材料成形工藝基礎(chǔ)課件

材料成形工藝基礎(chǔ)

主編華中科技大學(xué)

沈其文

主講制造教研室李春燕學(xué)時(shí)32FundamentalofMaterialsForming材料科學(xué)與工程的四大要素

合成加工

組織結(jié)構(gòu)材料科學(xué)與工程性能

使用效能材料科學(xué)與工程的多學(xué)科化材料科學(xué)與工程物理學(xué)冶金學(xué)化學(xué)陶瓷學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)生物學(xué)材料科學(xué)與材料工程的差異

材料科學(xué)和材料工程是一個(gè)整體，不可分割；它們之間的差異主要表現(xiàn)在學(xué)科的側(cè)重點(diǎn)不同。

材料科學(xué)側(cè)重于發(fā)現(xiàn)和揭示四個(gè)要素之間的關(guān)系，提出新概念、新理論。

材料工程側(cè)重于尋求新手段實(shí)現(xiàn)新材料的設(shè)計(jì)思想并使之投入應(yīng)用，二者相輔相成。

尼龍纖維的研制：

1928年杜邦公司開始研究天然尼龍Carother等成功合成聚酯等高分子物理化學(xué)家發(fā)現(xiàn)聚酯能夠冷拉絲成形利用X射線發(fā)現(xiàn)拉伸纖維強(qiáng)度源于高分子鏈的高度取向Carother等提出熔融紡纖的新概念工程技術(shù)人員發(fā)明尼龍熔融紡纖技術(shù)小分子流體力學(xué)不使用于高分子物質(zhì)紡纖設(shè)備的要求銅容器腐蝕造成尼龍熔體顏色污染1938年首批合成尼龍纖維產(chǎn)品問世材料科學(xué)材料科學(xué)材料科學(xué)材料工程材料工程材料工程材料科學(xué)材料工程材料工程所涉及的三大制備技術(shù)

根據(jù)所需材料的性能、結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行材料的提純凈化、原料(成分)配制和合成或合金化的過程．是材料制備工程的首要環(huán)節(jié)。

熔融凝固制備技術(shù)原材料熔融精煉凝固坯料

常用于金屬、無機(jī)非金屬化合物、半導(dǎo)體材料坯錠和玻璃制品的制備。

粉末冶金制備技術(shù)原料粉末壓制燒結(jié)混合

這是陶瓷材料、水泥以及硬質(zhì)合金以及鐵基合金等材料的主要成材途徑。

單體聚合制備技術(shù)

這是高分子材料的典型的制備技術(shù)。

天然氣聚合聚合物單體煤炭石油材料工程的加工成形技術(shù)

通過上述三種材料制備技術(shù)得到的材料，大多數(shù)不是材料的最終產(chǎn)品，需要進(jìn)一步的后續(xù)加工處理。

玻璃材料有它的特殊性，從原材料配制、熔化，到熔體快冷成形為制品，必須一步完成。

材料的常規(guī)加工技術(shù)主要有鍛造、沖壓、軋制、擠壓、拉拔、焊接以及注射成形等。課程的主要目的

《材料成形工藝基礎(chǔ)》是機(jī)械類或近機(jī)械類專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)本課程的主要目的是使學(xué)生比較全面系統(tǒng)的獲得機(jī)械制造中鑄造、壓力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡膠、陶瓷以及有關(guān)模具設(shè)計(jì)、加工、制造方面的專業(yè)知識(shí)。其主要任務(wù)是介紹以下內(nèi)容：1）制定鑄造過程圖，了解合金的熔煉與澆注過程的基本知識(shí)以及砂型鑄造、特種鑄造等；2）制定鍛造過程圖，了解材料塑性變形基本規(guī)律；了解粉末成形、塑料、橡膠、陶瓷成型過程和板料沖壓成形過程；3）了解常用金屬材料焊接過程基本知識(shí)；材料與人類文明人類的文明進(jìn)程是依據(jù)什么而劃分的？材料應(yīng)用的發(fā)展是人類發(fā)展的里程碑：——石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代……?！l(fā)展得越來越快。歷史中國古代三大鑄造技術(shù)

在我國古代金屬加工工藝中，鑄造占著突出的地位，具有廣泛的社會(huì)影響，像“模范”、“陶冶”、“熔鑄”、“就范”等習(xí)語，就是沿用了鑄造業(yè)的術(shù)語。勞動(dòng)人民通過世代相傳的長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐，創(chuàng)造了具有我國民族特色的傳統(tǒng)鑄造工藝。其中特別是泥范、鐵范和熔模鑄造最重要，稱古代三大鑄造技術(shù)。

泥范鑄造我國自新石器晚期，就進(jìn)入銅石并用時(shí)代。河北唐山等地出土的早期銅器，有鍛打成形的，也有熔鑄成形的，說明范鑄技術(shù)在我國源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，很早就發(fā)展起來。

熔模鑄造傳統(tǒng)的熔模鑄造一般稱失蠟、出蠟或捏蠟、撥蠟。它和用來制造汽輪機(jī)葉片、銑刀等精密鑄件的現(xiàn)代熔模鑄造，無論在所用蠟料、制模、造型材料、工藝方法等方面，都有很大不同。但是，它們的工藝原理是一致的，并且現(xiàn)代的熔模鑄造是從傳統(tǒng)的熔模鑄造發(fā)展而來的。

金屬型鑄造鑄型材料從石和泥、砂改用金屬，從一次型經(jīng)多次型又改進(jìn)成為耐用性更高的所謂“永久”型（金屬型），在鑄造技術(shù)的歷史發(fā)展上具有重要的意義。1953年河北興隆鐵范的發(fā)現(xiàn)，證明我國早在戰(zhàn)國時(shí)期已經(jīng)用白口鐵的金屬型澆注生鐵鑄件。這批鐵范包括鋤、鐮、斧、鑿、車具等類共87件，大部完整配套。其中，鐮和鑿是一范兩件，鋤和斧還采用了金屬芯。它們的結(jié)構(gòu)十分緊湊，頗具特色。范的形狀和鑄件相吻合，使壁厚均勻，利于散熱：范壁帶有把手，以便握持，又能增加范的剛度。可以說是創(chuàng)造了一種中國風(fēng)格的金屬型，并且在那個(gè)時(shí)候已經(jīng)大體定型了。近年來，在河南南陽、鄭州、鎮(zhèn)平和河北滿城、山東萊蕪等地又陸續(xù)出土漢代鐵范許多件，品種比戰(zhàn)國時(shí)期顯著增多，型式卻基本相同。河南泥池漢魏鐵器窖藏中還有鑄造成形鐵板和矢鏃的鐵范以及長(zhǎng)達(dá)半米的大型鐵犁范。

4,500BC——1,000BC

青銅時(shí)代（BronzeAge）從礦石中提煉銅——冶金業(yè)的黎明這張埃及古墓壁畫是

人類冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一青銅，古稱金或吉金，是紅銅與其它化學(xué)元素（錫、鎳、鉛、磷等）的合金。史學(xué)上所稱的“青銅時(shí)代”是指大量使用青銅工具及青銅禮器的時(shí)期。保守的估計(jì)，這一時(shí)期主要從夏商周直至秦漢，時(shí)間跨度約為兩千年左右，這也是青銅器從發(fā)展、成熟乃至鼎盛的輝煌期。到春秋戰(zhàn)國時(shí)期，齊國工匠總結(jié)科技經(jīng)驗(yàn)寫成的《考工記》一書中，提出了「金有六齊」，這是世界科技史上最早的冶銅經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。青銅：第一種合金夏鉞戈歷史青銅文化商代青銅bronze文化仰韶文化的后期，即大約在公元前3500年以后的一個(gè)時(shí)期，我們的祖先已經(jīng)知道了銅，并且已會(huì)制造簡(jiǎn)單的小件銅器?，F(xiàn)已知道的最早的青銅器物，是1975年在甘肅東鄉(xiāng)縣林家的甘肅仰韶文化馬家窯類型遺址中出土的一件公元前3000年左右青銅刀。到了商代，青銅器冶鑄工藝高度發(fā)展，商代晚期即殷墟時(shí)期，已經(jīng)出現(xiàn)特別巨大或精細(xì)的器物，技術(shù)水平和藝術(shù)水平都很高。西周晚期，事實(shí)上是青銅器走向衰落的時(shí)期。

青銅文化四羊方尊虎食人卣you青銅文化二里岡出土饕(tie)餮乳釘紋方鼎大禾人面方鼎青銅文化饕餮紋鼎司母辛方鼎司母戊鼎青銅文化商代青銅文化司母戊鼎，1939年安陽武官村出土，高133厘米，重833千克，是中國目前發(fā)現(xiàn)最重的青銅器。據(jù)估計(jì)，鑄造這樣大型青銅器，需300多人同時(shí)工作。青銅文化豕(shi)尊司母辛觥(gong)湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍歷史三星堆立人像鑄于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青銅立人像，被尊稱為“世界銅像之王”。突目面具鑄于商代晚期，原件高64.5厘米，寬138厘米，眼球柱狀外突長(zhǎng)達(dá)13.5厘米，其造型在世界上亦屬首見。歷史銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重w約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。銅鐘合金成分為：銅80.54％、錫16.40％、鋁1.12％，為泥范鑄造。

永樂大鐘歷史中國古代鐵器中帶有球狀石墨的金相組織湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國凹形鐵鋤歷史現(xiàn)代鑄造我國已成功地生產(chǎn)出了世界上最大的軋鋼機(jī)機(jī)架鑄鋼件（重410t）和長(zhǎng)江三峽電站巨型水輪機(jī)的特大型鑄件大飛機(jī)、航空母艦。第一篇

金屬的鑄造成形工藝第一章鑄造成形工藝?yán)碚摶A(chǔ)第一節(jié)鑄造成形工藝的特點(diǎn)和分類定義：所謂金屬液態(tài)成型，即鑄造，casting，是將液態(tài)金屬借助外力充填到型腔中，使其凝固冷卻而獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件的工藝。

注意2個(gè)過程：（1）充填型腔；（2）凝固冷卻

實(shí)質(zhì)：液態(tài)金屬（或合金）充填鑄型型腔并在其中凝固和冷卻。砂型鑄造概略圖一、鑄造工藝特點(diǎn)

（1）適應(yīng)性廣。適應(yīng)鑄鐵，碳鋼，有色金屬等材料；鑄件大小，形狀和重量幾乎不受限制；壁厚1mm到1m，質(zhì)量零點(diǎn)幾克到數(shù)百噸（三峽的水輪機(jī)葉輪重達(dá)430T）。（2）可復(fù)雜成形。適合形狀復(fù)雜，尤其是有復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯或零件。（3）成本較低?？芍苯永贸杀镜土膹U機(jī)件和切屑，設(shè)備費(fèi)用較低；在金屬切削機(jī)床中，鑄件占機(jī)床總重量75%以上，而生產(chǎn)成本僅占15-30%（4）但也存在一些不足，如組織缺陷，力學(xué)性能偏低，質(zhì)量不穩(wěn)定，工作環(huán)境較差。因此，鑄件多數(shù)做為毛坯用。組織疏松、晶粒粗大，鑄件內(nèi)部常有縮孔、縮松、氣孔等缺陷產(chǎn)生，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能，特別是沖擊性能較低.（發(fā)展了鑄鍛聯(lián)合工藝）污染環(huán)境。鑄造生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生粉塵、有害氣體和噪聲對(duì)環(huán)境的污染，比起其他機(jī)械制造工藝來更為嚴(yán)重，需要采取措施進(jìn)行控制。（特種鑄造工藝）二、鑄件成形工藝分類按照形成鑄件的鑄型分可分為：砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造、陶瓷型鑄造、消失模鑄造、磁型鑄造等。鑄件的生產(chǎn)工藝方法按充型條件的不同，可分為：重力鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。傳統(tǒng)上，將有別于砂型鑄造工藝的其他鑄造方法統(tǒng)稱為“特種鑄造”。砂型鑄造應(yīng)用最為廣泛，世界各國用砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件占鑄件總產(chǎn)量的90％以上。砂型鑄造可分為手工造型和機(jī)器造型兩種，其工藝流程如圖1所示。

工藝三大塊：冶煉，造型（芯）和澆注落砂shakeout清理cleaning

鑄件檢驗(yàn)入庫砂型sandmould鑄造工藝流程圖合型澆注凝固冷卻型砂moldingsand配制造型砂型干燥工裝準(zhǔn)備爐料準(zhǔn)備合金冶煉芯砂coresand配制造芯coremaking型芯干燥砂型鑄造造型生產(chǎn)線動(dòng)畫鑄件的質(zhì)量(品質(zhì))直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量(品質(zhì))。提高鑄造生產(chǎn)工藝水平是機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代、新產(chǎn)品的開發(fā)的重要保證，是機(jī)械工業(yè)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)質(zhì)量(品質(zhì))和經(jīng)濟(jì)效益、改變行業(yè)面貌的關(guān)鍵之一。

在材料成形工藝發(fā)展過程中，鑄造是歷史上最悠久的一種工藝，在我國已有6000多年歷史了，目前我國鑄件年產(chǎn)量已超過1000萬t。由于歷史原因，長(zhǎng)期以來，我國的鑄造生產(chǎn)處于較落后狀態(tài)。與當(dāng)前世界工業(yè)化國家先進(jìn)水平相比，我國的鑄造生產(chǎn)的差距不是表現(xiàn)在規(guī)模和產(chǎn)量上，而是集中在質(zhì)量和效率上。國內(nèi)外鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平的比較見表1。

表1國內(nèi)外鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平的比較比較項(xiàng)目國

外國

內(nèi)尺寸精度汽缸體和汽缸蓋：一般為CT8～CT9CT10，與國外差2～4級(jí)表面粗糙度汽缸體和汽缸蓋：<25μm>50μm使用壽命汽缸套為6000～10000h3000～6000h鑄件廢品率美、英、法、日約為2%8～15%耗能/噸鑄件360～370kg標(biāo)準(zhǔn)煤(合格鑄件)650kg標(biāo)準(zhǔn)煤勞動(dòng)生產(chǎn)率65t/人年8t/人年熔煉技術(shù)富氧送風(fēng)，鐵水溫度>1500℃1400℃造型工藝廣泛采用流水線，采用高壓造型、射壓造型、和氣沖造型除汽車等行業(yè)中少數(shù)廠采用半自動(dòng)、自動(dòng)化流水線外，多數(shù)廠普遍采用40年代造型技術(shù)鑄造工藝裝備造型機(jī)精度和精度保持能力很高。造型線精度可保持1～2年，設(shè)備綜合開工率>80%，裝備全部標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、商品化精度低，精度保持能力差(<半年)。設(shè)備綜合開工率<50%。裝備標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、商品化程度很低鑄造用工藝材料質(zhì)量很高，如日本硅砂都經(jīng)水洗，含泥量小于0.2%質(zhì)量很差，砂只作篩分，含泥量在2%以上第二節(jié)合金的鑄造性能

合金的鑄造性能是指在鑄造過程中獲得尺寸精確、結(jié)構(gòu)完整的鑄件的能力。主要包括合金的流動(dòng)性、收縮性、吸氣性及其成分偏析傾向性等性能。一、合金的充型液態(tài)合金填充鑄型的過程簡(jiǎn)稱充型；液態(tài)金屬充滿鑄型，獲得尺寸精確、輪廓清晰的鑄件的能力，簡(jiǎn)稱充型能力。

在液態(tài)合金充型過程中，一般伴隨結(jié)晶現(xiàn)象，若充型能力不足時(shí)，在型腔被填滿之前，形成的晶粒將充型的通道堵塞，金屬液被迫停止流動(dòng)，于是鑄件將產(chǎn)生澆不足或冷隔等缺陷。澆不足使鑄件未能獲得完整的形狀；冷隔時(shí)，鑄件雖可獲得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接縫，鑄件的力學(xué)性能嚴(yán)重受損。

充型能力首先取決于金屬液本身的流動(dòng)能力，同時(shí)又受鑄型性質(zhì)、澆注條件及鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。

影響充型能力的因素有：合金的流動(dòng)性、合金的收縮性、合金的吸氣性等。1.流動(dòng)性定義：flowability,液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰，形狀和尺寸符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力(CSS,configuration,shapeandsize)。流動(dòng)性通義是流體的流動(dòng)能力，但不同學(xué)科對(duì)流動(dòng)性有不同的定義，這里是材料成形學(xué)的定義。它的定義說流動(dòng)性是這樣的一種能力，這種能力體現(xiàn)在2個(gè)方面：（1）充滿型腔；（2）形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。這個(gè)定義突出地表明了流動(dòng)性對(duì)金屬液態(tài)成型工藝的重要性。如果流動(dòng)性不好，就不能充滿型腔，就不能形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。也說明不同的合金具有不同的流動(dòng)性特點(diǎn)。在進(jìn)行鑄件設(shè)計(jì)和鑄造工藝制定時(shí)，必須考慮合金流動(dòng)性。那么，我們?cè)鯓雍饬亢辖鸬牧鲃?dòng)性呢？圖1-1螺旋型試樣在相同的澆注工藝條件下，將金屬液澆入鑄型中，測(cè)出其實(shí)際螺旋線長(zhǎng)度。澆出的試樣愈長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性愈好！螺旋形流動(dòng)性試樣

合金種類鑄型種類澆注溫度/℃螺旋線長(zhǎng)度/㎜鑄鐵wC+Si=6.2%wC+Si=5.9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600鑄鋼wC=0.4%

鋁硅合金（硅鋁明）鎂合金（含Al和Zn）錫青銅（wSn≈10%，wZn≈2%）硅黃銅（wSi=1.5%~4.5%）砂型砂型金屬型（300℃）砂型砂型砂型16001640680~72070010401100100200700~800400~6004201000表1-1常用合金的流動(dòng)性（砂型，試樣截面8㎜×8㎜）液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力。流動(dòng)性充型能力易薄壁復(fù)雜鑄件氣孔、夾渣、縮孔灰鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性較好；鑄鋼較差；鋁合金居中。不同成分合金的結(jié)晶特性示意圖見圖1-2含碳量溫度，T碳鋼鑄鐵共晶點(diǎn)圖1-2不同成分合金的結(jié)晶特性

在鑄件凝固過程中，鑄件斷面上存在三個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。其中凝固區(qū)對(duì)鑄件質(zhì)量有較大影響。鑄件的凝固方式也可根據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分，如圖1-2。液態(tài)金屬的凝固鑄件的凝固方式

1.逐層凝固純金屬或共晶成分的合金的凝固，如圖2-1a；2.糊狀凝固結(jié)晶溫度范圍很寬的合金的凝固，如圖2-1c；

3.中間凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，大多數(shù)合金為此凝固方式，如圖2-1b所示。影響鑄件凝固方式的主要因素：表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)（2）鑄件的溫度梯度在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。

表層中心St鑄件溫度成分溫度S1T1T2（1）合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。

合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決定的結(jié)晶特點(diǎn)

PbSb20406080204060800流動(dòng)性（cm）100200300溫度（℃）0合金的種類:

合金不同流動(dòng)性不同合金的成分：同種合金，成分不同，其結(jié)晶特點(diǎn)不同，流動(dòng)性也不同。如圖所示鉛錫合金的流動(dòng)性與相圖的關(guān)系；鉛錫合金的流動(dòng)性與相圖的關(guān)系圖1-3結(jié)晶特性對(duì)流動(dòng)性的影響a)恒溫下b)一定溫度范圍結(jié)晶特性:

恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差純金屬和共晶合金在恒溫下結(jié)晶，為逐層凝固方式，如圖1-3a所示，凝固層表面光滑，阻力小，故流動(dòng)性好，同時(shí)共晶合金熔點(diǎn)最低，故流動(dòng)性最好。而亞共晶合金，為中間凝固方式，復(fù)雜枝晶阻礙流動(dòng)，故流動(dòng)性差，如圖1-3b所示。2.澆注條件（1）澆注溫度指的是澆注時(shí)熔融合金的溫度。一般要求比它的液相線溫度高，即存在過熱度，推遲它的凝固時(shí)間，以保持良好的流動(dòng)性。

澆注溫度粘度過熱度蓄熱多保溫時(shí)間流動(dòng)性。澆注溫度金屬收縮吸氣氧化縮孔、縮松、氣孔和粘砂。

充型能力足夠時(shí)澆注溫度應(yīng)盡可能低。所以，每種合金有自己的合理澆注溫度范圍。澆注溫度：鑄鋼15201620℃；鑄鐵1230

1450℃；鋁合金680

780℃（2）澆注壓力澆注壓力合金的流動(dòng)性。采用方法：增加直澆道高度、壓力鑄造、離心鑄造來提高澆注壓力。3.鑄型填充條件

（1）鑄型導(dǎo)熱能力金屬型鑄型合金的流動(dòng)性。干砂型鑄型（加熱）合金的流動(dòng)性

（2）鑄型的阻力鑄型型腔狹窄、復(fù)雜或鑄型材料發(fā)氣量大型腔內(nèi)氣體（如排氣不暢）金屬液流動(dòng)阻力合金的流動(dòng)性。二、合金的收縮性（constriction）

1.合金的收縮

合金在澆注、凝固直至冷卻到室溫的過程中體積或尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮。合金的收縮（控制不好）縮孔、縮松、變形、裂紋。合金在澆注、凝固直至冷卻到室溫的收縮過程有三個(gè)階段：要經(jīng)歷液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個(gè)互相聯(lián)系的收縮階段。液態(tài)收縮液、凝固收縮凝、固態(tài)收縮固①液態(tài)收縮液

從澆注溫度（T澆）到凝固開始溫度（即液相線溫度T液）間的收縮。T澆T液

Liquidshrinkage

②凝固收縮凝從凝固開始溫度（T凝）到凝固終止溫度（即固相線溫度T固）間的收縮。T凝T固

Solidificationshrinkage

③固態(tài)收縮固從凝固終止溫度（T固）到室溫T室溫間的收縮。

T固T室溫Solidshrinkage

固態(tài)收縮將引起鑄件外部尺寸的變化，故稱尺寸收縮或線收縮。體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因。體收縮率：線收縮率：線收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因。液態(tài)收縮和凝固收縮將引起液體鑄件體積的變化，故稱體積收縮或體收縮。合金的總收縮為上述三種收縮之和。2.影響合金收縮的因素⑴化學(xué)成分碳素鋼C凝固；灰鑄鐵C、Si收縮率；S收縮率。

⑵澆注溫度澆注溫度T過液、總收縮率。⑶鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件凝是受阻收縮，不是自由收縮。①各部V冷不同各部收縮不一致對(duì)收縮產(chǎn)生阻力；②鑄型和型芯收縮機(jī)械阻力實(shí)際收縮率比自由收縮率小。3.鑄件中的縮孔shrinkagecavity與縮松鑄件凝固結(jié)束后常常在某些部位出現(xiàn)孔洞，大而集中的孔洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松?？s孔和縮松可使鑄件力學(xué)性能、氣密性和物理化學(xué)性能大大降低，以至成為廢品。⑴縮孔與縮松的形成由液、凝體積（得不到補(bǔ)充）最后凝固部分產(chǎn)生孔洞形成集中孔洞（縮孔）、細(xì)小分散的孔洞（縮松）。①縮孔的形成（見圖1-5）：假定合金在恒溫下凝固或凝固溫度范圍很窄。圖1-5鑄件縮孔形成過程示意圖縮孔形成過程圖解樹枝狀晶體分隔開的液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所致?？s松大多分布在鑄件中心軸線處、熱節(jié)處、冒口根部、內(nèi)澆口附近或縮孔下方

縮松分為宏觀縮松和顯微縮松：宏觀縮松用肉眼或放大鏡即可看到；顯微縮松用顯微鏡才能觀察到。圖1-6鑄件縮松的形成過程②縮松的形成（見圖1-6）：假定合金在恒溫下凝固或凝固溫度范圍較寬縮松形成機(jī)理：樹枝狀晶體dendriticcrystal所分隔的晶間液體區(qū)得不到補(bǔ)縮形成的小孔隙。

縮松動(dòng)畫縮孔形成機(jī)理：逐層凝固方式下最后凝固部位得不到補(bǔ)充而形成的空隙。

縮孔動(dòng)畫縮孔種類

分布特征存在部位容積大小形狀特征發(fā)生材料縮孔集中上部，最后較大倒錐狀近共晶縮松分散特殊區(qū)域細(xì)小不規(guī)則遠(yuǎn)共晶定向凝固directionalfreezing：是通過安放冒口和冷鐵等工藝措施，實(shí)現(xiàn)人為的順序凝固。

冒口riser：鑄型中特設(shè)的空腔，用于儲(chǔ)備多余金屬液體以彌補(bǔ)收縮引起的金屬液體不足。冷鐵Chill：型壁上外設(shè)的鐵塊，用于加快該處的冷卻速度。⑵縮孔和縮松的防止①縮孔的防止防止產(chǎn)生縮孔的有效措施：定向凝固定向凝固directionalfreezing圖解澆注系統(tǒng)Pouringsystem型腔mouldcavity冒口Riser溫度距離123縮孔shrinkagecavity

定向凝固動(dòng)畫冷鐵的使用圖解123冷鐵ChillChillsaremetallicobjects,whichareplacedinthemouldtoincreasethecoolingrateofcastingstoprovideuniformordesiredcoolingrate.在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用“定向凝同原則”，目的是使鑄件在凝固過程中建立良好的補(bǔ)縮條件，并設(shè)法使分散的縮松轉(zhuǎn)化為集中的縮孔，再使集中的縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中，最后將冒口割去，即可獲得健全的鑄件。也就是通過沒置冒口和冷鐵，使鑄件從遠(yuǎn)離冒口的地方開始凝回并逐漸向冒口推進(jìn)，冒口最后凝固—亦即使鑄件進(jìn)行定向（順序）凝固，在鑄件凝固過程中，冒口始終保持液態(tài)并對(duì)鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)充，合金的液態(tài)收縮和凝固收縮轉(zhuǎn)移到冒口中，最終獲得健全的鑄件。見圖1-7。防止縮孔和縮松常用的工藝措施就是控制鑄件的凝固次序，使鑄件實(shí)現(xiàn)“順序凝固”。

尋找熱節(jié)的方法等溫線法內(nèi)切圓法冷鐵同時(shí)凝固—整個(gè)鑄件幾乎同時(shí)凝固。同時(shí)凝固可有效防止熱應(yīng)力。凝固期間不容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也不易引起應(yīng)力、變形；由于不用冒口或冒口很小而節(jié)省金屬，簡(jiǎn)化工藝、減少工作量。缺點(diǎn)是鑄件中心區(qū)域往往有縮松，鑄件不致密。暗冒口冒口—儲(chǔ)存補(bǔ)縮用金屬液的空腔。順序凝固—鑄件按照一定的次序逐漸凝固。冷鐵熱節(jié)定向凝固的優(yōu)點(diǎn)：冒口補(bǔ)縮作用好，可防止縮孔和縮松，鑄件致密。對(duì)于凝固收縮大，結(jié)晶溫度范圍較小的合金，常采用定向凝固原則以保證鑄件質(zhì)量。定向凝固的缺點(diǎn)：由于鑄件各部分有溫差，凝固期間容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也容易使鑄件產(chǎn)生應(yīng)力和變形。定向凝固使清理工作量大。

②縮松的防止縮松的防止比縮孔困難，目前多采用在熱節(jié)處加冷鐵和加大結(jié)晶壓力的辦法，減少金屬液流動(dòng)的阻力，能達(dá)到部分防止縮松的效果。

縮松轉(zhuǎn)化為縮孔的方法：

盡量選擇凝固區(qū)域較窄的合金，使合金傾向于逐層凝固；

對(duì)凝固區(qū)域較寬的合金，可采用增大凝固的溫度梯度辦法。4.鑄造內(nèi)應(yīng)力stress及鑄件的變形deform和裂紋

鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙時(shí)，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為鑄造內(nèi)應(yīng)力。它是產(chǎn)生變形和裂紋的主要原因。⑴內(nèi)應(yīng)力的形成①鑄件在凝固和其后的冷卻過程中，因壁厚不均，各部分冷卻速度不同，造成同一時(shí)刻各部分收縮不一致，從而在鑄件中相互制約產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力thermalstress

。金屬在冷卻過程中，從凝固終了溫度到再結(jié)晶溫度階段，處于塑性狀態(tài)，在較小的外力作用下，就可以生塑性變形，變形后應(yīng)力可自行消除。低于再結(jié)晶溫度的金屬處于彈性狀態(tài)，受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形，變形后應(yīng)力繼續(xù)存在。內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因：凝固后固態(tài)收縮受阻引起+-+--++表示拉應(yīng)力-表示壓應(yīng)力鑄件因壁厚不均勻，或鑄件中存在著較大的溫差，在同一時(shí)間內(nèi)鑄件各部分收縮不同，先冷卻的部位阻礙了后冷卻部位的收縮，在其內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。圖1-10應(yīng)力框及其熱應(yīng)力的形成過程三桿熱應(yīng)力分析模型綜上所述，熱應(yīng)力的特點(diǎn)：固態(tài)收縮使鑄件厚壁或心部受拉伸。薄壁或表層受壓縮。合金固態(tài)收縮率愈大，鑄件壁厚差別愈大，形狀愈復(fù)雜，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力愈大。

防止熱應(yīng)力產(chǎn)生的途徑：縮小鑄件各部位的溫差，使其均勻冷卻。Ⅰ、選用彈性模量小的合金；Ⅱ、設(shè)計(jì)壁厚均勻的鑄件；Ⅲ、從工藝方面促使鑄件各部位同時(shí)凝固。見圖1-12②機(jī)械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）mechanicalstress機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)應(yīng)力。上型下型鑄件收縮受到鑄型、型芯及澆鑄系統(tǒng)的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為機(jī)械阻礙應(yīng)力。簡(jiǎn)稱機(jī)械應(yīng)力。鑄型或型芯退讓性良好，機(jī)械應(yīng)力則小。機(jī)械應(yīng)力在鑄件落砂之后可自行消除。但是機(jī)械應(yīng)力在鑄型中能與熱應(yīng)力共同起作用，增加了鑄件產(chǎn)生裂紋的可能性。圖1-13⑵鑄件的變形及其防止如果鑄件存在內(nèi)應(yīng)力，則鑄件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，鑄件厚的部分受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng)力。如果內(nèi)應(yīng)力超過合金的屈服極限時(shí)，則鑄件本身總是力圖通過變形來減緩內(nèi)應(yīng)力，因此細(xì)而長(zhǎng)或大又薄的鑄件易發(fā)生變形。如圖1-15所示：車床床身的導(dǎo)軌部分因較厚而受拉應(yīng)力，床壁部分因較薄而受壓應(yīng)力，

圖1-16所示為一平板鑄件，盡管其壁厚均勻，但其中心部分因比邊緣散熱慢、收縮慢而受拉應(yīng)力，邊緣處則散熱較快，收縮較快而受壓力。由于鑄型上面比下面冷卻快，于是該平板發(fā)生了如圖所示方向變形。圖1-16平板鑄件的變形為了防止鑄件變形，設(shè)計(jì)應(yīng)使鑄