材料成型原理第1頁(yè)/共50頁(yè)

主要內(nèi)容

1液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

2鑄件凝固過程中的傳熱

3液態(tài)金屬的結(jié)晶

4鑄件凝固組織及控制

5鑄件中的缺陷及其控制第2頁(yè)/共50頁(yè)

本課程的理論基礎(chǔ)

物理化學(xué)金屬學(xué)原理冶金原理流體力學(xué)傳熱學(xué)第3頁(yè)/共50頁(yè)

參考書

1、《鑄件形成理論基礎(chǔ)》，李慶春等，機(jī)械工業(yè)出版社，1982

2、《鑄件形成理論》，安閣英，機(jī)械工業(yè)出版社；19904、《金屬液態(tài)成形原理》，戴斌煜等，國(guó)防工業(yè)出版社，2010第4頁(yè)/共50頁(yè)

緒論0.1金屬液態(tài)成形的概念和特點(diǎn)金屬液態(tài)成形概念

金屬液態(tài)成形（又稱鑄造），是指將熔融金屬（合金）在重力場(chǎng)或其他外力場(chǎng)（壓力、離心力、電磁力、振動(dòng)慣性力等）作用下澆入一定鑄型中，冷卻并凝固而獲得具有型腔形狀制品的成形方法。液態(tài)金屬凝固成形所獲得的制品稱之為鑄件。第5頁(yè)/共50頁(yè)金屬液態(tài)成形工藝流程第6頁(yè)/共50頁(yè)液態(tài)金屬成形特點(diǎn)

1、適應(yīng)性強(qiáng)對(duì)任何大小的零件，從幾克重到幾百噸的零件；從僅0.2mm的薄壁零件，到數(shù)米厚度零件；從小到幾毫米，大到幾十米的零件；從形狀簡(jiǎn)單到任意復(fù)雜的零件都可以通過鑄造方法制造出來。第7頁(yè)/共50頁(yè)

2、適用材料范圍廣泛不僅金屬材料，幾乎所有工程材料，如陶瓷、有機(jī)高分子、復(fù)合材料等，特別是脆性材料都可采用液態(tài)成形技術(shù)。第8頁(yè)/共50頁(yè)

3、成本低鑄件的形狀及尺寸與零件非常接近，因此可減少材料消耗和后續(xù)加工量可以大量利用廢、舊金屬材料和再生資源易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高第9頁(yè)/共50頁(yè)煉鋼澆注鑄件第10頁(yè)/共50頁(yè)典型鑄件缸蓋缸體第11頁(yè)/共50頁(yè)排氣管第12頁(yè)/共50頁(yè)輪轂第13頁(yè)/共50頁(yè)鑄造壓氣機(jī)葉片第14頁(yè)/共50頁(yè)軋鋼機(jī)機(jī)架（鑄鋼，400噸）第15頁(yè)/共50頁(yè)

三峽工程用水輪機(jī)葉輪（450噸）第16頁(yè)/共50頁(yè)

特大型鋁合金鑄件凈重（2.7噸）第17頁(yè)/共50頁(yè)

金屬液態(tài)成形的基本過程是充填鑄型和冷卻凝固。這兩個(gè)基本過程在各種不同條件下完成，形成多種鑄造技術(shù)與凝固技術(shù)。

液態(tài)金屬的充型過程是鑄件形成的第一個(gè)階段，使金屬材料獲得所要求的幾何形狀。許多鑄造缺陷都是在充型不利的情況下產(chǎn)生的。因此，了解并控制充型過程是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要條件。液態(tài)成形與凝固學(xué)第18頁(yè)/共50頁(yè)

凝固是鑄件成形過程的核心，它決定著鑄件的凝固組織和鑄造缺陷的形成，因而也決定了鑄件的內(nèi)在質(zhì)量和力學(xué)性能。這兩個(gè)基本過程在各種不同條件下完成，形成多種鑄造技術(shù)與凝固技術(shù)。第19頁(yè)/共50頁(yè)凝固學(xué)——一門研究液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過程的基本理論。

研究對(duì)象：凝固過程的傳熱、傳質(zhì)和液體流動(dòng)。幾乎所有的金屬及合金在成為被人們使用的工件或器件以前都要經(jīng)過凝固階段。凝固理論的主要應(yīng)用——金屬液態(tài)成形（是一種非常經(jīng)濟(jì)的成形方法）。第20頁(yè)/共50頁(yè)0.2凝固理論的研究進(jìn)展金屬凝固理論的發(fā)展凝固技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的應(yīng)用第21頁(yè)/共50頁(yè)金屬凝固理論的發(fā)展近代凝固理論大約經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：20世紀(jì)60年代前形成了完整的經(jīng)典凝固理論，主要包括：

完整晶體生長(zhǎng)理論；晶體缺陷生長(zhǎng)理論；成分過冷理論；凝固過程擴(kuò)散場(chǎng)的理論解；兩相區(qū)流動(dòng)效應(yīng)；平方根定律等。第22頁(yè)/共50頁(yè)20世紀(jì)60年代后的較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，研究的重點(diǎn)放在經(jīng)典理論的應(yīng)用上。

Chalmers等人提出“激冷等軸晶游離”理論，

Jackson等人提出“枝晶熔斷”及“結(jié)晶雨”理論，用動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)來研究和分析凝固過程，以此為指導(dǎo)有效地控制了結(jié)晶過程和凝固過程。第23頁(yè)/共50頁(yè)

最新的凝固理論有：快速凝固理論凝固過程組織形態(tài)選擇的時(shí)間和歷史相關(guān)性復(fù)合材料凝固特性枝晶間距選擇的容許范圍等第24頁(yè)/共50頁(yè)凝固技術(shù)的發(fā)展

在新的凝固理論指引下，凝固技術(shù)又有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。典型代表就是定向凝固技術(shù)、快速凝固技術(shù)和復(fù)合材料的獲得。此外，還有金屬半固態(tài)成形技術(shù)等。第25頁(yè)/共50頁(yè)

鑄造高溫合金渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片單晶定向凝固柱狀晶等軸多晶體第26頁(yè)/共50頁(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用

鑄件充型凝固過程計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)；

快速成形技術(shù)；過程和設(shè)備運(yùn)行的計(jì)算機(jī)控制。第27頁(yè)/共50頁(yè)

充型-凝固過程數(shù)值模擬第28頁(yè)/共50頁(yè)

溫度場(chǎng)模擬第29頁(yè)/共50頁(yè)

應(yīng)力場(chǎng)模擬a)b)應(yīng)力分布的模擬結(jié)果a)原設(shè)計(jì)方案b)重新設(shè)計(jì)的方案第30頁(yè)/共50頁(yè)

鑄件微觀組織模擬石墨大小分布情況

布氏硬度分布情況

第31頁(yè)/共50頁(yè)0.3我國(guó)鑄造技術(shù)的輝煌歷史

我國(guó)鑄造技術(shù)有著悠久的歷史，早在5000多年前，鑄造技術(shù)就出現(xiàn)在了中華大地。鑄造技術(shù)被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、兵器制造、音樂藝術(shù)及人民生活等各方面，極大地推動(dòng)了我國(guó)古代文明的進(jìn)步。鑄造技術(shù)的發(fā)展史，是中華民族五千年文明發(fā)展史的重要組成部分。第32頁(yè)/共50頁(yè)1.我國(guó)古代青銅鑄造技術(shù)在我國(guó)古代，常用的鑄造工藝主要有范鑄法和失蠟法。范鑄法是用范組合成鑄型進(jìn)行澆注的方法。石范鑄造范鑄法泥（陶）范鑄造金屬范鑄造第33頁(yè)/共50頁(yè)

紋飾精美的陶范殘片第34頁(yè)/共50頁(yè)

夏、商、周時(shí)期是人類青銅文化史上最為燦爛的時(shí)代。中國(guó)在金屬冶煉、鑄造以及合金技術(shù)、加工技術(shù)等方面都取得了極其偉大的成就。商代晚期青銅器鑄造技術(shù)進(jìn)入鼎盛階段，青銅器已應(yīng)用在農(nóng)具、武器、禮器、生活用品等各個(gè)方面，鑄造了大量著名的青銅器鑄件。第35頁(yè)/共50頁(yè)

司母戊鼎

是中國(guó)目前已發(fā)現(xiàn)的最重的青銅器。司母戊鼎是中國(guó)商代后期王室祭祀用的青銅方鼎，1939年在河南省安陽(yáng)出土。高133厘米、口長(zhǎng)110厘米、口寬79厘米、重832.84千克。第36頁(yè)/共50頁(yè)

四羊銅尊商晚期的貯酒器。1938年出土于湖南寧鄉(xiāng)，是我國(guó)現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的較大的方尊，高58.6厘米，重34.5公斤。第37頁(yè)/共50頁(yè)

我國(guó)的失蠟法至遲起源于春秋時(shí)期。

1978年河南淅川下寺2號(hào)楚墓出土的春秋時(shí)代（公元前620年—前467年）的銅禁是迄今所知的最早的失蠟法鑄件。

第38頁(yè)/共50頁(yè)2.我國(guó)古代的鑄鐵技術(shù)隨著我國(guó)古代鑄造技術(shù)的發(fā)展，春秋晚期發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，從此進(jìn)入了鐵器文明時(shí)代。我國(guó)在公元前6世紀(jì)就發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，是世界上最早發(fā)明并使用生鐵的國(guó)家，比歐洲早了1800多年。第39頁(yè)/共50頁(yè)

戰(zhàn)國(guó)中期，生鐵鑄件已經(jīng)成為主要的生產(chǎn)工具，此時(shí)鐵范（鑄鐵金屬型）也成為主流工藝，廣泛應(yīng)用于軍事和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

戰(zhàn)國(guó)興隆鐵范第40頁(yè)/共50頁(yè)

隋唐以后，鑄造技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，向大型和特大型鑄件發(fā)展。著名的代表性鑄件如后周時(shí)期鑄造的河北滄州大鐵獅。第41頁(yè)/共50頁(yè)3.我國(guó)鑄造的地位和成就鑄造行業(yè)是制造業(yè)的主要組成部分從2000年起，我國(guó)鑄件產(chǎn)量超越美國(guó)，連續(xù)11

年位居世界第一第42頁(yè)/共50頁(yè)0.4未來鑄造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鑄造技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)可分為以下幾個(gè)方面。

1、鑄件的特大型化我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，對(duì)能源、冶金、船舶、石化等工業(yè)提出了巨大的需求，這些行業(yè)重大裝備的特大型化對(duì)特大型鑄件的需求越來越迫切，對(duì)質(zhì)量的要求也越來越高。第43頁(yè)/共50頁(yè)

2、鑄件的輕量化為了減輕對(duì)資源消耗及環(huán)境污染的壓力，鑄件的輕量化已成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。以汽車制造為例，汽車重量減輕10%，可使燃燒效率提高7%，并減少10%的污染。鑄件的輕量化一是材質(zhì)的輕量化，二是工藝的精確化。汽車工業(yè)、航空工業(yè)級(jí)國(guó)防工業(yè)廣泛采用輕合金是重要的發(fā)展趨勢(shì)。第44頁(yè)/共50頁(yè)

3、鑄件的精確化傳統(tǒng)精確鑄造技術(shù)有：熔模鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。新的鑄造成形技術(shù)（凈終成形鑄造）有：消失模鑄造、定向凝固熔模鑄造、半固態(tài)鑄造、快速鑄造成形技術(shù)等等。第45頁(yè)/共50頁(yè)

4、數(shù)字化鑄造模擬仿真是材料科學(xué)與制造科學(xué)的前沿領(lǐng)域及研究熱點(diǎn)。

5、網(wǎng)絡(luò)化鑄造在網(wǎng)絡(luò)化環(huán)境下，鑄造過程的模擬仿真將在新產(chǎn)品的研究與開發(fā)中發(fā)揮重要作用。第46頁(yè)/共50頁(yè)

6、清潔化鑄造目前全世界每年產(chǎn)生廢棄物約250萬億噸。鑄造行業(yè)是消耗資源的大戶，已成為可持續(xù)發(fā)展政策和規(guī)劃的關(guān)注焦點(diǎn)，鑄造行業(yè)必須走清潔生產(chǎn)的道路。綠色鑄造是長(zhǎng)期的努力方向及目標(biāo)。第47頁(yè)