材料成型原理.pptx

金属液态成形原理 南昌航空大学航空制造学院南昌航空大学航空制造学院 主要内容主要内容 1 1 液态金属的结构和性质液态金属的结构和性质 2 2 铸件凝固过程中的传热铸件凝固过程中的传热 3 3 液态金属的结晶液态金属的结晶 4 4 铸件凝固组织及控制铸件凝固组织及控制 5 5 铸件中的缺陷及其控制铸件中的缺陷及其控制 本课程的本课程的理论基础理论基础 物理化学物理化学 金属学原理金属学原理 冶金原理冶金原理 流体力学流体力学 传热学传热学 参参 考考 书书 1 1、铸件形成理论基础铸件形成理论基础，李庆春等，李庆春等，机械工业出版社，机械工业出版社，19821982 2 2、铸件形成理论铸件形成理论，安阁英，安阁英，机械工业出版社；机械工业出版社；19901990 4 4、金属液态成形原理金属液态成形原理，戴斌煜等，戴斌煜等，国防工业出版社，国防工业出版社，20102010 绪绪 论论0.10.1金属液态成形的概念和特点金属液态成形的概念和特点u金属液态成形概念金属液态成形概念 金属液态成形金属液态成形（又称铸造），是指将熔融金（又称铸造），是指将熔融金属（合金）在属（合金）在重力场重力场或其他或其他外力场外力场（压力、离（压力、离心力、电磁力、振动惯性力等）作用下浇入一心力、电磁力、振动惯性力等）作用下浇入一定铸型中，冷却并凝固而获得具有型腔形状制定铸型中，冷却并凝固而获得具有型腔形状制品的成形方法。液态金属凝固成形所获得的制品的成形方法。液态金属凝固成形所获得的制品称之为品称之为铸件铸件。金属液态成形工艺流程金属液态成形工艺流程u液态金属成形特点液态金属成形特点 1 1、适应性强、适应性强 对任何大小的零件，从几克重到几百吨的零对任何大小的零件，从几克重到几百吨的零件；从仅件；从仅0.2mm0.2mm的薄壁零件，到数米厚度零件；的薄壁零件，到数米厚度零件；从小到几毫米，大到几十米的零件；从形状简单从小到几毫米，大到几十米的零件；从形状简单到任意复杂的零件都可以通过铸造方法制造出到任意复杂的零件都可以通过铸造方法制造出来。来。2 2、适用材料范围广泛、适用材料范围广泛 不仅金属材料，几乎所有工程材料，如陶瓷、不仅金属材料，几乎所有工程材料，如陶瓷、有机高分子、复合材料等，特别是有机高分子、复合材料等，特别是脆性材料脆性材料都可都可采用液态成形技术。采用液态成形技术。3 3、成本低、成本低u铸件的形状及尺寸与零件非常接近，因此可减铸件的形状及尺寸与零件非常接近，因此可减 少材料消耗和后续加工量少材料消耗和后续加工量u可以大量利用废、旧金属材料和再生资源可以大量利用废、旧金属材料和再生资源u易于实现机械化生产，生产效率较高易于实现机械化生产，生产效率较高炼钢炼钢 浇注浇注 铸件铸件典型铸件典型铸件缸盖缸盖缸体缸体排气管排气管轮毂轮毂铸造压气机叶片铸造压气机叶片轧钢机机架（铸钢，轧钢机机架（铸钢，轧钢机机架（铸钢，轧钢机机架（铸钢，400400400400吨）吨）吨）吨）三峡工程用水轮机叶轮（三峡工程用水轮机叶轮（450450吨）吨）特大型铝合金铸件净重（特大型铝合金铸件净重（2.72.7吨）吨）金属液态成形的基本过程是金属液态成形的基本过程是充填铸型充填铸型和和冷却凝冷却凝固固。这两个基本过程在各种不同条件下完成，形。这两个基本过程在各种不同条件下完成，形成多种铸造技术与凝固技术。成多种铸造技术与凝固技术。液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段，段，使金属材料获得所要求的几何形状。使金属材料获得所要求的几何形状。许多铸造缺陷都是在充型不利的情况下产生许多铸造缺陷都是在充型不利的情况下产生的。因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件的。因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。的重要条件。u液态成形与凝固学液态成形与凝固学 凝固是铸件成形过程的核心凝固是铸件成形过程的核心，它决定着铸件的，它决定着铸件的凝固组织凝固组织和和铸造缺陷铸造缺陷的形成，因而也决定了铸件的形成，因而也决定了铸件的内在质量和力学性能。的内在质量和力学性能。这两个基本过程在各种不同条件下完成，形成这两个基本过程在各种不同条件下完成，形成多种铸造技术与凝固技术多种铸造技术与凝固技术。l凝固学凝固学一门研究液态到固态转变过程的基一门研究液态到固态转变过程的基 本理论。本理论。研究对象研究对象：凝固过程的传热、传质和液体流动。：凝固过程的传热、传质和液体流动。l几乎所有的金属及合金在成为被人们使用的工几乎所有的金属及合金在成为被人们使用的工件或器件以前都要经过件或器件以前都要经过凝固凝固阶段。阶段。l凝固理论的主要应用凝固理论的主要应用金属液态成形（金属液态成形（是一是一种非常经济的成形方法）。种非常经济的成形方法）。0.20.2凝固理论的研究进展凝固理论的研究进展l金属凝固理论的发展金属凝固理论的发展l凝固技术的发展凝固技术的发展l计算机的应用计算机的应用l金属凝固理论的发展金属凝固理论的发展 近代凝固理论大约经历了以下几个阶段：近代凝固理论大约经历了以下几个阶段：u2020世纪世纪6060年代前形成了完整的年代前形成了完整的经典凝固理论经典凝固理论，主要包括：主要包括：完整晶体生长理论；晶体缺陷生长理论；成分完整晶体生长理论；晶体缺陷生长理论；成分过冷理论；凝固过程扩散场的理论解；两相区流过冷理论；凝固过程扩散场的理论解；两相区流动效应；平方根定律等。动效应；平方根定律等。u2020世纪世纪6060年代后的较长一段时间内，研究的重年代后的较长一段时间内，研究的重点放在点放在经典理论的应用经典理论的应用上。上。ChalmersChalmers等人提出等人提出“激冷等轴晶游离激冷等轴晶游离”理论，理论，JacksonJackson等人提出等人提出“枝晶熔断枝晶熔断”及及“结晶雨结晶雨”理论，用动态的观点来研究和分析凝固过程，以理论，用动态的观点来研究和分析凝固过程，以此为指导有效地控制了此为指导有效地控制了结晶过程结晶过程和和凝固过程凝固过程。最新的凝固理论有：最新的凝固理论有：u快速凝固理论快速凝固理论u凝固过程组织形态选择的时间和历史相关性凝固过程组织形态选择的时间和历史相关性u复合材料凝固特性复合材料凝固特性u枝晶间距选择的容许范围等枝晶间距选择的容许范围等l凝固技术的发展凝固技术的发展 在新的凝固理论指引下，凝固技术又有了长足在新的凝固理论指引下，凝固技术又有了长足的进步。典型代表就是的进步。典型代表就是定向凝固技术定向凝固技术、快速凝固快速凝固技术技术和和复合材料复合材料的获得。此外，还有的获得。此外，还有金属半固态金属半固态成形技术成形技术等。等。铸造高温合金涡轮发动机叶片铸造高温合金涡轮发动机叶片单晶单晶定向凝固柱状晶定向凝固柱状晶等轴多晶体等轴多晶体l计算机的应用计算机的应用 铸件充型凝固过程计算机模拟铸件充型凝固过程计算机模拟仿真仿真技术；技术；快速成形技术；快速成形技术；过程和设备运行的计算机控制。过程和设备运行的计算机控制。充型充型-凝固过程数值模拟凝固过程数值模拟 温度场模拟温度场模拟 应力场模拟应力场模拟a)b)a)b)应力分布的模拟结果应力分布的模拟结果a)a)原设计方案原设计方案 b)b)重新设计的方案重新设计的方案 铸件微观组织模拟铸件微观组织模拟石墨大小分布情况石墨大小分布情况 布氏硬度分布情况布氏硬度分布情况 0.30.3我国铸造技术的辉煌历史我国铸造技术的辉煌历史 我国铸造技术有着悠久的历史，早在我国铸造技术有着悠久的历史，早在50005000多年多年前，铸造技术就出现在了中华大地。铸造技术被前，铸造技术就出现在了中华大地。铸造技术被应用到应用到农业生产、兵器制造、音乐艺术农业生产、兵器制造、音乐艺术及及人民生人民生活活等各方面，极大地推动了我国古代文明的进等各方面，极大地推动了我国古代文明的进步。铸造技术的发展史，是中华民族五千年文明步。铸造技术的发展史，是中华民族五千年文明发展史的重要组成部分。发展史的重要组成部分。1.1.我国古代青铜铸造技术我国古代青铜铸造技术 在我国古代，常用的铸造工艺主要有在我国古代，常用的铸造工艺主要有范铸法范铸法和和失蜡法失蜡法。u范铸法是用范铸法是用范范组合成铸型进行浇注的方法。组合成铸型进行浇注的方法。石范铸造石范铸造 范铸法范铸法 泥（陶）范铸造泥（陶）范铸造 金属范铸造金属范铸造 纹饰精美的陶范残片纹饰精美的陶范残片 夏、商、周夏、商、周时期是人类青铜文化史上最为灿烂时期是人类青铜文化史上最为灿烂的时代。中国在金属冶炼、铸造以及合金技术、的时代。中国在金属冶炼、铸造以及合金技术、加工技术等方面都取得了极其伟大的成就。加工技术等方面都取得了极其伟大的成就。商代晚期青铜器铸造技术进入鼎盛阶段，青铜商代晚期青铜器铸造技术进入鼎盛阶段，青铜器已应用在农具、武器、礼器、生活用品等各个器已应用在农具、武器、礼器、生活用品等各个方面，铸造了大量著名的青铜器铸件。方面，铸造了大量著名的青铜器铸件。司母戊鼎司母戊鼎 是中国目前已发现是中国目前已发现的最重的青铜器。司的最重的青铜器。司母戊鼎是母戊鼎是中国中国商代商代后后期王室祭祀用的青铜期王室祭祀用的青铜方鼎，方鼎，19391939年在年在河南河南省省安阳安阳出土。高出土。高133133厘厘米米、口长、口长110110厘米、口厘米、口宽宽7979厘米、重厘米、重832.84832.84千克千克 。四羊铜尊四羊铜尊商晚期的贮酒器。商晚期的贮酒器。19381938年出土于年出土于湖湖南宁乡南宁乡，是我国，是我国现已发现的较大现已发现的较大的方尊，高的方尊，高58.658.6厘米，重厘米，重34.534.5公公斤。斤。u 我国的我国的失蜡法失蜡法至迟起源于至迟起源于春秋时期春秋时期。19781978年河南淅川下寺年河南淅川下寺2 2号楚墓出土的春秋时代号楚墓出土的春秋时代（公元前（公元前620620年年前前467467年）的年）的铜禁铜禁是迄今所知的是迄今所知的最早的失蜡法铸件。最早的失蜡法铸件。2.2.我国古代的铸铁技术我国古代的铸铁技术 随着我国古代铸造技术的发展，春秋晚期发明随着我国古代铸造技术的发展，春秋晚期发明了生铁和铸铁技术，从此进入了了生铁和铸铁技术，从此进入了铁器文明时代铁器文明时代。我国在我国在公元前公元前6 6世纪世纪就发明了生铁和铸铁技就发明了生铁和铸铁技术术，是世界上最早发明并使用生铁的国家，比欧是世界上最早发明并使用生铁的国家，比欧洲早了洲早了18001800多年。多年。战国中期，生铁铸件已经成为主要的生产工战国中期，生铁铸件已经成为主要的生产工具，此时具，此时铁范铁范（铸铁金属型）也成为主流工艺，（铸铁金属型）也成为主流工艺，广泛应用于军事和农业生产广泛应用于军事和农业生产。战国兴隆铁范战国兴隆铁范 隋唐以后，铸造技术得到进一步发展，向大型隋唐以后，铸造技术得到进一步发展，向大型和特大型铸件发展。和特大型铸件发展。著名的代表性铸件如后周时期铸造的著名的代表性铸件如后周时期铸造的河北沧州河北沧州大铁狮大铁狮。3.3.我国铸造的地位和成就我国铸造的地位和成就u铸造行业是制造业的主要组成部分铸造行业是制造业的主要组成部分u从从20002000年起，我国铸件产量超越美国，连续年起，我国铸件产量超越美国，连续1111 年位居世界第一年位居世界第一0.40.4未来铸造技术的发展趋势未来铸造技术的发展趋势 随着科学技术的进步，铸造技术的未来发展趋随着科学技术的进步，铸造技术的未来发展趋势可分为以下几个方面。势可分为以下几个方面。1 1、铸件的特大型化铸件的特大型化 我国国民经济高速增长，对能源、冶金、船舶、我国国民经济高速增长，对能源、冶金、船舶、石化等工业提出了巨大的需求，这些行业重大装石化等工业提出了巨大的需求，这些行业重大装备的特大型化对特大型铸件的需求越来越迫切，备的特大型化对特大型铸件的需求越来越迫切，对质量的要求也越来越高。对质量的要求也越来越高。2 2、铸件的轻量化、铸件的轻量化 为了减轻对资源消耗及环境污染的压力，铸件为了减轻对资源消耗及环境污染的压力，铸件的轻量化已成为重要的发展趋势。以汽车制造为的轻量化已成为重要的发展趋势。以汽车制造为例，汽车重量减轻例，汽车重量减轻10%10%，可使燃烧效率提高，可使燃烧效率提高7%7%，并减少并减少10%10%的污染。的污染。铸件的轻量化一是铸件的轻量化一是材质的轻量化材质的轻量化，二是，二是工艺的工艺的精确化精确化。汽车工业、航空工业级国防工业广泛采。汽车工业、航空工业级国防工业广泛采用轻合金是重要的发展趋势。用轻合金是重要的发展趋势。3 3、铸件的精确化、铸件的精确化 传统精确铸造技术有：熔模铸造、压力铸造、传统精确铸造技术有：熔模铸造、压力铸造、离心铸造等。离心铸造等。新的铸造成形技术（净终成形铸造）有：新的铸造成形技术（净终成形铸造）有：消失模铸造、定向凝固熔消失模铸造、定向凝固熔 模铸造、半固态铸造、模铸造、半固态铸造、快速铸造成形技术等等。快速铸造成形技术等等。4 4、数字化铸造、数字化铸造 模拟仿真模拟仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及是材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。研究热点。5 5、网络化铸造、网络化铸造 在网络化环境下，铸造过程的模拟仿真将在新在网络化环境下，铸造过程的模拟仿真将在新产品的研究与开发中发挥重要作用。产品的研究与开发中发挥重要作用。6 6、清洁化铸造、清洁化铸造 目前全世界每年产生废弃物约目前全世界每年产生废弃物约250250万亿吨万亿吨。铸造行业是消耗资源的大户，已成为可持续发铸造行业是消耗资源的大户，已成为可持续发展政策和规划的关注焦点，铸造行业必须走清洁展政策和规划的关注焦点，铸造行业必须走清洁生产的道路。生产的道路。绿色铸造绿色铸造是长期的努力方向及目标。是长期的努力方向及目标。n“绿色铸造绿色铸造”的目标的目标 使铸件从设计、制造、包装、运输、使用到使铸件从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个报废处理的整个“产品生命产品生命”周期中，对环境周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高，从而使企业的负面影响最小，资源效率最高，从而使企业经济效益和社会效益达到最优化。经济效益和社会效益达到最优化。思考题思考题1 1、什么是铸造（金属液态成形）？铸造生产的、什么是铸造（金属液态成形）？铸造生产的 主要特点是什么？主要特点是什么？2 2、铸造技术未来发展趋势有哪些方面？、铸造技术未来发展趋势有哪些方面？