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1、南理工材料成形技术基础要点整理1第一章 绪论1.材料加工/成形，有三个目的：（1）获得所需要的形状、尺寸、精度，材料的几何特征；（2）获得所需要的性能和内部组织，材料 的内在特征；（3）获得所需要的表面性能和表层组织，材料的表面特征。 2. 材料加工的类型1）加工成形 2）切除/去除加工3）表面处理/加工 4）热处理3. 材料加工三要素：材料、能量和信息4. 材料加工/成形的基本问题1）形状尺寸的控制 2）组织与性能的控制 3）缺陷控制与防止5. 材料加工/成形的发展特点1）CAD/CAM2）自动控制、智能控制与机器人应用，实现自动化、高速化、连续化；3）新的成形加工技术的开发应用；4）加工方
2、法成为新材料制备手段，先是凝固技术，后来的焊接技术与塑性加工技术；5）各种加工成形技术的交叉融合：铸轧，轧制复合、沉积、喷涂、激光快速成形等；6）打破传统的来料加工形式，材料制备与加工成形同时进行；7）柔性化加工制备技术。6. 塑性加工利用金属材料的塑性变形特性，用工模具加金属材料施加机械作用，使其发生塑性变形，达到所要求的形状、尺寸、精度和组织性能。该过程中尺寸形状和组织性能都同时改变。7焊接过程中，改善凝固组织，防止粗晶产生的措施有： (1)变质处理 焊接时可通过焊接材料向熔池加入一些能细化晶粒的元素，如钼、钒、钛、稀土等，达到使焊缝晶粒细化，提高强度和韧性的目的。(2)振动结晶 焊接时可
3、同时对焊件施以振动，通过振动，可使柱状树枝晶破碎，增大晶粒游离倾向，达到细化晶粒的目的。振动方式主要有机械振动、超声振动和电磁振动。 (3)优化焊接工艺参数 第二章 材料凝固理论8.何为凝固宏观意义：物质从液态转变成固态的过程；微观意义：激烈运动的液体原子回复到规则排列的过程。9.凝固需注意的问题（1）体积改变 （2）外形改变 （3）熵值改变 （4）结构改变10.过程自发进行的判据1）自由能最低原理即等温等容条件下，体系的自由能永不增大，自发过程的方向力图减小体系的2自由能，平衡条件下体系的自由能最小。（2）自由焓判据（吉布斯自由能判据）即等温等压条件下，只做体积功的体系自由焓永不增大，自发过
4、程的方向使体系自由焓降低，平衡条件下体系的自由焓最小。11界面张力因为气相中原子的作用力远小于液相，使界面原子受的合力指向液相内部，从而使接触面有自动缩小的趋势，这个使界面缩小的力称为界面张力。薄膜拉伸试验表明：界面张力也可以定义为单位面积所具有的能量，一般用 表示，单位是 J/m2。12.润湿13.过冷液态金属冷却到冷却到平衡结晶温度 Tm（熔点）时，并没有开始结晶，而是冷却到低于 Tm 时，固相才开始结晶析出（形核并长大） ，这种现象叫做过冷14.均质形核 异质形核均质形核是指在均一的液相中，靠自身的结构起伏和能量起伏形成新相核心的过程，也被称为自发形核；异质形核是指依附在液相中某种固体表
5、面（外来夹杂物表面或容器壁上等）形核的过程，也被称为非自发形核。 15.晶胚 晶核根据液态金属结构模型，液态金属中有大量大小不一近程有序排列的原子小集团，即晶胚。当温度高于结晶温度 Tm 时，它们是不稳定的，当液态金属具有一定过冷度以后，某些较大的原子集团借助结构起伏使其尺寸大于某一临界尺寸才能称为一个结晶核心，即晶核。16.形核能力在凸面上形成的晶核包含原子数最多，平面上次之，凹面上最少。可见，即使是同一种物质作为形核基底，起形核能力也不同，跟界面的曲率方向和大小有关，凹面的形核能力最强。17.形核率单位时间、单位体积内所形成的晶核数目。它用来衡量形核能力的强弱。18.形核剂的选择条件失配度
6、小、粗糙度大、分散性好、高温稳定性好19.小平面界面，非小平面界面光滑界面，在液固相界面处液相和固相截然分开，固相表面为基本完整的原子密排面。微观上，界面是平整光滑的，但宏观上看，它往往由若干弯折的小平面组成，呈小平面台阶状特征，故也称小平面界面（faceted） 。粗糙界面，在液固界面处存在着几个原子层的过渡层，从微观上看是高低不平的，无明显边界，但从宏观上看，界面却呈无曲折的平面状，因此也称非小平面界面（nonfaceted） 。 20.生长方式界面结构连续长大的界面用原子的尺度来衡量是坎坷不平的，对于接纳从液相沉积来的原子来说各处都是等效的，从液相中扩散来的原子很容易与晶体结合起来，正是
7、由于这种原因，其晶体长大远比光滑界面容易。侧面长大的界面结构为小平面的光滑界面，这种界面用原子尺度来衡量是光3滑的，与单个原子不容易结合，只有依靠在界面上出现台阶，然后从液相中扩散来的原子沉积在台阶的边缘，依靠台阶向侧面扩展而长大。21.溶质再分配由于合金在结晶过程中，析出固相的溶质含量不同于液相，而使界面前沿溶质富集或者贫化的现象，叫做溶质再分配。22.成分过冷由溶质再分配导致界面前沿平衡凝固温度发生变化而引起过冷称为成分过冷。23. 成分过冷对晶体生长的影响成分过冷对晶体生长形态的影响为：随着成分过冷的增加，晶体的生长形态从平面状向胞状、胞状枝晶、柱状枝晶和等轴枝晶发展。24.胞状晶与树枝
8、晶明显的区别胞状晶与树枝晶明显的区别：树枝晶具有明显的晶体学特征，其主干和各次分枝的生长方向与特定的晶向平行（密排、自由能问题）25.偏析金属凝固过程中发生化学成分不均匀的现象称为偏析。根据偏析区域的不同，可将偏析分为微观偏析和宏观偏析两种。微观偏析指树枝晶或胞状晶内部与晶间成分的差异。偏析程度用偏析比来表示：微观偏析对铸件性能危害较大，它可造成材料本身冲击韧性、塑性及耐腐蚀性能的降低（有害相析出、弱化晶界、有利组元贫化等） ，所以一般考虑控制微观偏析，使成分尽量均匀化。宏观偏析通常指整个铸锭或铸件范围内产生的成分不均匀现象。造成宏观偏析的原因往往是液相在枝晶间和枝晶外的流动，以及游离或熔断固
9、相的沉浮引起的。一般将宏观偏析分为正偏析、逆偏析、比重偏析、V 形偏析和逆 V 形偏析、带状偏析、区域偏析、层状偏析26.规则共晶， 非规则共晶规则共晶：由金属金属形成共晶体，属于非小平面共晶；非规则共晶：由金属非金属形成共晶体，属于非小平面小平面共晶。如Fe-C、Al-Si 系。27.共晶凝固方式在不同的合金体系中，由于共晶两相在析出过程表现的相互关系不同，其结晶方式可分为共生生长和离异生长两种。（1）共生生长这种两相彼此合作生长的方式，称为共生生长。共生生长需要两个基本条件： 两相生长能力要相近，且后析出相能容易在先析出相上形核和长大。先析出相称为领先相，它可以是初生相也可以不是。 两组元
10、在界面前沿的横向传输能保证等速生长的要求（2）离异生长有的共晶合金两相生长时，没有共同的生长界面，而是两相分离，并以不同量组 元 在 枝 晶 干 的 最 小 含 量组 元 在 枝 晶 间 的 最 大 含RS4的生长速度进行结晶，这就是离异生长方式，形成的共晶组织称离异共晶体。离异共晶又分为晶间偏析型和领先相呈团球型两类。28.伪共晶把不是准确共晶成分的合金（共晶点附近的亚共晶和过共晶）形成的完全共晶组织称为伪共晶。 29.凝固方式（1）糊状凝固：砂型铸造时，固、液边界线的间距很宽，在很长一段凝固时间内，固液共存的两相凝固区几乎贯穿了整个铸件断面，这种凝固方式称为糊状凝固；（2）逐层凝固：金属型
11、铸造时，固、液边界线的间距很窄，整个凝固过程中，仅有很薄一层两相共存区，凝固层由表面向中心逐渐加厚，这种方式称为逐层凝固。30.凝固方式的影响因素：铸件的凝固方式由合金液 固相线温度间隔、铸件断面温度梯度两个因素共同决定。一般凝固温度间隔大的合金，往往倾向于糊状凝固。另一方面温度梯度对凝固方式的影响也相当显著。当温度梯度很大时，即使是结晶温度间隔宽的合金也可以趋向中间凝固和逐层凝固。如工业纯铝，砂型铸造时以糊状凝固方式凝固，而在金属型铸造时以逐层凝固的方式进行。 31. 充型能力控制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，称为液态金属的充型能力。充型能力与金属本身的流动能力、
12、铸型性质、铸件结构及浇注条件有关。32. 影响液态金属充型能力的因素（1）金属性质凝固潜热、液相密度、比热容、凝固温度、热导率都与充型能力有关。（2）铸型性质铸型密度、比热容、热导率，初始温度、涂料层厚度、涂料层热导率。（3）浇注条件浇注温度、浇注速度、浇注系统中的压头阻力损失（浇道复杂弯曲等，影响流道的平均流速） 。（4）铸件结构铸件的模数为：与充型能力有关。铸件结构越复杂（表面积大，模数小） ，有薄壁等充型能力差。33. 收缩控制（1）液态收缩液态合金从浇注温度降低到熔点所发生的体积收缩。（2）凝固收缩合金在凝固阶段的体积收缩，它取决于状态改变和凝固温度范围。（3）固态收缩固态合金因温度降
13、低发生的体积收缩，对铸件的尺寸精度有影响。液态收缩和凝固收缩是产生缩孔、缩松的主要原因；固态收缩是铸件产生铸造应力、变形、裂纹的主要原因。534. 缩孔和缩松形成缩孔的影响因素和凝固方式的影响因素类似（凝固方式本身影响缩孔的形成） ，也可归纳为：金属性质、铸型性质、铸件结构、浇注条件。35.应力凝固过程中的收缩，除了产生缩孔、缩松外，还会导致凝固应力、变形、甚至裂纹。根据产生铸造应力的原因，可将其分为：（1）热应力铸件冷却时因各部分冷却速度不同，造成在同一时刻各部分的收缩量不同，彼此不能协调，相互制约的结果形成热应力。（2）相变应力具有固态相变的合金铸件，冷却过程中各部分发生相变的时间不一致，
14、以及相变时比体积变化，导致各部分的体积和长度变化的时间不一致，产生相变应力。（3）机械阻碍应力铸件收缩时，受浇注系统、冒口和本身结构的机械阻碍而产生的应力。36.凝固组织控制表面细等轴晶区，紧靠型壁形成外壳层，紊乱排列的细小等轴晶。柱状晶区，自外向内沿热流方向，彼此平行排列的柱状晶。内部等轴晶区，紊乱排列的粗大等轴晶。37. 晶区生成的简单过程金属或合金液浇人铸型后，型壁激冷形核，同时晶核又不断地从型壁脱落、游移，从而在型壁附近沉积细小晶粒，构成表面细晶粒区；一旦表层由细晶粒连成牢固的凝固层后，液体对流强度大大减弱，固液界面前沿晶体在与型壁垂直的单向热流作用下，向液体中心延伸，形成柱状晶区。
15、值得指出的是，最初各枝晶的取向是很乱的， 只有那些主干平行于热流方向的枝晶才能向前延伸，而将取向不的枝晶逐渐淘汰，这样柱状晶的生长方向越来越一致。晶体的这种相互竞争、相互淘汰的生长过程称为择优生长；在柱状晶生长过程中，液体内部也将可能出现过冷，形成新的等轴晶，或从别处漂游到这个区域的游离晶生长成新的等轴晶，最终 形成内部等轴晶区。38.获得细等轴晶组织可采取的措施(1) 适当降低浇注温度 (2) 合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用(3) 孕育处理(4)动态晶粒细化有时候想获得平行排列的柱状晶组织，提高零件的抗高温蠕变能力，或者获得良好的磁性，可以采用定向凝固技术。39. 焊接生产中的凝固过程
16、控制1、焊接熔池特征(1) 体积小，冷却速度大。 (2) 过热温度高。(3) 动态下凝固。 (4) 对流强烈。 2.焊缝凝固特点(1) 外延生长 (2) 弯曲柱状晶 (3) 凝固界面生长形式多样性 3. 熔池凝固组织控制焊接过程中，改善凝固组织，防止粗晶产生的主要措施有： 6(1) 变质处理。 (2) 振动结晶。 (3) 优化焊接工艺 参数。 40.制约着微晶玻璃形成的原因（1）熔体中存在的各种聚合的硅氧四面体，进一步联结成更为大型的结构时，因硅氧结合键键能很大，打开结合键需要很高的能量，这就使得硅酸盐熔体的结构重建比金属熔体困难得多，即形核所需越过的势垒要高得多；（2 ）硅酸盐熔体有巨大的溶解能力，几乎可把任何外来的形核质点溶解在本体之中，故非均匀形核亦变得非常困难。由于这两个原因，硅酸盐熔体中形成非晶玻璃，反而要容易得多。41. 硅酸盐熔体析晶条件如果创造一定的条件，硅酸盐熔体还
