1、机械工程材料及其成形技术基础绪 论 一、机械工程材料及其成形技术的地位 1 1、材料及其加工的地位、材料及其加工的地位 机械工程材料是人类生产和社会发展的重要物质基础，当今高新技术的发展、资源和能源的有效利用、通信技术的进步、工业产品质量和环境保护的改善、人民生活水平的提高等都与材料及其加工密切相关。2 2、机械制造业总流程及模块、机械制造业总流程及模块 人们用各种材料制作各种人们所需的物质产品的过程制造加工。铸造生产 金属材料 锻压生产 毛坯 机械加工 零件 装配调试机器输入信息 焊接生产 输入材料 其它生产 热处理或其它处理输入能量 塑料制品 非金属材料 橡胶制品 陶瓷制品 生产准备 材料
2、成形 加工处理 成品 几个术语解释几个术语解释：原材料原材料用于再加工的物质资料。零件零件达到技术要求的制品，通俗地说即“拿来就用或装配”。毛坯毛坯需经机械加工或其它处理加工的产品。工件工件制造加工过程中的对象（毛坯或半成品）。原材料，毛坯，零件实物图 1 1）原材料）原材料 钢锭 生铁锭 钢板 管材 线材 各种型钢 颗粒料 2 2）毛坯）毛坯 3 3）零件）零件 四缸缸体铸件 齿轮锻件 四缸缸体零件 齿轮零件二、材料及其成形技术的发展与分类 人们用各种材料制作各种人们所需的物质产品的过程制造加工，材料应用与材料成形技术是制造加工过程的重要组成部分。而数不清的各种机械装备又都是由性能各异的工程
3、材料经机械制造加工成各种零件并装配而成的。从材料的设计、制备、加工、检测，到器件(零件、部件、装备)的制造加工、使用，直到回收利用，已经形成了一个巨大的社会循环；这一循环的概念提示了材料、制造加工、能源和环境之间具有强烈的交互作用，这种作用之所以显得越来越重要，是因为人类在关注经济发展的同时，也不得不面对材料和能源等资源的短缺以及人类生存环境的破坏和恶化。因此，把自然资源和人类需要、社会发展和人类生存联系在一起的材料及其制造加工循环，必然要引起全社会的高度重视。对不同的零件（产品），则应选择相应的材料，并采用与之相适宜的成形方法及加工过程，才能满足其性能和技术要求。而制作加工技术的突破往往成为
4、新产品能否问世，新技术能否产生的关键，故新材料、新工艺、新技术常常是相关联的。机械工程材料的种类繁多，有各种各样的分类方法。若按材料组成（或化学成分）与结合键特点，可分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类，如表1所示。表表1 1 材料按其组成与结合键特点分类材料按其组成与结合键特点分类 20世纪50年代前，金属材料在各类装备制造业中占绝对优势，随着零部件或装备的使用性能要求，到目前已逐渐形成四大类工程材料平分秋色的格局。随着社会和科技的进步，工程材料正向高功能化、超高性能化、复合轻量和智能化的方向发展。材料成形技术是制造加工过程的重要组成部分，是保证零部件质量的基础技术。构成机器装
5、备的零部件的形状、大小和要求是各式各样千变万化的。材料名称材料名称 材料组成材料组成 结合键结合键金属材料(黑色金属、有色金属)陶瓷材料高分子材料复合材料 金属为主金属和非金属的化合物主 碳氢化合物为主两种或两种以上上述材料的组合 金属键为主共价键+离子键为主共价键+范德华键为主 混合键 因此，必须通过改变原材料的形态，使其接近或达到零件的几何形状、尺寸大小和技术要求等，工业上把通过改变原材料的形态从而获得毛坯或零件的制造加工方法统称为材料成形技术。若按成形原理与成形时材料的状态主要可分为液态成形技术、固态塑变成形技术、固态连接成形技术、粉末压制成形技术、高分子材料成形技术、复（组）合成形技术
6、六大类，如表2所示。成形技术是显著提高装备性能、大幅度减轻结构质量、降低制造成本和提高装备使用寿命及可靠性的关键技术，正沿着优质、高效、精密、大型和低污染的方向发展。现代成形技术是集多种学科于一体的综合技术，是最能代表国家制造技术水平的重要方面。表表2 2 按成形原理与成形时材料的状态分类按成形原理与成形时材料的状态分类 成形技术名称 成形原理成形时材料的状态液态成形技术（铸造）固态塑变成形技术（锻压）固态连接成形技术（焊接）粉末压制成形技术（粉末冶金）高分子材料成形技术复（组）合成形技术 凝固 塑性变形凝固，塑性变形，粘合或两种组合 贴合和嵌合 凝固 上述两种及以上的组合液态固态固态为主颗粒
7、态为主糊状态为主混合态 三、课程的性质及与机械专业的关系 1 1、机械工程材料及其材料成形技术是一门重要的技术基础课程、机械工程材料及其材料成形技术是一门重要的技术基础课程 它主要是应用金相学、物理学、化学、冶金学和电子计算机等学科理论和实验的最新成就，即工程材料及其材料成形技术是建立在实验基础之上而又与工业实践紧密结合的一门技术基础课程。其课程内容以定性描述为主，具体表现为“三多“：讲授内容中名词、概念、术语等“多”，定性描述、经验性总结“多”，需记忆性的内容、规律等“多”。2 2、作为一名机械工程技术人员，时时处处都会遇到有关材料及其制造加工、作为一名机械工程技术人员，时时处处都会遇到有关
8、材料及其制造加工方面的问题方面的问题 无论设计一台机器设备、机械零件，还是改造、加工一套工夹具，都将面临材料的选择、应用与零件加工工艺路线的制定等问题，这一切都涉及材料及其成形技术方面的问题。3 3、学好机械工程材料及其成形技术基础，为学习后续课程奠定坚实的基础、学好机械工程材料及其成形技术基础，为学习后续课程奠定坚实的基础 后续的专业课、课程设计、生产实习和毕业设计等都将涉及材料选择、毛坯制作及零部件强化处理的应用。四、学习重点 学习本课程，要紧紧抓住其核心内容“材料的性能与选用、强化处理和成形技术及应用”之间的相互关系及其变化规律这个“纲”。围绕零件性零件性能能材料及选用材料及选用强化处理
9、强化处理成形加工及应用成形加工及应用为主线，结合实际，注重分析，理解前后知识的整体联系并做到综合应用。五、五、“4 4点点”学习法学习、理解和掌握课程知学习法学习、理解和掌握课程知识识“4 4点点”学习法即学习内容的基础知识点（简称基点）、深入点、特点及应学习法即学习内容的基础知识点（简称基点）、深入点、特点及应用切入点。用切入点。针对这“4点”的要求是：掌握“基点”，理解“深入点”，熟悉“特点”，会找“应用切入点”。1 1、基点（基础知识点）、基点（基础知识点）有关学习内容的基础知识，这些基础知识是一些实质、原理、原则等有关学习内容的基础知识，这些基础知识是一些实质、原理、原则等：如材料性能
10、的实质是指材料在使用和制造加工中所具有（或表现出）的性质；晶体的实质是指组成材料（物质）原子（或离子、分子）在三维空间中呈规则排列，相图是用图解的形式表示不同成分、不同温度下合金系中各相的平衡关系，组织的概念；改变材料性能方法的原理有相变（热处理）原理，合金化原理，塑变强化原理，控制结晶原理等；材料的类别；选材原则；金属液态凝固成形原理，金属固态塑性变形成形原理，颗粒态烧（固）结成形原理、粘流态固（硬）化成形原理等。2 2、深入点、深入点 深入点是基础知识的深入和扩展，包括理论、机理、规律、影响因素、深入点是基础知识的深入和扩展，包括理论、机理、规律、影响因素、相相互间关系等。互间关系等。如在
11、其他条件合理的情况下，材料（的性能）决定了大多数零件的特性（如功用、寿命、体积和重量等）；材料结晶的基本规律，材料的性能与晶体结构的关系，碳对铁碳合金组织和性能的影响规律；过冷奥氏体转变规律及影响因素；各种强化方法或手段的机理；合金液充型能力的因素；金属固态塑变成形规律及影响可塑性能力的因素；影响烧（固）结成形的因素；选择材料与成形技术的关系等。3 3、特点、特点 特点是知识内容所具有的特征。特点是知识内容所具有的特征。如通常强硬度高的材料其塑韧性就较低；具有面心立方晶体的金属材料其塑性较好；高碳钢因组织中存在较多的渗碳体（Fe3C）而硬度较高塑韧性差；各整体热处理工艺的冷却特点，不同的淬火+
12、回火热处理工艺应用特点；各种类型的材料具有各自的特征，常用的材料要熟悉其“5要素”；各类零部件的技术特征如何；各类材料的成形性特点，各类成形技术方法的异同点及优缺点；各类成形件或毛坯的特点等。4、应用切入点应用切入点是把所学知识内容进行实际应用或解决实际工程问题的着手点，即针对应用切入点是把所学知识内容进行实际应用或解决实际工程问题的着手点，即针对题目或实际工程问题从何处（切入点）开始分析，然后以题目或实际工程问题从何处（切入点）开始分析，然后以“此点此点”连接相关知识内容，连接相关知识内容，进行解题进行解题。例如：机械工程材料的选用取决于零部件的主要性能主要性能（即切入点）要求，能达到该主要
13、性能要求的材料可能有多种，在此基础上考虑材料的工艺性（绝大数零部件在制造加工过程中需进行强化处理）、经济性，最终确定一种或得出结论；重要零部件的强化往往是多种方法（手段）的组合如选用合金钢（合金化强化基体、形成新相等）+采取锻造成形（热塑变提高致密度、细化晶粒、形成纤维组织等）+正火或调质（整体热处理细化晶粒、稳定组织等）+表面热处理（提高表面或局部硬度，耐磨、耐热、耐蚀性等）。又如：成形技术（毛坯制作）方案的选择既取决于零部件所用材料所用材料（第一切入点）又受制于零部件的技术特征技术特征（结构、形状大小、生产纲领等第二切入点），零部件所用的材质有些只能用一类成形技术生产毛坯或成形件，而有些则
14、可选择多类成形技术；在由材质选定某类成形技术方法的基础上，再根据零部件的技术特征、技术经济性、安全性等最终确定一种成形工艺或得出结论。第1章 零部件对材料性能的要求 1-1、零部件所受的各种负荷 各类装备中的工程构件与机械零件（以下简称构件或零件）在工作条件下可能受到：1）力学负荷零件受到的各种外力加载，在力学负荷作用条件下，零件将产生变形（如弹性变形、塑性变形等），甚至出现断裂；2）热负荷温度变化，在热负荷作用下，零件将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；3）环境介质的作用零件服役条件状况，环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀、电化学腐蚀
15、、摩擦磨损和老化等作用。零件在工作条件下受到的负荷有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。1-2、工程设计与加工工艺所需要的材料性能 机器是零件（或部件）间有确定的相对运动、用来转换或利用机械能的机械。机器一般是由零件、部件（为若干零件的组合，具备一定功能）组成一个整体，因此一部机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的材料性能。机械零件的承载一般表现为短时承载能力和长期使用寿命,它是由许多因素确定的，其中材料因素（零件材料的成分、组织与性能）、加工工艺因素（各加工工艺过程中对零件性能的所产生的影响）和结构因素（零
16、件在整机中的作用、零件的形状和尺寸，以及与其它连接件的配合关系等）起主要作用，这三个因素各自有独立的作用，又相互影响，在解决与零件承载有关的问题时必须综合加以考虑；此外，使用因素也起较大作用。在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素所决定。在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择材料的强硬度、冲击值、耐热性、耐蚀性、工艺性等性能判据指标来进行定性或定量的设计计算，以确定零件的结构、形状和尺寸。材料的性能是指材料的使用性能和工艺性能。一、材料的使用性能一、材料的使用性能 材料在使用过程中所具有的性能，包括力学性能和理化性能。1、材料的力
17、学性能、材料的力学性能抗各种外力的能力 力学性能又称机械性能，主要有“力学（强度）四大指标”即强度，硬度，塑性（度）和韧性（度）。常用的材料力学性能指标及说明见表l-l。表表1-1常用的力学性能指标及说明常用的力学性能指标及说明力学性能力学性能 性能指标性能指标 说说 明明符号符号 名称名称强度 b 抗拉强度 (强度极限)试样在拉断前承受的最大应力值 s 屈服强度 (屈服极限)材料开始产生屈服现象的应力0.2 条件屈服强度 (条件屈服极限)对于没有屈服现象的材料，工程中规定试样发生标距长度0.2%的残余塑性变形量时所对应的应力值-1 疲劳强度 (疲劳极限)材料经受多次(钢为l0 7次、有色金属
18、为l08次)对称循环交变应力作用而不发生破坏的最大应力值塑性 5 延伸率 试样拉断后,标距长度的增加量与原标距长度的百分比，试样长度与直径之比为5时，用5 表示 断面收缩率 试样拉断处，横截面积减缩量与原横截面积的百分比硬度 HBS HBW 布氏硬度 使淬火钢球（或硬质合金球）压人材料表面，在单位压痕球面积上受的载荷。一般用于测量HBHB450较软材料、毛坯、成品的硬度 HRC 洛氏硬度 以1200角金刚石圆锥压头压入材料表面，按压痕深度衡量硬度值。可直接从硬度计表盘上读数，一般用于经过淬火的钢件等 HV 维氏硬度 用正四棱锥体金刚石压头压入试样表面，所施加的载荷与压痕表面积的比值。一般用于测
19、量经表面处理的表面层硬度或薄件的硬度韧性 k 冲击韧性 (冲击值)一次冲断试样缺口处单位截面积上所消耗的功断裂韧性 KI 断裂韧性 在断裂力学中，用来研究材料抗裂纹扩展能力的性能指标。弹性e 弹性极限 材料承受最大的弹性变形时所对应的应力值 E 弹性模量 弹性范围内应力与应变的比值，表征金属对弹性变形的抗力说明：GB/T228-2002中已将不少力学性能的符号改用其他符号，常见新旧标准力学性能名称和符号见表1-1。由于目前与力学性能相关的课程或书籍文献中，大部分沿用旧标准，故本书依然采用旧标准的符号。表表1-1 常见新旧标准力学性能名称和符号对照常见新旧标准力学性能名称和符号对照 GB/T22
20、8-2002GB/T228-2002 GB228-1987 GB228-1987性能名称性能名称符号符号性能名称性能名称符号符号应力屈服强度抗拉强度屈服点延伸率断后伸长率断面收缩率 R Rs Rm Ae A,A11.3,Axmax Z应力屈服强度抗拉强度屈服点延伸率断后伸长率断面收缩率sbs5,10,xmax 拉伸试验及试验机 拉伸试验是材料力学性能测试中最常见试验方法之一。试验中的弹性变形、塑性变形、断裂等各阶段真实反映了材料抵抗外力作用的全过程。它具有简单易行、试样制备方便等特点。拉伸试验所得到的材料强度和塑性性能数据，对于设计和选材、新材料的研制、材料的采购和验收、产品的质量控制以及设备
21、的安全和评估都有很重要的应用价值和参考价值。金属拉伸原始及拉断试样金属拉伸原始及拉断试样 WDW-5型电子拉力试验机型电子拉力试验机 适用范围：适用于质量监督、教学科研、航空航天、车辆制造、钢铁冶金、机械制造、石油化工、电线电缆、医疗器械、纺织、橡胶、塑料、家电、建材等试验领域。广泛用于金属、非金属材料的拉、压、弯、剪等力学性能试验；通过配置种类繁多的附具，还可用于型材和构件的力学性能试验。2、材料的理化性能、材料的理化性能 材料的物理性能表征材料固有的物理特征，如密度、熔点（耐热性）、热膨胀性、收缩性、导电性等等；材料的化学性能表征材料抗介质侵蚀的能力，如耐酸性、耐碱性、抗腐蚀性、抗氧化性等
22、。二、材料的工艺性能二、材料的工艺性能 指制造加工过程中材料适应制造加工的能力，它反映零部件所用材料在其制造加工过程中的难易程度，如铸造性、可锻性、可焊性、成形性、热处理工艺性、切削加工性等。用通俗的话来说就是“好不好做”，易于作出合格产品的材料，说明其“好做”，那工艺性就好，反之就差。材料的性能指标是设计、制造加工零件和工具的重要依据。只有综合地考虑了零件的使用条件或环境及材料的性能，才能合理科学地选用材料。1-3、工程材料的类别及主要特征一、主要特征一、主要特征 1、金属材料的特征、金属材料的特征 金属材料因具有金属键（个别含有一定量的共价键）而使其具有特别的综合性能，工程应用的金属材料大
23、多在具有较高强度的同时，耐热、良好的导热导电性、特有的金属光泽、优良的工艺性能、通过热处理及表面改性可大幅度改变其性能等，故工程应用十分广泛。2、有机高分子材料的特征、有机高分子材料的特征 有机高分子是由许多小分子单体经聚合反应（以共价键结合为主）而形成。高分子材料（也称高聚物）大分子主链内原子间的强共价键及大分子链间的弱分子键的结合特征，使具有一系列不同的特点如密度小，强度低（但比强度高，甚至高于钢铁），低的弹性模量，较高的弹性，优良的电（绝缘）性铁），低的弹性模量，较高的弹性，优良的电（绝缘）性能，优良的减摩、耐磨和自润滑性能，优良的耐腐蚀性能（甚至胜过一般的不锈钢），优良的透光性和隔热、
24、隔音性，可加工性好（可用各种方法成形及加工）等，使其在工业中得到广泛应用。但绝对强度、刚度水平低，不耐热(850。（3）热处理技术条件的标注 标注的依据 零件的力学性能要求。标注的方法 一般采用热处理代号和硬度的平均值来表示，热处理代号见教材。标注的硬度值允许的波动范围一般为HB土15，HRC土3。标注的内容 热处理名称，热处理后的力学性能指标及热处理部位，一般情况只标硬度，对化学热处理件要指出渗层深度(mm)和硬度，对重要件要标出硬度、强度、硬化层深度、塑性和韧性等。4）热处理工艺路线安排）热处理工艺路线安排 （1）退火、正火 退火、正火安排在毛坯生产之后，切削加工之前。如：锻造退火(正火)
25、机加工 （2）调质 淬透性高的钢或有效尺寸小的零件可安排在机加工之前，其他情况安排在粗加工之后，精加工之前。如：下料锻造（正火）粗加工调质精加工 （3）渗碳 要求全部渗碳的零件，安排在精加工之后，磨削之前，要求局部渗碳的零件，不能采取防渗措施的，将渗碳安排在精加工之前，渗碳后去掉不需渗碳部分的渗碳层，再进行淬火和回火。如：下料锻造（正火）粗加工渗碳精加工淬火、低温回火磨削 （4）氮化 氮化安排在粗磨之后，对不能进行磨削的零件，如螺旋伞齿轮等，安排在精加工之后。如：下料锻造退火(正火)粗加工调质精加工去应力退火粗磨氮化精磨 （5）时效 中温时效安排在粗加工之后，精加工之前；低温时效安排在精加工之
26、后。5）典型零件选材及工艺路线分析举例）典型零件选材及工艺路线分析举例 机器中几乎都有齿轮、轴和箱座类零件，它们的工作条件、失效形式、性能要求、选材分析和工艺路线安排等各有差异。下面举例说明。本章重点本章重点 1、建立失效和失效分析的基本概念；2、机械零件选材的一般原则；3、典型零件的选材、热处理方法及技术要求的确定，加工工艺路线的分析。在产品的设计技术中，人们解决了要“做什么”的问题，即给出了零件或产品的使用功能和作用，设计了零件或产品的几何结构形状和尺寸，确定了技术要求，选择了不同的材料及强化或处理方法等。接下来的另一个问题就是要解决“怎么做”，“怎么做”有两个基本内容：其一是对于各种不同
27、材料、不同结构形状和尺寸、不同技术要求、不同生产或制造批量的零件或产品该用什么样的机械制造加工方法或技术来做？这些方法或技术的水平如何？有哪些设备工装？该用什么样的生产管理模式生产条件和环境条件如何？等等。其二是材料的工艺性如何，即“好不好做”以及所做出的制品能否达到技术要求或满足客户要求？第7章 金属材料的液态成形技术内容提要内容提要1、金属液态成形技术理论基础 2、常用液态成形技术或铸造工艺方法3、常用合金的铸件生产特点 商朝的司母戊方鼎商朝的司母戊方鼎 战国时期的曾侯乙尊盘战国时期的曾侯乙尊盘 晋国铸刑鼎晋国铸刑鼎 现代发动机缸体铸件现代发动机缸体铸件 1、金属液态成形技术理论基础 1、
28、金属液态成形原理及工艺流程等、金属液态成形原理及工艺流程等 铸造的成形原理、实质、工艺流程、特点与应用：铸造的成形原理铸造的成形原理：金属液态凝固成形。实质：将熔融的金属（合金）液注入预先制作好的铸型型腔中，待其凝定形后开型清理，得到所需制品即铸件的工艺方法。工艺特征工艺特征：铸造工艺方法有许多，但其基本工序及流程相同。铸造的特点：1）突出的优点）突出的优点 能一次性成形大且内腔复杂的毛坯；适应性广(铸件形状、大小、合金种类、生产批量都几乎不受限制)。2）“致命致命”的缺点的缺点 工序多，铸件质量不易控制（材料的形态由原料的固态液态铸件的固态，温度由室温高温室温），废品率高；消耗较高，污染大（
29、在固态液态固态的转变过程中，有大量的消耗以及产物和现象的产生）铸造的应用铸造的应用：铸造毛坯主要用于形状复杂(尤其是内腔复杂)、重量较大、尤其是零件所有材料为脆性材料的毛坯生产。铸造工艺作业基本模块 铸造工艺设计（零件图工艺方案、工艺图、工装、技术文件等）模样制作 工装、铸型材料等准备 合金液熔炼 铸型制作 合型浇注 冷凝后开型 清理检验 合格铸件 2、合金的铸造性能 合金的铸造性能是合金在铸造生产中表现出来的工艺性能，主要包括流动性、收缩性、氧化吸气性等。合金的铸造性能直接影响铸件的质量，是铸造工艺设计的重要依据。1）流动性）流动性 合金的流动性即为液态合金的流动能力，是合金本身的性能，它反
30、映了液态合金充填铸型的内在能力。若合金的流动性差则铸件易产生浇不足、冷隔、气孔和夹杂等铸造缺陷。液态合金的充型能力除与流动性有关外，还与外界条件如铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素有关。液态合金的充型能力是内外因素的综合反映。生产上要改善合金的充型能力可从以下几方面着手：选择靠近共晶成分的趋于逐层凝固的合金，它们的流动性较好；提高浇注温度，延长金属液流动时间；提高充填压力；设置出气冒口，减少型内气体，降低金属液流动时的阻力。2)收缩性收缩性 凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。在铸件的形成过程中，合金的收缩要经历液态、凝固和固态三个阶段。体收缩 若铸件的体收缩（液态收缩和凝固收缩）所缩减的
31、体积得不到足够的补偿，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞缩孔、缩松。缩孔、缩松在铸件有效截面内是不允许有的，然而铸件的体收缩是客观存在的，只有掌握了铸件体收缩的特征和规律才能合理地防止铸件在凝固过程中产生缩孔和缩松。a、针对合金的体收缩特点，在进行铸造工艺设计时，合理确定内浇口位置、应用冒口、冷铁等技术措施控制铸件的凝固方向，使之实现顺序凝固方式（即铸件上远离冒口部分先凝固，冒口最后凝固）。冒口和冷铁都不是铸件的组成部分，但它们的运用是防止（或消除）铸件在凝固过程中产生缩孔缩松较有效的措施。顺序凝固虽可防止铸件产生缩孔缩松尤其是缩孔，但使铸件各部分的温差加大对减小热应力不利。b、合理地浇注条
32、件，采用加压补缩、离心浇注等技术防止（或消除）铸件在凝固过程中产生缩孔和缩松。对于体收缩大（或逐层凝固）的合金，宜采用顺序凝固防止铸件产生缩孔缩松尤其是缩孔。对于体收缩小（或具有宽结晶温度范围）趋于糊状结晶的合金，由于液固两相共存区很宽甚至布满整个断面，发达的枝状晶彼此相互交错而把尚未结晶的金属液分割成许多小而分散的封闭区域，当该区域内的金属液凝固时，收缩得不到外来金属液的补偿，而形成了分散的小缩孔，即缩松。这类合金即使采用顺序凝固加冒口的措施也很难彻底消除缩松缺陷。因此，对于气密性要求不高，而要求内应力小的场合可采用同时凝固措施来满足要求。固态或线收缩 若铸件的线收缩在铸件固态冷却中受到阻碍
33、，则会在铸件内产生铸造内应力。这些阻碍包括机械阻碍和热阻碍。机械阻碍引起的内应力容易理解，如型芯、铸型或浇冒口等对铸件收缩的阻碍。这样产生的应力是暂时性的，一旦机械阻碍消除，应力便自行消失。热应力则较难理解，它与铸件结构有关。壁厚不均的铸件，冷却过程中各部分冷速不一，薄壁部分由于冷速快，率先从塑性变形阶段进入弹性变形阶段，此时，由于厚壁部分仍处于塑性变形阶段，厚、薄两部分之间不会产生应力；当厚壁部分从塑性变形阶段进入弹性变形阶段进行弹性收缩时，由于这两部分为一整体，厚壁部分的弹性收缩必然受到薄壁部分的弹性阻碍，为维持它们共同的长度，厚壁部分受到薄壁部分对它的拉应力，而薄壁部分则受到相反的力压应
34、力。在铸件生产中，由于铸件各部分（如厚壁处与薄壁处，表层与心部，与内浇道、冒口连接处和非连接处等）的蓄热和散热几乎是不可能达到一致，因此铸件的线收缩也不可能一致，这样导致铸件在固态冷却的线收缩中其内不可避免的将产生热应力不可避免的将产生热应力。内部存在铸造内应力的铸件是一个不稳定的系统，它会自行地向减小或松弛内应力状态自行地向减小或松弛内应力状态发展，如刚度较刚度较差差的铸件通过的铸件通过“热凹冷凸热凹冷凸”，即产生冷得慢的部分下凹，冷得快的部分突出的变形，来减小或松弛内应力，但不会消除，故铸件内总是存在着残余的铸造内应力铸件内总是存在着残余的铸造内应力。铸件的内应力将导致铸件发生变形，甚至开
35、裂。合金的线收缩来自于其本身，又受制于其他因素，因此减小内应力和防止变形的工艺措施也因铸件而异；正确设计铸件结构，尽量使铸件壁厚均匀，避免金属局部积聚，合理地制订铸造工艺(如采用同时凝固原则，提高铸型、型芯的退让性等），采用反变形法等。在这里要指出顺序凝固原则对逐层凝固合金来讲，可消除缩孔缺陷。但由于铸件各部分温差较大，而易产生热应力，因此在决定铸件结构和铸造工艺时，应抓住主要矛盾，采取相应措施。3）偏析和氧化吸气性）偏析和氧化吸气性 偏析和氧化吸气性也会影响到铸件质量，应有所了解。在实际工业生产中，因金属材料的性质、生产条件和技术、零件的几何参数和品质要求、生产纲领、经济性等等因素，目前常限
36、于在铸造性能相对较好的金属材料进行铸件生产。常用铸造合金的可铸性比较 合金种类合金种类 铸铁铸铁 铸钢铸钢 铝合金铝合金 铜合金铜合金 流动性 好 差 适中 适中 收缩性 小 大 较大 较大 氧化吸气性 小 大 大 大 偏析性 小 较大 较大 较大 熔点温度 较高 高 较低 适中2、常用液态成形技术或铸造工艺方法 工业上实现金属材料的“液态成形”的方法或技术即铸造，其工艺方法有许多，这些铸造工艺的成形原理都相同，它们之间的不同点是在实现或完成某个或某些过程或工序（尤其是制备铸型）的手段或方法不同而已。1、普通砂型铸造、普通砂型铸造（以砂质材料为主制作铸型的铸造工艺）制作铸型即造型（制芯）是砂型
37、铸造关键且最基本的工序，是否合理，对铸件质量和成本有着重要的意义。手工造型手工造型 手工造型方法很多，如何合理地选择造型方法，应抓住怎样“起模”这个核心问题进行类比分析。根据铸件结构特点，使用要求、批量大小及生产条件，从简化造型，保证铸件质量，降低成本等方面综合比较，从析得出造型方法的合理方案。压盖铸件砂型铸造生产过程图 机器造型 由机器来完成紧砂和起模这两个基本操作程序称为机器造型。震压式造型机最为常用，它可获得较均匀的紧实度。铸造工艺设计铸造工艺设计 为了获得健全的合格铸件，减小铸型制造的工作量，降低铸件成本，在砂型铸造的生产准备过程中，铸造工程师必须合理科学地制订出铸造工艺方案和进行铸造
38、工艺设计。铸造工艺设计的内容：浇注位置、分型面选择，型芯、工艺参数确定，浇冒口及冷铁等的类型及位置确定等。a.“浇注位置”选择应考虑符合铸件的凝固方式，避免产生铸造缺陷，保证铸件质量。b.“分型面”的选择则主要考虑便于取模，工艺简便。浇注位置和分型面的选择是制定铸造工艺方案的第一步，直接影响到铸件质量、劳动生产率和铸件成本。教材中介绍的一些原则，不应作为教条看待，当有些原则相互矛盾时，应抓住主要矛盾，最后确定合理而先进的工艺方案。c.在“加工余量”、“拔模斜度”、“铸造圆角”和“铸造收缩率”等工艺参数的确定中，应清楚地掌握零件、铸件和模型三者之间在形状和尺寸等方面的差别与联系。这三者的形状应相
39、近，但铸件与零件相比要考虑加工余量、拔模斜度和铸造圆角等，而模型除了这些方面的考虑外，还需考虑铸造收缩率，型芯头形状等。铸造工艺设计的内容最终表现在一张铸造工艺图上。这张图中确定了铸件的形状和尺寸，也规定了铸件的基本生产方法和工艺过程，如浇注位置、分型面选择、型芯、工艺参数确定、浇冒口及冷铁等的类型及位置等，应认真掌握。铸件结构设计铸件结构设计 铸件结构设计是在保证铸造零件的结构符合机械没备本身的使用性能及容易机械加工的前提下，为简化铸型工艺和防止铸造缺陷的产生而进行的铸件结构的合理化工作。应抓住两项基本工作：一是审查铸造零件结构是否符合铸造生产的工艺要求，并在不影响使用要求的前提下，进行改进
40、，二是在既定的铸件结构条件下，研究分析在铸造生产过程中可能出现的主要缺陷，以便预先采取防止措施。铸件结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。a.简化铸造工艺 简化铸造工艺，关键在于造型过程中，使铸件的轮廓结构形状能够给制模、造型(如起模)、制芯、安放型芯以及其他造型工艺(如少用砂箱)等带来方便。因此重点应放在铸件的外廓形状和内腔形状的要求上。外廓形状上要求改进妨碍起模的凸面、侧凹面、突缘和筋板结构，使分型面尽量平直并且减少分型面数目。内腔形状上，应考虑到形成内腔的砂芯的稳固地安放、方便的排气和清理。因此为达到这样的一些目的，常常开出一些工艺孔、采用芯撑等。b.避免产生铸造缺
41、陷 合理的结构设计，可避免产生铸造缺陷。首先对铸造缺陷产生的原因应该有比较清楚的了解，这就要求对前面的内容，特别是有关铸造性能的内容学得扎实。为保证铸造合金有一定的充型能力以避免冷隔、浇不足缺陷，铸件应有合理的壁厚；从防止铸件产生缩孔缺陷来考虑，应避免热节，有利于金属液的补缩；为减小应力，防止铸件变形、裂纹，应使铸件各部分冷速趋于一致，各部分截面能自由收缩；为防止夹砂等缺陷形成，应避免水平方向出现较大平面等。当然，铸件结构是否合理，除与上述因素有关外，还与铸件的产量、铸造合金的种类、铸造方法和生产条件有着密切的关系，应当综合考虑。由于各种特种铸造方法有别于砂型铸造方法，因此各种特种铸造的铸件结
42、构也理应有别于砂型铸造的铸件结构。例如对于壁厚设计，金属型铸造要求壁厚不宜过薄，而压铸件则是在高压作用下充型并冷凝，因此它的壁厚不宜太厚，并力求均匀，而离心铸造中离心力与半径平方成正比，因此，铸件内外壁的直径不宜相差太大，否则内外壁处的离心力相差太大；熔模铸造中，应力求壁厚均匀以减少缩孔缺陷。其他方面的设计原则与砂型铸造原则有类似之处，可根据各种铸造方法的特点来对比分析，从而得出正确的设计原则。当然，就一个合理的铸件结构而言，它应同时满足上述几方面对其结构提出的要求。因而设计铸件结构应综合分析，反复比较，使之能够简化造型工艺过程，减少和防止铸件缺陷的产生，以达到优质、高产和低成本的目的。2、特
43、种铸造、特种铸造 各种特种铸造方法的引出应在分析砂型铸造的特点后，根据砂型铸造存在的问题，从而引申出各种不同于砂型铸造的特种铸造方法。这样就能更好地掌握各种铸造方法的特点，达到合理选择铸造方法的目的。特种铸造的成形原理和基本作业模块与砂型铸造是相同的，它们之间的不同处是实现或完成某个或某些工艺过程或工序（尤其是制备铸型）的手段或方法不同而已，这就使特种铸造的工艺方法较多，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和磁型铸造等。特种铸造中铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备、具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。但铸件的结构、形状、尺寸
44、、重量、生产批量等往往受到一定限制。如果以金属型替代砂型用于铸造就形成了“金属型铸造”。通过金属铸型与砂型的比较，突出表现为金属型导热快，一方面导致晶粒细化，力学性能提高；另一方面，冷速快又使铸件易产生浇不足和冷隔缺陷，因此会属型需预热和喷刷涂料。金属铸型还能反复使用，不用砂或少用砂，从而提高了生产率，改善了劳动条件。再如，金属型没有退让性，也不透气，因此，工艺上应采取开排气槽，控制铸件在铸型停留时间等。还有，金属型生产的铸件比砂型铸件表面光洁，尺寸精度高。所有这一切都决定了金属型铸造适用于大批量生产的、具有较高质量要求的、中等复杂程度的有色金属件。从金属型铸造中，可知道这种铸造方法生产的铸件
45、壁厚不能太薄，如果对金属型铸造加以改进，让金属液在压力作用下充型并冷凝，就弥补了这样的缺陷，这种铸造方法就是“压力铸造”，它适宜于有色合金薄壁小铸件的大批量生产。但由于压铸高压、高速的特点，气体来不及析出而形成一些皮下气孔，因此压铸件不宜表面加工，也不宜热处理。“离心铸造”是通过液体金属在离心力的作用下充型结晶而获得铸件的铸造方法。从而使它成为中空旋转体铸件的主要铸造方法之一。如果用蜡模代替模样，再在蜡模的表面制作有一定强度的硬壳，熔去硬壳内的蜡模就形成了所需的型腔。这种铸造方法就是“熔模铸造”。从它的工艺流程可知，蜡模制取和硬壳的形成是熔模铸造的两大关键工序。它的特点是无分型面，铸件复杂程度
46、以及铸造合金不限，尺寸精度高，表面粗糙度低，因而适合于尺寸精度高和表面粗糙度低的、难切削或少切削的复杂铸件。但从它的工艺过程可知，这种方法生产工序多，周期长，铸件不宜太大。总之，各种铸造方法都有其自身的特点，有些铸造方法之间又有联系，它们都有其优缺点，不能认为某种方法最好，也不能说某种方法(包括砂型铸造)最差，必须根据铸件的大小、形状、结构特点、合金种类、质量要求、生产批量和成本以及生产条件等进行全面综合分析才能正确地选择铸造方法。砂型铸造尽管有许多缺点，但因其适应性最强，且设备通用，因此，仍是当前最基本的铸造方法。而特种铸造方法只是在一定条件下，才显示其优越性。3、常用合金的铸件生产特点 要
47、获得优质铸件，除了需要良好的铸型外，还需要适当温度的优质液态铸造合金。这部分内容以灰铸铁为主，介绍几种常用合金的生产特点。1）铸铁件生产 铸铁件包括灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁等。应抓住这几种铸铁的组织特点，去分析它们的成分、铸造工艺、以及熔铸设备等，重点掌握它们的生产特点。表7-1列出常用铸铁成分、组织、工艺、熔炼等方面的特点小结。表表7-1常用铸铁生产常用铸铁生产特点小结一特点小结一览表览表铸铁种类铸铁种类组织特征组织特征成分特点成分特点 铸造工艺特点铸造工艺特点 牌牌 号号 熔炼特点熔炼特点 主要用途主要用途灰口铸铁 钢的基体+片状石墨 接近于共晶成分 流动性好，石墨的膨胀而导
48、致受缩小，因而铸造性能优良 HTl00HT200 HT250HT350(需经孕育处理)冲天炉为主，工频炉等(孕育铸铁熔炼后需加硅铁孕育处理)床身、箱体支座等减振冲击载荷不大场合的零件可锻铸铁 钢的基体+团絮状石墨 C、Sl含量较低，以得到全白口组织；再在高温下长时间退火，使Fe3C分解而得到团絮状石墨 流动性差，无石墨膨胀作用，收缩较大，因而铸造性能差 KTH35010KTH3701 2(铁素体可铁)KTZ450-06KTZ700-02(珠光体可铁)冲天炉、工频炉等 薄壁小件（以得到全白口)，如并种阀门和管接头等球墨铸铁 钢的基体+球状石墨 高碳，低硅、低硫、磷 铸造性能比灰口铸铁差，与其相比
49、易形成灾渣、皮下气孔、缩孔等缺陷，流动性较差 QT400-18QT900-2 冲天炉、工频炉等。铁水出炉后用镁稀土合金进行球化，再用75%硅铁进行孕育处理 可代替部分钢件，如曲轴、连杆、阀体等重要件蠕墨铸铁钢的基体+蠕虫状石墨高碳，低硅、低硫、磷铸造性能较球铁的好冲天炉、工频炉等。铁水出炉后进行蠕化处理汽缸盖、汽缸套、钢锭模、轧辊模、玻璃瓶模和液压阀体等铸造熔炼设备 2）铸钢件和有色金属铸件 分析铸钢件生产特点时，应紧紧围绕FeF e3C相图中钢的部分来进行。从相图中可知钢的熔点高，多数钢种结晶温度范围较宽，因而流动性差，并且冷却时收缩大，易氧化吸气。这些因素决定了钢的铸造性能很差，因此在型砂
50、、铸造工艺等方面提出了更高的要求。常用的熔炼设备主要是电弧炉、工频炉。至于有色合金铸件，如铜、铝及其合金，由于它们在熔炼过程中易氧化和吸气，在铸造工艺上应采取一定的措施，如采用平稳引入金属液的底注式浇注系统，坩埚炉熔炼等。本章重点 铸造生产的原理、实质、特点与应用；合金铸造性能的流动性和收缩性；各种铸造方法的特点；铸件结构工艺性。第8章 金属固态塑性成形技术 在物理特征上，任何固体自身都具有一定的几何形状和尺寸，固态成形就是改变固体原有的形状和尺寸，从而获得所需（预期）的形状和尺寸的过程。金属材料固态塑性成形原理即在外力作用下金属材料通过塑性变形，以获得具有一定形状、尺寸和力学性能的毛坯或者零
