熱加工工藝基礎(chǔ)1金屬材料導(dǎo)論2金屬液態(tài)成形（鑄造）3金屬塑性成形（金屬壓力加工）4金屬連接成形（焊接）熱加工工藝上次課內(nèi)容的回顧鐵碳合金（組織、狀態(tài)圖、兩種反應(yīng)、四把火）鐵素體：碳溶解在α—Fe中的間隙固溶體(F）奧氏體：碳溶解在γ—Fe中的間隙固溶體（A）滲碳體：鐵與碳形成的金屬化合物（Fe3C）珠光體：是奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體（P）萊氏體：是液態(tài)鐵碳合金發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變所形成的奧氏體與滲碳體的共晶體（Ld）兩種反應(yīng)：1、共晶反應(yīng)2、共析反應(yīng)

LL+AAF+APLdL'd鋼的分類及選材碳素結(jié)構(gòu)鋼（0.38%C)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(0.2-0.7%C用途廣)碳素工具鋼(T8等)碳素鋼合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼特殊性能鋼退火：降低硬度，便于機(jī)加工。消除應(yīng)力。淬火：獲得馬氏體（M)組織。正火：用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理回火：主要是消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的脆性，防止產(chǎn)生裂紋第二篇液態(tài)成形（鑄造）液態(tài)成形工藝基礎(chǔ)鑄件生產(chǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝1234★鑄造的發(fā)展史

金屬的液態(tài)成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按鑄型材料的不同，金屬液態(tài)成形可分為砂型鑄造和特種鑄造（包括壓力鑄造、金屬型鑄造等）。其中砂型鑄造是最基本的液態(tài)成形方法，所生產(chǎn)的鑄件要占鑄件總量的80%以上。

將熔煉好的液態(tài)金屬澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型空腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的工藝方法,亦稱鑄造。第五章

鑄造工藝基礎(chǔ)什么是金屬的液態(tài)成形?金屬的液態(tài)成形的方法:砂型鑄造過程適于做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯1對(duì)材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制2成本低，原材料來源廣，價(jià)格低廉，一般不需要昂貴的設(shè)備3對(duì)于某些塑性很差的材料(如鑄鐵等)是制造其毛坯或零件的唯一成型工藝4液態(tài)成型的優(yōu)點(diǎn)液態(tài)成型的缺點(diǎn)

工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制1液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差2零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定3由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類材料的塑性成形低4夾砂缺陷氣孔缺陷液態(tài)合金的工藝性能液態(tài)合金的工藝性能表征為液態(tài)合金的鑄造性能通常是指合金的流動(dòng)性、凝固特性、收縮性、吸氣性及偏析等性能。合金鑄造性能是選擇鑄造金屬材料，確定鑄件的鑄造工藝方案及進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)。充型能力——液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀準(zhǔn)確、輪廓清晰鑄件的能力。充型能力不足澆不足冷隔夾砂夾渣氣孔充型能力的決定因素合金的流動(dòng)性鑄型性質(zhì)澆注條件鑄件結(jié)構(gòu)等5.1液態(tài)合金的充型測(cè)試合金充型能力的方法:如右圖,將合金液澆入鑄型中，冷凝后測(cè)出充滿型腔的試樣長(zhǎng)度。澆出的試樣越長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性越好,合金充型能力越好。幾種不同合金流動(dòng)性的比較鑄鐵的流動(dòng)性鑄鋼的流動(dòng)性5.1.1合金的流動(dòng)性合金流動(dòng)性的決定因素化學(xué)成分：同種合金中成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，流動(dòng)性也不同。結(jié)晶特性:

恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差。澆注條件澆注溫度充型壓力澆注系統(tǒng)澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過熱度高，金屬液內(nèi)含熱量多，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，充型能力強(qiáng)。液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力稱為充型壓力。充型壓力越大,充型能力越強(qiáng)。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。5.1.2澆注條件5.1.3鑄型填充條件（1）鑄型的蓄熱能力——即鑄型從金屬中吸收和儲(chǔ)存熱量的能力。

鑄型材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱愈大，對(duì)液態(tài)合金的激冷能力愈強(qiáng)，合金的充型能力就愈差。

（2）鑄型溫度（3）鑄型中的氣體（4）鑄件結(jié)構(gòu)鑄件壁厚過薄、壁厚急劇變化或有大的水平面時(shí)，都使金屬液流動(dòng)困難。

提高合金的流動(dòng)性1234選用共晶成分合金，或結(jié)晶溫度范圍窄的合金提高合金液質(zhì)量，減少雜質(zhì)提高澆注溫度和充型壓力合理設(shè)置澆注系統(tǒng)和改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)5.2鑄造合金的凝固與收縮5.2.1鑄造合金的凝固一、鑄件的凝固方式在鑄件的凝固過程中，截面一般存在三個(gè)區(qū)域，即液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)。對(duì)鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的凝固方式就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分的。逐層凝固糊狀凝固中間凝固二、影響凝固方式的因素影響鑄件凝固方式的主要因素是合金的結(jié)晶溫度范圍和鑄件的溫度梯度。1、合金的結(jié)晶溫度范圍

合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。

如砂型鑄造時(shí)，低碳鋼為逐層凝固；高碳鋼因結(jié)晶溫度范圍甚寬，為糊狀凝固。

2、鑄件的溫度梯度

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層間的溫度梯度。

若鑄件的溫度梯度由小變大(圖中T1→T2)，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。

傾向于逐層凝固的合金(如灰口鑄鐵、鋁硅合金等)便于鑄造，應(yīng)盡量選用。若必須采用傾向于糊狀凝固合金(如錫青銅、鋁銅合金、球墨鑄鐵等)時(shí)，可考慮采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?例如選用金屬型鑄造)，以減小其凝固區(qū)域。5.2.2鑄造合金的收縮鑄件在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)冷卻過程中所發(fā)生的體積減小的現(xiàn)象，稱為收縮。

收縮是多種鑄造缺陷（如縮孔、縮松、裂紋、變形等）產(chǎn)生的根源。

合金的液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金的體積縮小，常稱為體收縮；合金的固態(tài)收縮能引起鑄件尺寸的縮小，常稱為線收縮。

一、合金的收縮階段二、影響收縮的因素影響合金收縮的主要因素有以下幾個(gè)方面：

1、化學(xué)成分

鑄鐵中促進(jìn)石墨形成的元素增加，收縮減??；阻礙石墨形成的元素增加，收縮增大。在灰口鑄鐵中，碳是形成石墨的元素；硅是促進(jìn)石墨形成的元素；硫是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素；錳可抵消硫?qū)κ淖璧K作用，故適量的錳可使鑄鐵的收縮減小。2、澆注溫度

合金的澆注溫度越高，過熱度越大，液態(tài)收縮量也越大，故總收縮量增加。通常在滿足流動(dòng)性要求的前提下，應(yīng)盡量采用低溫澆注以減少液態(tài)收縮。3、鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件

合金在鑄型中的線收縮大多不是自由收縮，而是受阻收縮。這些阻力來源于鑄件各部分收縮時(shí)受到的相互制約及鑄型和型芯對(duì)鑄件收縮的阻礙。合金收縮固態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻液態(tài)收縮凝固收縮縮孔:恒溫下結(jié)晶縮松:兩相區(qū)結(jié)晶固態(tài)收縮裂紋變形應(yīng)力合金的收縮給液態(tài)成形工藝帶來許多困難，會(huì)造成許多鑄造缺陷。（如：縮孔、縮松、裂紋、變形等）。（線收縮）（體收縮）5.2.3鑄件中的縮孔與縮松液態(tài)金屬在鑄型內(nèi)凝固過程中，由于液態(tài)收縮和凝固收縮導(dǎo)致體積縮小，若其收縮得不到補(bǔ)充，就在鑄件最后凝固的部分形成孔洞。大而集中的孔洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松。一、縮孔的形成純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金,澆注后在型腔內(nèi)是由表及里的逐層凝固。在凝固過程中，如得不到合金液的補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的地方就會(huì)產(chǎn)生縮孔.縮孔形成的條件：鑄件呈逐層凝固方式凝固，成分為純金屬或共晶成分的合金。縮孔產(chǎn)生的基本原因：是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值，且得不到補(bǔ)償。

用畫內(nèi)切圓法確定縮孔位置

縮孔產(chǎn)生的部位在鑄件最后凝固區(qū)域，如壁較厚大的上部或鑄件兩壁相交處，這些地方稱為熱節(jié)。熱節(jié)位置可用畫內(nèi)接圓的方法確定。

合金的液態(tài)收縮和凝固收縮愈大、澆注溫度愈高、鑄件愈厚，縮孔的體積愈大。二、縮松的形成

鑄件最后凝固的收縮未能得到補(bǔ)充，或者結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達(dá)，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所致?？s松形成的條件：鑄件主要呈糊狀凝固方式凝固，成分為非共晶成分或有較寬結(jié)晶溫度范圍的合金。

形成縮松的基本原因：是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值。

縮松一般出現(xiàn)在鑄件壁的軸線區(qū)域、冒口根部、熱節(jié)處，也常分布在集中縮孔的下方。

縮孔與縮松的形成演示縮孔易出現(xiàn)的部位三、影響縮孔和縮松形成的因素1、合金成分

結(jié)晶溫度范圍越小的合金，產(chǎn)生縮孔的傾向越大；結(jié)晶溫度范圍越大的合金，產(chǎn)生縮松的傾向越大。V總—總體積收縮容積；V孔—縮孔容積；V松—縮松容積鐵碳合金成分和體積收縮的關(guān)系

純鐵、共晶鑄鐵容易形成縮孔。若澆口設(shè)置恰當(dāng)，縮孔可全部轉(zhuǎn)移到冒口中，而獲得致密鑄件。遠(yuǎn)離共晶成分的亞共晶鑄鐵，易形成縮松，基體組織的致密性差。2、澆注條件

提高澆注溫度時(shí)，合金的總體積收縮和縮孔傾向增大。V總—總體積收縮容積；V孔—縮孔容積；V松—縮松容積鐵碳合金成分和體積收縮的關(guān)系

澆注速度很慢或向冒口中不斷補(bǔ)澆高溫合金液，使鑄件液態(tài)和凝固收縮及時(shí)得到補(bǔ)償，鑄件總體積收縮減小，縮孔容積也減小。

3、鑄型材料

鑄型材料對(duì)鑄件冷卻速度影響很大。4、鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件結(jié)構(gòu)與形成縮孔、縮松的關(guān)系極大，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以充分注意。濕型比干型的冷卻能力大，使凝固區(qū)域變窄，縮松減少。金屬型的冷卻能力更大，故縮松更顯著減少。上次課內(nèi)容的回顧合金的充型能力影響充型能力的因素合金的流動(dòng)性鑄型性質(zhì)澆注條件鑄件結(jié)構(gòu)結(jié)晶特性:

恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差澆注溫度充型壓力澆注系統(tǒng)鑄型的蓄熱能力、鑄型溫度、鑄型中的氣體和鑄型的結(jié)構(gòu)化學(xué)成分、結(jié)晶特性液態(tài)金屬的凝固與收縮凝固方式有：逐層凝固、糊狀凝固、中間凝固合金的收縮：液態(tài)收縮、凝固收縮、固態(tài)收縮影響收縮的因素：化學(xué)成分(c含量)、澆注溫度、鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型條件合金的收縮會(huì)造成許多鑄造缺陷。（如：縮孔、縮松）。影響縮孔和縮松形成的因素:合金成分、澆注條件、鑄型材料、鑄件結(jié)構(gòu)四、縮孔和縮松的防止方法縮孔和縮松都使鑄件的力學(xué)性能下降，縮松還可使鑄件因滲漏而報(bào)廢。因此，必須根據(jù)技術(shù)要求，采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┯枰苑乐?。一、控制鑄件的凝固過程

實(shí)踐證明，只要能使鑄件實(shí)現(xiàn)“順序凝固”(定向凝固)或“同時(shí)凝固”，盡管合金的收縮較大，也可獲得沒有縮孔的致密鑄件。順序凝固原則示意圖“順序凝固”原則是讓鑄件遠(yuǎn)離冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固，實(shí)現(xiàn)以厚補(bǔ)薄，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中去?！绊樞蚰獭边m用于收縮大或壁厚差別較大，易產(chǎn)生縮孔的合金鑄件，如鑄鋼、高強(qiáng)度灰口鑄鐵和可鍛鑄鐵等。

同時(shí)凝固原則示意圖“同時(shí)凝固”原則，就是從工藝上采取必要的措施，使鑄件各部分的冷卻速度盡量相等，以達(dá)到鑄件各部分幾乎同時(shí)凝固完結(jié)。

“同時(shí)凝固”原則，適用于碳、硅含量較高的灰口鑄鐵和球墨鑄鐵。

采用“順序凝固”時(shí)，盡管冒口補(bǔ)縮作用好，但冷卻速度不一致，易產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形及裂紋等缺陷；冒口消耗金屬多，降低了鑄件的出品率，并且，冒口切割較為困難。

采用“同時(shí)凝固”時(shí)，鑄件出現(xiàn)裂紋、應(yīng)力和變形的傾向性小，不必設(shè)置冒口，使工藝簡(jiǎn)化，又能節(jié)省金屬材料，而且，提高了鑄造的出品率。

二、合理應(yīng)用冒口、冷鐵等工藝措施冒口一般設(shè)置在鑄件厚壁處和熱節(jié)部位，是防止縮孔、縮松最有效的措施，冒口的尺寸應(yīng)保證冒口比鑄件補(bǔ)縮部位凝固得晚，并有足夠的金屬液供給。冷鐵通常是用鑄鐵、鋼和銅等金屬材料制成的激冷物。放入鑄型內(nèi)，用以加大鑄件某一部分的冷卻速度，調(diào)節(jié)鑄件的凝固順序。

閥體鑄件的冒口和冷鐵位置

1—澆口；2—明冒口；3—暗冒口(或邊冒口)；4—冷鐵

解決縮孔的方法演示內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力變形裂紋由于鑄件壁厚不均勻，各部分的冷卻速度也不相同，以致在同一時(shí)間內(nèi)，鑄件各部分的收縮不一致而造成鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為熱應(yīng)力。殘余熱應(yīng)力的存在，使鑄件處在一種非穩(wěn)定狀態(tài)，將自發(fā)地通過鑄件的變形來緩解其應(yīng)力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當(dāng)鑄造內(nèi)應(yīng)力超過金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件便產(chǎn)生裂紋(熱裂紋與冷裂紋）。5.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋合金的固態(tài)收縮受到鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力，稱為機(jī)械應(yīng)力。5.3.1鑄造內(nèi)應(yīng)力的形成一、熱應(yīng)力

t0——t1

高溫階段，塑性狀態(tài)，內(nèi)應(yīng)力通過塑性變形消除t1——t2

Ⅱ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ塑性狀態(tài)，Ⅱ桿受拉應(yīng)力，Ⅰ受壓應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力通過Ⅰ塑性變形消除t2——t3

Ⅰ、Ⅱ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ比Ⅱ溫度高，Ⅰ收縮大于Ⅱ，Ⅰ收縮受Ⅱ的阻礙，產(chǎn)生拉應(yīng)力熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。二、機(jī)械應(yīng)力

鑄件冷卻到彈性狀態(tài)以后，由于受到鑄型、型芯和澆、冒口等的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱機(jī)械應(yīng)力。

法蘭的機(jī)械應(yīng)力

機(jī)械應(yīng)力：應(yīng)適時(shí)開箱加以解決。機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用，當(dāng)大于材料的強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)導(dǎo)致裂紋的形成。三、減小和消除鑄造應(yīng)力的方法

1、工藝方面：盡量采用合理的鑄造工藝，使鑄件的凝固過程符合同時(shí)凝固原則2、造型工藝上：采取相應(yīng)措施以減小鑄造應(yīng)力，如改善鑄型、型芯的退讓性(型芯、砂內(nèi)加入木屑、焦碳沫等附加物，控制舂砂松緊度)，合理設(shè)置澆、冒口等。

3、鑄件結(jié)構(gòu)上：盡量避免牽制收縮的結(jié)構(gòu)，使鑄件各部分能自由收縮（鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對(duì)稱、鑄件的壁厚盡可能均勻）。4、去應(yīng)力退火；人工時(shí)效；自然時(shí)效。

5.3.2鑄件的變形具有殘余應(yīng)力的鑄件是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地通過變形來減緩其內(nèi)應(yīng)力，以便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。只有原來受拉伸部分產(chǎn)生壓縮變形、受壓縮部分產(chǎn)生拉伸變形，才能使殘余內(nèi)應(yīng)力減小或消除。厚部、心部受拉應(yīng)力，出現(xiàn)內(nèi)凹變形；薄部、表面受壓應(yīng)力，出現(xiàn)外凸變形車床床身?yè)锨冃我?、將一剛生產(chǎn)出來的圓柱體鑄件，作如下加工：1、將鑄件外表面車掉一層；2、將心部鉆一通孔；問：在這兩種情況下其長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生什么變化？二、若將應(yīng)力框中間的粗桿沿中間鋸斷：?jiǎn)枺簯?yīng)力框中間的間隙會(huì)發(fā)生什么變化？

防止變形的方法與防止鑄造應(yīng)力的方法基本相同。此外，工藝上還可采取某些措施，如反變形法；對(duì)某些重要的易變形鑄件，可采取提早落砂，落砂后立即將鑄件放入爐內(nèi)燜火的辦法消除機(jī)械應(yīng)力。

5.3.3鑄件的裂紋

當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件便產(chǎn)生裂紋，裂紋是嚴(yán)重的鑄造缺陷，必須設(shè)法防止。按裂紋形成的溫度范圍可分為熱裂和冷裂兩種。

一、熱裂

熱裂是在凝固末期高溫下形成的裂紋。其形狀特征是縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色。

熱裂一般分布在應(yīng)力集中部位(尖角或斷面突變處)或熱節(jié)處。

防止熱裂的方法：使鑄件結(jié)構(gòu)合理，減小澆、冒口對(duì)鑄件收縮的機(jī)械阻礙，內(nèi)澆口設(shè)置應(yīng)符合同時(shí)凝固原則。此外減少合金中有害雜質(zhì)硫、磷含量，可提高合金高溫強(qiáng)度，特別是硫增加合金的熱脆性，使熱裂傾向大大提高。

二、冷裂

冷裂是鑄件處于彈性狀態(tài)即在較低溫下形成的裂紋。其形狀特征是裂紋細(xì)小、連續(xù)直線狀，有時(shí)縫內(nèi)呈輕微氧化色。

防止冷裂的方法是盡量減小鑄造應(yīng)力。

5.