工程材料及成形技术

bsp;序
    工程材料及成形技术是我国高等工科院校机械类专业的一门重要的工艺类技术基础课程，
而教材是实施课堂教学、达到教学要求的*重要物质基础之一。林建榕老师组织一批骨干教师
编写的《工程材料及成形技术》教材就是着力于为上述课程服务的。
    经历近30年的改革开放，我国正从制造大国逐步向制造强国演进，应用于制造领域的各种
工程材料及其相关的成形技术也处于高速发展中。金属材料逐步演进为包括金属材料、非金属
材料、复合材料、功能材料和纳米材料在内的工程材料；材料成形技术也在液态成形技术、塑性成
形技术和连接成形技术的基础上发展了高分子材料、陶瓷材料、复合材料和快速成形等成形技
术。即使是原有的金属材料和常规成形技术，也随着科学技术的发展而大步地向前推进，在节约
资源和减少能耗的基础上，尽可能高效率地为制造业提供切削余量少的高质量毛坯或制品。材
料学科及其相关工艺技术的发展，大大促进了机械制造业的发展，同时给相关课堂教学改革与教
材改革带来了蓬勃生机。
    林建榕编写的《工程材料及成形技术》教材贯彻了教育部机械基础课程教学指导分委员会
有关“重点院校金属工艺学课程改革指南”的精神，体现了该课程知识面广，基础性、实践性和实
用性强的特点，同时注重与现代材料科学、现代制造科学与现代管理科学的融合与交叉作用，反
映出不同学科的交叉与融合对技术发展的促进作用。
    综观本教材，比较突出的特点有下列三点：
    1．坚持基础性、实践性与应用性的结合
    作为大学本科的工艺基础类教材，本书介绍了**的工程材料尤其是金属材料和相关成形
技术的理论知识，理顺了金属材料与后续发展出的其他工程材料的关系，注重材料及其成形领域
共同规律的分析与综合，为学生的未来发展奠定了基础。但作为工科学生，学习理论的目的是为
了应用，因此本书关注理论与实践的结合，注重知识的工程实际应用，有利于培养学生分析和解
决问题的能力。
    2．坚持常规工艺技术与先进工艺技术结合，注重不同学科的交叉与融合
    本书保留了我国当前仍大量采用的常规工艺技术，增加了应用范围广或发展前景好的新材
料、新技术和新工艺，既体现出我国工艺技术的新进展，又有利于培养学生的工程实践能力、创新
思维能力和科学的工程技术发展观。本书在内容上还体现出现代材料科学、现代制造科学与现
代管理科学的交叉与融合，这有利于使学生理解学科交叉与融合在工程技术发展中的重要性。
    3．坚持贯彻国家*新标准，力求图文并茂
    在编写过程中，注意学习和贯彻有关国家*新标准，使本书在文字、技术术语、公式、符号
和法定计量单位等方面与国家标准一致。配合文字，本书设计和选择了大量插图，力求图文
并茂。此外，本书为适应不同院校对教学的不同要求，以利于学生的个性发展，还增加了一些
可选材料。
     众所周知，设计是创新的基础。然而，工艺技术不只是为设计服务，其本身的进步同样意味
着创新，而工艺教材正是为工艺技术的创新鸣锣开道的。
    清华大学傅水根
    2007年4月于清华园
 前    言
    工程材料及成形技术是高等工科院校机械类专业必修的一门重要的技术基础课程。该课程
主要介绍工程材料及成形技术的基本原理和有关工艺知识，是学生了解与认知现代工业基础知
识的重要平台。该课程与工程训练紧密结合，在培养学生的工程意识、创新意识、运用规范的工
程语言和解决工程实际问题的能力等方面，具有其他课程难以替代的作用。
    本书是根据教育部机械基础课程教学指导分委员会有关“重点院校金属工艺学课程改革指
南”的精神，借鉴国内外教材内容及结构特点，结合国内学者及编者多年的教学实践经验和取得
的教学成果编写的。编写过程中力求使教材内容与课程定位相一致，与制造业的发展需求相
适应。
    由于本课程具有基础性、实用性、实践性强、知识面广等特点，而且充分体现了工程材料及成
形技术的发展与现代制造技术、材料科学、现代信息技术和现代管理科学技术等学科与领域的密
切交叉与渗透。因此，在教材编写过程中，一方面力求使教材内容体现对工业基础认知的平台作
用，使读者通过学习掌握必要的基础知识；另一方面力求充分体现现代工程材料及成形技术的发
展趋势，体现不同学科交叉与渗透对材料发展及成形技术进步的积极作用，以拓宽读者的知识
面，增强创新意识。
    本教材具有以下特点：
    1．力求处理好理论与实践内容的关系。本书以实际应用为目的介绍必要的理论知识，同时
尽量做到深入浅出，而对工程上实际需求的内容进行较深入的分析，对各种材料处理方法和成形
方法进行比较与分析，力求提高学生分析问题与解决问题的能力，也为今后解决现代工程材料及
成形技术中的问题和新材料及新技术的开发应用打下基础。
    2．力求处理好金属材料与其他工程材料内容的关系。由于金属材料与其他工程材料在性
能、组织结构、改性处理及成形技术等方面的研究与分析有许多共同规律。因此，从剖析金属材
料入手，再引申到对其他材料的分析，对学生学习有举一反三的作用。
    3．力求处理好常规工艺与现代成形新技术的关系。本书保留了现代制造业中仍广泛应用
的常规工艺，增加了技术上较成熟、应用范围较广或发展前景较好的新材料、新技术、新工艺(即
“三新”)。本书引入的新材料、新技术、新工艺的内容较丰富，有利于学生理解多学科交叉与渗
透对现代工程材料及其成形技术发展的影响，可拓宽学生的知识面，提高创新能力。
    4．力求适应不同院校对教学的需求，满足学生的个性发展与深入钻研的要求。本书不仅反
映了学科发展前沿的新材料、新工艺、新技术，而且还增加了一部分带*号的内容，如焊缝的表示
方法、塑料模具的设计基础等。
    5．力求规范工程语言，全面贯彻*新国家标准。本书全部采用*新国家标准，包括名词．术
语、符号及法定计量单位等。如采用新国家标准规定的强度与塑性指标的表示方法；布氏硬度取
消了钢球压头测定的硬度指标、钢的分类等。
  6．为便于学生复习，提高学习成效，各章节后附有复习思考题，书后有参考文献。
    本书由福州大学林建榕担任主编，由陈晓、庄哲峰、李东南担任副主编，参加本书编写的人员
有：福州大学林建榕(前言、绪论、第1、4、7、8、9章)、卢月美(第2章)、陈晓(第3章)，福建农林
大学庄哲峰(第5章)，福建工程学院李东南(第6章)，浙江师范大学徐洪(第10章)，华侨大学
戴秋莲(第11章)。山东大学孙康宁教授、福州大学李树江教授、东华大学刘烈元教授审阅。
    在编写过程中得到福州大学机械制造及自动化工程学院的大力支持及校内外同行的热情帮
助与指导，在此向他们致以真诚的感谢。此外，本书还参考并引用了国内外有关教材、科技著作
及论文等文献资料的内容和插图，在此特向有关作者和单位致以诚挚的感谢。
    由于本书涉及的专业面较广，限于编者的水平，书中存在的一些错误和不足之处，敬祈专家
与读者不吝赐教。

第6章  金属液态成形技术
    金属液态成形是将液态金属或合金浇注到与零件尺寸、形状相适应的铸型型腔中，待其冷却
凝固后，获得毛坯或零件的金属成形工艺，亦即铸造成形。
    金属液态成形方法很多，按照铸型特点可分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造应用
*广，目前用砂型铸造生产的铸件约占铸件总产量的90％以上，除砂型铸造以外的铸造方法通
称为特种铸造，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造等。
    铸造是生产机械零件或毛坯的主要方法之一。与其他金属成形方法相比，铸造尤其适合于
制造内腔和外形复杂的毛坯或零件，而且不受铸件质量、尺寸、材料种类及生产批量的限制，所用
原料来源广泛、价格低廉，因而在机械制造业中占有非常重要的地位。
    当然，铸造生产也存在一些缺点，如铸造生产的工序多，且难以精确控制，使得铸件的质量不
够稳定，铸件的废品率较高；铸件的尺寸精度和表面质量较差，铸件的力学性能低于同样金属制
成的锻件；劳动条件差，劳动强度比较大。随着铸造技术的发展，各种铸造新技术、新工艺的不断
涌现，铸造工艺的不足之处正在不断得到克服。
  6．1金属液态成形原理
  6．1．1  液态合金的凝固特点
  1．铸件的凝固方式
  物质由液态转变为固态的过程称为凝固。铸造的实质是液态金属逐步冷却凝固而成形。在
铸件凝固过程中，其断面一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区(图6．1)，其中对铸件质
 量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的
宽窄来划分的。
    (1)逐层凝固
    纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在液、固并存的凝固区(图6．1a)，故断面上外
层的固体和内层的液体有一条界限(凝固前沿)清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加
厚，液体层不断减少，直到铸件的中心，这种凝固方式称为逐层凝固。
    (2)糊状凝固
    如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件
表面并不存在固体层，而是液、固并存的凝固区贯穿整个断面(图6．1c)。由于这种凝固方式先
呈糊状而后固化，故称为糊状凝固。
    (3)中间凝固
    大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间(图6．1b)，称为中间凝固。
    铸件质量与凝固方式密切相关。逐层凝固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松；糊
状凝固时合金的充型能力下降，难以获得结晶密实的铸件，易产生冷隔、浇不足、缩松等缺陷。中
间凝固则介于上述两者之间。因此，倾向于逐层凝固的合金，如灰铸铁、铝合金等，便于铸造。
    2。影响凝固方式的因素
    合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度是影响铸件凝固方式的主要因素。
    (1)合金的结晶温度范围
    合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈趋向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢为逐
层凝固，高碳钢结晶温度范围甚宽，为糊状凝固。
    (2)铸件的温度梯度
    当合金的成分一定时，合金的结晶温度范围已定，凝固区域的宽窄取决于铸件内外层间的温
度梯度。温度梯度愈大，对应的凝固区域愈窄，合金愈倾向于逐层凝固。而温度梯度又受合金性
质、铸型的蓄热能力、浇注温度的影响。合金的凝固温度愈低、热导率愈高、结晶潜热愈大或铸型
的蓄热能力愈小，则铸件内部温度愈趋于均匀，铸件截面的温度梯度愈小。
  6．1．2液态合金的充型
  1．合金的充型能力
  液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为合金的充型能力。充型
能力首先取决于熔融合金本身的流动能力(即流动性)，同时又受外界条件，如铸型性质、浇注条
件和铸件结构等因素的影响。因此，充型能力是上述各种因素的综合反映。这些因素通过两个
途径发生作用：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；影响金属液在
铸型中的动力学条件，从而改变金属液的流动速度。延长金属液的流动时间、加快流动速度，都
可以改善充型能力。
    2．影响合金充型能力的因素
    影响合金充型能力的主要因素有液态金属的流动性、浇注条件、铸型条件及铸件结构等。
    (1)液态金属的流动性
    流动性是指熔融合金自身的流动能力，是液态金属固有的属性。流动性仅与金属本身的化
 学成分、温度、杂质含量以及物理性质有关。金属液的流动性越好，其充型能力就越强。金属液
良好的流动性有利于获得尺寸准确、外形完整和轮廓清晰的铸件，避免产生冷隔和浇不足等缺
陷；有利于金属液中非金属夹杂物和气体的排出，
避免产生夹渣和气孔等缺陷；有利于金属液的补
缩，避免产生缩孔和缩松等缺陷。液态合金的流动
性通常是以“螺旋形试样”(图6．2)长度来衡量。
显然，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所
浇注出的试样愈长。
    影响液态金属流动性的因素主要有：
    1)合金的种类  合金的流动性与合金的熔
点、热导率、合金液的粘度等物理性质有关。如铸
钢熔点高，在铸型中散热快、凝固快，则流动性差。
    2)合金的成分  同种合金中，成分不同的铸
造合金具有不同的结晶特点，其流动性也不同。纯
金属和共晶成分合金是在恒温下结晶的，根据温度的分布规律，结晶时从表面开始向中心逐层凝
固，结晶前沿较为平滑，尚未凝固的金属液流动阻力小，因此其流动性*好。其他合金的凝固过
程是在一定温度范围内完成的，在结晶温度范围内，同时存在固、液两相，固态的树枝状晶体会阻
碍金属液的流动，从而流动性变差。
    从以上分析可知，凝固温度范围小的合金流动性好，凝固温度范围大的合金流动性较差。在
常用的铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性*好，铸钢的流动性*差。
    3)杂质和含气量熔融合金中出现的固态夹杂物，将使合金液的粘度增加，合金的流动性
下降。如灰铸铁中的锰和硫，多以Mns的形式悬浮在铁液中，阻碍铁液的流动，使流动性下降。
熔融金属中的含气量愈少，合金的流动性愈好。
    (2)浇注条件
    1)浇注温度  提高浇注温度可明显改善合金的流动性。在一定范围内，浇注温度愈高，液
态金属的粘度愈低，且使过热度增大，金属液态流动时间增长，愈有利于液态金属的充型。反之，
充型能力就差。因此，对薄壁铸件或流动性差的合金可适当提高浇注温度，以防浇不足和冷隔缺
陷。但浇注温度过高，会使液态金属收缩量和吸气量增加，反而使铸件容易产生夹杂、缩孔、缩松
和粘砂等缺陷。因此，必须综合考虑各种因素，在保证充型能力足够的前提下，浇注温度不宜
过高。
    2)充型压力  熔融合金在流动方向上所受的压力愈大，充型能力愈好。砂型铸造时，充型
压力是由直浇道的静压力产生的，适当提高直浇道的高度，可提高充型能力。但过高的砂型浇注
压力，易使铸件产生砂眼、气孔等缺陷。在低压铸造、压力铸造和离心铸造时，人为加大了充型压
力，故充型能力较强。  
    (3)铸型条件
    熔融合金充型时，铸型的阻力及铸型对合金的冷却作用，都将影响合金的充型能力。
    1)铸型的蓄热能力  表示铸型从熔融合金中吸收并传出热量的能力。铸型材料的比热和
热导率愈大，冷却能力愈强，合金在型腔中保持流动的时间愈短，合金的充型能力愈差。