1、第一章 緒 論一、金屬材料成型方法 金屬材料成型就是把原來無定型的材料加工成形狀滿足要求的器件。 塑性成形：金屬坯料在外力作用下產生塑性變形，從而獲得具有一定幾何形狀，尺寸和精度，以及服役性能的材料、毛坯或零件的加工方法。軋制：金屬通過旋轉的軋輥受到壓縮，橫斷面積減小，長度增加的過程。擠壓：金屬在擠壓筒中受推力作用從?？字辛鞒龆迫「鞣N斷面金屬材料的加工方法。舉例：棒、管、型；其它：異型截面。鍛造：鍛錘錘擊工件產生壓縮變形A. 自由鍛：金屬在上下鐵錘及鐵砧間受到沖擊力或壓力而產生塑性變形的加工。B. 模鍛：金屬在具有一定形狀的鍛模膛內受沖擊力或壓力而產生塑性變形的加工。 舉例：飛機大梁，火箭捆

2、挷環等沖壓：金屬坯料在沖模之間受壓產生分離或變形的加工方法。二、材料成型方法與組織的關系 材料成型方法與工件組織有緊密的關系。如鑄造與軋制比，組織在晶粒形狀、尺寸和取向方面均有明顯差別。柱狀晶 縮孔和氣孔（收縮及氣體逸出引起） 非金屬夾雜物（卷入）熱變形：塑性變形溫度高于該金屬的再結晶溫度。特征：經過回復和再結晶組織均勻化，塑性好，消除內部缺陷，形成軋制流線/流紋。冷變形：塑性變形溫度低于該金屬的再結晶溫度。特征：晶粒沿變形最大的方向伸長，形成纖維組織和形變織構；晶粒間產生碎晶。金屬產生加工硬化現象。三、金屬液態成型（鑄造）的發展1、鑄造是一門古老而年輕的科學。根據文獻記載和實物考察，證明我國

3、鑄造生產技術至少有四千年以上的悠久歷史。可分兩大發展階段： 前兩千年：以青銅鑄造為主，形成燦爛的商周青銅文化。出土的編鐘，鑄造精巧、音律準確、音色優美。 后兩千年：以鑄鐵為主。公元前六世紀，發明了生鐵和鑄鐵技術，制造的生產工具取代了青銅。 鑄鐵生產工具的使用促進了鑄鐵強韌化的早期發明。 （1）戰國時期，我們的先人已經能夠通過石墨化熱處理和脫碳熱處理獲得黑心韌性鑄鐵和白心可鍛鑄鐵。 （2）西漢時期，鑄鐵中還出現了球狀石墨。而現代球墨鑄鐵是英國人1947年研制成功的。 在我國古代鑄造工藝中，失蠟法是非常常用的一種方法。古代許多精致的青銅藝術珍品多采用該法制造。如銅像、銅獅等?，F代的熔模鑄造或精密鑄

4、造就是由此發展而來。 永樂大鐘（明代）鑄造工藝永樂大鐘采用泥范法鑄造。先在地上挖一個大坑，用草木和三合土做好內壁，上面涂上細泥，把寫好經的宣紙反貼在細泥上，刻好陰字，加熱燒成陶范，然后再一圈圈做好外范。鑄時，幾十座熔爐同時開爐，火焰沖天，金花飛濺，銅汁涌流，金屬液沿泥作的槽注入陶范，一次鑄成。大鐘含銅80.5%，含錫16%，還有鉛、鋅、鐵、硅、鎂等元素。這種成分配比，與考工記中的“六齊”項下的“鐘鼎之齊”的記載極其近似。大鐘鑄好后，待到冬天，先每隔一里挖一口井，再沿路挖溝引水，潑水結冰，然后開始搬運。大鐘在冰路上滑行幾十里才到宮中。再滑到冰土堆上，然后建鐘樓，鐘掛于樓頂。春天解凍后，取土而鐘懸

5、。五絕永樂大鐘有“五絕”。第一絕是形大量重、歷史悠久。第二絕，是世界上銘文字數最多的一口大鐘。大鐘奇妙優美的音響是第三絕，“幽雅感人、益壽廷年”?？茖W的力學結構是永樂大鐘的第四絕。永樂大鐘的懸掛紐是靠一根與鐘體相比顯得很小的銅穿釘連接的。穿釘很小，卻恰在它所能承受四十多噸的剪應力范圍之內。永樂大鐘第五絕是高超的鑄造工藝。鑄造方法和過程工匠們營造了一個壯觀而宏大的場面：在地上挖出十米見方的深坑巨穴，先按設計好的大鐘模型，分七節制出供鑄造使用的外范，低溫陰干，焙燒成陶。再根據鐘體不同斷面的半徑和厚度設計刮板模，做出大鐘的內范。當七個陶制外圈依次對接如七級浮屠之狀時，渾然一體的大鐘外范便拼裝成功了。

6、為了承受澆鑄的壓力并確保足夠的強度，外范四周用泥土填滿并層層夯實。鐘鈕旁邊四處不易覺察的疤痕，是四個澆口的位置。采用最典型的雨淋式澆鑄法：幾十座熔爐沿四條槽道排開，爐內大火流金、銅汁鼎沸；地坑里內外模范同時高溫預熱。當爐膛中的銅液相繼奔瀉而出后，這口萬鈞大鐘便一氣呵成?；赝饲榇司?，五百年前的手工作坊式生產，分明已經透出了近代大工業的規模和氣概。冷卻冷卻也是一道致命的工序?？觾仁且粓F沒有熄滅的地火和流焰，必須控制冷卻速度防止鐘體炸裂。世界著名的俄羅斯大鐘就因冷卻過程中的閃失出現裂紋，結果淪為一口啞鐘。而孕育永樂大鐘的地坑此時是一個天然的自動冷卻系統?？梢韵胂螽斈陝诳嗟墓そ硞兏冻隽硕嗌傩难?，精心

7、呵護，才能確保永樂大鐘在平安降溫中平安降生。化學成分從大鐘頂部一個微小的砂眼中取出一個微小的金屬顆粒；從大鐘底部不顯眼的邊緣刮掉一點金屬粉末。化學定量分析結果表明，大鐘上下部位的成份是均勻一致的：銅80.54%；錫16.41%；鉛1.12%；鋅0.22%也許為了提高身價、增添吉祥并加強抗銹蝕能力，大鐘內還檢出了0.03%的金和0.04%的銀。青銅的機械性能曲線顯示，當含錫量在15%至17%時，抗拉強度達最高值，聲學性能也達到最佳狀態。是誰為大鐘的合金設計了這樣高明的化學成分？幾十只不同的熔爐如何讓共同熔出的青銅液保持成份一致？我們不由陷入深深的遐想。曾侯乙編鐘（戰國） 司母戊大方鼎（商代晚期）

8、20世紀60年代后，研究的重點在經典理論的應用，出現了快速凝固、定向凝固、等離子熔化技術、激光表面重熔技術、半固態鑄造、調壓鑄造等凝固技術和材料成型方法。其后，對凝固過程的認識逐漸從經驗主義中擺脫出來。大野篤美提出了晶粒游離和晶粒增殖的理論。隨著計算機技術的發展，通過計算機定量地描述液態金屬的凝固過程，對凝固組織和凝固缺陷進行預測，在此基礎上，出現了許多新的凝固理論和模型。它們將溫度場、應力場、流動場耦合起來進行研究，其結果更接近于實際。國際國內已出現了許多商品化的凝固模擬軟件，它們在科研和生產中發揮著重要作用。2、鑄造成型的主要特點 (1) 能制作復雜形狀的件。機器零件自不必說，工藝品的制作

9、是其它方法無法比擬的。如大型銅像，小的首飾等。 (2) 較高的尺寸精度。 (3) 成本低廉。3、本課主要內容 研究金屬材料在液態成型（鑄造）過程中普遍存在的內在規律、缺陷的形成原因及防止措施。謝謝！材料成型與控制專業2.1 材料的固液轉變5、相變2.2 液態金屬的結構一、液態結構與固態結構間的異同1、間接研究方法：研究金屬熔化、汽化時的物理現象間接研究液態結構。從液態金屬的熱物理性質看，液態結構更像固態結構。（1）金屬的汽化潛熱遠大于熔化潛熱，以鋁為例： 汽化潛熱/熔化潛熱=27.8。氣態金屬原子間結合鍵幾乎全部破壞。液態金屬原子間結合鍵僅部分被破壞。 所以，液態金屬結構類似于固態金屬。（2）

10、由固態變液態，熵的增值相對于熔點前的熵值并不算大。（熵代表系統結構紊亂性變化）。 即：在熔點附近：液固結構相差不大。2、直接研究方法：通過液態金屬X射線衍射分析來直接研究金屬的液態結構。3、液體的流動特性像氣體； 但體積特性、熱特性像固體局部原子排列與固體無異近程有序。 因此，關于液體，有兩種說法：（1）本質上是密集的氣體；（2）高度有缺陷的晶體。5、其它方面（1）熔化時，體積膨脹3%-5%左右；（2）擴散系數：液溶質擴散系數約10-5cm2/sec 數量級；固溶質擴散系數約10-8cm2/sec 數量級。差1000倍。（3）晶態固晶體、非晶體液非晶體二、理想純金屬的液態結構特點1、原子間保持

11、較強的結合能；2、原子排列小距離內（僅在原子集團內幾十到幾百個原子的集團）有規律近程有序；3、原子集團處于瞬息萬變狀態能量起伏；4、原子集團之間存在“空穴”，共有電子運動發生變化；（電子難飛躍“空穴”，電阻率升高）5、原子集團尺寸、速度與溫度有關。（溫度升尺寸降、速度大）三、實際金屬的液態結構特點1、存在大量雜質原子（1）雜質是多種多樣的，非一種；（2）雜質分布不均勻； 濃度起伏：游動原子集團之間存在成分不均勻性； 結合力不同：結合力強的易聚； 能量起伏：各微觀區域的能量不同，有的微區能量高，有的微區能量低。（3）雜質存在方式不同：溶質、化合物。 A、B結合力較強形成新的化學鍵臨時不穩定化合物

12、；（低溫化合，高溫分解） A、B結合力非常強形成強而穩定的化合物新相； B-B、B-A結合力小于A-A，則A-A原子聚集B被排斥在集團外或液體表面降低表面張力表面活性元素。2、雜質的來源（1）常用金屬為多元合金；（2）原材料存在多種雜質；（3）熔化時，被污染（金屬與爐氣、熔劑、爐襯反應、吸氣，帶進雜質）。3、實際金屬液態結構 非常復雜。（1）也存在游動原子團、空穴及能量起伏；（2）原子團、空穴中有各種合金元素及雜質元素；（3）存在濃度起伏；（4）存在不穩定或穩定化合物（固、氣、液）。2.3 液態金屬的性質一、粘度 kB Bolzmann常數； U 為無外力作用時原子之間的結合能； t0 為原子

13、在平衡位置的振動周期（對液 態金屬約為10-13秒）； 相鄰原子平衡位置的平均距離。2、粘度在材料成形中的意義（1）對液態金屬凈化的影響（2）對液態合金流動阻力的影響（3）對凝固過程中液態合金對流的影響（4）粘度對成形質量的影響（4）粘度對成形質量的影響（4）粘度對成形質量的影響（4）粘度對成形質量的影響二、表面張力1、概念：金屬液表面質點因受周圍質點對其作用力不平衡，在表面液膜單位長度上所受的繃緊力，稱表面張力。2、表面張力及其產生的原因3、表面張力的意義2.4 液態金屬的流動性及充型能力一、流動性1、概念：液態金屬本身的流動能力。2、影響因素：成分、溫度、雜質含量及物理性質。與外界因素無關

14、。3、作用：好的流動性利于缺陷的防止： （1）補縮；（2）防裂；（3）充型；（4）氣體與雜質易上浮。4、測定：澆注流動性試樣。 試樣結構、鑄型性質、澆注條件相同，改變合金成分，測試樣長度。二、充型能力 1、概念：液態金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。 充型能力弱則可能產生澆不足、冷隔；充型能力過強則可能產生砂眼、鐵豆、抬箱，以及卷入性氣孔、夾砂等缺陷。2、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施 內因：自身流動性 外因：型的性質、澆注條件、鑄件結構等因素的影響，是各種因素的綜合反映。（1）金屬性質1）合金成分純金屬、共晶成分合金和金屬間化合物，有最大流動性。（1）凝固點固定；（

15、2）逐層凝固；（3）凝固層內表面平滑，阻力??；（4）流動時間長。相圖中有結晶溫度范圍的地方流動性下降，在最大溫度范圍處，流動性最差。（1）凝固溫度區間；（2）斷面存在兩相區；（3）前端枝晶數多，粘度大，流速小。2）結晶潛熱純金屬、共晶成分合金：凝固點固定，潛熱能發揮，利于流動；結晶溫度范圍寬的合金：散失部分潛熱后晶粒成網，阻塞流動，潛熱難發揮。對流動性影響不大。3）比熱、密度、導熱系數比熱、密度大合金：含熱量多，保持液態時間長，流動性好。導熱系數小合金：散熱慢，流動時間長。4）粘度層流：影響大。停流前一刻，通道面積小，阻力系數大。紊流：影響小。實驗證明，除停流前一刻，均為紊流。5）表面張力對薄

16、壁件，鑄件的細薄部分有影響；通常不潤濕，阻礙型腔充填。 綜上所述，為提高充型能力，在金屬方面采取以下措施：1）正確選擇合金成分：盡量選共晶或結晶溫度范圍小的合金；2）合理的熔煉工藝減粘、減表面張力 原材料：去雜質 熔煉：少接觸有害氣體 熔化后：脫氧、精煉（2）鑄型性質方面因素1）型的蓄熱系數：指鑄型從金屬吸取并儲存在本身中熱量的能力。 型的蓄熱系數大型激冷能力強金屬保持液態時間短充型能力下降。生產中可用涂料調整。2）型溫度 預熱型減小型/金屬液溫差充型能力提高。3）型中氣體 型能發氣金屬/型間形成氣膜減小摩擦阻力易充型。 但是：氣太多反壓力大，澆不進去：翻騰、飛濺。 解決方法：（1）降低含水、發氣物含量； （2）提高型透氣性。（3）澆注條件方面因素1）澆注溫度 溫度高充型能力強。 但超過某界限，吸氣多、氧化嚴重，充型能力提高不明顯。 生產中，對薄壁件及流動性差合金，可提高澆溫。 缺點：澆注溫度高組織粗大、縮孔、縮松、粘砂、裂紋易產生。2）充型壓頭 壓力大充型好 生產中，增加金屬靜壓頭。