材料工程基础第八章

孙文周第八章液态金属材料凝固成形金属成形概述

主要用材：钢铁、非铁金属、塑料、橡胶、玻璃等汽车发动机罩（钢板，冲压）前灯：透镜（玻璃）聚光罩（钢板冲压）前窗玻璃（钢化玻璃或夹层玻璃）车门（钢板，冲压）顶盖（钢板、冲压）轮胎（橡胶，压出）挡泥板（钢板，冲压）仪表板（钢板，冲压）（塑料，注射）（镁合金，铸造）机器生产过程：原材料——毛坯——零件——机器机器制造方法：原材料选取择与材料改性（热处理）;毛坯成形（铸、锻、焊等）;零件成形（切削加工等）与装配。热处理原材料毛坯机器零件热处理铸造锻压焊接装配切削加工机器生产过程铸造成形汽缸体铸件端盖铸件金属液态凝固成形锻压成形锻造冲压锻件冲压件金属塑性成形焊接焊接示范焊接容器焊接件金属固态连接切削加工数控车床数控铣床车床金属切削加工成形Part1金属材料加工：金属加工第8章第9章第10章第11章金属改性金属固态连接金属液态凝固成形金属塑性成形金属切削加工第12～14章金属材料加工的主要方向常规材料加工工艺的短流程化和高速、高效化

连铸连轧

发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制

热连轧，冷连轧

材料设计、制备与成形加工一体化

整体构件；开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品快速冷凝、喷射沉积发展计算机数值模拟、仿真模拟及神经网络技术，构筑完善的材料数据库。第八章液态金属材料凝固成形第一节金属液态成形基础——凝固凝固:

物质由液相到固相的转变过程。

由液体向晶态固体转变析晶转变

由液体向非晶态固体转变玻璃化转变

晶化过程非晶化过程微晶化过程结晶：物质从一种原子排列状态过渡到另一种规则排列状态的转变过程。

由液体向晶态固体转变一次结晶

由固体向固体转变二次结晶（重结晶）凝固析晶非晶-微晶1200℃时液态金属原子的状态1500℃时液态金属原子的状态晶体成核自发形核（均质）非自发形核（非均质）一、凝固结晶过程结晶长大金属的结晶过程结晶驱动力相变驱动力ΔG:由于液相自由能G随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率.过冷度ΔT是影响相变驱动力的决定因素。过冷度ΔT越大，凝固相变驱动力ΔGV越大。液态与固态自由能－温度关系结晶驱动力过冷度：过冷度ΔT越大，凝固相变驱动力ΔGV越大。且凝固方向沿热流的反方向凝固。1）热过冷——纯金属在凝固时，其理论凝固温度不变，当液态金属中的实际温度低于理论温度，就引起过冷，称之为热过冷。2）成分过冷——在合金凝固过程中，由于液相中溶质分布发生变化而改变了凝固温度，这可由相图中的液相线来确定，因此将界面前沿液体中的实际温度低于溶质分布所决定的凝固温度时产生的过冷，称之为成分过冷。合金凝固才有成分过冷存在！晶体长大方式：1）正温度梯度下——平面长大2）负温度梯度下——枝晶长大固液T距离过冷度固液T距离过冷度潜热释放：容器、铸模吸收热量潜热释放：过冷液相吸收热量二、凝固过程中材料的物理性质与晶体结构的变化

1、体积改变

2、外形改变

3、熵值改变

4、产生凝固潜热

5、晶体结构改变

6、发生溶质再分配液－固转变体积将缩小3－5％。外形将保持容器的形状。发生液－固转变，熵值将减小。亚共晶灰铸铁冷却曲线凝固过程的溶质再分配K0——溶质平衡分配系数定义：恒温T*下固相合金成分浓度Cs与液相合金成分浓度CL达到平衡时的比值。物理意义：∣1-K0∣称为“偏析系数”。三、凝固成形包括的内容1、浇注：金属冶炼后浇注成金属锭

2、铸造：液态金属直接浇注成产品

3、固态金属改性：通过控制液态金属的凝固过程

本章内容炼钢浇注炼铜四、凝固成形的基本问题2、凝固组织的形成与控制3、铸造缺陷的防止与控制4、铸件尺寸精度与表面粗糙度控制1、凝固形成工艺的选择晶粒大小组织结构第二节凝固组织的形成与控制一、凝固组织的形成——金属的凝固方式金属或合金凝固分区示意图凝固温度场逐层凝固-----发达的柱状晶或树枝晶体组织糊状凝固-----发达的等轴晶组织中间凝固SSS+LS+LLTLTSTSSS+LTLTST金属的凝固方式SSS+LTLTST柱状晶生长过程的动态演示铸型液态金属影响金属凝固方式的主要因素：1）金属的凝固温度范围：相图中液相线和固相线距离合金结晶温度范围越窄，则铸件凝固时越趋于逐层凝固；合金结晶的温度范围越宽，则铸件凝固时越趋于糊状凝固。影响金属凝固方式的主要因素：2）铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度。铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度越大，则铸件凝固时越趋于逐层凝固；铸件凝固期间固、液相界面前沿的温度梯度越小，则铸件凝固时越趋于糊状凝固。结晶温度是由合金的成分决定的，而温度梯度是由所采取的工艺所决定的。等轴晶：由于等轴晶性能均匀稳定，没有方向性，故其是生产中优先选择的宏观组织形态。

工艺控制措施：

（1）液体金属过热应不大，适当降低浇注温度；

（2）采用容量和导热系数小的铸造型使其缓慢冷却；

（3）动态冷却，冷却过程中搅拌金属液；

（4）孕育处理，造成大量晶核，加形核剂。二、凝固组织的控制晶粒粗大，导致结构疏松减小温度梯度柱状晶：

其特点是各向异性，铸件性能显示方向性。

工艺控制：（1）液体金属过热度大，使浇注温度增高；

（2）采用容量和导热系数大的铸造型使其快速冷却；

（3）静止冷却，冷却过程中没有搅拌影响；脆弱界面增大温度梯度几种不同类型的铸件宏观组织示意图（a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶铸件宏观组织一般可能存在三个不同的晶区：表面细晶粒区：靠近型壁的外壳层，有紊乱排列的细小等轴晶组成；柱状晶区：由自外向内沿着热流方向彼此排列的柱状晶所组成；内部等轴晶区：由紊乱排列的粗大等轴晶组成。铸件宏观组织晶粒大小的控制1、控制过冷度（△T越大，N/G越大）2、变质处理（加形核剂增大形核率，N↑）3、搅拌和振动

影响金属凝固后的显微组织结构与的因素：（1）合金成分；（2）固－液界面间的温度梯度；（3）界面移动速度或凝固速率；（4）固－液界面能；（5）可导致不均匀形核的杂质的种类和数量；（6）固相的生长情况。第三节凝固成形工艺概念：凝固成形－－俗称铸造，将金属熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔中，带液态金属冷却凝固后将铸型打开（或破坏）取出所形成的铸件毛坯。铸造成形过程：1、充型2、定型凝固3、脱模铸造的特点优点：零件的形状复杂；工艺灵活；成本较低。缺点：机械性能较低；精度低；效率低、劳动条件差铸铝件球铁铸件铸铜铸造工艺的内容：1）熔化合格的合金液体：成分合格，温度合适；2）制作合理的铸型：造型材料，造型方法，铸造工艺，尺寸，型板，砂箱，分型面，浇注系统3）浇注成型以及清理：浇注方法（重力，加压），清理。4）凝固成合格的铸件：内部质量，尺寸。铸造常用方法：砂型铸造金属铸造压力铸造低压铸造离心铸造熔模铸造特种铸造1、砂型铸造定义：砂型铸造是指用型砂制备铸型模来生产铸件的铸造方法。通常所用型砂是由原砂（例如石英砂、铬铁矿砂或锆英砂等）、粘结剂（粘土、水玻璃或树脂等）和附加物等按一定比例混制而成的混合料。

型砂落砂清理造型浇注铸件砂型铸造的优点：1）适应性强，不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制。2）设备简单，投资小，造型材料来源广泛，价格低廉。3）铸型模制备容易，所用木模可重复使用。砂型铸造的不足：1）铸件精度和表面质量差；2）易产生铸造缺陷、质量不稳定、废品率高，机械性能差。3）铸件组织晶粒粗大，易成分偏析。2、金属型铸造定义：将金属液浇注到金属铸型中，待其冷却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸造。

特点：

1.一型多铸，提高生产率，易于实现自动化

2.铸件尺寸精度高，表面光洁

3.改善劳动条件，节省造型材料

4.成本高、周期长、且不适宜于复杂铸件和薄铸件主要用于：铝、铜、镁等有色金属铸件3、压力铸造定义：压力铸造是在专用设备—压铸机上进行的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固获得铸件的方法。压力铸造机汽车压铸件辽宁省阜新市阜新压铸机厂生产的冷室卧式压铸机CK500辽宁省阜新市阜新压铸机厂生产的压铸机J116C特点：

1）要求在压力作用下凝固，否则无意义。（温度场和快速）；2）由于表面冷却很快，所有铸件表层晶粒很细小，性能很高，不要加工掉。

3）压铸时，金属液的充填速度很高，将型腔内的部分气体裹进压铸件中，所以压铸件不能热处理。

4）高熔点金属的压铸模具寿命不长

5）因为压铸模具成本较高、生产效率高，压铸不宜小批量生产。压铸件应用：

压铸可以生产锌合金、铝合金、镁合金、黄铜铸件；在压铸件中，铝合金压铸件约占30-50%，其次为锌合金压铸件，黄铜压铸件约占1-2%，镁合金压铸件正在快速增长。压铸件应用行业为汽车、拖拉机、仪表、电子工业、计算机、医疗器械等。

4、低压铸造

定义：低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.03～0.07Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法。带保温炉不带保温炉1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖；6-浇道；7-型腔；8-铸型5、熔模铸造定义：熔模铸造又名“失蜡法铸造”“消失模铸造”，是采用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法。熔模铸造蜡模制造生产工艺过程结壳脱蜡焙烧、造型和浇注落砂和清理压型蜡模压制浸涂料撒砂硬化干燥处理化学硬化热水法高压蒸汽法加热800~1000°C焙烧600~700°C浇注打碎型壳落砂去浇口、毛刺清理蜡模组装蜡模铸造工艺流程蜡模制造脱蜡和造型6、离心铸造离心铸造是将金属液浇入高速旋转（250～1500r/min）的铸型中，并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型，也可以是砂型。既适合制造中空铸件，也能用来生产成形铸件。应用：离心铸造技术已经成为一种应用较广泛的铸造工艺。离心铸件的最小内径可达8mm，最大内径可达8.6m，离心铸件的最大长度可达8m；离心铸件的重量范围从几克至十多吨。世界上球墨铸铁管总产量的二分之一采用离心铸造生产。新兴铸管有限公司的中型离心铸造机正在拔管正在浇注图8-12新兴铸管集团有限公司生产的离心铸造球墨铸铁管正在安装施工主供水管线几种常用凝固成形方法评价第四节凝固过程的缺陷与控制铸造成形过程：1、充型——利用液态金属的流动性

金属充型能力、金属吸气性2、定型凝固——借助模型冷却金属，以型腔定型

溶质再分配3、脱模——利用金属的冷收缩特性

收缩过程孔洞、气孔偏析缩孔和缩松变形和开裂1、金属的充型过程基本概念：液体充满铸型，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。

1)金属的流动性影响流动性的因素：

1）合金的性质：共晶成分的合金、纯金属、固溶体合金↑结晶温度范围：范围越宽，树枝晶易粗大↓物理性质：比热容↑密度↑热导率↓结晶潜热↑粘度↓

2）工艺因素浇注温度：↑充型压头：↑(压力铸造)浇注速度:↓铸型材料:导热性↓铸件的尺寸，壁厚等↓2）金属的吸气性及气孔的形成气体的来源：1）反应性气体2）浸入性气体气体的析出：1）气体原子扩散到表面——脱离吸附2）反应生成化合物，以金属夹杂物形式析出3）以气泡形式逸出气孔的形成：1）反应性气孔2）侵入性气孔气孔的引发的缺陷：1）局部应力集中—裂纹源2）造成晶间疏松—缩孔3）降低韧性—脆化1）微观偏析：金属凝固过程中发生化学成分不均匀的现象。a：晶内偏析——由于合金的不平衡结晶造成的，大多产生于具有一定的结晶范围，能形成固溶体的合金中。影响因素：解决方法：固液线距离↓偏析元素的扩散能力↑高温均匀化退火铸件的冷凝速度↓2、凝固过程中的偏析b：晶界偏析凝固过程的溶质再分配2）宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀的现象。1、正常偏析：对于<1的合金，先凝固区域的溶质含量低于后凝固区域；对于>1的合金，先凝固区域的溶质含量高于后凝固区域。2、逆偏析：对于<1的合金相反，外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低，与正常溶质再分配规律不一致。3、密度偏析：由于重力作用产生的化学成分不均匀的现象。原因：形成粗大的树枝晶，应避免定义：铸件在冷却过程中体积缩小的现象叫收缩。收缩可分成三个阶段：液态收缩：从浇注温度降低到凝固开始的温度时，发生的体积收缩；凝固收缩：合金在凝固阶段的体积收缩；固态收缩：固态合金因温度降低发生的体积收缩。3、金属的收缩变形和开裂缩孔和缩松1）收缩而引起的缩孔和缩松

铸件凝固后由于合金的收缩，在最后凝固部位会出现孔洞。体积大而集中的孔洞称为缩孔；细小而分散的空洞称为缩松。缩孔形成过程宏观缩松：指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞，通常出现在缩孔的下方。微缩缩松：是指分布在枝晶间的微小孔洞，在显微镜下才能看到。缩松顺序凝固同时凝固问题：如何避免缩孔和缩松？可以利用冒口、冷铁和补贴等工艺措施，并结合运用顺序凝固或同时凝固的工艺原则来实现。冒口温度变化热膨胀或收缩热应力（自身拘束）机械阻碍应力（外部拘束）固态相变（伴随比容变化）受阻受阻相变应力按应力形成原因分类：热应力相变应力

机械应力。2）应力产生导致的变形和裂纹2）应力产生导致的变形和裂纹铸件冷却时因各部分冷却速度不同，造成在同一时刻各部分的收缩量不同，彼此相互制约的结果就产生了应力。受拘束瞬时应力与应变完全冷却后残余应力与变形加热与冷却框形铸件中的动态应力分析弹塑性转变温度缺陷产生及解决措施：变形，裂纹：热导率低、塑性差的合金成分会导致开裂例如：钢中碳、磷引起的冷裂；硫引起的热裂解决方法：1）铸件形状简单、薄厚均匀

2）退火——去应力

3）补偿措施：加筋，园角过渡等第五节定向凝固定向凝固技术：控制铸件在凝固过程，凝固前沿熔体中温度梯度和凝固速度的大小，可使结晶实现定向进行。而获得沿一定方向生长的柱状晶晶体，甚至是单晶体。原理:利用合金凝固时晶粒朝这热流方向相反的方向生长的规律,控制热流方向,使晶粒沿一定的方向生长。1、定向凝固的组织＜冷却速度106k/s以上冷却速度104k/s以下控制指标:(1)温度梯度:(2)凝固速度:2、定向凝固方法定向凝固装置的工作过程大致为：材料在顶部的熔化室中熔化然后浇注到模型中，模型在一端急冷，可控拉伸装置保证了金属在模具中的定向凝固。确保温度梯度:

A.保温:

发热注型法(填充发热材料,外部保温炉)B.冷却:

激冷器(水冷底板,液体金属冷却,流态床冷却法)1、铸件与炉子都固定的定向凝固法（1）发热铸型法；（2）功率降低法2、移动铸型法3、加速冷却法（1）液体金属冷却法；（2）流态床冷却法功率降低法装置1-叶片根部；2-叶身；3-叶冠；4-浇道；5-浇口杯；6-模盖；7-精铸模壳；8-热电偶；9-轴套；10-碳毡；11-石墨感受器；12-Al2O3管；13-感应圈；14-Al2O3管封泥；15-模壳缘盘；16-螺栓；17-轴；18-冷却水管；19-铜座3、定向凝固技术应用等轴晶、柱状晶和单晶的发动机叶片比较航空发动机涡轮叶片用这种方法制造的铸件，其晶粒形状为一束平行排列的柱状晶组织，基本上消除了横向晶界。若柱晶的晶界与零件的主应力方向平行，就可防止由于晶界薄弱而造成的零件过早开裂，因而延长了其使用寿命。定向凝固技术在共晶凝固、定向柱状晶生长和单晶铸造等方面都有重要的意义。对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，同时铸件的机械性能也得以提高。定向凝固的合金柱状晶粒结构使得材料沿凝固方向的抗蠕变和抗热疲劳特性明显提高，这种技术常用于制造具有柱状晶结构或单晶的发动机叶片。第六节快速凝固

由液体向晶态固体转变结晶

由液体向非晶态固体转变玻璃化转变

凝固:

物质由液相转变为固相的过程晶化过程非晶化过程微晶化过程冷却速度1、冷却速度——晶体结构转变一般冷速<102℃/s→出现偏析，晶粒大

102℃/s<冷速<106℃/s→

精细显微组织冷速↑

→

特殊显微组织冷速↑

→

非晶态

微晶态金属玻璃非晶金属的特点：1）更高的综合力学性能，对于脆性材料可以重新具备延性；对于延性材料可获得更高的弹性刚度和超常的屈服极限；2）物理性能显著改变，具有软磁性能，高磁导率，高电阻率和低磁损及低声波表减率；3）由于无晶界和线缺陷（如位错）而具有良好的耐蚀性，尤其是耐点蚀性；4）由于无结构，某些非晶合金具备耐辐射性。非晶-微晶转变非晶态材料的结构与玻璃结构尚有一定的区别，一般它还不是完全无序的，原子短程仍为有序结构。非晶态的晶体材料在常温下属于亚稳材料，当加热至某一温度时，将会重新发生结晶转变通常称此温度为玻璃化温度，而称这种转变为逆玻璃化转变，经逆玻璃化转变可得到具备微晶结构的晶体材料，通常其晶粒尺寸<1μm。习惯上将由逆玻璃化转变得到微晶材料的过程为微晶化。微晶材料的特性：1）微晶合金具有极高的强度值；2）微晶高温合金性能优异；3）由于细化了晶粒，使只能铸造的脆性合金具有良好的冷、热变形性，甚至超塑性；4）改善耐蚀性，尤其是具备高的抗应力腐蚀性；5）继续保持非晶材料的高物理性能。快速凝固的目的超细组织过饱和固溶体亚稳相或新的结晶相微晶、纳米晶或金属玻璃形成获得优异的强度、塑性、耐磨性、耐腐蚀性等。快速凝固：通常是指冷却速度大于104K/s的凝固过程。快速凝固：是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过程。

界面推进速率大于10mm/s冷却速率达到105-1010K/s固-液界面的移动速率赶上或超过原子间扩散速率时，晶