工艺学(上)期末复习

-----------------------Page1-----------------------材料成形工艺学（上）期末复习材料第一章1、金属液态成形工艺的特点？举例说明这些特点。（1）适应性强：铸造方法不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制，又可铸造各种合金。质量：小至几克，大至数百吨；尺寸：壁厚从0.5mm到1m左右，长度从几毫米到十几米，铸造方法有可以适用于各种合金的形成，如常用的铁碳合金、铜合金、镁合金、铝合金等。（2）尺寸精度：比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺寸，可节约金属材料和机械加工工时。（例如，精确成形技术可以节约金属材料50—90%，减少机械加工工时30—70%）（3）成本低：铸件重量一般占机械装备总重量的40%-80%，而成本仅占25-30%。废旧金属可以再生利用。（4）不足：•存在结构缺陷。铸件一般组织疏松，晶粒粗大，铸件内部有时会出现缩孔、缩松、裂纹和偏析等缺陷，导致力学性能降低；•废品率高。工序多，每道工序难以精确控制；•对周围环境污染严重，生产环境差，劳动环境差、强度高。第二章1、液态金属充型过程有哪些水利学特点？（1）多相黏性流动。液态金属中存在夹杂物（固相）和气体（气相），即钢水中含有夹杂物和气体。金属由固态转变成液态，金属键被部分破坏，原子之间仍然保持一定的结合力，因此液态金属在流动过程中有内摩擦阻力，呈现粘性流动的水力学特点。（2）不稳定流动。充型过程中物理场（温度、断面积、流速）在不断变化，即流路截面、流路方向、流路温度不断变化。（3）紊流流动。在浇注系统中，即使管道直径D很小，在保证充型的最低流速下，其雷诺数也大于Re临。所以金属液在浇注系统中的流动为紊流流动。又由于浇注系统流路回转，使紊流程度加重。（4）（非封闭流动）在“多孔管”中流动。浇注系统及铸型的型腔都具有一定的透气性，充型过程金属液体就像在“多孔管”中流动。2、分析影响液态金属黏性的主要因素是什么？温度、合金成分、金属液纯净度3、液态金属充型过程水力学计算重要性和主要依据是什么？•重要性：保证液态金属充型过程中内浇道截面一定的流速，充型过程的分析与计算，是合理设计浇注系统的依据。•主要依据：伯努利方程（能量守恒方程）、奥赞公式。其中，奧赞公式为：mF内均m--充满铸型所需金属液的质量；t--金属液充满铸型的时间；μ--流动系数；ρ--液态金属密度；F内--内浇道的横断面积；H均--充满整个铸型是的平头压力。意义：是浇注系统水力学计算的基本公式，为合理设计浇注系统提供了依据成立条件：1.浇注系统内充满流动。2.浇口杯液面保持不变。3.透气性好，型腔压力P杯=P腔。4.伯努利（能量）方程需满足，系统为充满流动，浇口杯液面保持不变。-----------------------Page2-----------------------4、什么是液态金属充型能力，它与液态金属的流动性有什么区别和联系？•液态金属充型能力：液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。•区别与联系：流动性是合金及金属的流动能力，是决定液态金属充型能力的内因，起主导作用，即流动性是充型能力的量度。而充型能力还受外界条件的影响，铸型性质（导热能力、温度），浇注条件（浇注温度、浇注压头），铸件结构（热模数、复杂程度）都会影响金属液的充型能力。5、说明液态金属充型过程的停止流动机理是什么。•按结晶温度区间的大小来划分：（1）纯金属、共晶合金和结晶温度区间很窄的合金。结晶特点是在一定的温度点开始凝固。具有一定过热度的液态金属在管道中流动，靠近管壁的液态金属首先降到凝固温度并开始在管壁上凝固，一般是以柱状晶组织从管壁向里推进，而中心的过热液态金属继续向前流动，并且能够全部或部分地熔化正在向里生长的柱状晶，过热度逐渐减小。当流动的液态金属没有过热度时，柱状晶一直生长到中心，液态金属在流动前端的后部被堵塞而停止流动。（2）结晶温度区间宽的合金。结晶特点是在一定的温度范围内开始凝固。具有一定过热度的液态金属在管道中流动，不断接触管壁的液态金属前端首先达到凝固温度，并开始有部分的固相以枝晶析出。此时液态金属中虽然有部分固相，但还可以继续向前流动，但流动阻力越来越大，流动速度逐渐减慢。当液态金属前端区域的固相析出量在15-20%左右时，在流动的前端被堵塞而停止流动。（故浇注同样结构的铸件，结晶温度范围宽的合金要适当提高浇注温度。）（所以，结论是：纯金属、共晶合金的流动时间相对较长，流动性好，充型能力强。结晶温度范围较宽的合金流动时间相对较短，流动性差，充型能力弱。）•影响因素：合金本身性能，铸型条件，浇铸工艺。•提高充型能力的措施：1.合金方面：选择共晶或结晶温度范围窄的合金、提高液态金属的纯净度。2.铸型方面：刷保温涂料。3.浇注工艺：适当提高浇注温度、调整浇注位置，提高浇注压头。6、金属凝固动态曲线有什么意义？•获得方法：依据凝固体断面上实际测得的温度随时间变化曲线，在凝固体断面上不同位置与时间的座标下，确定金属在凝固过程中典型温度点（液相温度，固相温度，共晶温度等），把凝固体断面上实际测得的温度随时间变化曲线上确定的温度点投影到凝固体断面上不同位置与时间的关系图中，把不同时间、不同位置的同一温度点连接起来，即得到金属凝固动态曲线。•定义：根据凝固体断面各位置的温度与时间的关系曲线，在位置与时间的坐标图上绘制成的凝固体典型温度的连线图称为凝固动态曲线。即把不同时间，不同位置到达同一温度点连接起来，就得到凝固动态曲线，也就是把T-t曲线转化为了x-t曲线。•意义（即可以获得什么信息）：根据凝固动态曲线，可以推断凝固体断面不同时刻的凝固状态和凝固区的宽窄（范围）。凝固动态曲线可以明确凝固区间，确定凝固过程中典型温度点（液固相温度），可以知道在某一时间某个断面所处的凝固状态（L相区、S-L相区、S相区），从而合理制定铸造工艺。7、金属凝固方式有哪几种，影响金属凝固动态曲线（方式）的因素有哪些？•凝固方式：由结晶过程的固液两相区的尺度范围来决定，有逐层凝固方式、体积凝固方式、中间凝固方式。•凝固方式对凝固过程的影响：1.逐层凝固方式对凝固性能的影响：流动性好，充型能力强，容易获得健全的凝固体；液体补缩好，凝固体的组织致密，形成缩松的倾向小，形成集中缩孔的倾向大（可用冒口消除）；热裂倾向小，热裂是在凝固区形成的，凝固区域窄，晶间不易出现裂纹，即使出现也可以焊合；易产生成分偏析。2.体积凝固方式对凝固性能的影响：流动性差，不易获得健全的凝固体；液体补缩能力差，凝固体的组织不致密，形成缩松的倾向大，形成集中缩孔的倾向小；热裂倾向大，热裂是在凝固区形成的，凝固区域宽，晶间易出现裂纹；不易产生成分偏析。3.中间凝固方式对凝固性能的影响：流动性适中；液体有一定补缩能力；有一定的热裂倾向；成分偏析不严重。•影响液态金属凝固方式的因素：1.金属本身的凝固特点凝固温度范围（液相线与固相线之间的温度差），这由金属或合金的成分所决定。2.凝固过程的冷却条件。凝固体断面的温度分布及随时间的变化情况。这由合金的热物理性能、铸型（或结晶器）的热物理性能及其冷却强度、凝固体尺寸和结构所决定。-----------------------Page3-----------------------第三章1、砂型铸造时，铸件铸型界面存在哪些作用？（1）热作用--传热，传质。在金属和砂型之间有热交换，水分迁移，气体迁移和元素扩散。热作用使砂型膨胀，容易使铸件产生夹砂结疤缺陷。（2）机械作用--冲击，冲刷，静压力。•如果砂型表层强度不够，金属液将冲坏型壁，使铸件产生砂眼等表面缺陷。•如果砂型整体强度不够，型壁在金属液静压力下发生移动，使铸件产生尺寸误差（胀箱，肥大）（3）化学和物理化学作用--造型材料本身，造型材料与液态金属发生化学和物理化学反应。•造型材料自身的分解和化学反应，可以改变界面气氛和压力，引起铸件气孔缺陷。•金属液和造型材料起化学和物理化学反应，可引起铸件粘砂，表面成分改变，气孔等缺陷。2、湿砂型在浇注金属时会发生何种现象，这些现象对砂型有何影响，对铸件质量有何影响？•湿砂型在浇注金属时会发生水分迁移，砂型膨胀，产生气体，化学反应等现象。•水分迁移后，砂型可以分为干砂区，水分饱和凝聚区，未凝聚区和正常区。水分饱和凝聚区是一个高水分、低强度区，当其抗拉强度较低时会使干砂区脱离砂型而形成铸件的夹砂结疤缺陷，当其抗压强度较低时会使干砂区向砂型内部移动形成铸件的胀砂缺陷，砂型膨胀会使铸件产生夹砂结疤和鼠尾等膨胀类缺陷，浇筑时产生的气体会改变铸件砂型表面的气氛，影响铸件凝固过程和铸件质量。如氧化性气氛利于金属液向砂型中渗透，易产生粘砂缺陷，铸件表面易脱碳，而还原性气氛可防止化学粘砂，浇注时产生的大量气体还可使铸件产生气孔缺陷，化学和物理化学反应现象可使铸件产生粘砂缺陷。3、说明夹砂结疤产生的机理及主要防止措施。•产生机理：浇注过程中，砂型表面被金属液烘烤加热（主要是热辐射），使砂型里外层产生温度差，产生水分迁移现象，形成了干砂区和水分饱和凝聚区。由于砂型里外层温度不同而使各层的膨胀量不同，当干砂区膨胀受阻时就形成较大的热压应力。在这种情况下，干砂区和水分饱和凝聚区将产生相对滑移的趋势，当水分饱和凝聚区的抗拉强度较低时，干砂区就会凸起导致分层，严重时砂层破裂，金属液进入层间孔隙而形成夹砂缺陷，如果金属液将凸起的砂层冲断，在砂层折断部位就形成结疤缺陷。•主要防止措施：造型材料方面：（1）使用粒度分散的原砂，并控制起SiO2的含量；（2）使用Na/Ca基膨润土做粘结剂可以提高热湿拉强度；（3）加附加物，如煤粉，渣油；（4）控制型砂含水量，降低含泥量。工艺方面：（1）缩短浇注时间，尽快充型；（2）合理设计浇注系统和浇注位置，大平面避免平浇；（3）排气通畅；（4）紧实均匀，不宜过大。4、侵入性气孔的形成条件是什么？防止侵入性气孔产生的措施有哪些？•形成条件：在铸件/砂型界面处，P气P静+P阻+P腔。此时，气体就会侵入到金属液中形成气泡，随着金属液的凝固，来不及上浮的气泡就形成气孔。（式中P气为铸件/砂型界面处气泡（气核）的压力，P静为界面处气泡（气核）位置的液态金属静压力，P阻为气泡（气核）进入液态金属中的阻力，P腔为型腔中金属液面压力，当型腔与外界相通时为大气压。）•防止措施：1.控制砂型的发气性减少发气物质，减低发气温度。3.降低浇注温度。2.增加砂型的透气性，扎气眼，设置排气道等。5、什么叫机械粘砂、化学粘砂？形成机理和影响因素是什么？①机械粘砂：金属渗入砂型微孔中，将砂粒钩联下来。•形成机理：根据毛细理论，将型砂表面砂粒间的微孔看成是直径细小的毛细管，金属液渗入微孔中便形成机械粘砂。渗入条件：P金临P气腔r•影响因素：（1）金属液凝固时间：浇注温度越高，铸件热节越大，则金属对砂型的热作用时间越长（2）砂型特点，-----------------------Page4-----------------------孔尺寸大，激冷能力越弱，蓄热量越小，发气量越小（3）界面特性：金属液的表面张力及其与砂型的润湿性影响到粘砂的产生，金属液润湿砂型，则P临降低，金属易于渗入，这是表面张力越大，渗入越深（4）金属液静压力：砂型某部位的金属液静压力与铸件高度和浇注位置有关，金属液静压力大的部位容易产生粘砂。②化学粘砂：金属氧化物渗入砂型微孔中并与砂粒起反应。•形成机理：化学粘砂的形成包括两部分：1.粘砂层的形成；2.粘砂层与铸件的结合。高温氧化生成的氧化铁构成粘砂层中的金属氧化层，硅酸铁等低熔点化合物构成了粘砂层中的烧结层。粘砂层的结合部位有两处：铸件与氧化层，氧化层与烧结层。•影响因素：氧化气氛和热作用（氧化层厚度，密度和化学成分）。6、湿砂型的型砂要求具备哪些工艺性能，这些性能对铸件质量有什么影响？4个基本性能：湿态强度，透气性，流动性，可塑性韧性；1个综合性能：干湿程度；另外还有抗夹砂结疤能力，抗粘砂能力。•湿态强度：过低时，在造型、下芯、合箱、搬运中可造成砂型破损，在浇注时砂型表面易