合工大材料成型技术基础考点总结Convertor文档格式.docx

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收缩较大的合金易产生缩孔、缩松缺陷，以及因铸造应力的出现而易产生变形、裂纹等铸造缺陷。

1．金属收缩分液态收缩、凝固收缩、固态收缩三个阶段：

液态收缩、凝固收缩：

体积收缩形状变化、尺寸减小；

形成缩孔、缩松

固态收缩：

线尺寸的缩小产生铸造应力并引起变形、裂纹

2．影响收缩的因素：

1）金属的化学成分：

铁碳合金中，灰铸铁收缩小。

原因：

碳大部分以石墨形态析出，石墨比容大，抵消部分体积收缩

2）浇注温度：

随着浇注温度的提高，金属冷却时的液态收缩会增大，总体积收缩相应增大。

3）铸型条件：

铸件冷却过程中，由于各部分冷却速度的不同，使收缩相互制约而不能自由收缩，也可能受到型砂、型芯等的阻碍而不能自由收缩。

阻碍越大，收缩越小

缩孔与缩松

（1）缩孔：

铸件在凝固过程中，由于补缩不良而产生的孔洞。

特征：

形状极不规则（多为倒锥形）、孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固的部位纯金属、共晶合金和凝固温度范围窄的合金，凝固时呈逐层凝固方式，易产生缩孔缺陷

（2）缩松：

铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。

借助高倍放大镜才能发现的缩松称为显微缩松。

铸件有缩松缺陷的部位，在气密性试验时易渗漏。

多产生在铸件的轴线附近和热节部位（即厚度较大，冷速较慢的金属积聚处）凝固温度范围越宽，糊状凝固越明显，铸件越易产生缩松缺陷

（3）缩孔和缩松的防止：

缩孔和缩松均使铸件的力学性能下降，甚至因产生渗漏而报废，应采取适当的工艺措施予以防止。

1）采用顺序凝固原则：

顺序凝固是使铸件按规定方向从一部分到另一部分依次凝固的原则。

实施方法：

（内浇口+冒口+冷铁）

特点：

可获得致密的铸件，使铸件各部分的温差加大，易产生内应力、变形和裂纹，增加了铸件成本。

应用：

通常用于收缩较大、凝固温度范围较小的合金，如铸钢、碳硅含量低的灰铸铁、铝青铜等合金以及壁厚差别较大的铸件。

目的：

实现自薄部向着冒口方向顺序凝固、依次补缩，最终将缩孔转移到冒口中

2）加压补缩：

将铸型置于压力罐中，浇注后使铸件在压力下凝固可显著减少显微缩松。

3）选择合适的合金：

不同成分的合金，凝固方式不同，总体积收缩量不同,共晶成分的铁碳合金凝固区间最小，收缩量最小。

实际生产中就应使碳、硅含量在4.3％附近

铸造应力：

铸件在凝固和冷却过程中由受阻收缩、热作用和相变等因素引起的内应力。

（1）收缩应力：

铸件在固态收缩时，因铸型、型芯、浇冒口、箱带及铸件本身结构阻碍收缩而引起的铸造应力。

收缩应力是暂时存在的应力，会自行消失。

但在高温下，若某瞬间铸件上某部位的收缩应力和热应力之和超过其抗拉强度时，就可能产生裂纹。

提高型（芯）砂的退让性，合理设置浇注系统和及时开箱落砂等措施，可有效地减小收缩应力

（2）热应力：

铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于温差造成不均匀收缩并互相牵制而引起的铸造应力。

铸件凝固冷却后，热应力将残留在铸件内部。

1）热应力的分布：

厚壁、心部（后冷处）受拉应力；

薄壁、表面（先冷处）受压应力

2）减小和消除热应力方法：

残留应力使铸件的精度和耐蚀性大大降低，还会因残留应力的重新分布而导致铸件变形甚至产生裂纹，故应尽量减小或消除热应力

A：

合理设计铸件结构：

壁厚均匀、圆角连接

B：

采用同时凝固原则：

使型腔内各部分金属液温差很小，同时进行凝固。

（内浇口+冷铁）

热应力小，不易热裂，省工省料，但组织不致密，轴心处往往会出现缩松

收缩较小的合金、倾向于糊状凝固的合金、气密性要求不高的铸件、壁厚均匀的薄壁铸件

C：

去应力退火：

一般为Ac1－（100～200）℃，经保温后随炉冷却至200～300℃后出炉空冷

铸件变形：

铸件在铸造应力和残留应力作用下所发生的变形以及由于模样或铸型变形引起的变形。

（1）铸件变形的主要原因：

由于残余应力的存在，会自发地产生变形,以缓解应力使铸件趋于稳定状态

变形分布：

受拉部分（厚部、后冷、心部）凹下，受压部分（薄部、先冷、表面）凸出。

（2）防止铸件变形的措施

1）减小和消除铸造应力：

应力是引起变形的根本原因，无应力则无变形

2）反变形法：

造型时使型腔具有预留的等量反变形量

3）在可能产生变形的部位添加加强筋，限制变形

4）铸件对称以便变形互相抵消

6．铸件裂纹：

铸件表面或内部由于各种原因发生断裂而形成的条纹状裂缝

（1）热裂：

凝固后期或凝固后在较高温度下形成的裂纹。

断面严重氧化，无金属光泽，外形曲折而不规则。

热裂是铸钢件和铝合金铸件的常见缺陷。

（2）冷裂：

铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹。

裂纹有金属光泽或微呈氧化色，多为直线或圆滑曲线。

常出现在受拉伸的部位，特别是应力集中处。

壁厚差别大、形状复杂的铸件易产生冷裂

（3）防止裂纹的措施：

减小和消除铸造应力、严格限制硫、磷含量，以降低其脆性。

常用铸造合金的铸造性能及工艺

金属铸造性能指金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全的铸件的能力。

包括金属液的流动性、吸气性、氧化性、收缩特性、热裂倾向性等

1．铸铁

（1）灰铸铁：

铸造性能优良、流动性好、收缩小；

产生铸造缺陷的倾向最小。

对铸件壁厚的均匀性要求较低，铸造工艺简便，热应力小，是应用最广的铸铁。

（2）球墨铸铁：

球墨铸铁的共晶凝固温度范围较宽，且球化处理时易产生氧化物和硫化物夹杂，故铁液流动性较差；

其石墨化膨胀量大于灰铸铁，但缩前膨胀，使收缩量加大而产生缩孔、缩松缺陷。

生产球墨铸铁件多采用顺序凝固原则，需设置冒口和冷铁；

应提高砂型的紧实度和透气性以防止铸型胀大；

浇注时应注意挡渣和使铁液迅速、平稳地充型，以减少夹渣缺陷；

应减少铁液的硫、镁含量和型砂的含水量，防止产生皮下气孔。

球铁生产得到的多为P+F基体,浇注后需经热处理调整基体

（3）可锻铸铁：

生产可锻铸铁的原铁液铸造性能差。

凝固温度范围较大，故流动性较差。

由于凝固时无石墨析出，故收缩较大，缩孔和裂纹倾向均较大。

生产可锻铸铁件应设置体积较大的补缩冒口，采用顺序凝固原则；

浇道截面应较大；

浇注温度应较高，以保证足够的流动性；

应提高铸型的退让性，以防产生裂纹。

2．铸钢

铸钢的铸造性能差：

流动性差，易产生冷隔、浇不到、夹杂、气孔等缺陷；

收缩大，易产生缩孔、裂纹等缺陷

生产铸钢件常设置冒口和冷铁，采用顺序凝固原则，以免产生缩孔；

铸型应有较高的强度、透气性和耐火性；

型腔表面应涂以耐火涂料

3．铸造铝合金

铝硅合金的铸造性能好；

其它系列的铸造铝合金均流动性差，且收缩较大，故铸造性能差；

且易产生夹杂和气孔缺陷。

砂型铸造时一般设置冒口顺序凝固

4．铸造铜合金

锡青铜的铸造性能较差；

金属液流动性差，且收缩较大，易产生缩孔、缩松等缺陷。

壁厚较大的重要铸件须设置冒口顺序凝固；

形状复杂的薄壁铸件，致密性要求不高时，可采用同时凝固原则。

铝青铜和铝黄铜等含铝较高的铜合金，铸造性能较好，流动性好；

但收缩较大，易形成集中缩孔，须设置冒口顺序凝固。

铸造方法

砂型铸造：

砂型铸造是在砂型中生产铸件的铸造方法

1．常用的砂型：

常用的砂型有湿砂型、干砂型、表面烘干型、自硬砂型（特点、应用见表2-2）

2．常用的造型方法：

造型方法可分为手工造型和机器造型两大类

手工造型操作技术要求高，劳动强度大，生产效率低，造型质量不稳定，在单件、小批生产特别是大型复杂铸件的生产中仍有应用。

（1）手工造型方法：

两箱造型、三箱造型、脱箱造型、刮板造型、地坑造型。

（2）机器造型：

用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序

常用的机器造型方法有震压造型、微震压实造型、高压造型、抛砂造型、气冲造型、负压造型等。

机器造型生产效率高，劳动条件较好；

铸件精度较高，表面质量较好；

但设备投资较大，对产品变换的适应性较差。

适用于成批、大量生产各类铸件。

特种铸造：

与砂型铸造不同的其它铸造方法

绝大多数特种铸造方法铸件精度高、表面粗糙度低，易实现少、无屑加工；

铸件内部组织致密，力学性能好；

金属液消耗少，工艺简单，生产效率高；

但在工艺上和应用上各有一定的局限性。

优缺点及应用:

一型多铸,工艺简便，易于实现机械化和自动化；

易实现少、无屑加工；

铸件精度高、表面粗糙度低、力学性能好。

不适宜铸造结构复杂、薄壁或大型铸件。

主要用于成批、大量生产铝合金、铜合金等非铁合金中、小型铸件

1．金属型铸造

工艺特点：

铸型必须预热；

型腔须喷刷涂料；

及时开型取件

2．压力铸造：

熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法

压铸的特点及应用：

高压（可达数百兆帕）、高速（10～120m/s）、充填铸型的时间极短（0.01～0.2s）是压铸与其它铸造方法的根本区别。

生产率很高，操作简便；

可获得形状复杂的薄壁件，且铸件精度高、表面粗糙度低；

铸件晶粒细小，组织致密，力学性能好。

但其设备投资大。

用于铸钢、铸铁件时，铸型的寿命很低。

压铸发展较快、应用较广，主要用于铝、锌、镁等各类非铁合金中、小型铸件的大量生产，如内燃机缸体、缸盖、仪表和电器零件等。

3．低压铸造：

铸型安放在密封的坩埚上方，坩埚中通入压缩空气在熔池表面形成低压力（一般为60～150kPa），使金属液通过升液管充填铸型和控制凝固的铸造方法

金属液填充平稳，夹杂和气孔少，铸件废品率低；

利于提高金属液的充型能力，且充型压力和速度可调；

铸件形状可较复杂，精度较高；

在压力下结晶和补缩，铸件组织致密、力学性能高；

无需冒口，金属利用率很高（一般在90%以上）；

劳动条件较好。

但升液管寿命短，金属液在保温时易氧化且生产效率低于压铸

低压铸造主要用于铝、镁等非铁合金中、小型铸件的成批、大量生产，适于铸造形状较复杂的薄壁铸件

4．离心铸造：

将金属液浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型中，在离心力作用下凝固成铸件的铸造方法

铸件多是简单的圆筒体，不用型芯即可形成圆筒内孔

特点及应用：

易于补缩且渣粒、砂子和气体等易向内表面浮动，铸件组织致密，内部不易产生缩孔、缩松、夹杂物、气孔等铸造缺陷，力学性能高。

生产管状、筒状铸件时，可不用型芯，工艺简化，生产率较高。

还便于生产双金属铸件，但易形成成分偏析，内表面粗糙且尺寸不易控制，设备的投资也较大。

离心铸造可用于各类铸造合金及各种尺寸的铸件的成批、大量生产，尤其适于空心回转体类铸件

5．熔模铸造：

用易熔材料如蜡料制成模样，在模样上包覆若干层耐火涂料，制成型壳，熔出模样后经高温焙烧即可浇注的铸造方法

特点：

适用于高熔点、难加工的高合金钢；

铸件精度较高、表面粗糙度较低、形状可较复杂。

但其工序繁杂、生产周期长，原料较贵，故铸件成本较高，大尺寸的蜡模还易变形

可用于各种铸造合金，尤其是高熔点、难加工合金（如耐热合金、不锈钢等）的小型铸件的成批、大量生产，如汽轮机叶片、成形刀具和小型零件等

6．实型铸造：

又称消失模铸造，用泡沫塑料模制造铸型后不取出模样，浇注金属时模样气化消失获得铸件的铸造方法

不必起模和修型，工序少，生产效率高；

铸件精度高、形状可较复杂；

劳动强度低。

但此方法目前尚存在模样气化时污染环境、铸钢件表层易增碳等问题。

实型铸造应用范围较广，几乎不受铸件结构、尺寸、重量、批量和合金种类的限制，特别适用于形状较复杂铸件的生产

7．连续铸造：

又称连铸，是往水冷金属型（结晶器）中连续浇注金属，凝固成金属型材的铸造方法

工艺简便、生产率高；

铸件组织致密、晶粒细小且无夹杂、气孔、缩孔等铸造缺陷；

铸件精度高、表面光洁、力学性能好；

金属利用率高。

但只能铸造等截面的长铸件，且水平连铸只适于大量生产。

连续铸造主要用于铸钢、铸铁、铜合金和铝合金等的等截面长铸件的成批、大量生产如铸铁管、型材等

铸造工艺设计

设计内容：

铸造工艺设计是根据铸件结构特点、技术要求、生产批量等，确定铸造方案和工艺参数，绘制图样和标注符号、编制工艺等。

铸造工艺设计的主要内容是绘制铸造工艺图、铸件图和铸型装配图等。

单件、小批生产时只需绘制铸造工艺图。

1．铸造工艺图：

是铸造生产用的指导性的技术文件，把铸造生产中的一系列技术问题用规定的符号或文字集中在一张图上表现出来。

表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、工艺参数、型芯结构尺寸、控制凝固措施（冷铁、保温衬板）等的图样。

2．铸件图：

又称毛坯图，是反映铸件实际形状、尺寸和技术要求的图样，是铸造生产、铸件检验与验收的主要依据

3．铸型装配图：

表示合型后铸型各组元间装配关系的工艺图，内容包括浇注位置、型芯、浇冒口系统和冷铁布置，以及砂箱结构和尺寸等

铸造方法和造型方法选择：

单件、小批生产时一般采用砂型铸造（手工造型），批量较大时可采用砂型铸造（机器造型）或合适的特种铸造方法。

浇注位置及分型面的选择

浇注位置是浇注时铸件在铸型内所处的位置,分型面是铸型组元间的接合面

浇注位置与分型面合理与否不仅影响到铸件质量，还影响到能否简化铸造工艺，且两者密切联系。

通常先选定浇注位置再选定分型面，在保证铸件质量的前提下简化工艺

1．浇注位置选择：

基本原则：

找出铸件容易产生缺陷的部位，放于能保证质量处。

作法：

1、大、薄面、主要工作面、重要加工面朝下;

2、厚大部位朝上（收缩率大的铸件）

2．分型面选择:

一般应取在铸件的最大截面上，否则难以取出模样

基本原则：

在保证质量的前提下，尽可能简化工艺

1、铸件全部或大部置于下箱难以做到时，铸件上的机械加工面及加工和测量基准面应尽量放在同一砂箱中；

2.分型面尽量少而平

3、应尽量减少型芯、活块的数量；

4、主要型芯应尽可能水平放置且尽量放在下半铸型中，以利于下芯、合型和检查型腔尺寸。

铸造工艺参数的选定

铸造工艺参数主要有：

铸件尺寸公差、要求的机械加工余量、线收缩率、起模斜度

1．铸件尺寸公差即铸件允许尺寸的变动量

分为16个等级，由精到粗以CT1～CT16表示数字从小到大铸件尺寸公差值依次增大。

铸件的尺寸公差等级比较：

单件、小批生产应低于成批大量生产；

砂型铸造低于特种铸造；

铸钢、铸铁件应低于非铁金属件；

同一尺寸公差等级，铸件的基本尺寸越大，公差值也越大。

2．要求的机械加工余量（RMA）

共分10级：

A、B、C、D、E、F、G、H、J和K级，加工余量值依次增大。

同一铸件所有需机械加工的表面只规定一个要求的机械加工余量值，根据零件最大轮廓尺寸选定。

机械加工余量比较：

砂型铸造大于特种铸造

手工造型大于机器造型

铸钢大于铸铁、铜合金及非铁金属

一般情况：

砂型铸造：

铸钢件G～K、铸铁件F～H

机器造型：

铸钢件F～H、铸铁件E～G

同一机械加工余量等级下，零件的轮廓尺寸越大，余量值也越大。

3．铸件线收缩率：

ε=（L0—L1）/L0×

100%式中ε——铸件线收缩率；

L0、L1——同一尺寸在模样和铸件上的长度

铸件线收缩率取决于合金种类、铸型种类、铸件结构和尺寸、生产批量等因素。

灰铸铁件：

0.7%～1.0%球墨铸铁件：

0.5%～1.0%铸钢件：

1.3%～2.0%收缩受阻时取较小值

4．起模斜度:

为使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒中脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度.有三种形式：

1）增加壁厚：

用于与其它零件配合的机加工面

2）减少壁厚：

用于与其它零件配合的非加工面

3）加减壁厚：

用于非配合的机加工面

一般情况下，壁的高度越大，斜度（角度值）应越小；

内壁的斜度值应大于外壁；

机器造型的斜度值应小于手工造型。

粘土砂造型时铸件的起模斜度值一般为0°

30′～3°

。

5．最小铸出孔、槽尺寸

孔、槽尺寸过小时，直接铸出易产生粘砂、偏心等缺陷或增大造型难度，不如通过机械加工制出方便、经济。

通常，批量越大，铸出孔、槽尺寸可越小；

铸钢件的最小铸出孔、槽尺寸应大于灰铸铁件。

灰铸铁件最小铸出孔尺寸单件小批生产时为30～50mm，大量生产时为12～15mm。

零件上不要求加工的孔、槽，一般均应尽可能铸出。

6．芯头和芯座：

芯头是型芯的外伸部分，用以定位和支承型芯。

芯座是铸型中专为放置型芯头的空腔。

实际生产中，芯头的尺寸、斜度和间隙可根据经验结合查表确定。

根据型芯在铸型中安放的位置，芯头可分为垂直芯头和水平芯头两大类。

砂型铸造常用铸造工艺符号及表示方法

（1）分模线：

用细实线表示，在任一端画“＜”号。

零件图上标注用红色线。

（2）分型线：

用细实线表示，并写出“上、中、下”字样。

零件图上标注用红色线。

（3）分型分模线：

用细实线表示，零件图上标注用红色线。

（4）不铸出的孔和槽：

铸件图上不画出。

零件图上用红色线打叉。

（5）要求的机械加工余量：

a）用公差代号、要求的机械加工余量代号及余量值统一标注，且允许在图样上直接标注计算得出的尺寸值。

b）需要个别要求的机械加工余量值,应标注在图样的特定表面上。

（6）型芯与芯头：

型芯编号为1#、2#等。

芯头边界为细实线，零件图上用蓝色线。

边界符号在芯头处及相邻型芯交界处用与砂芯编号相同的小号数字表示。

芯头斜度和芯头间隙值注出。

（7）模样活块：

用细实线表示，并在此线上画两条平行短线。

（8）冷铁：

用细实线在成形冷铁处打叉，零件图上标注用蓝色线。

圆钢冷铁涂淡黑色，零件图上标注涂淡蓝色。

（9）浇注系统：

用细实线或细双实线表示，并注明各部分尺寸，零件图上标注用红色线。

零件结构的铸造工艺性

1、零件结构的工艺性：

在一定生产批量和制造条件下，零件结构能否用最经济的方法制造出来并符合设计要求的能力。

良好的结构工艺性使零件的制造省工省料，成本低，生产效率高，有着显著的技术经济效益。

2、零件结构的铸造工艺性:

（1）铸件的结构形状应便于造型、制芯和清理。

（2）铸件的结构形状应利于减少铸造缺陷。

（3）对铸造性能差的合金其铸件结构应从严要求。

1．合金的铸造性能对零件结构的要求

（1）铸件壁厚应均匀、合理外壁＞内壁＞肋（筋）

（2）铸件壁的连接：

圆角过渡、避免交叉和锐角、避免壁厚突变

（3）防止铸件变形（结构尽量对称）

（4）避免较大而薄的水平面

（5）减少轮形铸件的内应力（避免受阻收缩）

2．铸造工艺对零件结构的要求

（1）铸件外形：

分型面应尽量少而平；

避免局部凸起或凹下；

侧凹和凸台不应妨碍起模；

垂直于分型面的非加工面应具有结构斜度（结构斜度是零件结构所具有的斜度，铸件上与分型面垂直的非加工面应有结构斜度，以便于造型时取出模样。

考虑到保持铸件的壁厚均匀，内、外壁应相应倾斜，且内壁倾斜还有利于造型时以砂垛取代型芯）

（2）铸件的内腔:

1）尽量采用开放式、半开放式结构

2）应利于型芯的固定、排气和清理

3.大件和形状复杂件可采用组合结构

第三章金属的塑性成形

金属塑性变形的机理:

1．单晶体的塑性变形:

以理想单晶体为例（无缺陷、晶格规则）

滑移：

金属原子沿某些特定面移动（即金属原子在外力的作用下产生了一定的位移）,滑移通常是通过位错的移动来实现的。

结论：

切应力引起塑性变形，正应力引起弹性变形；

金属塑性变形的实质是原子的移动；

塑性变形前后晶格类型保持不变。

2．多晶体的塑性变形=（晶内变形+晶间变形）

晶内变形：

主要以滑移方式进行。

晶间变形：

晶粒间的相对滑动和转动。

各晶粒的变形是分批、逐步进行.低温时多为晶内变形，变形量较小）

1．金属的加工硬化:

在低于再结晶温度加工时，由于塑性应变而产生的强度和硬度增加的现象。

组织变化：

晶粒沿变形方向被拉长；

滑移面附近晶格产生畸变；

出现许多微小碎晶

性能变化：

强度和硬度增加；

塑性、韧性下降

强化金属，发挥金属材料性能潜力，尤其适合于不能用热处理强化的合金。

继续塑性成形或切削加工难度加大，增大内应力。

回复和再结晶

（1）回复：

回复使晶格畸变减轻或消除，使制件保持较高的强度且降低脆性。

回复温度约为（0.25～0.30）T熔K

（2）再结晶：

塑性变形后金属被拉长了的晶粒重新生核、结晶，变为等轴细晶。

完全消除加工硬化现象。

再结晶温度一般为0.4T熔K以上。

（再结晶是原子重新排列的过程）

金属的冷成形、热成形及温成形

冷成形:

在回复温度以下进行的塑性成形，变形过程中会出现加工硬化。

有利于提高金属的强度和表面质量,用于制造半成品或成品。

（变形材料应有较好的塑性且变形量不宜过大）

热成形:

在再结晶温度以上进行的塑性成形，变形过程中既有加工硬化又有再结晶，且硬化被再结晶完全消除。

综合力学性能好,变形力小，变形程度大,用于毛坯或半成品的制造。

为使再结晶迅速、彻底，实际热成形温度应高于再结晶温度，但不能过高或保温时间过长。

温成形:

在高于回复温度和低于再结晶温度范围内进行的塑性成形,有加工硬化及回复现象，但无再结晶。

用于强度较高、塑性较差的金属，或尺寸较大、材料强度较高的零件或半成品制造。

锻造比与锻造流线

1．锻造比：

锻造时变形程度的一种表示方法

拔长时：

镦粗时：

随着锻造比的增加，金属的力学性能显著变化，结构钢钢锭的锻造比一般为2～4，各类钢坯和轧材的锻造比一般为1.1～1.3

2．锻造流线：

锻造时，金属的脆性杂质被打碎，顺着金属主要伸长方向呈碎粒状或链状分布；

塑性杂质随着金属变形沿主要伸长方向呈带状分布，这样热锻后的金属组织就具有一定的方向性。

应使工件上的锻造流线与工件的应力方向相合理

工作时的最大正应力方向与流线方向一致（平行），切