材料成形原理液態(tài)成形原理收縮縮孔縮松材料液態(tài)成形原理1液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)2凝固的熱力學(xué)基礎(chǔ)3凝固的結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)4凝固的傳熱學(xué)問(wèn)題5凝固過(guò)程液相的流動(dòng)現(xiàn)象6凝固組織及其控制7伴隨凝固與冷卻過(guò)程產(chǎn)生的現(xiàn)象7.1由液態(tài)至常溫的體積變化

收縮的一般規(guī)律收縮系數(shù)與收縮率鑄造收縮率收縮現(xiàn)象熔體通過(guò)液體、凝固和固體三個(gè)階段，冷卻到常溫。隨著溫度下降，通常原子或分子間的平均距離變小，導(dǎo)致各個(gè)階段都發(fā)生體積收縮，由此引起線尺寸變化。

收縮系數(shù)α，是溫度的函數(shù)，在自由收縮條件下：

V1=V0[1-αv

(t0-t1)]L1=L0[1-αL

(t0-t1)]

αv

≈3αLαL稱為平均線膨脹（收縮）系數(shù)（averagecoefficientoflinearexpansion）αv稱為平均體積膨脹（收縮）系數(shù)（averagecoefficientofvolumeexpansion）常用相對(duì)收縮量Δl/l或ΔV/V表示收縮特性，以百分?jǐn)?shù)表示，稱為收縮率ε（%）（percentcontraction）在實(shí)用上，液態(tài)和凝固階段通?？紤]體收縮，固態(tài)通常考慮線收縮。鋼鐵的收縮-純鐵溫度+相變的影響p237案例7.1和7.2鋼鐵的收縮-0.35%碳鋼溫度+相變的影響p237案例7.1和7.2含C量對(duì)鋼在凝固時(shí)收縮的影響表7.1含C量對(duì)鋼在凝固時(shí)收縮的影響[6]含C量%純鐵0.100.350.450.701.00凝固時(shí)體收縮率ε凝%2.2[5]2.03.0*4.35.34[5]鋼鐵的收縮-4%共晶白口鑄鐵p237案例7.1和7.2鋼鐵的收縮-灰口鑄鐵p237案例7.1和7.2受阻收縮與鑄造收縮率收縮阻力：鑄件結(jié)構(gòu)，鑄型表面摩擦；受阻收縮<自由收縮；使用經(jīng)驗(yàn)的“鑄造收縮率”計(jì)算收縮量，稱為“縮尺”：模樣尺寸=鑄件尺寸(1+鑄造收縮率%);例：鑄造收縮率表7.2鑄鋼鑄造收縮率鑄件類型鑄造收縮率%受阻收縮自由收縮碳鋼與低合金結(jié)構(gòu)鋼1.3~1.71.6~2.0高Cr鋼1.0~1.41.3~1.7奧氏體鋼1.7~2.02.0~2.3表7.6鑄鐵鑄造收縮率鑄件類型鑄造收縮率%受阻收縮自由收縮灰鑄鐵中小件0.8~1.00.9~!.1大中件0.7~0.90.8~1.0特大件0.6~0.80.7~0.9球墨鑄鐵珠光體組織0.6~0.80.9~1.1鐵素體組織0.4~0.60.8~1.0黑心可鍛鑄鐵壁厚>25mm0.5~0.60.6~0.8壁厚<25mm0.6~0.80.8~1.0白口鑄鐵1.51.75表7.8有色合金鑄造收縮率（線收縮率）鑄件類型鑄造收縮率%受阻收縮自由收縮錫青銅1.21.4鋅黃銅1.5~1.71.8~2.0錳黃銅1.8~2.02.0~2.3含硅的鋁基合金0.8~1.01.0~1.2鋁銅合金1.41.6例：鑄造收縮率有色金屬的收縮p240案例7.38.2縮孔與縮松液相和凝固過(guò)程的體積收縮如果得不到液體的補(bǔ)充，鑄件中將形成孔洞。集中的孔洞稱為縮孔，分散的稱為縮松。

孔洞的形態(tài)取決于凝固方式。這是一種凝固過(guò)程形成的鑄造缺陷。形成硬殼，或枝晶連成骨架(fL=20~45%)，開(kāi)始顯現(xiàn)固態(tài)性質(zhì)；線收縮開(kāi)始；澆注縮孔的形成（逐層凝固方式易形成縮孔）縮孔形成硬皮加厚，頂部未凝；頂部開(kāi)始凝固，頂部縮孔開(kāi)始形成；縮孔形成凝固在硬皮內(nèi)進(jìn)行；在大氣壓力下頂部凹陷；縮孔形成液態(tài)和凝固收縮得不到補(bǔ)充，后凝區(qū)出現(xiàn)縮孔；內(nèi)部縮孔形成；縮孔出現(xiàn)在最后凝固區(qū)域，常常在稱為熱區(qū)（hot-spot）或熱節(jié)的鑄件局部最厚大斷面部位。

其特征是形狀不規(guī)則，內(nèi)表面可以看到樹(shù)枝晶末梢。當(dāng)位于鑄件內(nèi)部，用無(wú)損檢測(cè)、剖開(kāi)或切割冒口后可見(jiàn)。用等固相線法確定縮孔的位置X光照片-高強(qiáng)度鑄鋼件，顯示白色樹(shù)枝狀直徑約為5-10mm縮孔形貌，SEM縮松的形成尺度很小的縮松須要在顯微鏡下才能觀察到，因而稱為顯微縮松。在拋光的試樣表面上，集中在一個(gè)區(qū)域的的顯微縮松使光線散射，可以觀察到暗色區(qū)域。在凝固末期，枝晶間形成一些被隔離的區(qū)域，最后凝固收縮形成的空間得不到補(bǔ)充，形成微小分散空洞。例：軸承蓋

孔洞形狀不規(guī)則，具有枝狀晶特征X射線照片消除縮孔的途徑-補(bǔ)縮消除縮孔的唯一方法是補(bǔ)充縮孔體積所需要的熔體。工藝上，設(shè)置冒口來(lái)補(bǔ)充熔體，全部縮孔集中于冒口處，切除冒口，獲健全鑄件。通常大型碳鋼錠切除率為20-22%，合金鋼錠為22-30%。凝固順序設(shè)計(jì)

順序凝固原則與同時(shí)凝固原則兩種凝固順序的對(duì)比控制方法：冷鐵和不同導(dǎo)熱性能造型材料；澆冒口位置；補(bǔ)貼；控制凝固方式；也可以局部安排凝固順序。冒口設(shè)計(jì)的三個(gè)基本原則是：凝固向冒口方向推進(jìn)，冒口最后凝固；冒口內(nèi)液體能夠流入被補(bǔ)縮的縮孔足夠補(bǔ)縮的液體量

冒口設(shè)計(jì)原則冒口后凝,

即冒口凝固時(shí)間應(yīng)大于被補(bǔ)縮部位。（Chvorinov法則應(yīng)用）基本措施包括：厚的部分盡可能地與冒口接近，從厚的部分或冒口澆注，而較薄的部分遠(yuǎn)離澆口。局部加大鑄件壁厚（稱為補(bǔ)貼），砂質(zhì)鑄型中局部加入導(dǎo)熱良好的金屬（稱為冷鐵）。這些都是按順序凝固原則控制凝固方向的常用措施。

冒口補(bǔ)縮基本措施冒口內(nèi)液體能夠流入被補(bǔ)縮的縮孔足夠補(bǔ)縮的液體量基本措施：冒口盡可能設(shè)置于被補(bǔ)縮部位上方，盡可能地設(shè)置于最高處，利用重力驅(qū)使液體流入被補(bǔ)縮空間。

通常位于鑄件頂部的冒口是敞開(kāi)的，與大氣接觸，稱為明冒口，必要時(shí)可以在凝固過(guò)程中向冒口補(bǔ)加高溫熔體。位于鑄型內(nèi)部的冒口稱為暗冒口。枝晶會(huì)阻礙補(bǔ)縮流動(dòng)，通道會(huì)因側(cè)壁凝固區(qū)域的推進(jìn)而堵塞。由于難以保持長(zhǎng)距離順序冷卻，冒口存在有效補(bǔ)縮距離。

冒口補(bǔ)縮基本措施（續(xù)）冒口的主要尺寸包括根部尺寸、形狀和高度。通常難以用計(jì)算方法精確確定。最簡(jiǎn)單的近似計(jì)算是使用Chvorinov法則來(lái)決定冒口尺寸。冒口的凝固時(shí)間至少應(yīng)等于被補(bǔ)縮部分的凝固時(shí)間。通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)加大約10~15%。工程上廣泛使用各種特定條件下的經(jīng)驗(yàn)規(guī)范。明冒口與補(bǔ)貼應(yīng)用例子p244案例7.4(ZG2Cr13,103-232Kg)案例：底注平穩(wěn)澆注，翻轉(zhuǎn)，順序凝固案例：階梯澆注,明冒口與暗冒口

安排兩個(gè)方向順序凝固使用Chvorinov法則計(jì)算冒口舉例

p245案例7.7冒口有效補(bǔ)縮距離縮松的對(duì)策生產(chǎn)完全健全的鑄件盡量減薄截面厚度，對(duì)大多數(shù)合金，約為12~13mm時(shí)，才能保證有陡的溫度梯度。激冷，例如采用金屬鑄型p247案例7.8錫青銅海水閥體鑄造工藝生產(chǎn)表面健全的鑄件同時(shí)凝固原則?；敬胧┌◤谋”谔帩踩?，采用幾個(gè)內(nèi)澆口，使熱量均勻分布;冷鐵常用來(lái)控制溫度梯度;采用較小冒口，防止表面縮陷和縮松如錫青銅凝固范圍寬，傾向糊狀方式凝固，常常采用這種工藝設(shè)計(jì)原則。

凝固范圍寬，并以糊狀方式凝固的合金，由于補(bǔ)縮通道不暢，如果按順序凝固原則補(bǔ)縮，即使設(shè)置大冒口，縮松也很難完全防止。

p247案例7.8冒口大小對(duì)以糊狀方式凝固的鑄件的健全程度的影響凝固過(guò)程膨脹的影響凝固過(guò)程膨脹對(duì)縮孔形成的影響與晶體的生長(zhǎng)機(jī)制密切相關(guān)。在常用的工程材料中，只有鑄鐵的石墨化過(guò)程產(chǎn)生體積膨脹。石墨片狀生長(zhǎng)的灰鑄鐵和球狀生長(zhǎng)的球墨鑄鐵，由于生長(zhǎng)機(jī)制