工程材料与材料成形工艺
材料是人类的生活和生产赖以进行的物质基础，它直接用于制造人类所需要的各种生产工具和生活用具。
机械工程材料，按化学成分可分为以下四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。
任何材料在被人们制造成有用物品(无论是生活用品或是生产工具等)的过程中，都要经过成形加工;
材料成形工艺是人类的生产活动中始终不可缺少的基础性技术。
在现代机械产品的制造过程中，一般是应用材料成形的方法将材料制成毛坯，再经过机械加工方法制成所需的零件。
材料成形工艺是指用于把材料从原材料的形态通过加工而转变为具有所要求的形状及尺寸的毛坯或成品的所有加工方法或手段的总称。
从材料到毛坯又由毛坯到零件的工艺过程是贯穿机械制造过程中的一条主线，它包含了材料成形及机械制造工艺的基本理论、基本知识、基本方法。对于一个合格的工程技术人员来说．掌握这些知识，对所从事的工作是非常重要的。
材料成形技术的发展史
材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史而发展的。
在人类使用材料之初，通过将天然材料石头、陶土打制成石器和烧制成陶器，就诞生了最原始的材料成形工艺。
随着人们对金属材料(青铜、钢铁等)的使用，相应地产生了铸造、锻造、焊接等金属成形加工技术。
20世纪以后，随着塑料和先进陶瓷材料的出现，这些非金属材料的成形工艺得到了迅速发展；
在跨人21世纪后的今天，已进入了各种人工设计、人工合成的新型材料层出不穷的新时代，各种与之相应的先进的成形工艺也在不断涌现并大显身手。
材料成形工艺经历了从简单的手工操作到如今的复杂化、大型化和智能化生产的发展过程。
蒸汽—空气锤、水压机、模锻压力机、高速冲床等的使用，使金属锻压工艺彻底改变了传统的“手工打铁”的落后方式，进入到机械化现代化生产的行列。
1885年发现了气体放电电弧作为电弧焊接的热源，1886年发明了电阻焊，从此电焊便成为现代焊接技术的主流。
20世纪中期以后，随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速融入，在涌现出一大批新型的成形技术的同时，材料成形加工生产已开始向着优质化、精密化、绿色化和柔性化的方向发展。
我国材料成形技术的发展历史
我国的材料成形技术具有悠久的历史
明朝大科学家宋应星编著的《天工开物》一书中，详细论述了冶铁、铸钟、锻铁、淬火等各种金属的加工方法。
这部论著是世界上有金属材料成形及加工方法以来最早的科学论著，充分反映了我国历代劳动人民在材料成形及机械加工技术方面的卓越贡献。
我国的冶铸技术至少有4000年以上的悠久历史，前2000年是青铜的天下。到商周时代，冶铸技术已达到很高水平，形成了灿烂的青铜文化。
铸造技术在我国源远流长，并有很高的水平，形成了闻名于世的以泥范(砂型)、铁范(金属型)和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。
我国也是世界上应用焊接技术最早的国家之一。
河南辉县战国墓中的殉葬铜器的耳和足就是用铸焊方法与本体连接的，比欧洲早了2000多年。
新中国成立以后，我国机械制造业得到了飞速发展，经历了由仿制到自行设计、制造，从生产普通机械到制造精密和大型机械，从生产单机到制造成套设备的发展过程。
20世纪50年代，自行制造汽车、拖拉机及飞机；
60年代，制造万吨水压机，和齿轮磨床、坐标镗床等精密机床；
70年代，制造大型成套设备和万吨级远洋巨轮；
直至90年代，为我国航天、原子能等工业领域提供先进的技术装备等等。
我国成功地进行了耗用钢水达490t的轧钢机机架和长江三峡电站巨型水轮机的巨型铸件的铸造，锻造了196t汽轮机转子；
采用铸一焊组合方法制造了12000t水压机的立柱（高18m）、底座和横梁等大型零、部件；
我国已成功地生产出了用于锻造大型锻件的12000t水压机；
解决了30万吨级远洋油轮船体的焊接技术；
CAD/CAE/CAM等计算机技术及机器人技术在材料成形技术中得到越来越
广泛的应用，粉末冶金、高分子、陶瓷、复合材料制品的应用也日益扩大等等。
材料成形加工在国民经济中的地位
材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位；并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。
占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接(又说45％的金属通过焊接得以成形)制成件或产品后投入使用的；
在机床和通用机械中铸件质量占70％～80％；
农业机械中铸件质量占40％—70％；
汽车中铸件质量约占20％，锻件质量约占70％；
飞机上的锻件质量约占85％；
发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；
家用电器和通信产品中60％—80％的零部件是冲压件和塑料成形件。
交通工具—轿车的构成来看：
发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，
连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，
车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，
车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制件，轮胎等是橡胶成形制品。
因此，可以毫不夸张地说：
没有先进的材料成形工艺，就没有现代制造业。
机器零件的基本生产工艺过程及工艺学
毛坯
零
件
切削
加工
装配
液态成形（铸造）
塑性成形（压力 加工）
连接成形（焊接）
热处理
型材
铸锭
生铁
矿石
冶炼
形状、尺寸、性能
炼钢
塑性成形
（压力加工）
塑性成形
（压力加工）
切削加工
本课程的学习内容
掌握主要毛坯成型方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力，具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。
课程任务
抓住一主线：
成形原理—成形方法（工艺）及应用—成形工艺过程设计—成形件的结构工艺性
学习方法：
工艺、工艺过程、工艺学的定义
工艺----将原料或半成品加工成产品的方法、技术等。
工艺过程----将原料或半成品加工成产品的过程。
工艺学---研究工艺过程的科学。诸如机械制造工艺学（包括：铸造工艺学、锻造工艺学、焊接工艺学，机械加工工艺学）。
材料成形技术基础主要内容
铸造
锻压
焊接
非金属材料成形
粉末冶金
材料成形工艺的选择
学习目的及要求
（1）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和应用场合，了解各种常用的成形设备的结构和用途，具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯（或零件）成形方法的初步能力。
（2）具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。
（3）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势。
（即 学会“五选”：材料、毛坯、工艺方法、热处理、结构工艺性）
第一篇 金属的铸造成形工艺
铸 造
工艺基础
铸件生产
结构设计
铸造工艺
1
2
3
4
工艺性能
第一章 铸造成形工艺理论基础
第一节 铸造成形工艺的特点和分类
定义：铸造（casting）是指将熔融态的金属（或合金）浇注于特定型腔的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的成形工艺。
铸造的基本过程：
液 态
金 属
充 型
铸 件
凝 固
收 缩
5/16/2009 4:28 PM
砂型铸造过程
金属液态成形在机械制造业中占有重要的地位。它是制造毛坯、零件的重要方法之一。
就重量而论，铸件
在一般机械设备中占45％—90％，
在金属切削机床中占70％—80%，
在汽车及农业机械中占40%—70％。
一、铸造工艺特点
（1）适应性广。既可用于单件、小批生产，也可用于成批、大量生产；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；壁厚1mm到1m ，质量零点几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）。— 材料能熔便可铸
（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。如箱体、床身、机架、车轮、阎体、泵体、叶轮、汽缸体、螺旋桨等。
（3）成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；
（4）但也存在一些不足：组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。
组织缺陷：铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低.
铸件多数做为毛坯用。
污染环境：铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。
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机械制造基础
常见铸造缺陷
二、铸件成形工艺分类
铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为：
重力铸造、压力铸造、离心铸造等。
传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造”。
砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的90％以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，其工艺流程如图1所示。
按照形成铸件的铸型分可分为：
砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。
铸造生产主要包括以下几个过程：
（1）合金的熔炼；
（2）铸型的制造；
（3）合金的浇注；
（4）铸件的清理；
（5）铸件的检验。
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砂型铸造过程
第二节 合金的铸造性能
合金的铸造性能:
充型能力
收缩性
吸气性
合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。
合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。
铸造性能对获得合格的铸件有很大的影响。
一、合金的充型能力
充型能力：熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。
在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。
浇不足使铸件未能获得完整的形状；
冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。
充型能力对铸件质量的影响—
液态合金的充型能力强，则容易获得薄壁而复杂的铸件，不易出现轮廓不清、浇不足或冷隔等缺陷；
有利于金属液中气体和非金属夹杂物的上浮、排出，减小气孔、夹渣等缺陷；
能够 提高补缩能力，减少产生缩孔、缩松的倾向性。
影响合金充型能力的主要因素：
合金的流动性（与合金种类、合金的化学成分、温度、杂气量等有关）
浇注条件（温度、压力）
铸型条件（铸型的蓄热能力、铸型温度、铸型中的气体、铸件结构）
1、合金的流动性
流动性定义（flowability） ：
流动性是指液态合金的流动能力。
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。
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。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？
测定方法
图1-1 螺旋型试样
在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！
螺旋形流动性试样
合金种类
铸型种类
浇注温度/℃
螺旋线长度/㎜
铸铁 wC+Si=%
wC+Si=%
wC+Si=%
wC+Si=%
砂型
砂型
砂型
砂型
1300
1300
1300
1300
1800
1300
1000
600
铸钢 wC=%
铝硅合金（硅铝明）
镁合金（含Al和Zn）
锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%）
硅黄铜（wSi=%~%）
砂型
砂型
金属型（300℃）
砂型
砂型
砂型
1600
1640
680~720
700
1040
1100
100
200
700~800
400~600
420
1000
表1-1 常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
灰铸铁、硅黄铜的流动性较好；
铸钢较差；
铝合金居中。
液态金属本身的流动能力。
流动性充型能力易薄壁复杂铸件气孔、夹渣、缩孔
影响合金流动性的主要因素：
合金的成分与铸件的凝固方式
不同成分合金的结晶特性示意图见图1-2
含碳量
温度，T
碳钢
铸铁
共晶点
液态金属的凝固
图1-2 不同成分合金的结晶特性
在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图1-2。
铸件的凝固方式
纯金属、共晶类合金及窄结晶温度范围的合金，在恒温下以共晶团进行结晶，结晶时从表层开始向中心逐层凝固。紧靠铸型壁的外层合金，一旦冷却至凝固点或共晶点温度时，即凝固成固态晶体；而处于上述温度以上的里层合金，仍为液态。
固相线
成分
温度
表层
中心
t铸件
液
固
1. 逐层凝固:
特征
如灰口铸铁、硅黄铜及低碳钢等
固—液界面分明、平滑，不存在固液交错，凝固前沿比较平滑，对金属的流动阻力小，因而充型能力强。
2. 糊状凝固
结晶温度范围很宽的合金的一旦冷却至液相线温度时，结晶出的第一批晶粒即被周围剩余的液体合金所包围，温度继续下降，新形成的另一批晶粒又被液体合金包围，枝晶与液体合金互相交错充斥整个断面，固、液交错。
成分
温度
表层
中心
t铸件
固相线
液相线
这种凝固方式犹如水泥凝固，先呈糊状而后固化，凝固前沿粗糙，对金属流动的阻力大，因而充型能力差，容易产生铸造缺陷。
特征
远离共晶点成分的合金，如锡青铜、球墨铸铁及高碳钢等
3. 中间凝固
介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式。
温度
成分
表层
中心
S
t铸件
温度
固相线
液相线
中碳钢、白口铁以及部分特种黄铜等，倾向于中间凝固方式。
（2）铸件的温度梯度
在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄 。
表层
中心
S
t铸件
温度
成分
温度
S1
T1
T2
（1）合金的结晶温度范围
合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。
影响铸件凝固方式的主要因素 ：
金属的凝固温度范围越大，树枝晶越发达，其流动性越差。
如何提高合金的流动性
提高流动性：降低金属粘稠度的成分均有助于提高流动性。
磷：↓铁液的凝固温度和粘度→↑流动性；
↑铸铁的冷脆性；
硫：形成悬浮于铁液中的MnS质点，增加内摩擦→↑铁液的粘度→ ↓流动性。
在相同的浇注温度下，共晶成分合金凝固温度最低，即液态金属的过热度较大，推迟了液态金属的凝固，所以从流动性考虑，宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。
纯金属、共晶类合金及结晶温度范围窄的合金：只存在固、液两相区
结晶温度范围大的合金：存在固相区、凝固(固-液两相)区和液相区。
倾向于逐层凝固方式
倾向于糊状凝固方式
2. 浇注条件
浇注温度粘度、过热度蓄热多保温时间
流动性。
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。
（1）浇注温度
指的是浇注时熔融合金的温度。
对于薄壁铸件或 流动性差的合金，利用提高浇注温度以改善充型能力的措施。
每种合金有自己的合理浇注温度范围：
铸钢15201620℃；
铸铁1230 1450℃；
铝合金680 780℃
浇注温度金属的收缩吸气氧化缩孔、缩松、气孔和粘砂。
充型能力足够时浇注温度应尽可能低。
（2）浇注压力
采用方法：
增加直浇道高度、压力铸造、离心铸造 来提高浇注压力。
浇注压力合金的流动性。
金属液在流动方向上所受的压力越大，则流速越大，充型能力就越好。
3. 铸型填充条件
（1）铸型导热能力
铸型材料
导热系数大，比热大 金属液冷却快铸件的温度梯度↓ 凝固区变宽充型能力↓
铸型温度
温度↑ →金属液冷却慢→充型能力↑
干砂型铸型（加热） 合金的流动性
金属型铸型 导热能力 合金的流动性 。
3. 铸型填充条件
铸型结构：当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，铸型型腔狭窄、结构复杂以及有大的水平面等或铸型材料发气量大时型腔内气体（如排气不畅）金属液流动阻力合金的流动性。
（2）铸型的阻力
铸型的排气能力
铸型的排气能力差→气体不易排出 →阻碍液态合金的充型
所以铸型具有良好透气性，并在最高处设出气口。
二、合金的收缩性
1. 合金的收缩
合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象称为收缩。
合金的收缩（控制不好）缩孔、缩松、变形、裂纹。
收缩是多种铸造缺陷的根源:
合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩过程有三个阶段：
温度
成分
T浇
T凝
T固
ε浇
ε凝
ε固
①液态收缩液 从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（即液相线温度T液）间的收缩。
②凝固收缩凝 从凝固开始温度（ T凝）到凝固终止温度（即固相线温度T固）间的收缩。
③固态收缩固 从凝固终止温度（ T固）到室温T室温间的收缩。
体收缩率：
液态收缩和凝固收缩 — 表现为铸型空腔内金属液面的下降，引起液体铸件体积的变化，故称体积收缩或体收缩。
液态收缩和凝固收缩 — 是铸件产生缩孔或缩松的基本原因。
固态收缩 —是铸件产生铸造应力导致铸件变形，甚至产生裂纹的主要原因。
固态收缩 — 将引起铸件外部形状、尺寸发生变化尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩。
线收缩率：
合金的总收缩为上述三种收缩之和。
2. 影响合金收缩的因素
⑴化学成分
碳素钢C 凝 固；
灰铸铁C、Si 收缩率；S 收缩率。
—不同成分合金的收缩率不同
几种铁碳合金的收缩率
～
～
1400
灰铸铁
12～
～
1400
白口铸铁
1610
碳素铸钢
总体收缩率(%)
固态收缩率(%)
凝固收缩率(%)
液态收缩率(%)
浇注温度
/℃
含碳量ωc
(%)
合金种类
浇注温度 T过 液、总收缩率。
⑵浇注温度
为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温度一般控制在高于液相线温度50℃～150℃。
①由于铸件壁厚不均匀，各部分冷速不同，各部收缩先后不一致而相互制约对收缩产生阻力；
②铸型和型芯收缩机械阻力实际收缩率比自由收缩率小。
⑶ 铸件结构和铸型条件
铸件的凝固收缩凝并非自由收缩，而是受阻收缩。其阻力来源于两个方面:
(a)自由线收缩率为%；
(b)受阻较小的线收缩率为%；
(c)受阻较大的线收缩率为%；
(d)受阻特别大的线收缩率为%。
在设计和制造模样 时，不应直接采用合金的线收缩率，而应根据合金种类和铸件收缩的受阻情况，采用实际的收缩率。
3. 铸件中的缩孔与缩松
铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。
危害----缩孔和缩松会减小铸件的有效承载面积，并在该处造成应力集中，从而降低力学性能。
对于要求气密件，缩孔、缩松还会造成渗漏而严重影响其气密性。
所以，缩孔和缩松是很大的铸造缺陷之一。
⑴缩孔与缩松的形成
由液、凝 体积（得不到补充）最后凝固部分产生孔洞形成集中孔洞（缩孔）。
①缩孔的形成：
演示
缩孔形成的条件: 金属在恒温或很小的温度范围内结晶，如纯金属、共晶成分的合金，浇注后在型腔内是由表及里的以逐层凝固方式进行凝固。
缩孔种类
缩孔产生的基本原因: 合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值。
缩孔与缩松的形成演示
缩孔易出现的部位
缩孔产生的部位: 一般在铸件最后凝固区域，如壁的上部或中心处，以及铸件两壁相交处，即热节处。
若在铸件顶部设置冒口，缩孔将移至冒口。
冒口riser：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。
缩松形成的条件: 它主要出现在结晶温度范围宽、呈糊状凝固方式的合金中，或断面较大的铸件壁中。
②缩松的形成
树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。
缩松动画
缩松分为宏观缩松和显微缩松：
宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到；
显微缩松用显微镜才能观察到。
缩松产生的部位: 大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。
图1-6 铸件缩松的形成过程
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
缩孔缩松的形成规律
1）合金的液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铁等），铸件越易形成缩孔。
2）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。
3）结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。
纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。
⑵缩孔和缩松的防止
判断缩孔出现的方法
①等温线法
根据铸件各部分的散热情况，把同时到达凝固温度的各点连接成等温线 ，逐层向内绘制，直道最窄的截面上的等温线相互接触为止。这样，就可以确定铸件最后凝固的部位，即缩孔和缩松的位置。
在内接圆直 径最大的部分(称为“热节”)，有较多的金属积聚，往往最后凝固，容易产生缩孔和缩松。
②内接圆法
常用来确定铸件上相交壁处的缩孔位置。
⑵缩孔和缩松的防止
定向（顺序）凝固原则
原则
合理布置内浇道及确定浇铸工艺。
方法
合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。
消除缩孔的方法
①缩孔的防止
⑵缩孔和缩松的防止
利用各种工艺措施，使铸件从远离冒口的部分到冒口之间建立一个递增的温度梯，凝固从远离冒口的部分开始，逐渐向冒口方向顺序进行，最后 是冒口本身凝固。这样就能实现以厚补薄，使缩孔移至冒口，从而获得致密的铸件。
“定向凝固”原则：
适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。
定向凝固directional freezing图解
浇注系统
Pouring system
型腔mould cavity
冒口
Riser
温度
距离
1
2
3
缩孔shrinkage cavity
定向凝固动画
在铸件一些局部厚大的部位上安放冷铁 ，加快该处的冷却，以便充分发挥冒口的补缩作用
冷铁Chill：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。
冒口的设计：
应将冒口安放在铸件最厚和最高处，其尺寸要足够大。
内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；应将内浇道开设在冒口上，使充型的炽热金属液首先流经冒口。
内浇道的设计：
冷铁的设计：
冷铁的使用图解
1
2
3
冷铁Chill
Chills are metallic objects, which are placed in the mould to increase the cooling rate of castings to provide uniform or desired cooling rate.
解决缩孔的方法演示
冒口和冷铁1
冒口和冷铁2
暗冒口
冒口— 储存补缩用金属液的空腔。
顺序凝固— 铸件按照一定的次序逐渐凝固。
冷铁
热节
尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固；
对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法。
②缩松的防止
缩松的防止比缩孔困难，目前多采用在热节处加冷铁和加大结晶压力的办法，减少金属液流动的阻力，能达到部分防止缩松的效果。
缩松转化为缩孔的方法：
由于铸件各部分有温差，凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。
定向凝固使清理工作量大。
冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。
定向凝固的优点：
定向凝固的缺点：
4. 铸造内应力及铸件的变形和裂纹
铸件的固态收缩受到阻碍时，在铸件内部产生的内应力称为铸造内应力。它是产生变形和裂纹的主要原因。
内应力
热应力
机械应力
铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分收缩不一致，从而在铸件中相互制约产生热应力thermal stress 。
铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。
⑴内应力的形成
第一阶段T0—T1（a) :
高温阶段，塑性状态，
Ⅰ杆、Ⅱ杆都是塑性变形，无热应力；
图1-10热应力的形成
以框架铸件为例，说明热应力的形成过程，如图1-10所示，其热应力形成过程分三阶段。
① 铸造热应力的形成过程分析
第二阶段 T1—T2 (b、c） :
Ⅰ杆塑性状态、Ⅱ杆弹性状态， Ⅱ杆受拉应力， Ⅰ受压应力，Ⅰ塑性变形消除,仍无热应力；
第三阶段T2—T3 （d）： Ⅰ杆、Ⅱ杆均弹性变形，Ⅰ杆比Ⅱ杆温度高，Ⅰ杆收缩大于Ⅱ杆， Ⅰ杆收缩受Ⅱ杆的阻碍，产生拉应力， Ⅱ杆产生压应力。
热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各部分壁厚差别及温度差成正比。
图1-10热应力的形成
动画演示
结论：
热应力的特点：
固态收缩使铸件厚壁或心部受拉伸。薄壁或表层受压缩。
合金固态收缩率愈大，铸件壁厚差别愈大，形状愈复杂，所产生的热应力愈大。
防止热应力产生的途径：
缩小铸件各部位的温差，使其均匀冷却。
Ⅰ、选用弹性模量小的合金；
Ⅱ、设计壁厚均匀的铸件；
Ⅲ、从工艺方面促使铸件各部位同时凝固。
冷铁
同时凝固— 整个铸件几乎同时凝固。
同时凝固可有效防止热应力。凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；
由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。
缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。
②机械应力（收缩应力） mechanical stress
机械应力是暂时应力。
上型
下型
铸件收缩受到铸型、型芯及浇铸系统的机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力。简称机械应力。
铸型或型芯退让性良好，机械应力则小。
机械应力在铸件落砂之后可自行消除。
机械应力在铸型中能与热应力共同起作用，增加了铸件产生裂纹的可能性.
减小和消除铸造应力的途径
①工艺方面
a.使铸件按“同时凝固”原则进行凝固。
将内浇道开设在薄壁处，在厚壁部位安放冷铁使铸件各部分温差很小，同时进行凝固，由此热应力 可减小到最低限度。
应该注意的是，此时
铸件中心区域往往出现
缩松，组织不够致密。
b.提高铸型和型芯的退让性，及早落砂、打箱以消除机械阻碍，将铸件放入保温坑中缓冷，都可减小铸造应力。
②结构设计方面
应尽量做到结构简单，壁厚均匀，薄、厚壁之间逐渐过渡，以减小各部分的温差，并使各部分能比较自由地进行收缩。
③采用自然时效、人工时效等方法消除铸件中产生的热应力。
⑵铸件的变形及其防止
如果铸件存在内应力， 则铸件处于一种不稳定状态，铸件厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力。如果内应力超过合金的屈服极限时，则铸件本身总是力图通过变形来减缓内应力，因此细而长或大又薄的铸件易发生变形。
图2-15 框架铸件的变形
图2-16 T形梁的变形
结论：
最后凝固厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。 薄部、表面受压应力，出现外凸变形。
防止变形的方法：
例如：设计时，铸件壁厚力求均匀；制定铸造工艺时，尽量使铸件各部分同时冷却，增加型(芯)砂的退让性等。
防止铸件变形的根本措施是减少铸造内应力。
在制造模样时，可以采用反变形法，即预先将模样做成与铸件变形相反的形状，以补偿铸件的变形。
在薄壁处附加工艺筋。
5/16/2009 4:28 PM
铸件的变形的消除方法
防止变形的方法：与防止应力的方法基本相同。带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。
问题
分析有长、短不一的两根弹簧，将其固定，使其达到同等长度，即其中一弹簧被拉长，另一弹簧被压缩，此时所受的应力状态？然后将其固定约束去掉，试分析其变形趋势？
将一长度为L的圆柱体铸件：
1）将中间钻一通孔；
2）将外表面车掉一层；
问：在这两种情况下其长度会发生什么变化？
若将应力框中间的粗杆沿中间锯断：
问：应力框中间的间隙会发生什么变化？
只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使残余应力减少或消除。
⑶ 铸件的裂纹及防止
如果铸造内应力超过合金的强度极限时，铸件便会产生裂纹。
裂纹分为热裂和冷裂两种。
1）热裂 Hot Tearing
在凝固末期、接近固相线的高温下形成的裂纹。
产生原因：在凝固后期，结晶出来的固态物质已形成了完整的骨架，开始了线收缩，但晶粒间还存有少量液体（低熔点的共晶产物FeS），故金属的高温强度很低。
例如，w(C)＝%的碳钢，室温强度＞480 MPa，而在1300—14l0℃时的高温强度h＜。当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂。
特征：裂纹短、形状曲折、缝隙宽、断面有严重氧化、无金属光泽、裂纹沿晶界产生和发展等，在铸钢和铝合金铸件中常见。
热裂一般分布在应力集中部位(尖角或断面突变处)或热节处。
形成热裂的主要因素
⑴合金性质
结晶温度范围宽，液、固两相绝对收缩量愈大， 热裂倾向也愈大。
另外，含硫（S）高，热裂倾向也大。
灰铸铁、球铸热裂倾向小。
铸钢、可锻铸铁热裂倾向大。
⑵铸型阻力
铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向小。
砂土中加入少量锯木屑可增加退让性。
防止热裂的措施：
应尽量选用凝固温度范围小、热裂倾向小的合金；
提高铸型、型芯的退让性，减小机械应力；
合理设计浇道、冒口；
对于铸钢、铸铁件，严格控制硫含量，防止热脆性。
硫增加合金的热脆性，使热裂倾向大大提高。
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——是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。
轮形铸件的冷裂
2）冷裂 Cold cracking
特征：冷裂外形呈连续直线状或圆滑曲线状，常常穿过晶粒，断口有金属光泽或呈轻微的氧化色。
产生的原因：是铸件中内应力超出合金的强度极限而产生的。
冷裂常出现在铸件受拉应力的部位。
特别是有应力集中的地方（如内尖角处和缩孔、气孔及其非金属夹杂物的附近）。
演示
防止方法：
冷裂——尽量减小铸造应力 。
①把内浇口开在薄的轮辐处，以实现同时凝固。
②较早打箱，以去除铸型对收缩的阻碍，打箱后立即用砂子埋好铸件，使其缓慢冷却。
③修改结构，加大轮辐和轮缘的连接圆角，以增加强度和减少应力集中。
④设置防裂筋可
有效防止铸造裂纹
三、合金的吸气性
液态合金中吸入的气体，如果在冷凝过程中不能逸出，滞留在金属中，将在铸件内形成气孔。
危害：气孔破坏了金属的连续性，减少了其承载的有效截面积，并在气孔附近引起应力集中，降低了铸件的力学性能。
按照气体的来源可分为：
侵入气孔、析出气孔和反应气孔三类。
气孔是出现在铸件内部或表层，截面形状呈圆形、椭圆形、腰圆形、梨形或针头状，孤立存在或成群分布的孔洞。
气孔
1. 侵入气孔
—砂型和型芯中的气体侵入金属液中形成的气孔。
特征：在砂型和型芯表面附近，比较集中，尺寸较大，孔壁光滑，表面常呈氧化色或蓝色、呈椭球形或梨形。
防止：降低砂型和型芯的发气量和增强铸型的排气能力。
侵入的气体一般为水蒸气、一氧化碳、氮气、碳氢化合物等气体。
2. 析出气体
溶解有氢的金属液在冷凝过程中，由于氢的溶解度下降，呈过饱和状态，于是，结合成分子以气泡的形式从金属液中析出。上浮的气泡若遇阻碍或金属液因冷却而粘度增加等情况，则不能浮出金属液，铸件中就形成了析出气孔。
特征：气孔尺寸小，分布面积较广，甚至遍布整个铸件面积，而且，用同一种金属液浇注的所有铸件均有气孔，使铸件成批报废。
<1mm的称为针孔，危害较大。
防止：保证炉料入炉前不含水、油、锈等污物，严格遵守操作工艺，减少金属液与空气的接触，控制炉气为中性气氛。
3. 反应气孔
防止：芯撑、冷铁表面不得有锈蚀、油污，并保持干燥
—液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应而形成的气体。
特征：在芯撑、冷铁附近形成气孔。
铸件气孔和缩孔典型的区别：
前者内壁光滑后者内壁粗糙，但在实际生产中气孔和缩孔玩往往混在一起很难区别开来，这时就叫气缩孔。
气孔一般在铸件的浇注位置上部，和铸件表面出现，缩孔在铸件的厚大部位出现比如冒口的下部，和铸件补缩不到的较厚的部位。
结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难
铸件结构复杂状况
铸件复杂程度
9
折算厚度大，散热慢，充型能力好
铸件体积与表面积之比
铸件的折算厚度
8
结构愈复杂，流动阻力愈大，充型能力愈差
各浇道的结构复杂情况
浇注系统的结构
7
温度愈高，液态金属与铸型的温差就愈小，充型能力愈强
铸型在浇注时的温度
铸型温度
6
蓄热系数愈大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于其中保持液态的时间就愈短，充型能力下降
铸型从其中的金属吸取并存储在本身中热量的能力
铸型的蓄热系数
5
能在金属液与铸型间产生气膜，减小摩擦阻力，但发气太大，铸型的排气能力又小时，铸型中的气体压力增大，阻碍金属液的流动
浇注时因铸型发气而形成在铸型内的气体
铸型中的气体
4
压力愈大，充型能力愈强。但压力过大或充型速度过高时，会发生喷射、飞溅和冷隔现象
金属液体在流动方向上所受的压力
充型压力
3
浇注温度愈高，充型能力愈强
浇注时金属液的温度
浇注温度
2
流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于对铸件的收缩进行补缩
液态金属本身的流动能力
合金的流动性
1
影 响 原 因
定 义
影响因素
序号
表2 影响充型能力的因素和原因
作业与 思考题：
1.何谓合金的铸造性能？它可以用哪些性能来衡量？铸造性能不好，会引起哪些缺陷？
2.试分析图1所示铸件：1）哪些是自由收缩，哪些是受阻收缩？2）受阻收缩的铸件形成哪一类铸造应力？3）图示各点应力属于什么性质（拉应力、压应力）？
图1 铸件
P15 .（2）、（4）、（6）
液态合金注满铸型型腔后，开始冷却阶段，液态收缩可以从浇注系统得到补偿，见图（a）；随后，由于型壁的传热，使得与型壁接触的合金液温度降至其凝固点以下，铸件表层凝固成一层细晶薄壳，并将内浇口堵塞，使尚未凝固的合金被封闭在在薄壳内，见图（b）；温度继续下降，薄壳产生固态收缩，液态合金产生液态收缩和凝固收缩，而且远大于薄壳的固态收缩，致使合金液面下降，并与硬壳顶面分离，形成真空孔洞，在负压及重力作用下，壳顶向内凹陷，见图（c）；温度再度下降，上述过程重复进行，凝固的硬壳逐层加厚，孔洞不断加大，直至整个铸件凝固完毕，这样在铸件最后凝固的部位形成一个倒锥形的大孔洞，见图（d）；铸件冷至室温后，由于固态收缩，使缩孔的体积略有减小，
退让性 铸件凝固和冷却过程中产生收缩时，型砂能被压缩、退让的性能称为退让性。退让性不好，铸件易产生内应力或开裂。型砂越紧实，退让性越差。
图1-16所示为一平板铸件，尽管其壁厚均匀，但其中心部分因比边缘散热慢、收缩慢而受拉应力，边缘处则散热较快，收缩较快而受压力。由于铸型上面比下面冷却快，于是该平板发生了如图所示方向变形。
实践证明，尽管铸件冷却时发生部分变形、但内应力仍未彻底消除。在经过机加工后内应力发生重新分布，铸件仍会发生变形，影响零件的精度。因此，对某些重要的、精密的铸件，如车床床身等，必须采取去应力退火或自然时效等方法，将残余应力消除，必要时还可在粗加工后进行去应力退火或人工时效（自然时效），然后再进行精加工，以确保零件的精度。
在铸件中存在任何形式的热裂纹都严重损害其机械性能，使用时会因裂纹扩展使铸件断裂，发生事故。因此，任何铸件皆不允许有热裂。
气孔是铸造生产中最常见的缺陷之一。在铸件的废品中，气孔占有很大的比例。据统计由于气孔导致的铸件废品占铸件废品总数的1/3左右。气孔和针孔都是由气体在铸件凝固前没有从金属中逸出而形成的一种孔洞类缺陷。如何消除气孔，是当前生产上十分关切的问题。
气孔的形状一般为圆形或近似于圆形的团球状孔洞；其他形状有泪滴形、梨形、蠕虫状、针状、晶间裂隙状等气孔；气孔孔壁比较光滑而发亮，具有金属光泽，颜色有时发蓝、有时发暗。灰铸铁气孔表面还覆盖着一薄层片状石墨或碳膜。当用扫描电镜观察灰铸铁的气孔孔壁时，其孔壁表面呈现凸凹不平的图像，但起伏较缩松、缩孔的内壁平滑；气孔的大小变化很大，有的直径很小，1mm左右，犹如针尖，有的很大可达几毫米。气孔常出现在铸件的表面、内部或皮下。有些气孔呈弥散状分布在铸件的皮下，待机械加工后就暴露出来。有些表面气孔与内部气孔相互贯通呈现在铸件的表面。
