金属工艺学第二章铸造

金属工艺学绪论什么叫金属工艺学？是一门研究有关制造金属零件工艺方法的综合性技术基础课。它主要研究：（1）各种工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；（2）金属机件的加工工艺过程和结构工艺性；（3）常用金属材料性能对加工工艺的影响等。金属工艺学中涉及到的知识点在机械制造工程中的地位。课程的性质、任务和要求性质：研究常用工程材料及其成形方法的综合性课程体现理论教学与实践环节密切结合的技术基础课程任务和要求：了解产品的制造过程掌握常用工程材料的种类与性能，能初步选用掌握材料成形的基本原理和工艺特点，能初步运用第一篇金属材料的基础知识第一节金属材料的力学性能力学性能是指金属材料在受外力作用时所反映出来的固有性能。金属材料的力学性能主要有：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳强度等。力学性能指标，是选择、使用金属材料的重要依据。一、强度与塑性强度:材料抵抗由外力载荷所引起的应变或断裂的能力。塑性:材料在外力作用下产生不可逆永久变形而不破坏的能力。拉伸试验标准试件低碳钢拉伸曲线铸铁拉伸曲线F——Δl：载荷伸长量拉伸曲线σ——ε：应力应变曲线σ=F/Aoε=△L/L0分别以σ和ε为纵坐标和横坐标，绘出应力-应变曲线。应力-应变曲线的形状与拉伸曲线完全相似，只是坐标与数值不同。oe——弹性变形阶段；es——屈服阶段；sb——强化阶段；bk——缩颈阶段s-屈服点b-开始发生缩颈现象退火低碳钢力-伸长曲线屈服极限S强化阶段弹性极限P屈服阶段强度极限B颈缩阶段弹性阶段强度指标1.屈服点在拉伸试验过程中，外力不增加(保持恒定)，但试样仍然能继续伸长(变形)，这种现象称屈服。S点称屈服点，S点对应的应力称屈服点应力。用符号σs表示。屈服点应力σs可按下式计算：σs=Fs/A0(MPa)式中：Fs—试样屈服时的载荷，NA0—试样原始横截面积，mm2。2．抗拉强度是指试样拉断前承受的最大应力值，用符号σb表示，单位为Mpa，σb=Fb/A0(Mpa)式中：Fb—试样承受的最大载荷，NA0—试样原始横截面积，mm2。屈服点应力（屈服强度）和抗拉强度在设计机械和选择、评定金属材料时有重要意义。机械零件多以σs作为强度设计的依据。对于脆性材料，在强度计算时，则以σb为依据。塑性指标(1)伸长率δδ=（L1-L0）/L0×100%式中：L0—试样原标距的长度（mm）L1—试样拉断后的标距长度（mm）(2)断面收缩率φ断面收缩率是指试样拉断后断面处横截面积的相对收缩值。φ=（A0-A1）/A0×100%式中：A0—试样的原始截面积（mm2）A1—试样断面处的最小截面积（mm2）δ和φ愈大，则塑性愈好。良好的塑性是金属材料进行塑性加工的必要条件。二、硬度固体材料抵抗塑性变形、压入或压痕的能力。硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。它直接影响到材料的耐磨性及切削加工性。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。金属材料的硬度可用专门仪器来测试，常用的有布氏硬度机、洛氏硬度机等。布氏硬度布氏硬度试验原理图222)(2102.0)(mmNdDDDFHBWHBS式中：F—试验力，ND—压头的直径,mmHBS表示用淬火钢球作为压头测出的硬度值。HBW表示用硬质合金球作为压头测出的硬度值。单位面积所受的力值即为硬度洛氏硬度洛氏硬度试验原理图试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力的情况下，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。布氏硬度与洛氏硬度的特点比较布氏硬度的特点：布氏硬度因压痕面积较大，HB值的代表性较全面，而且实验数据的重复性也好，但由于淬火钢球本身的变形问题，不能试验太硬的材料，一般在HB450以上的就不能使用。由于压痕较大，成品检验也有困难。通常用于测定铸铁、有色金属、低合金结构钢等材料的硬度。洛氏硬度的特点：洛氏硬度HR可以用于硬度很高的材料，而且压痕很小，几乎不损伤工件表面，故在钢件热处理质量检查中应用最多。但洛氏硬度由于压痕较小，硬度代表性就差些，如果材料中有偏析或组织不均的情况，则所测硬度值的重复性也差。三、冲击韧度（ak）有些机件在工作时要受到高速作用的载荷冲击，如锻压机的锤杆、冲床的冲头、汽车变速齿轮、飞机的起落架等。瞬时冲击引起的应力和应变要比静载荷引起的应力和应变大得多，因此在选择制造该类机件的材料时，必须考虑材料的抗冲击能力，即冲击韧度。金属材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力叫做冲击韧度。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧度(大能量、一次冲断）。试验表明，在冲击载荷不太大的情况下，金属材料承受多次重复冲击的能力，主要取决于强度。冲击值对组织缺陷很敏感，因此冲击试验是生产上用来检验冶炼、热加工、热处理等工艺质量的有效方法。夏比冲击试验试验原理ak=AK/A（J·cm-2）式中：Ak—折断试样所消耗的冲击功（J）A—试样断口处的原始截面积（mm2）冲击韧度：标准冲击试样有两种，一种是夏比Ｕ形缺口试样，另一种是夏比Ｖ形缺口试样同一条件下同一材料制作的两种试样，其Ｕ形试样的ak值明显大于Ｖ形试样的ak，所以这两种试样的值ak不能相互比较。对于脆性材料试样一般不开缺口。四、疲劳强度工程上一些机件工作时受交变应力或循环应力作用，即使工作应力低于材料的屈服强度，但经过一定循环周次后仍会发生断裂，这样的断裂现象称之为疲劳。零件的疲劳断裂过程可分为裂纹产生、裂纹扩展和瞬间断裂三个阶段。疲劳的概念:金属材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫做疲劳强度。材料的疲劳强度通常在旋转对称弯曲疲劳试验机上测定。疲劳强度的概念在循环载荷作用下，材料承受一定的循环应力σ和断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，即σ－Ｎ之间的关系曲线，称疲劳曲线σ-N曲线疲劳曲线当零件所受的应力按正弦曲线对称循环时，疲劳强度以符号σ-1表示，即当应力低于σ-1值，既使循环周次无穷多也不发生断裂。无数次应力循环：•对于钢材为107，•有色金属和某些超高强度钢常取108。σ-N曲线2019/10/328GM-KD5025数控龙门磨床床身（41T）铸件第二篇铸造2019/10/329金属熔化液态金属浇入铸型落砂清理后成为铸件第一章铸造的工艺基础一、铸造：将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，叫做铸造。2019/10/330二、铸造的特点：１、能制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯；２、铸件重量及所用合金几乎不受限制；３、铸件的切削加工余量较小、成本低。因此，得到了广泛的应用。但是：1、抗拉强度和冲击韧性不如锻、焊件。2、工艺复杂，故废品率高。2019/10/331第一节液态合金的充型一、充型概念：液态合金填充铸型的过程，简称充型。液态合金充满铸型型腔，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。二、充型能力的影响因素：１、合金的流动性（常用螺旋形试样长度来衡量）：流动性愈好，充型能力愈好，愈便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。螺旋形试样2019/10/3321)、合金流动性的测定：用“螺旋形试样”的长度来衡量。在相同浇注条件下，试样愈长，流动性愈好。2)、影响合金流动性的因素：主要是合金的化学成分。液相线与固相线间的距离（T液－T固）称为结晶间隔。结晶间隔越大流动性越差，反之越好，因此共晶成分合金流动性最好.(图2-3）。２、浇注条件(浇注温度和充型压力）：浇注温度越高，充型压力越大则充型能力越好。３、铸型填充条件（铸型的蓄热能力，铸型温度和铸型中的气体）：铸型的蓄热能力低，铸型温度较高，铸型排气能力较好时则充型能力较好。由于充型能力低而引起的缺陷有：冷隔、浇不足。Fe-C合金流动性与含碳量关系2019/10/333铸件的凝固方式第二节铸件的凝固与收缩一、铸件的凝固逐层凝固（充型能力好，便于补缩）１、凝固方式糊状凝固(易形成缩孔、难以获得结晶紧实的铸件）中间凝固（介于上两者间）2019/10/334合金的结晶温度范围２、影响凝固方式的主要因素合金性质铸件的温度梯度铸型的蓄热能力浇注温度二、铸造合金的收缩铸造合金在浇注、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象称为收缩。1、收缩的实质：按空穴理论，随着温度的下降合金中空穴的数量少，原子间距缩短，使其体积和尺寸缩小。液态收缩ε液：T浇~T液的收缩，T浇越大，ε液则越大２、收缩的分类凝固收缩ε凝：T液~T固的收缩，结晶间隔越大,ε凝则越大固态收缩ε固:T固~室温的收缩,与合金的线膨胀系数有关。2019/10/335三、铸件中的缩孔与缩松：１、缩孔和缩松的形成：液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固部位形成一些孔洞，按孔洞的大小和分布，分为缩孔和缩松。1）、缩孔：集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞。特征：多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件内层，有时暴露于表面。缩孔的形成影响因素：Ａ、ε液、ε凝的大小；Ｂ、浇注温度的高低；Ｃ、铸件厚度。2019/10/336２）、缩松：分散在铸件某区域内的细小缩孔，称为缩松。分宏观缩松和显微缩松。形成原因：由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足，或者因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔的小液体区难以得到补缩所致。逐层凝固合金易产生缩孔（如纯金属、共晶合金），糊状凝固合金易产生缩松，（如锡青铜）。明集中缩孔暗集中缩孔分散缩孔缩松2019/10/337２、缩孔和缩松的防止：１）、适当地降低浇注温度和浇注速度。２）、采用顺序凝固、冒口补缩(顺序凝固原则)。３）、按冷铁、采用金属型。缩孔部位的确定：常用“凝固等温线法”、“内切圆法”。2019/10/338缩孔缩松2019/10/339⑵偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果2019/10/340⑶气孔:是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸件中的气孔孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。2019/10/341第三节铸造内应力变形和裂纹内力：构件内部相互作用并达平衡的力。与内应力、变形、裂纹相关的是固态收缩。一、内应力的形成：因固态收缩受阻。按内应力产生的原因分为：机械应力、热应力。１、机械应力（受机械阻碍而形成的）原因：铸件固态收缩时，受到铸型或型芯等的机械阻碍而产生的内应力。机械应力使铸件产生拉伸或剪切应力，并且是暂时的，在铸件落砂之后，这种应力便可自行消失。2019/10/342２、热应力：由于同一构件各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。１）、热应力的形成再结晶温度（t临）：产生了加工硬化的工件，在加热至某一温度后能发生再结晶现象，此温度叫再结晶温度。高于再结晶温度时，材料处于塑性状态，低于再结晶温度时材料处于弹性状态。2019/10/343T0-T1均处于塑性状态T1-T2Ⅱ处于弹性状态，Ⅰ处于塑性状态T2-T3Ⅰ、Ⅱ均处于弹性状态ABCD2019/10/344冷至室温（T3）时，杆Ⅰ受拉，杆Ⅱ受压。判断应力方向的规律：最后冷却收缩的部分受拉伸应力，先冷却收缩的部位受压应力。因此铸件的厚壁或心部受拉，薄壁或表层受压。由上可知：由于内应力的存在，就等于铸件在未承受载荷之前，自身就已承受了应力载荷，因而使铸件的实际承载能力降低，同时应力过大时，会导致变形、开裂而报废。壁厚差２）、热应力的影响因素线收缩率弹性模量2019/10/345３）、预防措施：Ａ、设计壁厚均匀的铸件；Ｂ、选用线收缩率小的合金；Ｃ、在工艺上采取措施，控制铸件厚处和薄处同时冷却（同时凝固原则）；Ｄ、对已存在应力铸件进行低温去应