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热加工工艺基础1金属材料导论2金属液态成形（铸造）3金属塑性成形（金属压力加工）4金属连接成形（焊接）热加工工艺上次课内容的回顾铁碳合金（组织、状态图、两种反应、四把火）铁素体：碳溶解在α—Fe中的间隙固溶体(F）奥氏体：碳溶解在γ—Fe中的间隙固溶体（A）渗碳体：铁与碳形成的金属化合物（Fe3C）珠光体：是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体（P）莱氏体：是液态铁碳合金发生共晶转变所形成的奥氏体与渗碳体的共晶体（Ld）两种反应：1、共晶反应2、共析反应LL+AAF+APLdL'd钢的分类及选材碳素结构钢（0.38%C)优质碳素结构钢(0.2-0.7%C用途广)碳素工具钢(T8等)碳素钢合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢退火：降低硬度，便于机加工。消除应力。淬火：获得马氏体（M)组织。正火：用于普通结构件的最终热处理回火：主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹第二篇液态成形（铸造）液态成形工艺基础铸件生产结构设计铸造工艺1234★铸造的发展史金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）。其中砂型铸造是最基本的液态成形方法，所生产的铸件要占铸件总量的80%以上。将熔炼好的液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦称铸造。第五章铸造工艺基础什么是金属的液态成形?金属的液态成形的方法:砂型铸造过程适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯1对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制2成本低，原材料来源广，价格低廉，一般不需要昂贵的设备3对于某些塑性很差的材料(如铸铁等)是制造其毛坯或零件的唯一成型工艺4液态成型的优点液态成型的缺点工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制1液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差2零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定3由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低4夹砂缺陷气孔缺陷液态合金的工艺性能液态合金的工艺性能表征为液态合金的铸造性能通常是指合金的流动性、凝固特性、收缩性、吸气性及偏析等性能。合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。充型能力——液态金属充满铸型型腔，获得形状准确、轮廓清晰铸件的能力。充型能力不足浇不足冷隔夹砂夹渣气孔充型能力的决定因素合金的流动性铸型性质浇注条件铸件结构等5.1液态合金的充型测试合金充型能力的方法:如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的试样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好。几种不同合金流动性的比较铸铁的流动性铸钢的流动性5.1.1合金的流动性合金流动性的决定因素化学成分：同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不同。结晶特性:恒温下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差。浇注条件浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强。液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大,充型能力越强。浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。5.1.2浇注条件5.1.3铸型填充条件（1）铸型的蓄热能力——即铸型从金属中吸收和储存热量的能力。铸型材料的导热系数和比热愈大，对液态合金的激冷能力愈强，合金的充型能力就愈差。（2）铸型温度（3）铸型中的气体（4）铸件结构铸件壁厚过薄、壁厚急剧变化或有大的水平面时，都使金属液流动困难。提高合金的流动性1234选用共晶成分合金，或结晶温度范围窄的合金提高合金液质量，减少杂质提高浇注温度和充型压力合理设置浇注系统和改进铸件结构5.2铸造合金的凝固与收缩5.2.1铸造合金的凝固一、铸件的凝固方式在铸件的凝固过程中，截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。逐层凝固糊状凝固中间凝固二、影响凝固方式的因素影响铸件凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。1、合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢为逐层凝固；高碳钢因结晶温度范围甚宽，为糊状凝固。2、铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决于铸件内外层间的温度梯度。若铸件的温度梯度由小变大(图中T1→T2)，则其对应的凝固区由宽变窄。倾向于逐层凝固的合金(如灰口铸铁、铝硅合金等)便于铸造，应尽量选用。若必须采用倾向于糊状凝固合金(如锡青铜、铝铜合金、球墨铸铁等)时，可考虑采用适当的工艺措施(例如选用金属型铸造)，以减小其凝固区域。5.2.2铸造合金的收缩铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中所发生的体积减小的现象，称为收缩。收缩是多种铸造缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、变形等）产生的根源。合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金的体积缩小，常称为体收缩；合金的固态收缩能引起铸件尺寸的缩小，常称为线收缩。一、合金的收缩阶段二、影响收缩的因素影响合金收缩的主要因素有以下几个方面：1、化学成分铸铁中促进石墨形成的元素增加，收缩减小；阻碍石墨形成的元素增加，收缩增大。在灰口铸铁中，碳是形成石墨的元素；硅是促进石墨形成的元素；硫是强烈阻碍石墨化的元素；锰可抵消硫对石墨化的阻碍作用，故适量的锰可使铸铁的收缩减小。2、浇注温度合金的浇注温度越高，过热度越大，液态收缩量也越大，故总收缩量增加。通常在满足流动性要求的前提下，应尽量采用低温浇注以减少液态收缩。3、铸件结构与铸型条件合金在铸型中的线收缩大多不是自由收缩，而是受阻收缩。这些阻力来源于铸件各部分收缩时受到的相互制约及铸型和型芯对铸件收缩的阻碍。合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔:恒温下结晶缩松:两相区结晶固态收缩裂纹变形应力合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷。（如：缩孔、缩松、裂纹、变形等）。（线收缩）（体收缩）5.2.3铸件中的缩孔与缩松液态金属在铸型内凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩导致体积缩小，若其收缩得不到补充，就在铸件最后凝固的部分形成孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。一、缩孔的形成纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金,浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔.缩孔形成的条件：铸件呈逐层凝固方式凝固，成分为纯金属或共晶成分的合金。缩孔产生的基本原因：是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。用画内切圆法确定缩孔位置缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，如壁较厚大的上部或铸件两壁相交处，这些地方称为热节。热节位置可用画内接圆的方法确定。合金的液态收缩和凝固收缩愈大、浇注温度愈高、铸件愈厚，缩孔的体积愈大。二、缩松的形成铸件最后凝固的收缩未能得到补充，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。缩松形成的条件：铸件主要呈糊状凝固方式凝固，成分为非共晶成分或有较宽结晶温度范围的合金。形成缩松的基本原因：是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、冒口根部、热节处，也常分布在集中缩孔的下方。缩孔与缩松的形成演示缩孔易出现的部位三、影响缩孔和缩松形成的因素1、合金成分结晶温度范围越小的合金，产生缩孔的倾向越大；结晶温度范围越大的合金，产生缩松的倾向越大。V总—总体积收缩容积；V孔—缩孔容积；V松—缩松容积铁碳合金成分和体积收缩的关系纯铁、共晶铸铁容易形成缩孔。若浇口设置恰当，缩孔可全部转移到冒口中，而获得致密铸件。远离共晶成分的亚共晶铸铁，易形成缩松，基体组织的致密性差。2、浇注条件提高浇注温度时，合金的总体积收缩和缩孔倾向增大。V总—总体积收缩容积；V孔—缩孔容积；V松—缩松容积铁碳合金成分和体积收缩的关系浇注速度很慢或向冒口中不断补浇高温合金液，使铸件液态和凝固收缩及时得到补偿，铸件总体积收缩减小，缩孔容积也减小。3、铸型材料铸型材料对铸件冷却速度影响很大。4、铸件结构铸件结构与形成缩孔、缩松的关系极大，设计时必须予以充分注意。湿型比干型的冷却能力大，使凝固区域变窄，缩松减少。金属型的冷却能力更大，故缩松更显著减少。上次课内容的回顾合金的充型能力影响充型能力的因素合金的流动性铸型性质浇注条件铸件结构结晶特性:恒温下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差浇注温度充型压力浇注系统铸型的蓄热能力、铸型温度、铸型中的气体和铸型的结构化学成分、结晶特性液态金属的凝固与收缩凝固方式有：逐层凝固、糊状凝固、中间凝固合金的收缩：液态收缩、凝固收缩、固态收缩影响收缩的因素：化学成分(c含量)、浇注温度、铸件结构、铸型条件合金的收缩会造成许多铸造缺陷。（如：缩孔、缩松）。影响缩孔和缩松形成的因素:合金成分、浇注条件、铸型材料、铸件结构四、缩孔和缩松的防止方法缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降，缩松还可使铸件因渗漏而报废。因此，必须根据技术要求，采取适当的工艺措施予以防止。一、控制铸件的凝固过程实践证明，只要能使铸件实现“顺序凝固”(定向凝固)或“同时凝固”，尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩孔的致密铸件。顺序凝固原则示意图“顺序凝固”原则是让铸件远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固，实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。“顺序凝固”适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰口铸铁和可锻铸铁等。同时凝固原则示意图“同时凝固”原则，就是从工艺上采取必要的措施，使铸件各部分的冷却速度尽量相等，以达到铸件各部分几乎同时凝固完结。“同时凝固”原则，适用于碳、硅含量较高的灰口铸铁和球墨铸铁。采用“顺序凝固”时，尽管冒口补缩作用好，但冷却速度不一致，易产生铸造应力、变形及裂纹等缺陷；冒口消耗金属多，降低了铸件的出品率，并且，冒口切割较为困难。采用“同时凝固”时，铸件出现裂纹、应力和变形的倾向性小，不必设置冒口，使工艺简化，又能节省金属材料，而且，提高了铸造的出品率。二、合理应用冒口、冷铁等工艺措施冒口一般设置在铸件厚壁处和热节部位，是防止缩孔、缩松最有效的措施，冒口的尺寸应保证冒口比铸件补缩部位凝固得晚，并有足够的金属液供给。冷铁通常是用铸铁、钢和铜等金属材料制成的激冷物。放入铸型内，用以加大铸件某一部分的冷却速度，调节铸件的凝固顺序。阀体铸件的冒口和冷铁位置1—浇口；2—明冒口；3—暗冒口(或边冒口)；4—冷铁解决缩孔的方法演示内应力热应力机械应力变形裂纹由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度也不相同，以致在同一时间内，铸件各部分的收缩不一致而造成铸件内部产生的应力，称为热应力。残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹(热裂纹与冷裂纹）。5.3铸造内应力、变形与裂纹合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力，称为机械应力。5.3.1铸造内应力的形成一、热应力t0——t1高温阶段，塑性状态，内应力通过塑性变形消除t1——t2Ⅱ杆弹性状态，Ⅰ塑性状态，Ⅱ杆受拉应力，Ⅰ受压应力，内应力通过Ⅰ塑性变形消除t2——t3Ⅰ、Ⅱ杆弹性状态，Ⅰ比Ⅱ温度高，Ⅰ收缩大于Ⅱ，Ⅰ收缩受Ⅱ的阻碍，产生拉应力热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。二、机械应力铸件冷却到弹性状态以后，由于受到铸型、型芯和浇、冒口等的机械阻碍而产生的应力，称机械应力。法兰的机械应力机械应力：应适时开箱加以解决。机械应力与热应力共同作用，当大于材料的强度极限时会导致裂纹的形成。三、减小和消除铸造应力的方法1、工艺方面：尽量采用合理的铸造工艺，使铸件的凝固过程符合同时凝固原则2、造型工艺上：采取相应措施以减小铸造应力，如改善