材料加工前沿-刘雪峰解析

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1、一，绪论 材料与新材料的概念，生产特点及分类 材料：人类用以制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器以及其他产品的物质，也可简 单定义为 : 材料是可以制造有用器件的物质。 新材料： 新出现或正在发展之中的具有优异性能或特定功能的材料， 或在传统材料基础上通过 新技术处理获得性能明显提高或产生了新功能的材料。 材料的作用与地位 1 ，自 20 世纪 70 年代，人们就把信息、能源和材料誉为人类文明的三大支柱，把材料的重 要性提高到一个前所未有的高度。 2， 20 世纪 80 年代又把新材料技术与信息技术、生物技术 一起列为高新技术革命的重要标志； 事实上， 新材料的研究、

2、开发与应用反映着一个国家的科 学技术与工业化水平。 3，几乎所有的高新技术的发展与进步，都以新材料和新材料技术的发 展和突破为前提。 材料技术的概念及其分类 材料技术：可以理解为是关于材料的制备、成形与加工、表征与评价，以及材料的使用和保护 的知识、经验和诀窍；从学科的观点来考虑，将材料科学和其他相关学科 ( 如计算机、机械、 自动控制 ) 的知识应用于材料 ( 制备 ) 生产和使用的实际，以获得所需的材料产品、提高材料的 使用效能的技艺。分类： (1) 制备技术 ;(2) 成形与加工技术 ;(3) 改质改性技术 ;(4) 防护技术； (5) 评价表征技术； (6) 模拟仿真技

3、术； (7) 检测与监控技术。 材料技术的 5 次革命及其特点(书 p5) 材料加工技术的分类及材料科学与工程要素 按照传统的三级学科进行分类， 材料加工技术 ( 方法 ) 包括机加工 ( 车钻刨铣磨等 ) 、 凝固加 工(铸造 ) 、粉末冶金、塑性加工 (压力加工 )、焊接 (连接 )、热处理等。 按照被加工材料在加工时所处的相态不同进行分类， 材料加工技术包括气态加工、 液态加工 ( 凝 固成形 ) 、半固态加工、固态加工。 一般认为，现代材料科学与工程由四个基本要素组成 : 即材料的成分与结构、性质、制备 与加工工艺、 使用性能， 它们之间形成所谓的四面体关系； 材料的制备

4、与加工与材料的成分和 结构、 材料的性质一起， 构成决定材料使用性能的最基本的一大要素， 也充分反映了材料制备 与加工技术的重要作用和地位 材料加工技术的发展趋势和方向 发展趋势：过程综台、技术综合、学科综台。 主要特征： (1) 性能设计与工艺设计的一体化； (2) 在材料设计、制备、成形与加工处理的全过 程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制 发展方向： （ 1）常规材料加工工艺的短流程化和高效化； （ 2）发展先进的成形加工技术实现组 织与性能的精确控制； （ 3）材料设计、制备与成形加工一体化； （ 4）开发新型制备与成形加工 技术，发展新材料和新制品； （ 5）

5、发展计算机数值模拟和过程仿真技术，构建完善的材料数据 库； （ 6）材料的智能制备与成形加工技术。 快速凝固 凝固的概念、特征及分类 概念特征：物质从液相变成固相的过程，是一种相变的过程，如金属凝固，血凝，高分子固化 等。晶体与非晶体的凝固特点不一样，前者有明显的凝固点，凝固时释放结晶潜热，由短程有 序到长城有序，物理性质常发生突变；后者无凝固点，是渐变过程，结构和物理性质无明显突 变，逆过程是软化过程。 分类：按平衡条件分为平衡凝固、非平衡凝固；按凝固方向分为定向凝固、二维凝固、体积凝 固；按凝固速度分为快速凝固和正常凝固。 快速凝固的概念及其实现方法 概念： 由液相到

6、固相的相变过程进行得非常快， 从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、 相 结构和显微结构的过程。产生急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速度的凝固过 程。 实现方法： （ 1）快速冷却：通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出速度可使凝固界面快速 推进，实现快速凝固（ 2）深过冷：快冷法只能在薄膜、细线及小尺寸颗粒中实现，减少凝固 过程中热流导出量是大尺寸试件中实现快速凝固的唯一途径， 通过抑制凝固过程的形核， 使合 金溶液获得很大的过冷度， 从而凝固过程释放的潜热被过冷溶体吸收， 可大大减少凝固过程要 导出的热量，获得很大的凝固速度。 快速凝固方法的分类（线材、带材、块体

7、材料快速凝固） 金属快速凝固的组织特征 （ 1） 偏析形成倾向减小 （ 2） 形成非平衡相 （ 3） 细化凝固组织 （ 4） 析出相的结构发生变化 （ 5） 形成非晶态 快速凝固的用途 （ 1）获得新的凝固组织，开发新材料（ 2）制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料（ 3） 简化制备工序，实现近终形成形。 线材、带材、块体材料快速凝固成型技术 线材快速凝固成形：玻璃包覆熔融纺线法、合金溶液注入快冷法、旋转水纺线法、传送带法； 带材快速凝固成形：单辊法、双辊法、溢流法、甩出法； 体材料快速凝固成形：喷射沉积技术、大块非晶合金（高压压铸法，水淬法，铜模铸造法，电 弧熔炼法，

8、定向区域法，吸铸法等） 。 定向凝固 定向凝固的概念、特征、分类 定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段， 在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的 温度梯度， 从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固， 最终得到具有特定取向柱状晶或单晶的技 术。 特征： 在定向凝固过程， 随着凝固速度的增加， 固液界面的形态由低速生长的平面晶——胞晶 ——枝晶——细胞晶——高速生长的平面晶变化； 无沦是哪种固液界面形态， 保持固液界面的 稳定性对材料的制备和材料的力学性能非常重要； 低速生长的平面晶固液界面稳定性可以用成 分过冷理论来判定， 高速生长的平面晶固液界面稳定性可以用绝对稳定性理论来

9、判定； 关于胞 晶、枝晶、细胞晶固液界面稳定性问题，尚没有相关的判定理论体系。 实现定向凝固的基本条件 只沿特定的凝固方向存在温度梯度； 固液界面前沿存在大小合适的成分过冷区； 垂直于凝固方 向的固液界面为平面或凸面。 定向凝固工艺 定向凝固方法有： （ 1）发热剂法（ 2）功率降低法（ 3）高速凝固法（ 4）液态金属冷却法（ 5） 流态床冷却法（ 6）区域熔化液态金属冷却法（ 7）连续定向凝固 连续定向凝固工艺：原理，概念；特点，方式 原理： 在连续定向凝固过程中对铸型进行加热， 使它的温度高于被铸金属的凝固温度， 并通过 在铸型出口附近的强制冷却， 或同时对铸型进行分区

10、加热与控制， 在凝固金属和未凝固溶体中 建立起沿拉坯方向的温度梯度，从而使熔体形核后沿着与热流（拉坯方向）相反的方向，按单 一的结晶取向进行凝固，获得连续定向结晶组织（连续柱状晶组织）甚至单晶组织。 概念 : 连续定向凝固技术是定向凝固技术和连铸技术相结合而发展起来的一种新型材料制备技 术。 特点： （ 1）可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织（ 2）是一种近终形连铸生产技术（ 3） 凝固过程中固液界面始终凸向液相，有利于析出的气体及夹杂入液相（ 4）铸锭中缺陷少，组 织致密，消除了横向晶界。 方式： 保证形成沿着铸坯方向一维的或者基本一维的稳定一温度梯度， 即在拉坯过程中，

11、 铸坏 与熔体之间的固液分界面不能伸人到结晶器内， 至少不能伸入过多， 只有这样才能保证不在结 晶器内壁产生形核而破坏晶体的单向生长； 保证在拉坯过程中不会出现金属液拉漏或者铸坯拉 断现象，这样才能获得连续长度的铸坏。 特种定向凝固 超高温度梯度定向凝固；侧向约束下的定向凝固；对流下的定向凝固；二维定向凝固。 金属半固态加工 半固态加工的概念、优点及工艺 在金属凝固过程中， 对其施以剧烈的搅拌作用， 充分破碎树枝状的初生固相， 得到一种液态金 属母液中均匀的悬浮着一定球状初生固相的固液混合浆料（固相组分一般 50%） ，即流变浆料， 利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称

12、为半固态金属的流变成形。 如果将流变浆料凝固 成锭， 按需要将此金属锭切成一定大小， 然后重新加热至金属的半固态温度区， 这时的金属锭 一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，这种方法称为触变成形。 优点：黏度比液态金属高，容易控制；模具夹带的气体少，减少氧化、改善加工性，减少模具 粘接，可进行更高速的部件成形，改善表面光洁度，易实现自动化和形成新加共工工艺；流动 应力比固态金属低 : 半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非常小，可以更高的速度成形 部件，而且可进行复杂件成形，缩短加丁凋期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行 连续形状的高速成形（如挤压

13、） ，加工成本低；应用范围广；凡具有固液两相区的合金均可实 现半固态加工。可适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行材料的复合 及成形。 基本工艺分为触变成型及流变成形两种（见后） 。 金属高温三态成形方法的关系（ P96 图 4-1 ） 半固态金属的金属学和力学特点（ p97） 特点： （ 1）溶质元素的局部浓度不断变化（ 2）宏观变形抗力很低（ 3）随着固相分数的降低， 呈现黏性流体特征，在微小外力作用下即可很容易变形流动（ 4）当固相在极限值（ 75%）一下 时，浆料可以进行搅拌，并容易混入各种异种材料的粉末、纤维等（ 5）固相粒子间无结合力， 容易分离

14、， 由于液相成分存在又容易将分离部位连接形成一体化， 特别液相成分很活跃， 不仅 半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合（ 6）可加工含有陶瓷 颗粒、纤维等难加工材料（ 7）当施加外力时，液相和固相成分存在分别流动的情况（ 8）上述 现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生。 半固态加工的研究及发展 （p101） 金属的半固态凝固组织及其影响因素 液态金属在凝固过程中搅拌且激冷， 其结晶造成固体颗粒的初始形貌呈树枝状， 然后在剪切力 作用下，枝晶会破碎，形成小的球形晶。影响因素：浆料的温度、固相分数、剪切速率。 半固态金属的力学行为

15、半固态金属的力学行为具有触变性， 成形过程中具有明显的超塑性效应和充填性能， 变形抗力 小，可在较高的速度下变形 金属半固态浆料的制备方法及原理、特点和主要影响因素 （ 1）电磁搅拌法，搅拌式功率时间冷却速度金属液温度浇注速度等 2）机械搅拌法，控制搅 拌时的温度来控制半固态金属的初生固相分数，通过改变也便或搅拌棒的转速来控制剪切速 率。 （ 3）应变诱导熔化激活法（ 4）液态异步轧挤法（ 5）超声振动法（ 6）粉末冶金法（ 7）倾 斜冷却板制备法（ 8）低过热度铸造法制备半固态金属浆料或坯料 半固态金属的触变成型及流变成形 触变成形。 特点： （ 1）溶质元素的局部浓度不断

16、变化（ 2）宏观变形抗力很低（ 3）随着固相分数的降低， 呈现黏性流体特征，在微小外力作用下即可很容易变形流动（ 4）当固相在极限值（ 75%）一下 时，浆料可以进行搅拌，并容易混入各种异种材料的粉末、纤维等（ 5）固相粒子间无结合力， 容易分离， 由于液相成分存在又容易将分离部位连接形成一体化， 特别液相成分很活跃， 不仅 半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合（ 6）可加工含有陶瓷 颗粒、纤维等难加工材料（ 7）当施加外力时，液相和固相成分存在分别流动的情况（ 8）上述 现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生。 独特优点： （ 1）

17、黏度比液态金属高，容易控制（ 2）流动应力比固态金属低（ 3）应用范围广。 金属半固态制备方法： （ 1）电磁搅拌法（ 2）机械搅拌法（ 3）应变诱导熔化激活法（ 4 ）液态 异步轧挤法（ 5）超声振动法（ 6）粉末冶金法（ 7）倾斜冷却板制备法（ 8）低过热度铸造法制 备半固态金属浆料或坯料 连续铸轧 连续铸轧的概念及特点、应用 连续铸轧： 直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材的工艺称为连续铸轧。 结晶器为 两个带水冷系统的旋转铸轧辊， 熔体于很短的时间内 （ 2~3S） 在其辊缝间完成凝固和热轧两个 过程。 连续铸轧工艺的基本原理：基本条件；热平衡条件 铸轧基本

18、条件： （ 1）浇铸系统预热温度（ 2）金属液面高度。 热平衡条件： （ 1）铸轧温度（ 2）铸轧速度（ 3）冷却强度 几种典型的连续铸轧生产工艺 适用材料种类：铝板连续铸轧、薄板坯液芯压下、双辊薄带钢铸轧。 影响铸轧过程稳定性的主要因素 双辊薄带钢铸轧影响因素： （ 1） 钢水流动的影响 （ 2） 凝固行为的影响 （ 3） 铸轧速度的影响 （ 4） 侧封的影响（ 5）铸轧力和辊缝控制问题； 铸轧产品缺陷： （ 1）条痕（ 2）孔洞（ 3）横波（ 4）白条（ 5）黑皮（ 6）板面不平（ 7）边部不 齐。 连续铸轧产品的质量及控制 连续铸轧过程中的数学模型及模拟技术 连续挤

19、压与连续铸挤 连续挤压的原理、实现条件 实现连续挤压满足两个基个条件： （1） 不需借助挤压轴和挤压垫片的直接作用，即可对坯料施 加足够的力以实现挤压变形； （2） 挤压简应具有无限连续工作长度，以便使用无限长的坯料 连续挤压的特点（优点缺点） 优点： （ 1）利用挤压型腔与坯料之间的摩擦，挤压变形能耗大大降低； （ 2）可以省略常规热挤 压中坯料的加热工序； （ 3） 可以实现真正意义上的无间断连续生产， 获得长度达到数千乃至数 万米的成卷制品； （ 4）具有广泛的使用范围； （ 5）设备紧凑，占地面积小，设备造价及基建费 用较低。 缺点： （ 1） 对坯料预处理要求高；

20、（2） 主要适用于生产小断面型材， 生产大断面型材时效率低； （ 3）由于坯料的预处理效果、难以获得大挤压比等原因，该法生产的空心制品在焊缝质量、 耐高压性能等方面不如常规挤压 - 拉拔生产的制品好； （4）对工模具材料的耐磨耐热性能要求 高； （ 5）工模具更换比常规挤压困难； （ 6）对设备液压系统、控制系统要求高。 连续挤压的应用 连续挤压工艺及设备 连续铸挤原理、优点 连续铸挤： 坯料以熔融金属的形式通过电磁泵或重力浇铸连续供给， 由水冷式槽轮与槽封块构 成的环型型腔同时起到结晶器和挤压筒的作用。 优点： 金属处于液态与半固态或接近熔点的高 温状态，能耗低（ 2）凝固

21、开始到结束始终处于变形状态，有利于细化晶粒，减少偏析、气孔 等缺陷（ 3）直接液态金属成形，省略坯料预处理工序，工艺流程简单，设备结构紧凑。 复合铸造 复合铸造的概念和特点 复合铸造： 是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件， 使铸件 的不同部位具有不向的性能， 以满足使用的要求。 常见的复合铸造工艺有镶铸工艺、 重力复合 铸造、离心复台铸造。 复合铸造铸件的质量除取决于铸造合金本身的性能外， 更主要地取决于两种合金材料界面结合 的质量。 在双金属复合铸造过程中， 两种金属中的主要元素在一定温度场内可以相互扩散、 相 互熔融形成一层成分组织介于两种金属之

22、间的过渡台金层， 一般厚度为40〜60 ^mi控制各 个工艺因素以获得理想的过程层得成分、 组织、 性能和厚度， 时制造优质复合铸造铸件的技术 关键。 传统的复合铸造工艺及新技术和新工艺 双金属包覆铸造的方法有哪些？途径方法的共同关键技术是什么？ （ 1）水平磁场制动复合连铸法 ：水平磁场的作用强度；两种金属的浇铸速度 （ 2）包覆层连续铸造法：温度的正确设定、匹配与控制；辊芯防氧化 （ 3）电渣包覆铸造法 （ 4）反向凝固连铸复合法：侧封技术；凝固控制技术；母带预处理技术 （ 5）复合线材铸拉法：钢丝表面预处理；铸拉工艺控制 （ 6）双流连铸梯度复合法 （ 7）双结晶器

23、连铸法 （ 8）充芯连铸法 复合铸件质量控制关键技术 技术关键：控制各工艺因素以获得理想的过渡层的成分、组织、性能和厚度 塑形加工复合 复合材料的概念及其分类 复合材料： 采用物理或化学的方法， 使两种以上的材料在相变与性能相互独立的形式下共存与 一体之中， 以达到提高材料的某些性能， 或获得新的性能 （或功能） 的目的。 按界面结合状态， 层状复合材料可以分为机械结合法：镶套（热装和冷压入） 、液压扩管、冷拉拔；冶金结合法： 爆炸成形、扩散热处理、轧制、挤压、粉末塑性加工、摩擦焊接、复合铸造。 金属复合材料制备与加工方法 颗粒强化金属基复合材料：粉末冶金法、铸造法、喷射

24、共沉积法、预制件渗浸法。晶须强化金 属基复合材料：粉末额近发、铸造法、预制件渗浸法等。纤维强化金属基复合材料：粉末冶金 法、扩散结合法、预制件渗浸法、两相合金复合法等 金属层状复合材料的制备与加工方法 层状复合材料和梯度复合材料的区别 层状复合材料层与层之间材料成分决然不同， 梯度复合材料中组元的含量沿着某一方向产生连 续或非连续的变化以实现材料性能的梯队化。 轧制复合、挤压复合、拉拔复合 金属等温成形 等温成形的特点及使用范围、和超塑形的区别 等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的， 从而避免了坯料在变形 过程中温度降低和表面激冷的问题。 特点：

25、 （ 1）降低材料的变形抗力； （ 2）提高材料的塑性流动能力； （ 3）成形件尺寸精度高、表 面质量好、组织均匀、性能优良； （ 4）模具使用寿命长； （ 5）材料利用率高 适用范围： （ 1）低塑性材料的成形（ 2）优质或贵重材料的成形（ 3）形状复杂的高精度零件的 成形（ 4）采用低压力成形大型结构零件（ 5）研究材料的塑性变形规律 与超塑性成形的区别： 典型的微细晶粒超塑性的实现有赖于晶粒细化、 适当的变形温度和低应 变速率三个基本条件， 其中材料的初始内部组织是诱发超塑性， 并使之成为持续进行的主要条 件之一。 超塑性状态一般只能在一个很窄的温度、 速度范围内实现。 而等

26、温成形的概念比超塑 性成形要广泛的多， 等温成形可以在很宽的温度、 速度范围内以及坯料的任意原始组织条件下 进行。 但等温成形在降低板材的变形抗力、 提高材料塑性的效果方面不如超塑性成形那样显著。 等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的， 从而避免了坯料在变形 过程中温度降低和表面激冷的问题。 等温成形的发展概况 材料的等温成形性 等温成形时的润滑 润滑剂应满足： 1 具有良好的成膜性、保证产品易于出模 2 防止坯料氧化 3 具有良好的绝热性 能 4 不予模具和坯料发生化学反应 5 易于涂敷和除去 6 便于贮存及性能稳定 7 价格低廉、 货源 广。常用润

27、滑剂：石墨二硫化钼、聚四氟乙烯、氮化硼、氧化铅以及玻璃等 等温成形用模具材料、设备 等温成形工艺的展望 先进连接技术 激光焊、电子焊、搅拌摩擦焊的原理、特点 激光焊是利用激光束作为热源，将被焊接材料熔合而实现连接的一种焊接方法。最大特点是 存在小孔效应。特点： 1） 能力密度高 2）焊接速度快 3）焊接金属冷速容易得到细晶组织 4） 焊接热影响范围小 5）可以焊接一般焊接方法难焊接的材料 6）可以进行“小孔焊” ，实现单面 焊双面成形。 电子焊是利用聚焦后的电子束流加热、熔合被焊金属（母材）而实现连接的一种焊接方法。 特点： 1） 穿透力强，焊缝深宽比大 2）焊接速度快 3

28、）焊缝性能号 4）焊接变形小 5）真空条件 下焊接对焊缝有很好的保护作用 搅拌摩擦焊是利用一种非耗损的搅拌头在待焊界面搅拌摩擦而实现连接的， 高速旋转的搅拌头 和封肩与金属的摩擦生热使金属处于塑性状态， 在搅拌头作用下被封肩封闭的塑性金属一方面 上下循环流动， 另一方面随着搅拌头向前移动， 不断向搅拌头后方流动填充搅拌头移出的空间 形成致密的焊缝。 特点： 1） 可实现板材对接， 突破传统摩擦焊的局限性 2） 焊接接头缺陷少 3） 焊接热影响区组织变化小 4） 焊接残余应力和变形小 5） 便于机械化自动化 6） 低成本 7） 安全。 激光焊和电子焊统称为高能束焊，试比较这两种方法

29、在工艺上的应用 激光焊、电子束焊特点： （ 1）能量密度高（ 2）焊接速度快（ 3）焊接金属冷速快容易得到细晶 组织（ 4）焊接热影响范围小，残余应力和变形小。 激光焊、 电子束焊应用： 一般金属材料的激光焊与电子束焊都有良好的抗热裂和冷裂能力， 焊 接性较普通电弧焊时焊接性好。 激光焊拼焊的冲压成型板了毛坯可大幅度降低成本， 提高质量， 激光焊接的组合齿轮具有变形小，精度高，接头剪切强度大，生产效率高等特点，焊后可直接 装配使用。 电子束焊穿透能力强， 焊缝深宽比大， 因此在大厚件焊接方面电子束焊接具有不可 替代的地位，涉及的材料主要有钛合金、高强钢、高温合金、不锈钢、复合材料

30、等。电子束焊 还能应用于金属间化合物的连接。 粉末冶金新技术新工艺 粉末冶金是用金属粉末或用非金属粉末 （或金属粉末和非金属粉末的混合物） 作为原料， 经过 成形和烧结， 制造金属材料、 复合材料以及各种类型制品的工艺技术。 粉末冶金工艺的第一步 是知趣原料粉末，第二步时将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后处理值得成品。 （ 1）可以直接制备具有最终形状和尺寸的零件，是一种无切削，少切削的新工艺，有效降低 生产的资源和能源消耗（ 2）可以实现多种类型的复合，充分发挥各组员材料各自的特性，是 一种低成本生产高性能金属基和陶瓷基复合材料的工艺技术（ 3）可以生产普通熔炼法无法生 产

31、的具有特殊结构和性能的材料和制品。 （ 4） 可以最大限度的减少合金成分的偏聚， 消除粗大、 不均匀的铸造组织。 （ 5）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过饱和固溶体等一系列高性能 非平衡材料（ 6）可以充分利用废旧原料，是一种有效的材料再生和综合利用新技术 工艺：雾化制粉技术（二流雾化、离心雾化） ，机械合金化制粉技术，超微粉末制粉技术，粉 末注射成型技术，温压成型技术，热压成型技术，等静压成型技术，场活化烧结技术。 等静压成形按其特性分成冷等静压 （CIP） 和热等静压 （GIP） 。 前者常用水或油作压力介质， 故又 称液静压、水静压或油水静压；后者常用惰性气体作压力介质，故又称气体热等静压。