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JiangsuPolytechnicUniversity材料成形技术FundamentalofMaterialsForming材料科学与工程系材料需要成形才能使用，材料的发展和成形工艺的发展是密不可分的。所以材料成形工艺是材料能否得到善用的关键。材料科学基础:为新材料、新技术提供理论基础。金属材料制备流程:（探矿）（采、选矿）（冶炼）材料制备加工成型（工件）1.金属液态成形2.金属塑性成形3.金属连接成形4.其它成形5.成形方法选择课程内容基本要求1、掌握毛坯或制品的成形方法、成形原理及其成形的工艺特点。2、根据毛坯或制品能正确选择成形方法，制定工艺及参数的初步能力；3、综合运用工艺知识分析零件结构工艺性的能力。铸造(casting)例如：汽车轮毂（Al、Zn）、活塞（Al）、手机外壳（Mg）等挤压(extrusion)轧制(rolling)拉拔(drawing)冲压(punching)锻造(forging)焊接（welding)第一章铸造成形工艺理论基础金属液态成型：即铸造，casting，是将液态金属借助外力充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。注意2个过程：（1）充填型腔（2）凝固冷却铸造工艺特点（1）适应性广。适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；对于塑性很差的某些金属材料铸造是其成形的唯一方法。（2）可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。（3）成本较低。（4）但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。因此，铸件多数做为毛坯用。分类按造型分:砂型铸造与特种铸造。①砂型铸造：适用于各种金属材料、大小、形状和批量不同的铸件，成本低廉。占铸件生产总量的90%以上。②特种铸造：砂型铸造以外的其它铸造方法。其主要有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造等。铸件质量较好、生产率较高；但成本也较高。型砂配制造型砂型干燥工装准备炉料准备合金冶炼芯砂配制造芯型芯干燥工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇注落砂清理铸件检验入库砂型铸造工艺流程图合型浇注凝固冷却§1金属的铸造性能本节主要内容：铸造工艺性问题1.熔融合金的流动性与充型2.凝固过程中的收缩及其影响3.铸件常见缺陷1.1流动性及充型（1）流动性：熔融金属的流动能力。流动性通义是流体的流动能力，但不同学科对流动性有不同的定义，这里是材料成形学的定义。它的定义说流动性是这样的一种能力，这种能力体现在2个方面：（1）充满型腔；（2）形成符合要求的优质铸件。这个定义突出地表明了流动性对金属液态成型工艺的重要性。如果流动性不好，就不能充满型腔，就不能形成符合要求的优质铸件。也说明不同的合金具有不同的流动性特点。（2）充型能力：液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力(CSS,configuration,shapeandsize)。液态合金填充铸型的过程,简称充型。影响充型能力的主要因素：(1)流动性(2)浇注条件(3)铸型条件夹渣冷隔浇不足充型能力差会产生：气孔螺旋形流动性试样影响合金流动性的材料因素合金的流动性主要取决于它本身的化学成分。常用的铸造合金中，灰铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，而铸钢的流动性最差。钢铁的流动性，可以从Fe-C合金相图判别。温度，T碳钢铸铁共晶点合金的化学成分决定了2种凝固模式纯金属和共晶合金，对应A点和C点成分，有确定的熔点，恒温结晶，结果在铸型中凝固过程将从表及里推进，称为逐层凝固非共晶合金没有一个确定的熔点，它的凝固结晶是在一个温度区间内完成的，属非恒温结晶。在这个温度区间内，同时存在已经凝固的部分，如先晶，或树枝状晶主干，和还没有凝固的部分，固相和液相并存，象桨糊状态，流动性差，所以称为糊状凝固。离共晶点C越远，结晶温度区间越宽，流动性就越差。换句话说，C点成分以前的铁碳合金，即亚共晶铸铁，流动性随含碳量的增加而提高；过共晶铸铁呢，即C点成分以后的合金，流动性随含碳量的增加而下降。这就是铁碳合金流动性与含碳量的关系。结论：结晶温度范围越宽，合金的充型能力越差。磷元素提高充型能力硫降低充型能力钢充型能力差熔点高化学成分结晶温度范围宽影响熔融合金充型的工艺条件①浇注条件：主要指浇注温度，浇注压力。其中最重要的是浇注温度。浇注温度指的是浇注时熔融合金的温度，一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。但是也不能太高，否则造成吸气，氧化，过收缩，粘砂，胀砂等不良后果。所以，每种合金有自己的合理浇注温度范围。参教材P5。②铸型：导热能力，铸型温度（预热），排气，铸型结构。参看P5-6。1.2液态合金的收缩收缩定义：在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。收缩是液态合金凝固冷却过程中的必然现象，它产生缩孔与缩松，内应力，变形和裂纹等缺陷，使铸件质量不符合要求。对铸造工艺影响很大。收缩历程对应凝固冷却过程可以分为3阶段合金收缩率是3阶段收缩率之和。常用合金的收缩衡量：体收缩率和线收缩率。液态收缩凝固收缩固态收缩合金体积缩孔和缩松的根本原因轮廓尺寸内应力，变形和裂纹的根本原因影响收缩的因素：（１）化学成分碳素钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态收缩略减；灰铁中碳、硅含量越高则石墨化能力越强，收缩率越小；硫阻止石墨化，硫量增加则灰铁的收缩率增大。（２）浇注温度浇注温度愈高，过热度愈大，合金的液态收缩增加。（３）铸件结构因形状和尺寸不同，各部分的冷却速度不同，对铸件收缩产生阻碍。（4）铸型和型芯对铸件的收缩也产生机械阻力铸件的实际线收缩率比自由线收缩率小。选取适合的收缩率。1.缩孔与缩松分布特征存在部位容积大小形状特征发生材料缩孔集中上部，最后较大倒锥状近共晶缩松分散特殊区域细小不规则远共晶缩孔形成机理：逐层凝固方式下最后凝固部位得不到补充而形成的空隙。缩松形成机理：树枝状晶体所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。顺序凝固易形成缩孔！同时凝固易形成缩松！缩孔形成过程图解防止产生缩孔的有效措施：定向凝固，P8所谓定向凝固，是通过安放冒口和冷铁等工艺措施，实现人为的顺序凝固。冒口：铸型中特设的空腔，用于储备多余金属液体以弥补收缩引起的金属液体不足。冷铁：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。定向凝固图解浇注系统型腔冒口温度距离123缩孔冷铁的使用图解123冷铁2.铸造应力与铸件变形内应力产生原因：凝固后固态收缩受阻引起。铸造内应力分类：热应力与机械应力。热应力：由于铸件各部分冷却速度不同，以致收缩不一致引起的应力。机械应力：合金固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。热应力形成分析弹塑临界温度：EPCT（elasticplasticcriticaltemperature）指金属从弹性状态向塑性状态转变的温度。实际就是对应的再结晶温度。EPCT以上，金属处于塑性状态（橡皮泥），应力可以通过塑性变形消除。EPCT以下，金属处于弹性状态（弹簧），应力不能通过弹性变形消除。三杆热应力分析模型+-+--+两杆均处于塑性状态2杆比1杆冷却快，应力通过塑性变形自动消除1杆塑性状态，2杆弹性状态2杆收缩大，产生变形，对1产生压力。图1-10b1杆受压产生变形，但内应力自动消除。图1-10c1、2两杆均处于弹性状态1杆收缩大，对2产生压力，但2不能消除内应力。图1-10d热应力的性质：厚拉薄压。先冷却的受压缩（薄壁部分）后冷却的受拉伸（厚壁部分）1杆（粗杆）受拉，2杆（细杆）受压结论：粗拉细压如果冷却速度有差别，则：铸件变形归纳由于内应力的存在，厚薄不均、截面不对称以及细长杆、板、轮类零件，在铸造应力超过铸件材料的屈服极限时，产生的翘曲变形。拉凹压凸。铸件变形是由铸造应力引起，减小和防止铸造应力的办法，是防止铸件变形的有效措施。1、反变形法；2、防变形肋；3、时效处理减小和消除铸造应力措施：①合理地设计铸件的结构应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀②工艺上同时凝固原则采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口等。图1-12③去应力退火发生期引发因素特征防止措施热裂凝固高温机械应力短宽曲氧退让性，S冷裂凝固低温复合应力细直光泽壁厚，P3.裂纹裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。热裂：凝固后期因机械应力超强而产生。冷裂：较低的温度下，热应力和收缩应力综合作用形成的裂纹。特点P131.3铸件常见缺陷冷隔、浇不足气孔粘砂、夹砂砂眼，胀砂归纳本节主要介绍铸造工艺性：流动性与收缩。1.流动性：充型2.收缩：缩孔与缩松，内应力：热应力与机械应力（厚拉薄压），变形与裂纹：拉凹压凸；热裂纹与冷裂纹。3.其它缺陷作业1一、判断题1.在铸件热节处安放冷铁能够起补缩作用。（）2.凝固温度范围大的合金，铸造时铸件中易产生缩松。（）3.防止或减少铸件变形的方法之一是提高流动性。（）4.合金的浇注温度越高越好。（）5.铸钢件一般都要安置冒口和冷铁，使之实现同时凝固。（）二、选择题1.造成铸件冷隔的主要原因是a.浇注温度过高b.浇注温度过低c.浇注速度太快2.生产中为提高合金的流动性常采用的方法是a.加大出气口b.延长浇注时间c.提高浇注温度3.冒口的一个重要作用是a.液体金属迅速浇注满型腔b.浇注金属液的通道c.补缩和排气4.浇注温度过高，铸件会产生a.气孔b.夹杂物c.冷隔5.在下列物品中，适用于铸造生产的是a.钢精锅b.铝饭盒c.机床丝杠d.哑铃6.能够制造形状复杂、特别是具有复杂内腔毛坯的加工方法是a.铸造b.压力加工c.焊接d.切削加工三、填空题1.浇注温度过低，液体金属量不够，铸件就会产生冷隔或__________。2.______________对合金流动性的影响最显著。3.铸钢的流动性比铸铁______。4.铸造合金的收缩经历__________、___________、_________三个阶段。5.缩孔和缩松是由于合金的________收缩和________收缩引起的。6.防止缩孔的方法是控制铸件的_______顺序，使之符合_________原则。四、问答题1.铸造合金的收缩会导致哪些铸造缺陷的产生？2.铸件热应力形成的原因是什么？习题：第2、3、9、10题。P15谢谢！