典型区域

1）泡沫塑料模样的成形加工及组装部分，通常称为白区。

2）造型、浇注、清理及型砂处理部分，又称为黑区。

3）涂料的制备及模样上涂料、烘干部分，也称为黄区。

（消失模铸造的关键技术：包括制造泡沫模样的材料及模具技术、涂料技术、

多维振动紧实技术等。）

优点：1）生产效率高

2）铸件尺寸精度高

3）铸件质量好

4）工艺技术容易掌握，生产管理方便

5）投资少，生产线灵活，机械化程度高

6）减轻了劳动强度，改善了作业环境

消失模铸造缺陷（增碳）

缺点就是在热解过程中形成大量的游离碳，这些游离碳往往给铸件造成缺陷，其主要表现为铸铁件积碳，铸钢件增碳。

解决方法：1）提高涂料的润湿性和透气性，减少型腔内的气压。（气孔） 2）采用耐火度高的中性或弱碱性耐火骨料，并且尽可能少的添

加低熔点材料。（夹渣）

3）提高涂料的室温性能，严格控制烘干温度，提高涂料的抗高

温爆裂性。（夹涂料）

半固态铸造

定义：半固态金属成形技术，就是在金属凝固过程中，进行剧烈搅拌，或控

制固-液态温度区间，得到一种液态金属母液均匀地悬浮着一定固相

组分的固液混合浆料，（这种半固态金属浆料具有很好的流动性，易

于通过普通加工方法制成产品），采用这种既非完全液态，又非完全

固态的金属浆料加工成形的方法，称为半固态金属成形技术。

优点：1）应用范围广泛。

2）半固态金属充形平稳，成形温度低，凝固收缩小，因而铸件尺寸精度高。

3）半固态合金已释放了部分结晶潜热，因而减轻了对成形装置，尤其是模具的热冲击，使其寿命大幅度提高。

4）半固态金属成形件表面平整光滑，铸件内部组织致密，内部气孔、偏析等缺陷少，晶粒细小，力学性能高，可接近或达到变形材料的

力学性能。

5）应用半固态成形工艺可改善制备复合材料中非金属材料的漂浮，偏析以及与金属基体不润湿的技术难题，这为复合材料的制备和

成形提供了有利条件。

6）与固态金属模锻相比，半固态金属的流动应力显著降低，因此其模锻成形速度更高，而且可以成形十分复杂的零件。

7）节约能源。

半固态金属浆料和坯料制备

1）机械搅拌方法 2）电磁搅拌方法

3）应变激活方法 4）紊流效应方法

5）超声振动方法 6）单辊旋转方法

7）粉末冶金方法

半固态金属成形方法：

1）半固态金属的流变成形：

利用剧烈搅拌等方法制备出预定固相分数的半固态金属浆料，并将其直接送往成形设备进行铸造或锻造成形，这种成形过程称为半固态金

属的流变成形。

2）半固态金属的触变成形：

利用剧烈搅拌等方法制备出球状晶的半固态金属浆料，并凝固成锭坯或坯料分切成一定大小。将这种切分的固态坯料重新加热至固液两相

区，然后利用机械搬运将该半固态坯料送往成形设备进行铸造或锻造成

形，这种成形过程称为半固态金属的触变成形。

20、金属塑性成型

塑性成型的基本生产方式

1）轧制 2）挤压

3）拉拔 4）自由锻造

5）模锻 6）板料冲压

金属的可锻性：金属材料在压力加工时成形的难易程度。

自由锻造

定义：金属毛坯在上、下砧铁之间受力、变形的塑性加工方法。

自由锻零件的结构工艺性：

1）避免存在斜体或锥体

2）避免存在曲面

3）避免存在加强筋，凸台等结构

4）采用锻压和焊接组合的工艺

模锻

定义：利用模锻使金属毛坯受力，获得一定形状零件的塑性成型方法。

模锻零件的结构工艺性：

1）零件结构应该简单、平直、对称

2）零件应便于从模具中取出

3）避免存在加强筋，薄壁，凸台等复杂结构

4）尽量使用浅孔或少用孔结构

5）采用锻压和焊接的组合工艺

板料冲压

定义：利用冲模对金属板料施加压力，使其产生分离或变形获得所需零件的工艺方法。

冲裁模设计及冲裁工艺特点：

1）凹凸模要具有锋利的刃口

2）凹凸模间隙要合理

3）凹凸模刃口尺寸要正确

21、焊接

焊接

定义：以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料（如塑料）的制造工艺及技术。

焊接的三种形式：熔焊、压力焊、钎焊

1）熔焊：两种物质通过加热到一定温度熔化，实现原子间界面结合的

一种连接成型方法。

2）压力焊：两种物质主要通过施加一定压力（可以加热或不加热）而

实现原子间界面结合的连接方法。

3）钎焊：通过引入低熔点钎料使两种母材金属焊接成型的方法。

焊接接头

焊接接头由焊缝区、熔合区和热影响区三部分组成，其性能取决于三部分中最薄弱的部分。

1）焊缝：焊缝是由母材金属和填充金属共同熔化而形成，主要组织形态是柱状晶，性能高于母材。

2）熔合区：由液态凝固获得的粗大等轴晶和固态热影响作用形成的粗大等轴晶组成，性能最差。

3）热影响区：受焊接热作用的影响，主要由粗大的等轴晶粒组成，性能视

情况而定。

焊接接头的形式

1）对接接头 2）盖板接头

2）搭接接头 4）T形接头

5）十字接头 6）卷边接头

金属的焊接性

是指在特定的焊接条件下，获得符合使用形状和力学性能要求的焊接接头的可靠性。

金属焊接性的评定

1）直接评定法：通过拉伸试验，耐腐蚀试验等测定焊接接头的可靠性

2）间接评定法：碳当量=Wc+Wmn/6+（Wcr+Wmo+Wk）/5+（Wcu+Wni）/15

焊缝布置的基本结构

1）焊缝布置应便于焊接操作

2）焊缝应该尽量少

3）焊缝应避免密集和交叉放置

4）焊缝应尽量避免大应力集中的部位

5）焊缝应尽量避免大的切削加工面

6）尽量使焊缝对称布置

焊接的两种具体工艺

埋弧焊

优点：1）生产效率高，焊丝的导电长度小，电流密度高，焊透率大。

2）焊接质量好，保护效果好，自动化程度高。

3）劳动条件好，劳动强度低，无弧光辐射。

4）节约，无焊条尾端，未熔化的焊剂可以重复使用

缺点：焊材料种类、结构尺寸和焊接位置等受限。

摩擦焊

优点：1）生产效率高

2）电能消耗少

3）焊接的质量好，消除了夹渣、气孔、缩松等缺陷

4）可焊接异种金属，如紫铜-不锈钢

缺点：1）靠工件的宣传实现，焊接非圆头截面比较困难

2）盘状工件及薄壁管件时，不易夹持

钨极气体保护焊 TIG焊

氩气或氦气保护电弧焊 MIG焊

氧化性气体保护焊 MAG焊

23、粉末冶金成型

粉末冶金

粉末冶金是一种制取金属粉末，以及采用成形和烧结工艺将金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）制成材料或制品的工艺技术。

粉末冶金的优点

1）粉末冶金能生产用普通熔炼无法生产的具有特殊性能的材料

2）粉末冶金方法生产的某些材料与普通熔炼法相比，性能优越，可避免成分的偏析

粉末冶金的缺点

1）粉末成本高

2）粉末冶金制品的大小和形状受到一定限制

3）烧结零件的韧性较差

烧结

定义：压制成型后的粉状物料在低于熔点的高温作用下，通过坯体间颗粒相互粘结和物质传递，气孔排除，体积收缩，强度提高，逐渐变成具有

一定的几何形状和坚固整体的过程。

（烧结是将压坯按一定的规范加热到规定温度并保温一段时间，使压坯获得一定的物理及力学性能的工序。）

烧结分为固相烧结和液相烧结两类

1）固相烧结：粉体颗粒在固相状态下的烧结

2）液相烧结：粉体颗粒在有液相出现条件下的烧结

烧结的三个阶段

1）起始阶段（烧结初期）

烧结颈的形成，粉体颗粒由点接触变为面接触，形成烧结颈。在压制成型的粉体形状没有明显变化，但是导电性能明显增加。

2）烧结中期

烧结颈的长成，随着粉体颗粒原子不断向烧结颈部位扩散，烧结颈不断长大，样品的密度越来越大。

3）烧结后期

封闭孔隙的球化和缩小，孔隙由开放形式变为封闭形式，并逐渐变为球形，不断收缩使样品的致密度升高。

烧结的驱动力

1）表面自由能的降低

2）颗粒的晶格畸变能降低