材料成型工艺学2-1液态合金的充型

材料成型复习题思考及答案《材料成形技术基础》复习思考题第⼀篇铸造1.何谓液态合⾦的充型能⼒？充型能⼒不⾜，铸件易产⽣的主要缺陷有哪些？充型能⼒：液态⾦属充满铸型型腔，获得形状完整、尺⼨精确、轮廓清晰铸件的能⼒。

充型能⼒不⾜，会产⽣浇不⾜、冷隔、⽓孔、夹渣等缺陷。

提⾼充型能⼒的⽅法：1）选择凝固温度范围⼩的合⾦；2）适当提⾼浇注温度、充型压⼒；4）合理设计浇注系统结构；4）铸型预热，合理的铸型蓄热系数和铸型发⽓量；5）合理设计铸件结构。

2.影响液态合⾦充型能⼒的主要因素有哪些？影响液态合⾦充型能⼒的主要因素有：流动性、铸型条件、浇注条件和铸件结构等。

3.浇注温度过⾼或过低，对铸件质量有何影响？浇注温度过低，会产⽣浇不⾜、冷隔、⽓孔、夹渣等缺陷。

浇注温度过⾼，液态合⾦的收缩增⼤，吸⽓量增加，氧化严重，容易导致产⽣缩孔、缩松、⽓孔、粘砂、粗晶等缺陷。

可见，浇注温度过⾼或过低，都会产⽣⽓孔。

4.如何实现同时凝固？⽬的是什么？该原则适⽤于何种形状特征的铸件？铸件薄璧部位设置在浇、冒⼝附近，⽽厚璧部位⽤冷铁加快冷却，使各部位的冷却速度趋于⼀致，从⽽实现同时凝固。

⽬的：防⽌热应⼒和变形。

该原则适⽤于壁厚均匀的铸件。

注意：壁厚均匀，并⾮要求壁厚完全相同，⽽是铸件各部位的冷却速度相近。

5.试述产⽣缩孔、缩松的机理。

凝固温度范围⼤的合⾦，其缩孔倾向⼤还是缩松倾向⼤？与铸铁相⽐较，铸钢的缩孔、缩松倾向如何？产⽣缩孔、缩松的机理：物理机制是因为液态收缩量＋凝固收缩量＞固态收缩量（或写为：体收缩量＞线收缩量）；⼯艺原因则是由于补缩不⾜。

凝固温度范围⼤的合⾦，其缩松倾向⼤。

与铸铁相⽐较，铸钢的缩孔、缩松倾向⼤。

6.试述冒⼝与冷铁的作⽤。

冒⼝：补缩、排⽓。

冷铁：调整冷却速度。

7.⼀批铸钢棒料（Φ200×L mm ）加⼯：(1)沿其轴线，在⼼部钻Φ80mm 棒料长度为L １； (2)将其车为Φ80mm L2。

试分析L 、L1、L2是否相等。

液态金属的流动性及充型能力液态金属充填过程是铸件形成的第一阶段，铸件的许多缺陷是在这个过程中形成的。

为了获得优质健全的铸件，必须掌握和控制这个过程。

为此，研究液态金属充满铸型的能力，以便得到形状完整、轮廓清晰的铸件，防止在充型阶段产生缺陷一、充型的概念液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性又叫做充型能力。

液态合金的流动性愈好，不仅易于铸造出轮廓清晰，薄而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。

若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷液态金属充填铸型是一个复杂的物理、化学和流体力学问题，涉及到金属液的各种性质，如密度、黏度、表面张力、氧化性、氧化物的性质及润湿性等。

充型能力的大小影响铸件的成型，充型能力较差的合金难以获得大型、薄壁、结构复杂的健全铸件而良好的流动性能使铸件在凝固期间产生的缩孔得到液态金属的补充，铸件在凝固末期受阻出现的热裂可以得到液态金属的充填而弥合，有利于防止缺陷产生液态合金流动性的好坏，通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。

如图2-3所示，将液态合金注入螺旋形试样铸型中，冷凝后，测出其螺旋线长度。

为便于测量，在标准试样上每隔50mm 作出凸点标记，在相同的浇注工艺条件下，测得的螺旋线长度越长，合金的流动性越好。

常用合金的流动性如表2-1所示。

其中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差通常，流动性好的合金，充型能力强;流动性差的合金，充型能力差，在实际的铸造生产中，可以通过改善外界条件来提高其充型能力，根据铸件的要求及合金的充型能力采取相应的工艺措施以获得健全的优质铸件。

二、影响充型能力的因素影响充型的因素是通过两个途径发生作用的:一是影响金属与铸型之间的热交换条件，从而改变金属液的流动时间；二是影响液态金属在铸型中的水力学条件，从而改变金属液的流速。

第一章金属液态成形1.什么是液态合金的充型能力？它与合金的流动性有何关系？不同化学成分的合金为何流动性不同？为什么铸钢的充型能力比铸铁差？1　液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。

2　流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。

流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。

3　成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。

4　相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。

2. 既然提高浇注温度可提高液态合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。

3. 缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。

缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。

4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。

浇不足是沙型没有全部充满。

冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。

出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。

而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。

逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。

定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。

5. 定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。

第一章金属液态成形1. ①液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。

②流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。

流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。

③成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。

④相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。

2. 浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。

3. 缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。

缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。

4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。

浇不足是沙型没有全部充满。

冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。

出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。

而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。

逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。

定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。

5. 定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。

铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称作同时凝固。

材料成型基础复习题2-1 判断题（正确的画O，错误的画×）1．浇注温度是影响铸造合金充型能力和铸件质量的重要因素。

提高浇注温度有利于获得形状完整、轮廓清晰、薄而复杂的铸件。

因此，浇注温度越高越好。

（×）2．合金收缩经历三个阶段。

其中，液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的基本原因，而固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹的主要原因。

（O）3．结晶温度范围的大小对合金结晶过程有重要影响。

铸造生产都希望采用结晶温度范围小的合金或共晶成分合金，原因是这些合金的流动性好，且易形成集中缩孔，从而可以通过设置冒口，将缩孔转移到冒口中，得到合格的铸件。

（O）4．为了防止铸件产生裂纹，在零件设计时，力求壁厚均匀；在合金成分上应严格限制钢和铸铁中的硫、磷含量；在工艺上应提高型砂及型芯砂的退让性。

（O）5．铸造合金的充型能力主要取决于合金的流动性、浇注条件和铸型性质。

所以当合金的成分和铸件结构一定时；控制合金充型能力的唯一因素是浇注温度。

（×）6．铸造合金在冷却过程中产生的收缩分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩。

共晶成分合金由于在恒温下凝固，即开始凝固温度等于凝固终止温度，结晶温度范围为零。

因此，共晶成分合金不产生凝固收缩，只产生液态收缩和固态收缩，具有很好的铸造性能。

（×）7．气孔是气体在铸件内形成的孔洞。

气孔不仅降低了铸件的力学性能，而且还降低了铸件的气密性。

（O）8．采用顺序凝固原则，可以防止铸件产生缩孔缺陷，但它也增加了造型的复杂程度，并耗费许多合金液体，同时增大了铸件产生变形、裂纹的倾向。

（O）2-2 选择题1．为了防止铸件产生浇不足、冷隔等缺陷，可以采用的措施有（D）。

A．减弱铸型的冷却能力；B．增加铸型的直浇口高度；C．提高合金的浇注温度；D．A、B和C；E．A和C。

2．顺序凝固和同时凝固均有各自的优缺点。

为保证铸件质量，通常顺序凝固适合于（D），而同时凝固适合于（B）。

润湿角是衡量界面张力的标志。

1.1纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。

原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子 这样的结构处于瞬息万变的状态 液体内部存在着能量起伏。

2 实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体 也就是说 实际的液态合金除了存在能量起伏外 还存在结构起伏。

充型能力中浇注条件方面的影响因素：1、浇注温度 2、充型压头 3、浇注系统的结构2.1液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。

原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。

（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。

系统吉布斯自由能G=H-TS H为焓、T为热力学温度、S为熵。

结构越混乱G越高。

G L 液相G s固相当T<Tm G L液相<G s固相金属结晶。

过冷度为金属结晶的驱动力。

成分起伏、相结构起伏、能量起伏。

对于外来固相的平面基地而言，凹>平>凸，凸界面，促进异质形核的能力随曲率增大而减小，凹界面，随增大而增大。

晶体宏观长大方式：平面方式长大，树枝晶方式生长。

3.1为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。

3.2何谓热力学能碍和动力学能碍？凝固过程是如何克服这两个能碍的？热过冷：金属凝固时所需的过冷度，若完全由热扩散控制，这样的过冷称热过冷。

金属工艺学简答题（1）5.1什么是液态合金的充型能力？与流动性有何关系？不同化学成分的合金为何流动性不同？液态合金充满型腔并使铸件形状完整，轮廓清晰的能力，称为合金的充型能力。

流动性越好充型能力越强。

共晶成分合金流动性最好。

凝固温度区间小，已结晶的固体层内表面光滑，对金属液阻力较小，过热度大。

纯金属是在一定温度范围内逐步凝固，经过液固并存区，枝状晶使得已结晶固体层表面粗糙，所以合金流动性变差。

5.4什么是缩孔和缩松？如何形成的？对铸件有何危害？如何防止？缩孔：由于液态金属逐层凝固，内部剩余液体由于液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积减小，产生空隙。

缩松：由于合金的糊状凝固，被枝状晶分隔开的液体区难以得到补缩而形成小的孔。

防止缩孔：1.增加冒口2.合理使用冷铁防止缩松：1选取凝固区域小的合金2.采用顺序凝固原则3.增大结晶压力危害：使铸件有效承载面积减少，孔洞部位易产生应力集中，力学性能下降，气密性，物理性能和化学性能也下降。

5.5铸造内应力，变形，裂纹是如何产生的？如何减少危害？内应力分为热应力和机械应力。

热应力由于壁厚分布不均冷却速度不一致。

机械应力是由于铸件受到各种机械阻碍而产生的应力。

采用合理铸造工艺，造型工艺减小铸造应力。

逐渐结构上要注意避免牵制收缩的结构，去应力退火。

变形：薄厚不均匀截面不对称及具有细长特点的铸件，残留铸造应力大于铸件屈服极限。

、采用合理铸造工艺，合理造型结构，尽量简单对称壁厚均匀。

采取同时凝固原则。

时效处理。

反变形法。

5.6什么是顺序凝固，什么是同时凝固原则？各须采取什么结构来实现？凝固原则适用于什么场合？顺序凝固原则是采用各种工艺使远离冒口的部分到冒口之间形成温度梯度，实现由远离冒口向冒口顺序凝固。

适用于收缩大壁厚差别较大易产生缩孔的合金铸件，如铸钢，可锻铸铁。

同时凝固原则是使铸件各部分冷却速度尽量相等。

适用于壁厚均匀的薄铸件以及气密性要求不高的，结晶温度范围宽，收缩较小的合金。