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1、Teaching Materials/Yuandong Li1一、灰鑄鐵的鑄造性能、流動性 1、定義：指金屬液充填鑄型的能力，一般用螺旋試樣法測定。第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理Teaching Materials/Yuandong Li22、化學(xué)成分對流性的影響、化學(xué)成分對流性的影響 普通灰鑄鐵一般為亞共晶成分，其偏離共晶點不遠，結(jié)晶普通灰鑄鐵一般為亞共晶成分，其偏離共晶點不遠，結(jié)晶溫度范圍小，初生奧氏體枝晶不太發(fā)達，正常澆注溫度下，溫度范圍小，初生奧氏體枝晶不太發(fā)達，正常澆注溫度下，流動性良好。流動性良好。 隨隨C、Si量增加，量增加， 碳當(dāng)量提高，愈接近共晶點，液相線溫度碳當(dāng)量提高，愈

2、接近共晶點，液相線溫度愈低，在相同的澆注溫度下，其流動性愈好。愈低，在相同的澆注溫度下，其流動性愈好。Mn和和S對共晶對共晶度影響不大，主要以夾雜物形式存在，形成度影響不大，主要以夾雜物形式存在，形成MnS，粘度升高，粘度升高，降低流動性。降低流動性。P增加共晶度、形成低熔點共晶體，從而提高增加共晶度、形成低熔點共晶體，從而提高流動性。流動性。 第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理Teaching Materials/Yuandong Li33、澆注溫度的影響、澆注溫度的影響 第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理T澆注澆注t凝固凝固流動性流動性粘度粘度充填路徑充填路徑充型能力充型能力那么，是不是澆注溫

3、度越高越好呢？那么，是不是澆注溫度越高越好呢？Teaching Materials/Yuandong Li43、澆注溫度的影響、澆注溫度的影響澆注溫度的選擇澆注溫度的選擇 第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理過低的澆注溫度過低的澆注溫度會提高氣孔的廢品率會提高氣孔的廢品率; ;過高的澆注溫度過高的澆注溫度會導(dǎo)致金屬的收縮增大，吸氣增多，氧化嚴(yán)會導(dǎo)致金屬的收縮增大，吸氣增多，氧化嚴(yán)重，使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔和粘砂等缺陷重，使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔和粘砂等缺陷故只對薄壁復(fù)雜鑄件或所用材質(zhì)為流動性較差的合金鑄件，故只對薄壁復(fù)雜鑄件或所用材質(zhì)為流動性較差的合金鑄件，才采用提高澆注溫度的方法來提高合金

4、的充型能力。一般情才采用提高澆注溫度的方法來提高合金的充型能力。一般情況下，在保證液態(tài)合金有足夠充型能力的前提下，澆注溫度況下，在保證液態(tài)合金有足夠充型能力的前提下，澆注溫度不宜過高，通?？刂频臐沧囟葹椋翰灰诉^高，通常控制的澆注溫度為：灰鑄鐵灰鑄鐵1200120013801380凝固收縮階段凝固收縮階段 在鑄件凝固過程中，對鑄件質(zhì)量影響較大的主要在鑄件凝固過程中，對鑄件質(zhì)量影響較大的主要是固液兩相并存的凝固區(qū)的寬窄。是固液兩相并存的凝固區(qū)的寬窄。第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象Teaching Materials/Yuandong Li5 純金屬和

5、共晶成分的合純金屬和共晶成分的合金在凝固中，因為不存在固金在凝固中，因為不存在固液兩相并存的凝固區(qū)，所以液兩相并存的凝固區(qū)，所以固體與液體分界面清晰可見固體與液體分界面清晰可見，一直向鑄件中心移動。，一直向鑄件中心移動。第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象Teaching Materials/Yuandong Li6 鑄件在結(jié)晶過程中，當(dāng)鑄件在結(jié)晶過程中，當(dāng)結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件截面上的溫度梯度較小，則截面上的溫度梯度較小，則不存在固相層，而是固液兩不存在固相層，而是固液兩相共存的凝固區(qū)貫穿整個區(qū)相共存的凝固區(qū)貫穿整個區(qū)域。合金

6、在凝固過程中先呈域。合金在凝固過程中先呈糊狀而后凝固糊狀而后凝固 。第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象Teaching Materials/Yuandong Li7 大多數(shù)合金的凝固是介大多數(shù)合金的凝固是介于逐層凝固和糊狀凝固之間于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固。，稱為中間凝固。第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象Teaching Materials/Yuandong Li8第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象Teaching Materials/Yuandong L

7、i9Teaching Materials/Yuandong Li10第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象收縮是指合金從澆注、凝固到冷卻至室溫的過收縮是指合金從澆注、凝固到冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。收縮是鑄造合金本身程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。收縮是鑄造合金本身的物理性質(zhì)。的物理性質(zhì)。分為三類，液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。分為三類，液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。鑄件溫度降低鑄件溫度降低澆注溫度澆注溫度室溫室溫凝固終止溫度凝固終止溫度開始凝固溫度開始凝固溫度液態(tài)收縮液態(tài)收縮凝固收縮凝固收縮固態(tài)收縮固態(tài)收縮 體積收縮體積收縮線收線收縮縮T

8、eaching Materials/Yuandong Li11第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象 灰鑄鐵的收縮包括液收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三部分?；诣T鐵的收縮包括液收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三部分。1、液態(tài)收縮液態(tài)收縮 液液： 從澆注溫度到液相線溫度之間發(fā)生的收縮。從澆注溫度到液相線溫度之間發(fā)生的收縮。 T澆澆，C碳碳 液液2、凝固收縮、凝固收縮 凝凝：凝固期間發(fā)生的收縮以及由于析出石墨而產(chǎn)：凝固期間發(fā)生的收縮以及由于析出石墨而產(chǎn)生的膨脹的總和。生的膨脹的總和。 凝凝=6.9%-0.9C-2G C、G分別為鐵液中碳量和凝固析出的石墨。分別為鐵液中碳量和

9、凝固析出的石墨。 凝凝有可能為負(fù)值。有可能為負(fù)值。Teaching Materials/Yuandong Li12第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象3、縮松、縮孔：、縮松、縮孔：與與液液+凝有關(guān)。凝有關(guān)。 (液液+凝凝)傾向傾向4、固態(tài)收縮固態(tài)收縮固固：鑄件凝固后期在鑄件內(nèi)形成連續(xù)的固相骨架：鑄件凝固后期在鑄件內(nèi)形成連續(xù)的固相骨架開始一直到室溫階段內(nèi)所發(fā)生的固態(tài)收縮。常以線收縮表示。開始一直到室溫階段內(nèi)所發(fā)生的固態(tài)收縮。常以線收縮表示。隨之會產(chǎn)生熱裂、內(nèi)應(yīng)力、變形和冷裂。隨之會產(chǎn)生熱裂、內(nèi)應(yīng)力、變形和冷裂。Teaching Materials/Yuan

10、dong Li13第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象 收縮的實質(zhì)：收縮的實質(zhì)：液態(tài)金屬澆入鑄型后，由于鑄型液態(tài)金屬澆入鑄型后，由于鑄型的吸熱，的吸熱，金屬溫度下降，空穴數(shù)量減少，原子間金屬溫度下降，空穴數(shù)量減少，原子間距離縮短，液態(tài)金屬的體積減小距離縮短，液態(tài)金屬的體積減小。溫度繼續(xù)下降。溫度繼續(xù)下降, ,液態(tài)金屬凝固液態(tài)金屬凝固, ,原子間距離進一步縮短。金屬凝固原子間距離進一步縮短。金屬凝固完畢后，在固態(tài)下繼續(xù)冷卻時，原子間距離還要完畢后，在固態(tài)下繼續(xù)冷卻時，原子間距離還要縮短?？s短。 Teaching Materials/Yuandong Li1

11、4第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理、收縮特征及其伴生現(xiàn)象、收縮特征及其伴生現(xiàn)象在鑄件的固態(tài)收縮階段會引起鑄造應(yīng)力。在鑄件的固態(tài)收縮階段會引起鑄造應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力：內(nèi)應(yīng)力：是在沒有外力的條件下，平衡于物體內(nèi)是在沒有外力的條件下，平衡于物體內(nèi)部的應(yīng)力。部的應(yīng)力。鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力相變應(yīng)力相變應(yīng)力熱應(yīng)力熱應(yīng)力機械應(yīng)力機械應(yīng)力（收縮應(yīng)（收縮應(yīng)力）力）（1 1）、收縮應(yīng)力（機械應(yīng)力）、收縮應(yīng)力（機械應(yīng)力） 是鑄件的固態(tài)收縮是鑄件的固態(tài)收縮受到鑄型、型芯、澆注受到鑄型、型芯、澆注系統(tǒng)、冒口或箱擋的阻系統(tǒng)、冒口或箱擋的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。一般礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。一般這種應(yīng)力是暫時的，打這種應(yīng)力是暫時的，打箱后便可消失。

12、箱后便可消失。 防止措施防止措施是改善鑄型是改善鑄型和型芯的退讓性。和型芯的退讓性。受應(yīng)力作用軸套鑄受應(yīng)力作用軸套鑄件件退讓性：退讓性： 合金在凝固和冷卻過程中會收縮，此時要求鑄型相關(guān)部合金在凝固和冷卻過程中會收縮，此時要求鑄型相關(guān)部位發(fā)生變形或退讓，位發(fā)生變形或退讓， 以不阻礙鑄件收縮而獲得應(yīng)力小而不以不阻礙鑄件收縮而獲得應(yīng)力小而不產(chǎn)生裂紋的鑄件，這種型砂隨著鑄件收縮而減小其體積的能產(chǎn)生裂紋的鑄件，這種型砂隨著鑄件收縮而減小其體積的能力稱為力稱為退讓性退讓性，也稱，也稱容讓性容讓性。 退讓性小時，鑄件收縮困難，會使鑄件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力退讓性小時，鑄件收縮困難，會使鑄件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力 甚至開裂。型砂退讓

13、性主要取決于該型砂的熱強度。熱強甚至開裂。型砂退讓性主要取決于該型砂的熱強度。熱強度高，抵抗合金液機械作用的能力強，但退讓性差。粘土度高，抵抗合金液機械作用的能力強，但退讓性差。粘土型砂隨粘土和水分含量的增加退讓性下降。在型砂中加入型砂隨粘土和水分含量的增加退讓性下降。在型砂中加入木屑、焦炭粒等附加物時有助于提高退讓性，尤其以木屑木屑、焦炭粒等附加物時有助于提高退讓性，尤其以木屑作用最為顯著。在要求有較高退讓性的砂芯（如管類鑄件作用最為顯著。在要求有較高退讓性的砂芯（如管類鑄件的砂芯）中，常使用稻草繩，鑄件收縮時，草繩已燒掉，的砂芯）中，常使用稻草繩，鑄件收縮時，草繩已燒掉，砂芯就不會阻砂芯就

14、不會阻 礙鑄件的收縮，清砂也比較容易。礙鑄件的收縮，清砂也比較容易。 熱應(yīng)力的形成熱應(yīng)力的形成 + + 表示拉應(yīng)力表示拉應(yīng)力 - - 表示壓應(yīng)力表示壓應(yīng)力固態(tài)金屬在再結(jié)晶溫度以固態(tài)金屬在再結(jié)晶溫度以上時，處于塑性狀態(tài)，此上時，處于塑性狀態(tài)，此時，在較小的應(yīng)力作用下時，在較小的應(yīng)力作用下，便可發(fā)生塑性變形（即，便可發(fā)生塑性變形（即永久變形），其內(nèi)應(yīng)力在永久變形），其內(nèi)應(yīng)力在變形后可自行消除。在再變形后可自行消除。在再結(jié)晶溫度以下，金屬呈彈結(jié)晶溫度以下，金屬呈彈性狀態(tài)，此時，在應(yīng)力作性狀態(tài)，此時，在應(yīng)力作用下，僅能產(chǎn)生彈性變形用下，僅能產(chǎn)生彈性變形，變形后應(yīng)力仍然存在。，變形后應(yīng)力仍然存在。應(yīng)力框

15、中粗桿、細桿的冷卻曲線如圖所示。由圖可見，桿應(yīng)力框中粗桿、細桿的冷卻曲線如圖所示。由圖可見，桿與桿與桿的截面厚度不同，冷卻速度不一致，使兩桿的收的截面厚度不同，冷卻速度不一致，使兩桿的收縮不一致，因而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。其具體形成過程可分為三縮不一致，因而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。其具體形成過程可分為三個階段進行。個階段進行。第一階段（第一階段（t0t0t1t1）。桿）。桿與與桿桿的溫度均高于的溫度均高于T T再，均處再，均處于塑性狀態(tài)，盡管兩桿的冷速于塑性狀態(tài)，盡管兩桿的冷速不同，收縮不一致，但瞬時的不同，收縮不一致，但瞬時的應(yīng)力均可通過塑性變形而自行應(yīng)力均可通過塑性變形而自行消除。消除。第二階段（第二階段（

16、t1t1t2t2）。桿）。桿已已冷卻至冷卻至T T再以下，進入彈性狀再以下，進入彈性狀態(tài)，桿態(tài)，桿的溫度仍在的溫度仍在T T再以上再以上，呈塑性狀態(tài)。此時因桿，呈塑性狀態(tài)。此時因桿的的冷速大于桿冷速大于桿，收縮亦大于桿，收縮亦大于桿，桿，桿受拉伸，桿受拉伸，桿受壓縮受壓縮，形成了暫時的應(yīng)力。但內(nèi)應(yīng)，形成了暫時的應(yīng)力。但內(nèi)應(yīng)力也會隨桿力也會隨桿的塑性變形（縮的塑性變形（縮短）而消除，使桿短）而消除，使桿與桿與桿同同時縮短至?xí)r縮短至L1L1。 第三階段（第三階段（t2t2t3t3）。因）。因塑性變形而縮短的桿塑性變形而縮短的桿也也冷卻至冷卻至T T再以下并呈彈性狀再以下并呈彈性狀態(tài)。此時，桿態(tài)。此

17、時，桿的溫度較的溫度較高，還會有較大的收縮；高，還會有較大的收縮；而桿而桿的溫度較低，收縮的溫度較低，收縮已趨停止。因此，桿已趨停止。因此，桿的的收縮必然受到桿收縮必然受到桿的強烈的強烈阻礙，結(jié)果，桿阻礙，結(jié)果，桿受彈性受彈性拉伸，桿拉伸，桿受彈性壓縮。受彈性壓縮。冷卻到室溫時，框中就產(chǎn)冷卻到室溫時，框中就產(chǎn)生了殘余內(nèi)應(yīng)力。生了殘余內(nèi)應(yīng)力。（3 3） 相變應(yīng)力相變應(yīng)力 ：熱處理過程中由于工件各部位相轉(zhuǎn)變的不同時性所引起的應(yīng)力。 （4 4） 應(yīng)力測定應(yīng)力測定 ：測定合金鑄造應(yīng)力試樣測定合金鑄造應(yīng)力試樣-應(yīng)力框應(yīng)力框（4 4） 應(yīng)力測定應(yīng)力測定 ：合金自由線收縮試樣簡圖合金自由線收縮試樣簡圖-動態(tài)

18、測定儀動態(tài)測定儀1固定端金屬桿固定端金屬桿 2砂型砂型 3自由端金屬桿自由端金屬桿 4滑桿滑桿 5導(dǎo)輪導(dǎo)輪 6千分表千分表 實例實例 機床床身由于其導(dǎo)軌面較厚，其側(cè)面較薄，因機床床身由于其導(dǎo)軌面較厚，其側(cè)面較薄，因而在冷卻過程中厚薄兩部分產(chǎn)生溫差，致使而在冷卻過程中厚薄兩部分產(chǎn)生溫差，致使導(dǎo)軌導(dǎo)軌面受拉應(yīng)力，側(cè)面受壓應(yīng)力面受拉應(yīng)力，側(cè)面受壓應(yīng)力。變形的結(jié)果，導(dǎo)軌。變形的結(jié)果，導(dǎo)軌面向下凹，薄壁側(cè)面向下凸，如下圖所示。面向下凹，薄壁側(cè)面向下凸，如下圖所示。 機床床身變形示機床床身變形示意圖意圖 熱應(yīng)力引起的變形熱應(yīng)力引起的變形鑄件的裂紋鑄件的裂紋 當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過合金的強度極限時，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過合金的

19、強度極限時，鑄件就會產(chǎn)生裂紋。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的溫度不同，把鑄件就會產(chǎn)生裂紋。根據(jù)裂紋產(chǎn)生的溫度不同，把裂紋分為熱裂和冷裂兩種。裂紋分為熱裂和冷裂兩種。 a a）熱裂）熱裂 是鑄件在高溫下形成的裂縫，外形形狀曲折是鑄件在高溫下形成的裂縫，外形形狀曲折而不規(guī)則，斷口呈氧化色。熱裂是鑄件在凝固末期形成的。而不規(guī)則，斷口呈氧化色。熱裂是鑄件在凝固末期形成的。是鑄鋼和鑄鋁常見的缺陷。是鑄鋼和鑄鋁常見的缺陷。vb b）冷裂）冷裂 是鑄件處于彈性狀態(tài)時，其熱應(yīng)力和機械應(yīng)是鑄件處于彈性狀態(tài)時，其熱應(yīng)力和機械應(yīng)力總值超過合金強度極限而形成的。其外形呈連續(xù)直線狀力總值超過合金強度極限而形成的。其外形呈連續(xù)直線狀或圓

20、滑曲線狀，斷口干凈，具有金屬光澤或稱輕微氧化色?；驁A滑曲線狀，斷口干凈，具有金屬光澤或稱輕微氧化色。 鑄件熱裂的外觀特征鑄件熱裂的外觀特征 熱裂沿晶粒邊界穿過熱裂沿晶粒邊界穿過 Teaching Materials/Yuandong Li33第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理二、灰鑄鐵的熱處理二、灰鑄鐵的熱處理1、消除內(nèi)應(yīng)力的低溫退火，即熱時效。、消除內(nèi)應(yīng)力的低溫退火，即熱時效。2、降低硬度的高溫退火、降低硬度的高溫退火 第四節(jié)第四節(jié) 灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理灰鑄鐵的鑄造性能和熱處理二、灰鑄鐵的熱處理二、灰鑄鐵的熱處理一般來說，熱處理能在很大程度上改善鑄造合金的組織和性一般來說，熱處理能在很大程度上改善鑄造合金的組織和性能，但在能，但在HT條件下，熱處理所發(fā)揮的作用相對較小。在條件下，熱處理所發(fā)揮的作用相對較小。在HT中，石墨對鑄鐵性能的影響較大，而任何的熱處理方法中，石墨對鑄鐵性能的影響較大，而任何的熱處理方法都不能改變石墨的形態(tài)和分布，故不能通過熱處理來有效都不能改變石墨的形態(tài)和分布，故不能通過熱處理來有效地提高地提高HT的性能。只能在某些特殊場合下進行熱處理。主的性