材料成型原理课件

金属液态成形原理 南昌航空大学航空制造学院,主要内容,1 液态金属的结构和性质 2 铸件凝固过程中的传热 3 液态金属的结晶 4 铸件凝固组织及控制 5 铸件中的缺陷及其控制,本课程的理论基础 物理化学 金属学原理 冶金原理 流体力学 传热学,参 考 书,1、铸件形成理论基础，李庆春等， 机械工业出版社，1982 2、铸件形成理论，安阁英， 机械工业出版社；1990 4、金属液态成形原理，戴斌煜等， 国防工业出版社，2010,绪 论,0.1金属液态成形的概念和特点 金属液态成形概念 金属液态成形（又称铸造），是指将熔融金 属（合金）在重力场或其他外力场（压力、离 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 品的成形方法。液态金属凝固成形所获得的制 品称之为铸件。,金属液态成形工艺流程,液态金属成形特点 1、适应性强 对任何大小的零件，从几克重到几百吨的零 件；从仅0.2mm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 到任意复杂的零件都可以通过铸造方法制造出 来。,2、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、 有机高分子、复合材料等，特别是脆性材料都可 采用液态成形技术。,3、成本低 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 可以大量利用废、旧金属材料和再生资源 易于实现机械化生产，生产效率较高,炼钢 浇注 铸件,典型铸件,缸盖,缸体,排气管,轮毂,铸造压气机叶片,轧钢机机架（铸钢，400吨）,三峡工程用水轮机叶轮（450吨）,特大型铝合金铸件净重（2.7吨）,金属液态成形的基本过程是充填铸型和冷却凝 固。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。 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶 段，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 的。因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件 的重要条件。,液态成形与凝固学,凝固是铸件成形过程的核心，它决定着铸件的 凝固组织和铸造缺陷的形成，因而也决定了铸件 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 多种铸造技术与凝固技术。,凝固学一门研究液态到固态转变过程的基 本理论。 研究对象：凝固过程的传热、传质和液体流动。 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凝固阶段。 凝固理论的主要应用金属液态成形（是一种非常经济的成形方法）。,0.2凝固理论的研究进展 金属凝固理论的发展 凝固技术的发展 计算机的应用,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： 20世纪60年代前形成了完整的经典凝固理论， 主要包括： 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 动效应；平方根定律等。,20世纪60年代后的较长一段时间内，研究的重 点放在经典理论的应用上。 Chalmers等人提出“激冷等轴晶游离”理论， Jackson等人提出“枝晶熔断”及“结晶雨” 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结晶过程和凝固过程。,最新的凝固理论有： 快速凝固理论 凝固过程组织形态选择的时间和历史相关性 复合材料凝固特性 枝晶间距选择的容许范围等,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 的进步。典型代表就是定向凝固技术、快速凝固 技术和复合材料的获得。此外，还有金属半固态 成形技术等。,铸造高温合金涡轮发动机叶片,计算机的应用 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真技术； 快速成形技术； 过程和设备运行的计算机控制。,充型-凝固过程数值模拟,温度场模拟,应力场模拟,a) b) 应力分布的模拟结果 a)原设计方案 b) 重新设计的方案,铸件微观组织模拟,石墨大小分布情况,布氏硬度分布情况,0.3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5000多年 前，铸造技术就出现在了中华大地。铸造技术被 应用到农业生产、兵器制造、音乐艺术及人民生 活等各方面，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 发展史的重要组成部分。,1.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范铸法和 失蜡法。 范铸法是用范组合成铸型进行浇注的方法。 石范铸造 范铸法 泥（陶）范铸造 金属范铸造,纹饰精美的陶范残片,夏、商、周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、 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 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。,司母戊鼎,是中国目前已发现 的最重的青铜器。司 母戊鼎是中国商代后 期王室祭祀用的青铜 方鼎，1939年在河南 省安阳出土。高133厘 米、口长110厘米、口 宽79厘米、重832.84 千克 。,四羊铜尊,商晚期的贮酒器。 1938年出土于湖 南宁乡，是我国 现已发现的较大 的方尊，高58.6 厘米，重34.5公 斤。,我国的失蜡法至迟起源于春秋时期。 1978年河南淅川下寺2号楚墓出土的春秋时代 （公元前620年前467年）的铜禁是迄今所知的 最早的失蜡法铸件。,2.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 了生铁和铸铁技术，从此进入了铁器文明时代。 我国在公元前6世纪就发明了生铁和铸铁技 术，是世界上最早发明并使用生铁的国家，比欧 洲早了1800多年。,战国中期，生铁铸件已经成为主要的生产工 具，此时铁范（铸铁金属型）也成为主流工艺， 广泛应用于军事和农业生产。,战国兴隆铁范,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。 著名的代表性铸件如后周时期铸造的河北沧州 大铁狮。,3.我国铸造的地位和成就,铸造行业是制造业的主要组成部分 从2000年起，我国铸件产量超越美国，连续11 年位居世界第一,0.4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 势可分为以下几个方面。 1、铸件的特大型化 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 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。,2、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 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10%，可使燃烧效率提高7%， 并减少10%的污染。 铸件的轻量化一是材质的轻量化，二是工艺的 精确化。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。,3、铸件的精确化 传统精确铸造技术有：熔模铸造、压力铸造、 离心铸造等。 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 模铸造、半固态铸造、 快速铸造成形技术等等。,4、数字化铸造 模拟仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及 研究热点。 5、网络化铸造 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。,6、清洁化铸造 目前全世界每年产生废弃物约250万亿吨。 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 生产的道路