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1、第 2 章 材料凝固理论第 1 节 材料凝固概论凝固是材料成型加工过程中一种非常重要的物理化学现象。它是将固体材料加热到液态，然后使其按人们预定的尺寸，形状，及其组织形态，再次冷却到固态的过程。涉及物理，物理化学和化学变化。凝固过程是材料由液相向固相转化的过程。1 体积改变 2 外形改变 3 凝固潜热的产生 4 熵值改变。熵是热力学上表征一个孤立体系的混乱的量度 5 结构改变 6 发生溶质再分配纯金属凝固的热力学条件：存在过冷度 ，0ttmmtH/G形核，是介稳定的稳定的液相通过温度起伏在一些微区内变形成稳定存在的晶质质点过程。非自发形核指在不均匀熔体中依靠外来杂质或容器壁面提供的衬底进行形核
2、的过程。自发形核，指没有任何外来界面的均匀熔体中形核的过程。自发形核，仅依靠液相内部自发非自发形核，一般需要较大的过冷度才得以完成。当过冷度达 20时候才自发形核。非自发形核比自发形核需要小得多的过冷度。形核剂（以提高金属液的形核能力，以细化金属晶粒，改善材料性能）：1 失配度小。2，粗糙度大。3，分散性好。4，高温稳定性好。FeSi 孕育剂，能够显著改善晶粒。生长：通过液相原子不断向晶核表面堆砌，使固液界面不断向液相推移，固相增大，液相减少。成分过冷：把这种由溶质再分配导致界面前沿平衡凝固温度发生变化而引起的过冷。偏析，金属凝固过程发生化学成分的不均匀的现象称偏析。微观偏析：指树枝晶或胞状晶
3、心部与晶间成分的差异。其对铸件性能的危害性大，对冲击韧度，塑性及耐腐蚀性减低。微观偏析对铸件性能的危害较大，造成材料的冲击韧度，塑性，耐腐蚀性下将。许多情况下，晶界的变形更明显，宏观偏析：指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀现象。原因：液相在枝晶间和外的流动。以及游离或熔断固相的沉浮引起。固宏观比微观要复杂的多。缺陷控制： 缺陷 缩孔，缩松，变形，组织偏析，裂纹，夹渣，气孔，冷隔。一 缩孔 ：三面散热，周边先结晶。上部形成缩孔。二 缩松 ：四面散热，中间形成一群小孔。三 变形 ：铸件厚度差异造成冷却收缩的不同布。四 组织偏析 ：凝固过程控制不当。结晶期元素在固相和液相中的再
4、分配。裂缝：冷却过程中热应力的集中。防止办法：使用冒口，冷铁，关健是使最后冷却凝固的区域在非零件区。：使冷却收缩速度相等。4：适当降低浇铸温度，合理利用冷铁，孕育剂形核，动态晶粒细化。总结：一 缩孔，缩松。与液体成采用分浇铸条件和铸件结构等有关，采用冷铁。冒口，控制凝固顺序，合理放置浇口，浇注方式和控制浇注速度，温度等方法。二 ：铸造内应力，变形，裂纹。主要凝固冷却收缩过程受阻引起的，故可根据热应力和机械应力，相变应力等因素着手控制。 。三 ：气孔产生来自排气不畅及湿度大，主要控制模型的排气，干燥砂型温度，冷铁，无油污等。四 ：浇不足，冷隔 夹渣，从金属化学成分，浇铸条件，充型等方面控制。五
5、：偏析：控制金属凝固过程的化学成分。 。充型能力：液态金属充满铸型型腔，获的形状完整，轮廓清晰的铸件的能力。与金属本身的流动能力，铸型性质，铸件结构及浇铸条件。流动性好的金属，充填铸型的能力强，获得轮廓清晰或复杂的薄壁铸件，易于补缩，防止产生锁孔或缩松。易于使液体中的气体与杂物上浮，防止气孔渣眼产生。收缩控制：铸件在凝固和冷却到室温的过程中，其体积和尺寸都将减小，这种现象叫收缩。液态收缩：液态合金从浇注温度降低到凝固开始的温度时，所发生的体积收缩（合金的液态收缩主要表现为液面的降低）凝固收缩 合金在凝固阶段的体积收缩（凝固温度范围增加，凝固收缩也大）固态收缩 固态合金因温度降低发生的体积收缩。
6、铸件凝固后，由于合金的收缩在最后凝固部位往往出现孔洞，体积大而集中的孔洞（缩孔）细小而分散的孔洞称为（缩松）缩孔缩松 由液态、凝固收缩引起（调节化学平衡的稳定性） 。铸件应力，变形，裂纹由固体凝固引起。焊接过程的凝固特点：动态凝固，对流强烈，外延生长，弯曲柱状结晶。熔池组织控制：焊接速度快，焊缝中等轴晶粗大，反之小。速度低，为柱状树枝晶电流小，胞状晶，电流大，粗大的树枝晶。措施：防止粗晶，一 变质处理（化学元素）二振动，是柱状树枝晶破碎， 三 优化焊接工艺参数金属及合金凝固方式： 1 逐层凝固 2 糊状凝固 3 中间凝固 凝固方式由合金固液相线温度间隔和凝固件断面温度梯度两个因素决定 凝固温度
7、间隔大，倾向于糊状凝固，反正倾向于逐层凝固。温度梯度大时，宽固液相温度间隔的合金可趋于中间凝固或逐层凝固。砂型铸造（糊状）金属铸造（逐层) 低碳钢（逐层）高碳钢（糊状）第三章材料成形热过程焊接分：熔焊 固相焊 钎焊焊接热过程：熔焊局部加热熔化组织结合冷却焊接凝固成形的基本热过程是将金属加热熔化到液态，然后注到零件的形状，尺寸相适应的铸型空腔中。经冷却凝固，获得毛胚或零件。焊接热过程（研究焊件上的温度分布及随时间变化的规律）特点：1。熔焊使用的热源比较集中，功率大 2。在焊接处的温度梯度很大，加热不均 3。一般焊接时热源是移动的预热区内的热交换特点：1。以对流传递方式为主 2。传递热量大 3，预
8、热区高度变化大熔化区的热交换特点：1。炉气给热以对流传热为主 2。熔化区成凹形分布，融化区高度变化大过热区内热交换特点：1。传导传热为主 2。传热强度大。炉气最高温度与区域高度有关（炉缸区）固态金属材料的加热过程，主要是对流和辐射形式，内部主要是传导传热。影响焊接温度场（焊接温度场：是在焊接集中热源的作用下，被焊工件各点的某一瞬时的温度分布）的因素有四点：1 热源性质 2 焊速与能量 3 被焊金属的物理性质 4 焊件的板厚及形状 焊接热循环的主要参数：1 加热速度 2 峰值时间 3 高温停留时间 4 冷却速HmaxtH度 5 冷却时间 影响焊接热循环的因素 1.焊件尺寸形状的影响 2.接头形式
9、 3.焊道长度 4.焊cc接线能量 5.预热温度 6.焊接时冷却条件热量传递的基本形式：传导，对流，辐射温度场，是加热和冷却过程中，某一瞬时的温度分布。第 4 章 塑性成型理论体积成形：锻造，轧制，挤压和拉拔 面积成形：冲裁 弯曲 拉延和 成形。一 冷塑性变形机理多晶体的塑性变形包括晶粒内部变形（也称晶内变形）和晶界变形 也称晶间变形。1. 晶内变形主要方式：和单晶一样为滑移和孪生。滑移是主要的，孪生次要。当对于密排六方金属，孪生变形起重要作用。 。（1）滑移 所谓滑移指晶体（单晶体或够成多晶体的一个晶粒）在力的作用下，晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于晶体的另一部分相对移动。 。晶面和晶向
10、分别为滑移面和滑移方向。滑移总是沿原子密度最大的晶面很晶向发生，因为原子密度最大的晶面和晶向，原子间距小，原子间结合力强，而其晶面间的距离较大，晶面与晶面之间的结合力较弱，滑移阻力较小。（2）孪生 是晶体在剪应力作用下，晶体的一部分沿着一定的晶面即孪生面，和 它的晶向称孪生方向 发生均匀切变。2. 晶间变形主要方式是晶粒之间相互滑动和转动。 。在冷变形条件下，多晶体的塑性变形主要是晶内变形。晶间变形次要作用。冷塑性变形的特点：是各晶粒变形的不同特性，是各晶粒变形的相互协调 是晶粒与晶粒之间和晶粒内部与晶界附近区域变形的不均匀性加工硬化。冷塑性变形还具有下列的组织变化：晶粒形状的变化晶粒内产生亚
11、结构晶粒位向改变（变形织构）产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？随着变形程度的增加，金属的强度，硬度增加，而塑性下降，韧性降低，这种现象为加工硬化。答：随着塑性变形的经行，位错密度不断增加，位错反应和相互交割加剧，结果产生固定割阶、位错缠结等障碍，以致形成胞状亚结构，使错位难以越过这些障碍而被限制在一定范围内运动。金属的加工硬化现象会给金属的进一步加工带来困难，如钢板在冷轧过程中会越轧越硬，以致最后轧不动。另一方面人们可以利用加工硬化现象，来提高金属强度和硬度，如冷拔高强度钢丝就是利用冷加工变形产生的加工硬化来提高钢丝的强度的。加工硬化也是某些压力加工工艺能够实现的重要因
12、素。如冷拉钢丝拉过模孔的部分，由于发生了加工硬化，不再继续变形而使变形转移到尚未拉过模孔的部分，这样钢丝才可以继续通过模孔而成形。第 2 节 金属热态下的塑性变形（热塑性例：热锻，热挤压，热轧）从金属学角度看。在再结晶温度以上进行的塑性变形，称为热塑性变形或是热塑性加工。热塑性的软化：动态回复，动态再结晶，静态回复，静态再结晶，亚动态再结晶。动态回复和动态再结晶在热塑性变形过程中发生的。静态再结晶，静态结晶和亚动态再结晶则是在热变形的间歇期间或热变形后，利用金属的高温余热进行的。为什么动态回复是塑性变形的主要软化机制：由于某些金属如铝及其合金 由于他们的层错能高，扩展位错的宽度窄，集束容易，有
13、利于位错的交滑移和攀移，位错容易在滑移面间转移，使的异号位错抵消，位错密度下降，畸变能降低，不足到达动态再结晶的水平，因而高错能的金属即使变形程度很大，不发生再动态结晶，而一些低错位能的金属，如果变形程度小，也只发生动态回复。 。所以。 。 。二 热塑性变形机理主要有：晶内滑移 晶内孪生晶界滑移和扩散蠕变（在应力作用下，由空位的定向移动所引起） 。通常情况下，高温使原子间距加大，原子的热振动和扩散速度增加，热变形主要以晶内变形为主，晶界滑动较晶内变形量小很多。 。三 热塑性变形对金属组织和性能的影响1 改善晶粒组织 2 锻合内部改善 3 破碎并改善碳化物和非金属夹杂物在钢中的分布4 形成纤维组
14、织第 5 章凝固成形技术凝固成形：金属材料熔化后注入与拟成形零件想适应的模具空腔中，冷却后获得所需的零件。铸铁合金三大类：铸铁，铸钢，铸造有色合金根据碳在铸铁组织中存在形式的不同可分为：1。白口铸铁 其中碳除微量溶于铁素体内，其余全部以 Fe3C 形式存在，因其断口呈白色而得名。特点：硬，脆，难加工，很少用于制造机器零件。2。灰口铸铁：碳大部分以石墨的形式存在，断口呈灰色。又分为普通灰口铸铁（片状石墨），球墨铸铁（球状石墨） ，可锻铸铁（团絮状石墨） ，蠕墨铸铁（蠕虫状石墨） （可通过加入一定量的球化剂（蠕化剂）及孕育剂来改变其石墨形状 HT250 最低抗拉强度为 250MPa QT400-1
15、5 最低伸长率 15%3。麻口铸铁：碳一部分以石墨的形式出现，另一部分以 Fe3C灰口铸铁的特性1， 普通灰口铸铁片状石墨 HT A， 力学性能：E， 均比钢低，塑性韧性近于零属于脆性材料B， 工艺性能：不能锻造，焊接性能差，铸造性能优良，切削加工性能好C， 减振性：减振力约是钢的 10 倍 片状石墨隔振D， 耐磨性：耐磨性较好E， 缺口敏感性：遇石墨终止断2， 球墨铸铁 QT3， 蠕墨铸铁 RuT 铸钢： 0.250.45%的含碳量凝固成形按工艺特点分类 1.砂型铸造 2.金属型铸造 3.压力铸造 4.熔模铸造 5.低压铸造 6.离心铸造 共性：首先必须金属或合金熔化到一定温度，待溶液化学成
16、分，纯净度等满足要求，浇入铸造型腔中，然后凝固。凝固成形俗称铸造所谓“合格的，高质量的液态金属”具有所需要的温度杂质含量低.具有所要求的化学成分按铸型材料分类：1，一次型（砂型）2，永久型（金属型）砂型铸造工艺过程：型砂+木模砂型合模浇注清理零件铸造工艺设计浇注位置，分型面，型芯设计，加工余量，拔模斜度，浇注系统，冒口，冷铁尺寸和布置零件浇注位置的选择原则1， 铸件的重要加工或工作面应朝下2， 铸件的大平面朝下，防压塌台阶3， 铸件的大部分薄壁放在下面，易冲型4， 铸件的厚实部分应尽量放在分型面上：便于冒口冷铁补缩铸件分型面的选择原则1， 便以起模，使造型工艺简化2， 尽量使铸件的全部或大部分置于同一箱体内，便于造型，便于维护3， 尽量使型腔及主要形芯位于下型，便于造型，下芯，合箱及检验铸件壁厚。浇注系统的基本要求1， 在一定的浇注时间内保证充满铸型2， 尽量使金属平稳流入型腔
