铸件形成理论基础.docx

铸件形成理论基础.docx

《铸件形成理论基础.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铸件形成理论基础.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

铸件形成理论基础

第一章

能量起伏：

金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”

近程有序排列：

金属液体则由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏。

这种仅在原子集团内的有序排列称为近程有序排列。

浓度起伏：

不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。

这种成分的不均匀性称为浓度起伏。

实际金属的液态结构

实际金属中总存在大量杂质和溶质原子，所以其液态除了存在能量起伏和结构起伏以外，还存在浓度起伏。

实际液态金属在微观上是由存在能量起伏、结构起伏和成分起伏的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成的混浊液体；从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其他多种类型的化学键。

影响表面张力的因素

1）熔点：

高熔点的物质，其原子间结合力大，其表面张力也大。

2）温度：

大多数金属和合金，温度升高，表面张力降低。

3）溶质：

向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使表面内能和表面张力降低。

第二章液态金属的充型能力

一、水力学特点

1、液态金属在砂型流动时具有的特性：

粘性液体流动多相流动不稳定流动④紊流流动⑤在‘多孔管’中流动

2、什么是液态金属充填铸型能力

答：

液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的能力。

3、影响液态金属充型能力的因素：

取决于金属本身的流动性受外界影响（铸型性质、杂质含量、）

4、充型能力不好的缺陷：

浇不足、冷隔

5、用浇注“流动性试样”方法衡量流动性、试样类型有：

螺旋形、球形、真空试样。

四、液态金属充型能力的计算

l=vτ

五、影响充型能力的因素和措施

因素：

金属性质方面：

（密度比热导热系数④结晶潜热⑤动力粘度）

铸型性质方面：

（铸型蓄热系数铸型密度铸型比热④铸型温度⑤铸型发气性和透气性）

浇注条件方面：

（浇注温度液态金属静压头外力场）

铸件结构方面：

（铸件的折算率压头损失）

凝固过程中释放的潜热越多，则凝固进行的越缓慢，流动性就越好

措施：

金属性质：

（正确选择合金成分合理的熔炼工艺）

铸型性质：

（选择蓄热系数低的铸型材料预热铸型适当降低型砂中的含水量和发气④量提高砂型的透气性）

浇注方面：

（合理提高提高浇注温度增加金属液静压头选择恰当的浇注系统结构）

铸件结构：

（选择适当的浇注位置）

第三章铸件的凝固

一：

凝固动态曲线（书本76页）

二：

铸件的凝固方式（书本77-78页）：

1、逐层凝固方式2、体积凝固方式3、中间凝固方式

铸件的凝固方式取决于凝固区域的宽度。

铸件凝固方式的影响因素：

1合金结晶温度范围2、温度梯度

三：

铸件凝固时间的理论计算：

（书本86-93页）

第四章

4-1

柱状晶:

枝晶一次分枝（主干）在某一特殊方向延伸生长，最后形成的晶粒成长条形，即成为柱状晶；

等轴晶：

枝晶的个次分枝在各个方向均匀生长，晶粒呈颗粒状，内部有各向轴长相近的枝晶组织，称为等轴晶。

4-2

一、自发生核：

由游动的原子集团自己逐渐长大而形成晶核的过程

非自发生核：

在外来质点的表面上生核的过程。

二、结晶过程的热力学条件（生核过程的理论分析）

只有当固态的自由能小于液态的自由能时，物质才能从液态向固态转变。

具体见第98页对图4-7的分析。

三、自发生核相关公式计算：

（第98-99页）

（1）形成一个晶核时总的自由能变化：

公式4-1

（2）临界晶核半径计算：

公式4-3,4-5

（3）生核功计算：

公式4-6

（4）生核速度计算：

公式4-7

4-4

一、单向合金：

在凝固过程中只析出一个固相的合金；

多向合金：

在凝固过程中同时析出两个以上相的合金。

内生生长:

在晶面前方的液体内自己生核和生长的方式

外生生长:

晶体由外向内的生长方式

二、溶质再分配

1、概念：

单相合金的结晶过程一般是在一个固液两相共存的温度区间内完成的。

在区间内的任一点，共存两相都具有不同的成分。

因此结晶过程必然要导致界面处固、液两相成分的分离，这种成分分离的现象称为溶质元素的再分配。

2、溶质再分配的两种情形：

（1）、平衡结晶时的溶质再分配

虽然合金结晶时存在溶质原子的重新分配，如果凝固速度极端缓慢，使液相和固相的成分得以充分扩散均匀化，可以实现平衡结晶。

其中固相和液相的比例可按杠杆定律确定。

（固液相的重量分数关系式:

公式4-25）

（2）非平衡结晶时的溶质再分配

实际生产条件下，合金的凝固不是极端缓慢的，液体和固体中的扩散不可能充分进行，所以不是平衡结晶。

由于固相中的扩散速度比液相慢几百倍至上千倍，在工程上可以把固相中的扩散忽略不计。

非平衡结晶时的溶质再分配分为两种：

A、固相中没有扩散，液相中均匀混合

非平衡结晶时杠杆定律：

公式4-29，4-30

B、固相无扩散，液相只有有限扩散而无对流或搅动

初期过渡阶段：

在结晶初期，生长的结果导致溶质原子在界面前沿进一步富集。

溶质的富集降低了界面处的液相线温度，只有温度进一步降低时界面才能继续生长。

稳定生长阶段：

界面上排出的溶质量与扩散走的溶质量相等，晶体便进入稳定生长阶段。

后过渡阶段：

到生长临近结束，富集的溶质集中在残余液相中无法向外扩散，于是界面前沿溶质富集又进一步加剧，界面处固、液两相的平衡浓度复又进一步上升，形成了晶体生长的最后过渡阶段。

三、成分过冷

1、定义：

由于溶质原子在晶体长大过程中再分配而引起的过冷称为成分过冷。

2、界面基本生长方式与成分过冷判据的关系

（1）界面生长方式包括：

平面生长、胞状生长、枝晶状生长、内生生长

（2）成分过冷判据：

（3）关系：

A、当

时，界面前沿的温度梯度G大于及等于Tx线在界面处的斜率，G与Tx线不相交，故界面前沿无成分过冷，这也是平面生长条件；

B、胞状生长的条件是界面前沿存在较窄的成分过冷区，即

；

C、当界面前液体中的温度为G3时，界面前存在一个较宽的成分过冷区，界面上的突出部分能深入液体中的距离较长，形成一次分枝，一次分枝侧面上再形成二次分枝，如成分过冷区足够大，在二次分枝上形成三次分枝，于是固液界面变成枝晶状，这种生长方式叫枝晶状生长；

D、当界面前液体中的温度梯度为G4时，成分过冷的极大值△Tcmax大于某些外来质点非自发生核所需的过冷度△

即△Tcmax＞△

，在这样部位的液体中便能生核并生长，这种在界面前方的液体内自己生核和生长的方式成为内生生长。

四、多相合金的结晶

1、共晶合金结晶时，液体中能同时析出两种固相；

2、偏晶合金结晶时，液体中只析出一个固相α和一个新的液相

;

3、包晶合金结晶时，液相与固相中生成新的固相。

第五章

典型的铸件晶粒三区：

表面细晶粒区、内部柱状晶区、中心等轴晶区。

表面细晶区形成原因：

当液体金属浇入温度较低的铸型是，与铸型接触的一层液体受到强烈的激冷，产生很大过冷，称为“激冷”，因而在型壁上及液体中大量生核，成长为细晶粒区。

内部柱状晶形成原因：

柱状晶区是表面层区晶体向内单向延伸生长的结果。

中心等轴晶区形成原因：

从本质上说，中心等轴晶的形成是由于液体内部的独立

生核和长大。

孕育处理：

孕育处理是向液体添加少量物质，促进液体内部生核的方法。

孕育作用原理：

①外加晶核②采用生核剂③采用强成分过冷元素

局部细化晶粒的措施：

①采用机械、物理方法，加强铸件局部地区的液体运动（采用旋转磁场或机械振动）②表面细化（在铸型或熔模铸造的蜡模表面涂刷含有生核剂的涂料）

单向结晶：

是为了在金属或铸件中获得按一定方向生长的柱状晶组织。

获得单向柱状晶的措施：

①保证金属单向散热②减少成分过冷③减少金属液体的生核能力

获得细等轴晶的措施：

增大冷却速度

低温浇注

加强液体金属的运动

孕育处理

第六章铸件的化学成分不均匀性

微观偏析是指微小范围（约一个晶粒范围）内的化学成分不均匀现象，按位置不同可分为晶内偏析（枝晶偏析）和晶界偏析。

宏观偏析是指凝固断面上各部位的化学成分不均匀现象，按其表现形式可分为正常偏析、逆偏析、重力偏析等。

晶内偏析：

是在一个晶粒内出现的成分不均匀现象，常产生于具有结晶温度范围、能够形成固溶体的合金中。

晶界偏析:

在合金凝固过程中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异，这种成分不均匀现象称为晶界偏析。

负偏析区:

由于结晶沉淀，在铸锭下半部的成分低于平均成分

正偏析区:

由于结晶沉淀，在铸锭上半部的成分高于平均成分

第七章、铸件中的气体

1、气体在铸件中存在的形态：

固溶体、化合物、气孔

2、气体来源：

熔炼过程、铸型、浇注过程

3、气体对铸件质量的影响：

以气孔形式存在的气体使金属强度下降，降低零件的疲劳强度，对要求承受液压和气压的铸件，含有气孔能明显降低它的气密性。

以固溶体形式存在的气体，会降低铸件的韧性。

另外金属中含有气体也会影响到它的铸造性能。

4、金属吸收气体可由以下四个过程组成：

1）气体分子撞击到金属表面

2）在高温金属表面上气体分子离解为原子状态

3）气体原子被吸附在金属表面

4）气体原子扩散进入金属内部

5、气体在金属中的溶解度：

在一定温度和压力条件下，金属吸收气体的饱和浓度，叫做该条件下气体的溶解度。

气体在金属中的溶解度与压力、温度、合金成分以及气体种类等因素有关。

对一定成分的合金，影响气体溶解度的因素，主要是温度和压力。

6、气体的析出

气体析出的三种形式：

1）气体以原子状态扩散至金属表面，然后脱离吸附状态（蒸发）

2）以气泡形式从金属液排除，3）与金属内某元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排除。

7、防止析出性气孔的途径

●减少金属液原始含气量：

1）减少金属液的吸气量

2）对金属液采取除气处理

●阻止气体析出：

1）提高铸件冷却速度

2）提高铸件凝固时的外压

8、防止皮下气孔的途径

●合金液方面：

尽量减少浇注前合金液的含气量。

严格控制合金中氧化性较强元素的含量，另外提高浇注温度，型内气体的量和压力虽随之增加，但能降低凝固速度，有利于气体排除，通常有助于减少和防止皮下气孔

●铸型方面：

严格控制水分，一些重要铸件可采用干型或表面烘干型。

含氮树脂砂要尽量减少尿素含量和控制固化剂乌洛托品的加入量，铸型应保证有良好的透气型。

为防止金属液氧化，可加入煤粉等附加剂或采用树脂涂料，以增加型内还原性气氛，使界面处形成一层保护膜，也可减少和防止皮下气孔。

此外，应尽量保证金属液平稳进入铸型内，以减少金属液产生氧化。

第八章

一、非金属夹杂物的分类：

1）简单氧化物

2）复杂氧化物

3）硅酸盐

4）硫化物

5）氮化物

二、非金属夹杂物的来源

1）脱氧、脱硫的产物

2）非金属物过饱和，析出，残留在金属中

3）金属与外界物质作用

4）金属液被大气氧化

1．何谓一次夹杂物、二次夹杂物？

答：

浇注前形成的非金属夹杂物（一次夹杂）

液态金属在浇注时形成夹杂物（二次夹杂）

2.排除金属液中一次夹杂物的途径有哪些？

答：

1加溶剂2过滤法

3，防止和减少二次氧化夹杂物的途径有哪些？

答：

1正确选择合金成分，控制易氧化元素的含量

2.合理的熔炼及浇注工艺

a.保证充型平稳

b.减少与大气的接触时间

c.厚大面尽可能不朝上

d.加入集渣包

3.真空浇注或在保护气下熔炼和浇注

第九章铸件的收缩

1、收缩：

铸件在液态、凝固态和固态冷却过程中所发生的体积减小的现象，成为收缩。

2、体收缩：

金属从液态到常温的体积改变量。

3、线收缩：

金属在固态时有高温到常温的线尺寸改变量。

4、浇注温度到常温的三个收缩阶段：

液态收缩阶段、凝固收缩阶段，固态收缩阶段。

液态收缩：

充满铸型的瞬间，液态金属由所具有的温度t浇冷却至开始凝固的液相线温度tL的体收缩。

液态收缩率：

εv液=αv液（t浇-tL）×100%

εv液液态收缩率，%；αv液金属液态收缩系数，1/℃；t浇液态金属浇注温度，℃；tL液相线温度，℃。

凝固期间的体收缩只是由于状态的改变，与温度无关，该过程中常发生引起比容变化的某些反应，如钢的包晶反应、铸铁中渗碳体的分解、石墨的析出等。

固态收缩：

铸件各方向上都表现出尺寸的缩小。

固态体收缩率：

εv固=αv固（ts-t0）×100%

εv固金属固态体收缩率；αv固金属固态体收缩系数；ts固相线温度；t0室温。

ε1=αl（ts-t1）×100%ε1≈1/3εv固ε1金属的线收缩率；

αl=1/3αv固α1金属的线收缩率系数

金属的线收缩是铸件产生应力、形变和裂纹的基本原因。

7、铸件在铸型中收缩受到的阻力有一下几种，1、铸型表面的摩擦力，2、热阻力，3、机械阻力。

8、缩孔：

铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，在铸件最后凝固的部分出现的孔洞。

9、缩松：

铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，出现的细小分散的孔洞。

10、顺序凝固原则（定向凝固原则）：

采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固，然后朝冒口方向凝固，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即使铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度。

12、同时凝固原则：

采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固，在同时凝固条件下，扩张角φ等于零，没有补缩通道。

13、实现顺序凝固和同时凝固的措施：

1、正确布置浇注系统的引入位置，确定合理的浇注工艺；2、采用冒口；3、采用补贴；4、次用具有不同蓄热系数的造型材料或冷铁。

14防止铸件产生缩孔和缩松的途径：

1、顺序凝固和同时凝固；2、浇注系统的引入位置和浇注工艺；3、冒口、补贴和冷铁的应用；4、加压补缩。

铸钢的收缩

铸铁的收缩

液态收缩

浇注温度固定后，提高钢中的含碳量，液态收缩率增加

铸钢的成分固定后，提高浇注温度，液态收缩率增加。

铸铁的液态体收缩系数随碳含量的提高而增大。

凝固收缩

随碳含量增大，铸铁的凝固收缩率增大。

随碳含量增大，铸铁的凝固收缩率减小。

固态收缩

1）珠光体转变前收缩，发生在凝固终了到γ→α相变前的温度范围，以εｖ珠前表示．

2）共析转变期的膨胀，发生在γ→α相变的温度范围内，以εｖγ→α表示。

3）珠光体转变后收缩，发生在γ→α相变终了到室温的温度范围内，以εｖ珠后表示。

最初收缩

缩前膨胀

珠光体前收缩

共析转变膨胀

珠光体后收缩

第十章：

铸件的热裂

一、热裂形成的温度范围

答：

1、热裂是在凝固温度范围内近于固相线温度时形成的

2、热裂是在金属凝固以后即稍低于固相线温度下形成的

二、热裂形成的机理

答：

其形成机理现在主要有三种理论；1）强度理论，2）液膜理论。

3）形成功理论

1）强度理论：

合金在固相线上下温度范围内延伸率极低，金属呈脆性断裂，该温度范围称之为“脆性区”，热裂就是在脆性区内形成的；脆性区越大，金属处于低塑性区的时间越长，热裂愈容易形成。

2）液膜理论：

实验研究表明，合金在凝固期间的热裂倾向性与合金结晶末期晶体周围的液体性质有关。

3）形成功理：

热裂的产生通常要经过裂纹的形核和发展两个阶段，根据理论分析，裂纹的形核容易发生在固相晶粒相交的液相汇集部位。

十一章铸造应力大小方向，变形趋势。

一．应力大小：

1中的拉应力：

σ1=E

α（

-

）

2中的压应力σ2=E

α（

-

）

E-弹性模量，F1,F2杆1,2的截面积，a-材料的膨胀收缩系数，（

-

）杆1温度冷至tk时两杆的温度差

二．铸造应力方向，变形趋势

下图所示为工件截面尺寸，其长度为L=1000mm的普通碳钢铸件，试分析在铸造生产过程中铸件的残留应力倾向并画出可能的变形形状。

（12分）

分析：

遇到类似的题目，首先回答“残余应力是以热应力为主时，铸件中冷却较慢的部分有残余拉应力，铸件中冷却较快的部分有残余压应力”其次看看上下薄厚，薄的部分有残余压应力，厚的部分有残余拉应力，四个字：

厚拉薄压，变形情况记住四个字：

厚凹薄凸，再画出示意图。

答：

残余应力是以热应力为主时，铸件中冷却较慢的部分有残余拉应力，铸件中冷却较快的部分有残余压应力，有上图可知，上面薄的部分冷却速度较快，有残余压应力，下面厚的部分冷却速度较慢，有残余拉应力。

可能的变形形状如下图所示：

15mm

75mm

1000mm

类似地还有以下这个题目，厚拉薄压，厚凹薄凸