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1、材料成形技术基础,江星莹,一、金属的液态成形二、金属的塑性成形三、材料的连接成形四、非金属材料的成形五、材料成形方法的选择六、快速成形技术简介,课程大纲,第一章：金属的液态成形,定义：所谓金属液态成型，即铸造（casting）是将液态金属浇注到与零件形状，尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。,铸造工艺特点,（1）铸件大小，形状和重量几乎不受限制；（2）铸件形状与零件接近，能够制成形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件； （3）原材料来源广泛 ，生产成本较低。（4）但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。因此，铸件多数做为毛坯用。
2、,优点,缺点,一、金属的液态成形,第一节、液态成形理论基础第二节、金属的液态成形方法第三节、液态金属成形件的工艺设计第四节、液态金属成形件的结构设计,第一节：液态成形理论基础,1、液态金属的凝固凝固：物质由液态转化为固态的过程。结晶：金属的凝固过程。结晶包括形核和长大两个过程。凝固组织：宏观上指铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况；微观上指晶粒内部结构的形态、大小和分布，以及各种缺陷等。,一、金属的凝固,1、液态金属的凝固,铸件的凝固组织对金属材料的力学性能、物理性能影响甚大。一般情况下，晶粒愈细小均匀，金属材料的强度和硬度愈高，塑性和韧性愈好。 影响铸件凝固组织的因素有：成分、冷却速度、形
3、核条件等。,2、铸件的凝固方式,2、铸件的凝固方式,1 铸件的凝固方式 铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大，其宽窄决定着铸件的凝固方式。,（1）逐层凝固,纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，如图（a），已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。,如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相
4、共存区贯穿铸件的整个断面，如图（c）。这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。,（2）糊状凝固,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，如图（b）所示，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，称为中间凝固方式。,（3）中间凝固,3、影响铸件凝固方式的因素,影响铸件凝固方式的因素：合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。,（1） 铸造合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。,温度梯度对凝固方式的影响,（2） 铸件的温度梯度：铸造合金的
5、成分一定时，铸件凝固区域的宽窄就取决于其断面的温度梯度，如右图所示，随温度梯度由小变大，则相应的凝固区会由宽变窄。,铸件的温度梯度,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）铸型的蓄热能力和导热性愈好，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。,二、液态合金的工艺性能,金属与合金的铸造性能是指金属与合金在铸型成形的工艺过程中、容易获得外形正确、内部健全的铸件的性质。铸造性能是重要的工艺性能指标，铸造合金除应具备符合要求的力学性能、物理性能和化
6、学性能外，还必须有良好的铸造性能。合金的铸造性能通常用充型能力、收缩性能等来衡量。,1、合金的充型能力,熔融合金填充铸型的过程简称充型。液态合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。充型能力取决于：1)熔融合金本身的流动能力（流动性），2)铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响。,一、合金的流动性,合金的铸造性能是表示合金铸造成型获得优质铸件的能力。通常用流动性和收缩性来衡量。,1、流动性概念 流动性液态合金的充型能力。,流动性好的合金：,易于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于补缩及热裂纹的弥合。,合金流动性的衡量,合金的
7、流动性用浇注流动性试样的方法来衡量。流动性试样的种类很多，如螺旋型、球形、真空试样等。应用最多的是浇注的螺旋形试样。,合金的流动性愈好，其长度就愈长。,常用合金的流动性（砂型，试样截面88mm）,影响流动性的因素,1）合金的种类： 合金的流动性与合金的熔点、热导率、合金液的粘度等物理性能有关。铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差（熔点高，在铸型的散热快、凝固快）。2）合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著。3）杂质与含气量：熔融合金中出现的固态夹杂物，将使合金的粘度增加，合金的流动性下降；熔融金属中的含气量愈少，合金的流动性愈好。4）液态合金的粘度、结晶潜热和导热系数等物理
8、参数对流动性也有影响。一般的粘度愈大、结晶潜热愈小和导热系数愈小，其流动性愈差。,合金的成分和结晶特征对流动性的影响,共晶成分的合金，其结晶同纯金属一样，是在恒温下进行的。从铸型表面到中心，液态合金逐层凝固如图（a），由于已凝固层的内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。,特别是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。,合金的成分和结晶特征对流动性的影响,在一定温度范围内的亚共晶合金，其结晶过程是在铸件截面上一定的宽度区域内同时进行的。在结晶区域中，既有形状复杂的枝晶，又有未结晶的液体。即在其已凝固层和纯液态区之间存在一个液固两相共存的区域，
9、使得已凝固层的内表面粗糙如图（b）。,复杂的枝晶不仅阻碍熔融金属的流动，而且使熔融金属的冷却速度加快，所以流动性差。,非共晶成分的合金流动性差，且随合金成分偏离共晶点愈远，其结晶温度范围愈宽，流动性愈差，如图为铁碳合金流动性与含碳量的关系图。,合金的成分和结晶特征对流动性的影响,浇注条件,（1） 浇注温度：浇注温度对合金充型能力有决定性的影响。浇注温度高，液态合金所含的热量多，在同样的冷却条件下，保持液态的时间长，所以流动性好。浇注温度越高，合金的粘度越低，传给铸件的热量多，保持液态的时间延长，流动性好，充型能力强。（2） 充型压力 ：液态合金在流动方向上所受压力愈大，其充型能力愈好。砂型铸造
10、时，是由直浇道高度提供静压力作为充型压力，所以直浇道的高度应适当。,（3）铸型条件,在铸型凡能增大液态合金流动阻力、降低流速和加快其冷却的因素，均会降低其充型能力。1）铸型的蓄热能力2）铸型温度3）铸型中的气体4）铸件的结构 ：铸件的壁愈薄、结构形状愈复杂，液态合金的充型能力愈差。应采取适当提高浇注温度、提高充型压力和预热铸型等措施来改善其充型能力。,2、合金的收缩,收缩：合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。收缩是合金的物理本性，是影响铸件几何形状、尺寸、致密性，甚至造成某些缺陷的重要原因之一。,体收缩率：合金从液态到常温的体积改变量。,线收缩率：金属在固态由高温到
11、常温的线尺寸改变量。,式中：,合金收缩的三个阶段,。,（2）凝固收缩：从凝固开始温度（Tl）到凝固终止温度（即固相线温度Ts）间的收缩（3）固态收缩：从凝固终止温度（Ts）到室温间的收缩。 合金的收缩率为上述三个阶段收缩率的总和。,合金的收缩经历如下三个阶段，如图所示：（1）液态收缩：从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（即液相线温度Tl）间的收缩。,影响收缩的因素,影响收缩的因素：1）化学成分：C ，Si 收缩率； Mn适量，生产MnS 收缩率； Mn过高收缩率 S 收缩率 ，。2）浇注温度：T，T 收缩率3）铸件结构和铸型条件,收缩是液态合金凝固冷却过程中的必然现象，它产生缩孔与缩松，内应力，
12、变形和裂纹，对铸造工艺影响很大。,三、铸造性能对铸件质量的影响,铸造性能对铸件质量有显著的影响。收缩是铸件中许多缺陷，如缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等产生的基本原因。充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,1、铸件的缩孔和缩松,若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙。缩松：分散在铸件某些区域内的细小缩孔。,缩孔的形成,缩孔主要出现在金属在恒温或很窄温度范围内结晶，铸件壁呈逐层凝固方式的条件下。缩
13、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。,缩松的形成,缩松主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。,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。,缩孔位置的确定,等温线法,内切圆法,定向凝固的缺点和应用：,缺点铸件成本高，加大铸造内应力（易变形、开裂）。应用体收缩大的合金，如铸钢、铝青铜和铝硅合金等。,缩孔、缩松形成的规律,1、合金的液态收缩和凝固收缩愈大（如铸钢、白口铸铁、铝青铜），铸件愈易形成缩孔。2、合金的浇注温度愈
14、高，液态收缩愈大，愈易形成缩孔。3、结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成集中缩孔。,缩孔和缩松的防止 （三点）,1、冒口：在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位最先凝固（图），尔后是靠近冒口的部位凝固（图、I），冒口本身最后凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充从而将缩孔转移到冒口之中。（缺点是浪费金属）,防止缩孔原则：使铸件实现“定向凝固”。,2、冷铁：为了实现定向凝固，在安放冒口的同时，在铸件上某些厚大部位增设的金属材料（冷
15、铁：激冷物），如右图所示。,缩孔和缩松的防止,3、合理选择内浇道位置及浇注工艺：内浇道的引入位置对铸件的温度分布有明显的影响，应按照定向凝固的原则确定。例如：内浇道应从铸件厚实处引入，尽可能靠近冒口或由冒口引入。,同时凝固和定向凝固比较,用于凝固收缩小的灰铸铁。铸件内应力小，工艺简单，节省金属但同时凝固往往使铸件中心区域出现缩松，组织不致密。,用于收缩大或壁厚差距较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、铝硅合金等。定向凝固补缩作用好，铸件致密，但铸件成本高，内应力大。,铸造内应力：铸件在凝固、冷却的过程中，由于各部分体积变化不一致、彼此制约而使其固态收缩受到阻碍引起的内应力。铸造内应力按阻碍收缩原
16、因的不同分为热应力和收缩应力（机械应力）两类，它们是铸件产生变形和裂纹的基本原因。1）热应力的形成：由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩受到热阻碍不一致而引起。,2、铸造应力,图为框形铸件热应力的形成过程,热应力形成规律：铸件的厚壁或心部受拉应力，薄壁或表层受压应力。,2）收缩应力（机械应力）,机械应力的形成：机械应力是合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒口等外力的机械阻碍而形成的内应力，如图所示。,机械应力使铸件产生拉伸或剪切应力，是暂时存在的，在铸件落砂之后，这种内应力便可自行消除。,3）减小应力的措施,预防铸件产生热应力的基本措施是减小铸件各部分之间的温度差，使其均匀冷却。具体为：i）选择线收缩小、弹量模量较小的合金作为铸造合金；ii）合理地设计铸件结构：尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀；iii ）采用合理的铸造工艺，使铸件的凝固符合同时凝固原则。在铸造工艺上采取“同时凝固原则”，尽量减小铸件各部位间的温度差，使铸件各部位同时冷却凝固。）实效处理：将铸件加热到550650之间保温，进行去应力退火可消除残余内应力。,
