材料加工原理

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1、第二章 液态金属第二节 液态金属的结金属和合金材料的加工制备过程？配料、 熔化 和 凝固成型 三个阶段。配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数； 熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属； 凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金属材料的微观组织特征。1. 液体与固体、气体结构比较固态按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体：凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同者多晶体：金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶体。2、液态金属的结构直接法一X射线或中子线分析研究液态金属的原子排列。液态金属中原子的排列在几个原子的

2、间距范围内，与 其固态的排列方式基本一致，但 由于原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位数略有变化，热运动增强。间接法过比较固液态和固气态转变的物理性质的变化判断。（1）体积和熵值的变化（2）熔化潜热和气化潜热 固体可以是非晶体也可以是晶体，而液态金属则几乎总是非晶体 。液态金属在结构上更象固态而不是气态，原子之间仍然具有很高的结合能。3、液态金属的结构特征1）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。2）特征：“近程有序” “远程无序”原子间能量不均匀性，存在能量起伏。原子团是时聚时散，存在结构起伏。同一种元素在不同原子团中的分布量不同，存在成分起伏金属由液态转变为固态的凝 结过程，实

3、质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程,从这个意义上理解, 金属从一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转 变均属于结晶过程。金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态过渡为另一种固体 晶态的转变称为二次结晶。第三节 液态金属的性质粘度对成形质量的影响 影响铸件轮廓的清晰程度；影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向； 影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧； 影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。金属液和熔渣的动力学粘度n低则有利于扩散的进行，从而有利于脱去金属中的杂质元素。 表面与界面的差别在于后者泛指两相之

4、间的交界面，而前者特指液体（或固体）与 气体之间的交界面，但更严格说，应该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说， 物体（液体或固体）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能和表面张力。 溶质元素 使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，“活性”之义为表面浓度大于内部浓 度，也称正吸附元素 提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于内部含量，称负吸附元 素。 加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入溶质后改变了溶液表面层 质点的力场不对称性程度。 热力学上，系统总是向减少自由能方向进行，液体表面的自由能总是趋向最小。 如果加入溶质 B 降低了溶剂 A 的表面张力，则表面

5、层就会吸收更多的溶质原子形成正吸附 现象。表面活性物质跑向表面反之，如果加入溶质B后，增加了溶剂的表面张力，则表面层就会排斥溶质原子B,而形成 负吸附现象。一表面非活性物质一跑向内部 如果加入溶质 B 后，并不改变容剂的表面张力，则不形成吸附现象，整个溶液浓度 是均匀的。1、界面张力与润湿角 接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相间的界面张力越小时， 润湿角越小，称之为润湿性好。 液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，形核率越高。熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属的保护效果与焊缝外观成形。3液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响第一种情况：凝固的早期，或者靠

6、近液体的两相区内，液膜与大量未凝固的液体相通， 此时液膜两侧的固体枝晶拉开多少，液体补充进去多少，因此不会产生热裂。第二种情况：液膜已经与液体区隔绝，但是由于低熔点物质的大量存在（如钢中的硫 共晶），形成大的液膜厚度和低的表面张力，将使液膜的最大断裂应力 f 减小，且熔点低 max 而凝固速度较慢，这样，厚的液膜将会长时间地保持下去，在此期间，如果有大的拉伸速 度，则往往要产生热裂。第三种情况：液膜虽已与液体区隔绝，但由于液膜中低熔点杂质较少，其表面张力较 高，熔点也相应较高而凝固速度较快，液膜迅速变薄，此时如果液膜两侧的固体枝晶受到 拉力，将会遇到大的 f 的抗力，这种抗力将使高温固体内部产

7、生蠕变变形，从而避免了 max热裂的产生。第四节 液态金属的充型能力充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，即液态金 属充填铸型的能力，是设计浇注系统的重要依据之一；充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆，以及卷入性气孔、夹砂等缺陷。 内因 金属本身的流动性 外因 铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。影响充型能力的因素1. 金属性质方面的因素（流动性的高低）2. 铸型性质方面的因素3. 浇注条件方面的因素 浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好； 浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道）的复杂程度，铸件的壁厚与复杂程度等也

8、会影 响液态金属的充型能力。第五节 半固态流变规律在液相线和固相线之间的温度范围内，结晶析出的固相与液相共存，此区域的金属合金称 为半固态金属。半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。通过实验发现，强烈搅拌正在凝固的金属，可得到具有近球状晶粒结构的半固态金属， 这种半固态金属可用于金属零部件的成形加工。作业1、液态金属的表面张力和界面张力有何不同？表面张力和附加压力有何关系？2、液态合金的流动性和冲型能力有何异同？如何提高液态金属的冲型能力？3、根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢液温度为1500C, n =0.0049N.s/m2, p =7500kg/m

9、3, p =5400 kg/m3,MnO 呈球行，其半径 r=0.1mm。液MnO第三章凝固过程的温度场第一节 传热基本原理不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变化的温度场：T = f G,y,z,t）稳定温度场：不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的函数）：T = f （x, y, z）等温面：空间具有相同温度点的组合面。等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等温线）越密集。初始条件： 初始条件是指物体开始导热时（即t = 0时）的瞬时温度分布。 边界条件：边界条件是指导热体

10、表面与周围介质间的热交换情况。第二节 铸件凝固温度场的解析解法铸件的凝固时间：是指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时间。铸件凝固时间是 制订生产工艺、获得稳定铸件质量的重要依据。无限大平板铸件的凝固时间（理论计算法）大平板铸件凝固时间计算（凝固系数法）一般铸件凝固时间计算的近似公式（模数法）影响铸件温度场的因素1. 金属性质的影响： 热扩散率变大，铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度小，温度分布曲线平坦；（2）结晶潜热L上升，铸型内表面被加热的温度也高，gradt下降，温度曲线平坦。（3）金属的凝固温度tL越高，铸型内外表面温度差就越大，gradt升高。有色金属温度场平坦，铸铁件、

11、铸钢件较陡，因为有色合金 tL 低。2. 铸型性质的影响 铸型的吸热速度越大，则铸件的凝固速度越大，断面的温度场的梯度也就越大。（1）铸型的蓄热系数b2b 越大，冷却能力强，铸件中的 gradt 越大2（2）铸型的预热温度：铸型温度上升，冷却作用小 ， gradt 下降，金属型需加热，提高铸件精度减少热裂3. 铸件结构的影响：（1）铸件的壁厚壁厚越大， gradt 变小；壁厚越小， gradt 变大（2）铸件的形状 铸型中被液态金属包围的突出部分，型芯以及靠近内浇道附近的铸型部分，由于大量金属液通过，被加热到很高温度，吸热能力显著下降，对应铸件部分的温度场较平坦。第四章 液态金属的凝固凝固是物

12、质由液相转变为固相的过程，是液态成形技术的核心问题，也是材料研究和新材 料开发领域共同关注的问题。严格地说，凝固包括：（1）由液体向晶态固体转变（结晶）（ 2）由液体向非晶态固体转变（玻璃化转变）第一节 纯金属的凝固第二节 合金的凝固第三节 铸件及焊缝宏观组织及其控制均质形核 ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形核的过程，所以 也称“自发形核”。非均质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程，亦称“异质形核”或“非 自发形核”。临界形核功A G*的大小为临界晶核表面能的三分之一，它是均质形核所必须克服的能量障 碍。形核功由熔体中的“能量起伏”提供。因此，过冷熔体中

13、形成的晶核是“结构起伏” 及“能量起伏”的共同产物。非均质形核过冷度A T比均质形核临界过冷度A T*小得多时就大量成核。晶体长大微观上是液相原子向固相表面转移的过程。所以，微观长大方式取决于液-固界面 的结构 。关键问题: 如何选择合适的形核剂。由非均匀形核理论可知，一种好的形核剂首先应能保证结晶相在衬底物质上形成尽可能小 的润湿角&;其次形核剂还应在液态金属中尽可能保持稳定， 并且具有最大的表面积和最佳的表面特性 （如表面粗糙或有凹坑等）。 菲克第一定律：当物体中存在着成分差异时，原子将从浓度高处向浓度低处扩散，扩散中原子的扩 散通量与质量浓度梯度成正比。菲克第二定律：菲克第二定律是在菲克

14、第一定律的基础上推导出来的。菲克第二定律指出，在非稳态扩散 过程中，在距离X处，浓度随时间的变化率等于该处的浓度梯度随空间变化率成正比，其 比例系数就是扩散系数。1. 成分过冷的概念过冷：金属理论凝固温度与实际温度之差。 热过冷：对于纯金属，固-液界面前沿的过冷度取决于熔体中实际温度的分布，这种过冷称 之为热过冷。成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化，引起理论凝固温度的 改变而在液固界面前液相内形成的过冷。-晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称为“外生生长”。-平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”

15、。枝晶间距：指相邻同次枝晶间的垂直距离。老棒状共晶：该组织中一个组成相以棒状或纤维状形态沿着生长方向规则地分布在另 一相的连续基体中。第四节快速凝固与微重力下的凝固-快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速率的凝固过 程。作业1、对于低碳钢薄板，采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形（背面均匀焊透）。采用 同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会出现什么后果？为什么？2、说明为什么异质形核比均质形核容易，以及影响异质形核的基本因素和其它条件。3、影响成分过冷的因素有哪些？哪些是属于可控制的工艺因素？成分过冷对晶体的生长方 式有何影响？晶体的生长方式只受成分过冷的影响吗？4

16、、影响枝晶间距的主要因素是什么？枝晶间距与材质的质量有何关系？5、铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如何？分析获得等轴晶的方法？第五章 材料加工的力学基础金属塑性成形的概念 它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得所需形状、尺寸和力 学性能的毛坯或零件的加工方法。在工业生产中又称压力加工。第一节 应力状态分析一、基本概念 外力：塑性加工时，由外部施加于物体的作用力叫外力。可以分为两类：面力或接触力和 体积力 面力：作用于物体表面的力，也叫接触力，如作用于物体表面的分布载荷，正压力和摩擦 力都是面力。体积力：作用在物体每个质点上的力，如重力、磁力和惯性力等。

17、内力：在外力作用下，物体内各质点之间产生相互作用的力。主平面：切应力为零的平面称为主平面； 主应力：主平面上的正应力叫做主应力； 主方向：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称为主方向或应力主轴。本章总结一、应力状态分析1、应力张量的概念、坐标面上的应力、任意斜面上的应力2、主应力与应力张量不变量、应力莫尔圆、主剪应力、主应力方向、最大剪应力、应力张 量的分解与应力偏张量3、平衡微分方程式；二、应变状态分析1、应变的概念、应变与位移的关系、应变张量分析；2、应变协调方程；三、屈服准则；Tresca屈服准则、Mises屈服准则；四、塑性变形时的应力应变关系特点、弹性变形时的应力应变关系特点第四章

18、材料加工工程中的化学冶金铸造过程中的气体来源 铸造时的气体主要来源于熔炼过程、浇注过程和铸型。氮的影响：1）形成氮气孔 2）形成针状氮化物3）时效脆化氮的控制：1）加强保护2）控制加工工艺a. 电弧电压（,电流fN !b. 釆用 DCRP （Direct Current Reverse Polarity）3）加定氮合金元素（N- Stabilizing elements ）比Fe与N的亲和力（affinity）更强的元素Al Ce Ti Zr-stronger氢的影响：1）氢脆 氢化物 氢扩散聚集与位错交互作用2）白点在 WM 拉伸试样断口上出现的光亮小圆面。3）氢气孔：机理与氮气孔类似。4）

19、冷裂纹氢的控制：1）限制氢的来源a. HO2焊接材料（药皮、焊剂）；空气、保护气中的水份；工件、焊丝表面铁锈中； 工件、焊丝表面吸附水份。b. 有机物：焊条药皮中；工件、焊丝、焊剂表面油污2）冶金处理通过适当的冶金反应，将H化合生成高温稳定化合物，使H下降；对焊接来说，实用的产 物是OH和HF,它们难于分解（ 4000C）,且不溶于钢。3）焊接工艺规范：DCRP；电压；电流4）焊后脱氢处理250-350 C保温氧的影响：（1）强度、韧性、塑性下降（2）CO 气孔（3）合金元素氧化但0并非越低越好，为防止氢的作用，形成针状铁素体组织等，都需要一定的0。氧的控制：与N不同，0主要来源于焊接材料中的

20、氧化物及分解氧化性气体。2（1）控制药皮、焊剂、保护气体中的含氧量；（2）冶金脱氧（deoxida tion, deoxidixa tion）（3）控制焊接工艺参数：电弧电压增大，空气与熔渣接触机会增多，可能导致焊缝增氧第三节 液态金属与熔渣的反应熔渣：作用：（ 1）机械隔离保护（ 2）冶金处理：脱氧、脱硫、合金化（ 3）改善焊接工艺性能：引弧、稳弧等熔渣的熔点与密度 金属熔炼或熔焊中，要求熔渣的熔点略低于熔炼（或母材）金属。过高（或过低）的熔渣 熔点，都会影响对液态金属的保护效果和焊缝外观成形。 密度也是熔渣的基本性质之一，它影响熔渣与液态金属间的相对位置与相对运动速度。密 度大的熔渣易滞留

21、于金属内部形成夹杂。选用焊材时，首先要保证所形成的熔渣具有合适 的凝固温度范围和较低的密度。熔渣的粘度粘度过大的熔渣会降低金属与熔渣之间的冶金反应速度。 粘度过小的熔渣容易流失，影响对熔池（或焊缝）在全位置焊接时的成形和保护效果。随温度增高粘度急剧下降的渣称为短渣，而随温度增高粘度下降缓慢的渣称为长渣。熔渣的表面张力及界面张力熔渣的表面张力及熔渣与液态金属间的界面张力对于冶金过程动力学及液态金属中熔渣等 杂质相的排出有重要影响。它还影响到熔渣对液态金属的覆盖性能，并由此影响隔离保护 效果及焊缝外观成形。熔渣与液态金属间的界面张力： 碱性焊条施焊时，覆盖在熔滴表面的熔渣表面张力较大，易造成熔滴粗

22、化，飞溅增多。酸性焊条施焊时，过渡的熔滴颗粒较小，飞溅少，焊缝鱼鳞纹细密，外观成形好。 液态金属的脱氧：1）、脱氧元素与脱氧能力2）、先期脱氧3）、沉淀脱氧4）、扩散脱氧脱氧元素与脱氧能力:钢液中氧化亚铁的残留量与脱氧元素的残留量成反比，脱氧元素的残留量愈高，则氧化亚 铁的残留量愈低，即钢液的脱氧程度愈彻底。先期脱氧: 含有脱氧元素的造渣剂和造气剂被加热时其中的高价氧化物或碳酸盐分解出的氧和二氧化 碳便和脱氧元素发生反应。沉淀脱氧:沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的FeO起作用，使其转化为不溶于 液态金属的氧化物，并脱溶沉淀转入熔渣中的一种脱氧方式。进行沉淀脱氧应考虑的三个要点

23、：（1）对氧亲和力较大的元素；（2）脱氧产物应不溶于金属而成为独立液相转入熔渣；（3）熔渣的酸碱性质应与脱氧产物的性质相反，以利于熔渣吸收脱氧产物 。 焊接熔池中的扩散脱氧 钢铁熔炼中的扩散脱氧影响熔渣脱硫过程的主要因素： 熔渣的还原性和碱度 ：渣中氧化钙的浓度高和氧化亚铁的浓度低都有利于反应的进行。粘度：脱硫需要扩散，低粘度的熔渣有利于脱硫；温度：熔渣的脱硫反应都是吸热反应，升高温度有利于脱硫，升高温度的同时也 降低了熔渣粘度； 硫的活度： 凡增加硫的活度的因素(如提高铁水的碳、硅含量)都有利于脱硫。 对脱磷过程有利的条件： 含 (FeO) 高的碱性渣 ：高碱度、强氧化性 难两全：低粘度、较低的温度 较大的渣量