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材料加工工艺复习1.1材料加工工艺及其在制造业中的地位1.221世纪材料加工工艺展望2.1金属液态成形（铸造）概述液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。铸造工艺的特点各种铸造方法应用范围Fe-C合金状态图稳态与非稳态状态平衡！2.2铸造合金的工艺性能2.2.1铸造合金的充型能力•充型能力的好与差，首先取决于铸造合金的流动性，同时又受到外界条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映，要注意两者（合金的流动性、充型能力）的差别。2.2.2铸造合金的收缩性及缩孔、缩松的形成1.铸造合金的收缩性液态合金当温度下降,而由液态转变为固态时，因为金属原子由近程有序逐渐转变为远程有序，以及空穴的减少或消失，一般都会发生体积减小。液态合金凝固后，随温度的继续下降，原子间的距离还要缩短，体积也进一步减小。铸造合金在液态、凝固态和固态冷却的过程中，由于温度的降低而发生的体积减小现象，称为铸造合金的收缩性。铸件的收缩缺陷——缩孔、缩松、热裂、应力、变形和裂纹等体收缩——铸造合金由液态到常温的收缩。长度改变量来表示合金在固态时的收缩，称为线收缩。在设计和制造模样时，线收缩更有意义。矩形铸件体积亏损Ⅰ）型腔容积，即金属液原始体积V原始V原始＝S×S×HⅡ）常温下铸件假想轮廓外形体积V假V假＝S’×S’×hⅢ）铸件轮廓体积亏损V亏V亏＝v原始一V假Ⅳ）常温下铸件轮廓外形体积V轮廓。1一外缩孔2一内缩孔3一缩松4一缩陷缩陷容积＝V假－V轮廓合金的收缩经历三个相互联系的阶段：液态收缩阶段（I）；凝固收缩阶段（Ⅱ）；固态收缩阶段（Ⅲ）。a)合金状态图b）具有结晶温度范围合金（m成分）的收缩过程c）共晶合金（n成分）的收缩过程（1）液态收缩当液态合金从浇注温度t浇冷却至开始凝固的液相线温度t液时的收缩，由于合金是处于液体状态，故称其为液态收缩，表现为型腔内液面的降低。液态收缩率εv液可用下式表示：εV液=αv液（t浇－t液）X100％（2）凝固收缩对于具有一定结晶温度范围的合金，由液态t液转变为固态t固时，由于合金处于凝固状态，故称为凝固收缩。这类合金的凝固体收缩率主要包括温度降低（与合金的结晶范围有关）和状态改变（状态改变时的体积变化）两部分。金属种类FeAlMgCuCoZnAgSnPbSbBiαV液4.06．244．834．84．84．444．352．792．69-0．93-3．1液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因各种纯金属的凝固体收缩率（%）（3）固态收缩当铸造合金从固相线温度t固冷到室温t室时的收缩，由于合金处于固体状态，故称为固态收缩。其固态收缩率表示如下：εV固=αv固（t固－t室）X100%但在实际生产中，由于固态收缩往往表现为铸件外形尺寸的减小，因此，一般采用线收缩率来表示：εL＝αL（t固－t室）X100％合金类别收缩率（％）合金类别收缩率（％）自由收缩受阻收缩自由收缩受阻收缩灰铸铁：中小型与小型件中、大型铸件圆筒形件：长度方向直径方向孕育铸铁可锻铸铁球墨铸铁白口铸铁1.00.90.90.71.0-1.50.75-1.01.01.751.90.80.80.50.8-1.00.5-0.750.81.5铸造碳钢和低合金钢含铬高合金钢铸造铝硅合金铸造铝镁合金铝铜合金(wCu＝7％～18％）锡青铜锌黄铜1．6—2．01.3-1.71.0-1.21.31.61.41.8-2.01．3—l．71.0-1.40.8-1.01.01.41.21.5-1.7铸件的铸造收缩率不仅与所用合金的因素有关，而且还与铸型工艺特点、铸件结构形状以及合金在熔炼过程中溶解的气体量等因素有关。合金类别收缩率（％）合金类别收缩率（％）自由收缩受阻收缩自由收缩受阻收缩灰铸铁：中小型与小型件中、大型铸件圆筒形件：长度方向直径方向孕育铸铁可锻铸铁球墨铸铁白口铸铁1.00.90.90.71.0-1.50.75-1.01.01.751.90.80.80.50.8-1.00.5-0.750.81.5铸造碳钢和低合金钢含铬高合金钢铸造铝硅合金铸造铝镁合金铝铜合金(w＝7Cu％～18％）锡青铜锌黄铜1．6—2．01.3-1.71.0-1.21.31.61.41.8-2.01.3—l.71.0-1.40.8-1.01.01.41.21.5-1.7常用铸造合金的铸件线收缩率缩孔、缩松铸件在冷却和凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的地方出现孔洞。容积大而且比较集中的孔洞称为缩孔；细小而且分散的孔洞称为缩松。缩孔的形状不规则，表面粗糙，可以看到发达的树枝晶末梢，故可以明显地与气孔区别开来。缩孔和缩松是铸件中常见的缺陷之一，因此，在生产中必须设法防止。铸件中缩孔形成过程示意图合金成分与缩孔、缩松形成的关系定向凝固的合金倾向于产生集中缩孔；糊状凝固的合金倾向于产生缩松.合金的不同凝固特性碳素钢金属液凝固时，结晶从铸型型壁开始，外生晶粒群体形成的凝固前沿是光滑的。凝固前沿向集中在铸件中心部的液相逐层推进，当相互面向的凝固前沿在铸件中心会合时，凝固告终。凝固开始形成的外生壳承载能力高，凝固时液相补缩通道畅通，铸件接受补缩（受补）能力高。这种凝固有光滑的凝固前沿，是外生壳状凝固方式。灰口铸铁液态金属及有色金属（例如铝合金）液凝固晶粒在金属液内部形核、长大。但在铸型型壁处的晶粒由于热量能迅速传出，故形核、长大速度快，结晶得快形成固体外壳，有粗糙的凝固前沿，故称为内生壳状凝固。球墨铸铁的凝固属于糊状凝固方式。金属液凝固时，按内生生长方式结晶，等轴晶晶粒或晶粒集合体（共晶晶粒、共晶团）在型腔金属液整个容积内生长。晶粒大小是靠近型壁的细些，在铸件中心的粗些，但布满于整个熔液中，此时固相与液相的混合体犹如糊粥，故称之为糊状凝固方式。(4)影响缩孔、缩松大小的因素及防止措施铸造合金的液态收缩愈大，则缩孔形成的倾向愈大；合金的结晶温度范围愈宽，凝固收缩愈大，则缩松形成的倾向愈大。凡能促使合金减小液态和凝固期间收缩的工艺措施（如调整化学成分，降低浇注温度和减慢浇注速度，增加铸型的激冷能力，增加在凝固过程中的补缩能力，对于灰口铸铁可促进凝固期间的石墨化等），都能有利于减小缩孔和缩松的形成。铸件的凝固方式要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方式（采用设置冒口和冷铁配合）使之符合于“定向凝固原则”、“同时凝固原则”或“均衡凝固”。1）顺序凝固：铸件的顺序凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后才是冒日本身凝固的次序进行，也即在铸件上远离冒口或浇道的部分到冒口或浇道之间建立一个递增的温度梯度。2）同时凝固：同时凝固原则，是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差很小．使各部分同时凝固。（3）均衡凝固：铸铁（灰铸铁和球墨铸铁）液态冷却时要产生体积收缩，凝固时析出石墨又产生体积膨胀。均衡凝固是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩，采取工艺措施，使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固工艺原则。2.2.3铸造应力、变形与裂纹1.铸造应力铸件在凝固以后的冷却过程中，由于温度下降而产生收缩，有些合金还会发生固态相变而引起膨胀或收缩，这些都使铸件的体积和长度发生变化，若这些变化受到阻碍（热阻碍、外力阻碍等），便会在铸件中产生应力，称为铸造应力。铸造应力的种类铸造应力按其产生的原因可分为三种：热应力、相变应力和收缩应力临时应力：产生应力的原因消除以后，应力即告消失；剩余（残余）应力：产生应力的原因消除以后，应力依然存在于铸件中。在铸件冷却过程中，两种应力可能同时起作用，冷却至常温并落砂以后，只有剩余应力对铸件质量有影响。(1)热应力热应力是铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。影响热应力大小的因素如下:1)铸件中热应力的大小与合金的弹性模量E成正比，E值愈大，热应力也愈大。如铸钢和球墨铸铁的热应力就比灰铸铁大。2）合金的线收缩（膨胀）系数a愈大，则热应力也愈大。3）铸件的壁厚差愈大，冷却时厚薄两部分温差也就愈大；合金的导热性能较小，温差’(‘就愈大（如合金钢就比碳钢的导热性能差）；铸型的蓄热系数愈大，或降低浇注温度，铸件的冷却速度就愈快，引起的温差也就愈大，产生的热应力也增大；相反，产生热应力就愈小。(2)相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。如铸铁的共折转变，由奥氏体转变为珠光体或铁素体加石墨，及钢的共折转变，都会使铸件的体积膨胀。相变应力的方向可能与热应力方向相同，也可能相反，前者使应力叠加，加剧应力对铸件质量的不利影响，后者则减轻其不利影响。相变应力可以是临时应力，也可能是剩余应力。(3)收缩应力铸件固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱带等外力的阻碍而产生的应力称为收缩应力。收缩应力通常表现为拉应力和压应力。铸件落砂后形成应力的原因即消除，应力也随之基本消失。因此，收缩应力是一种临时应力。但若在落砂前与剩余应力方向相同时，两种应力相互叠加，有时会使铸件产生冷裂。若与剩余应力方向相反，则可相互抵消。铸造应力是热应力、相变应力和收缩应力三者的矢量和。在不同情况下，三种应力有时相互抵消，有时相互叠加；有时是临时的，有时是剩余的。但在实际生产中，对于不同形状的铸件，其铸造应力的大小分布是十分复杂的。铸件部位热应力相变应力机械阻碍应力共折转变石墨析出落砂前落砂后厚处或中心处十－－十0（或十）薄处或外层处－十十十0（或十）铸件中各种应力与产生部位的关系注：表中“＋”表示受拉应力，“－”表示受压应力。(4)减小和消除铸造应力的方法1）采取各种措施减小铸件冷却过程中各部分的温差，以及改善铸型和型芯的退让性。具体方法如下：a.工艺上采取冒口、冷铁配合使用，加快厚大部分的冷却，尽量让铸件形成同时凝固；在满足使用要求的前提下，减小铸件的壁厚差，分散或减小热节；提高铸型温度，以减小各部分的温差，此法广泛用于金属型和熔模铸造。。b.控制合适的型、芯紧实度，加入退让性比较好的材料（如木屑等）铸件提早打箱或松砂，以减小收缩时的阻力等措施。c.在满足铸件使用性能的前提下，选择弹性模量E和收缩系数α小的铸造合金2）消除铸造应力的方法a.人工时效这种方法是将铸件重新加热到合金的临界温度tK以上，即使铸件处于塑性状态的温度范围。在此温度下保温一定时间，使铸件各部分的温度均匀，让应力充分消失，然后随炉缓慢冷却以免重新形成新的应力，通常将此法称为人工时效（也叫热时效、消除内应力退火等）。这种方法的优点是：去除应力彻底、周期短、占地少，生产中广泛应用；其缺点是燃料消耗大、易产生氧化皮和尺寸变化、费用较高。b.自然时效此法是将具有残余应力的铸件露天放置数个月乃至一年，随着长时间及自然温度的变化，使铸件发生非常缓慢的变形，从而使剩余应力消除。c.振动时效这种方法是将铸件在共振条件下（振动频率在400～6000Hz）振动10—60min，以达到消除剩余应力的目的。2(5)铸造应力大小的测定.σ—铸造应力e1-e2—绝对变形量，即中间杆切断前后两测定点的距离差E—金属的弹性模量L—试样杆长度f1—中间杆的断面积f2—两侧杆的断面积之和2.铸件的变形由于铸造应力的缘故，处于应力状态（不稳定状态）下的铸件能够自发地发生变形以减少内应力而趋于稳定状态，快冷部分凸起，慢冷部分凹下。为了防止变形的产生，必须首先设法降低和消除铸件内的剩余应力或从工艺上采取措施如大型铸件采用反变形法；具有一定塑性的薄壁铸件可进行校直，设拉肋等，以减小变形。3.铸件的裂纹(1)热裂a.热裂的产生过程。一般认为，热裂是在凝固的末期，固相线附近出现的。此时，由于铸件中结晶的骨架已经形成并开始收缩，但晶粒间还有一定量的液相存在，且这时铸件强度和塑性极低，收缩稍受阻碍即可开裂。b.热裂的特征是：断面严重氧化，无金属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展，外观形状曲折而不规则（铸钢件裂口表面近似黑色，铝合金则呈暗灰色）。c.热裂的分类及危害热裂又可分为外裂纹和内裂纹。外裂纹:在铸件表面、可