材料成型原理 重点整理

液态金属结构可以这样描述：液态金属由许多近程有序的原子集团组成，这些原子集团原子排列规则，有激烈的原子热运动和大量空穴，存在较大的能量起伏。同时，这些原子集团和空穴时聚时散，时大时小，处于瞬息万变的状态。

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

平衡结晶温度Tm与实际结晶温度T之间的温度差称为过冷度（△T），△T= Tm –T。金属凝固的驱动力，主要取决于过冷度△T 。过冷度越大，凝固的驱动力越大。

液相内部出现晶核时系统自由能对变化：

当过冷液体中出现晶核时，系统自由能将产生变化。系统自由能的变化由两部分组成，一部分是体积自由能变化，即固、液相之间的体积自由能差△G V。它使系统的自由能降低，它是相变的驱动力；另一部分是界面能变化，由于晶核形成的同时，也形成了新的液一固相界面，因而产生了新的界面能△G i。这部分能量将导致系统的自由能增大，它是相变的阻力。

图为在三种曲率不同的表面上形核的示意图，它们具有相同的润湿角和晶核曲率半径，但是显然包含的原子数不同。显然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。

一般来说形核剂应该满足以下几个条件：

1.失配度小、完全共格对应，方式的界面能最低，促进非自发形核的能

力最强，形核率也最大。

2.粗糙度大、在基底上存在凹坑时，形核能力较强。故表面粗糙不平的

形核剂对促进形核有利。

3.分散性好、若形核剂聚集成团，大大降低了有效基底面积，对形核有

不利影响。

4.高温稳定性好，形核剂在高温熔体中使用，如发生分解、氧化，或者

与熔体发生一些化学反应，形核剂将发生变质，不能起到促进形核的作用。

金属结晶为什么需要过冷度呢？结晶在什么条件下才能自发进行呢？

这是由结晶的热力学条件所决定的。从热力学观点来看，物质状态的稳定性取决于该状态的自由能高低：自由能越高，状态越不稳定；自由能越低，状态越稳定。物质总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。所以，只有伴随着自由能降低的过程才能自发进行。对于凝固而言，只有当固态金属的自由能低于液态金属时，结晶过程才可能进行。

液相和由它析出的固相具有不同的成分，这种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。

在一般凝固条件下，固—液界面前沿将发生溶质富集（ k0<1时），这种溶质富集，将导致液相凝固温度T L发生变化，与界面前沿实际温度Ta存在差别，从而引起过冷。引起这种凝固温度变化是由相图中的液相线决定的。相图中的液相线就是合金的平衡结晶温度（熔点），该温度随合金中溶质的含量而变化，对于k0 <1的合金，界面前沿液相中的溶质富集将引起液相线温度的降低，若熔体温度低于该合金的液相线温度时，则处于过冷状态，过冷度等于液相线温度与实际温度之差。

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。

成分过冷判据

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。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、层状偏析等

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。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；金属型铸造时，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。这两种凝固方式没有明显的界限，介于两者之间的称为中间凝固方式。

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；

欲控制获得细等轴晶组织，采取的工艺措施有如下几条：

(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

焊接过程中，改善凝固组织，防止粗晶产生的主要措施有：

(1) 变质处理。 (2) 振动结晶。 (3) 优化焊接工艺参数。

焊接热源有许多种，如电弧、气体火焰、摩擦热、电渣焊的熔渣电阻热等等。热源的性质不同，焊接时的温度场也不同。

在电弧焊条件下，25mm以上的钢板焊接时，就可以认为是点状热源；而100mm以上大厚度工件电渣焊时，只能认为是线状热源。

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。

主要有：

成材的塑性加工：如轧制、挤压、拉拔等

成形的塑性加工：主要有锻造、拉深、冲压等

先进的塑性成形：主要有超塑性成形、液压胀形、电磁成形等

主应力图示变形体某方向上一个线段(如长、宽、高)的起点和终点在垂直于该方向上也可能有位移差(切变量)，与线段原始长度之比，也是衡量变形程度的物理量。叫工程切应变。

《材料成形技术基础》第页第9、11、14、17题

变形机制：滑移、孪生、晶界滑动、扩散蠕变

组织性能演变：冷变形-、热变形-中

塑性与变形抗力：塑性与塑性变形、影响塑性的因素、超塑性、变形抗力的组成、应力状态对抗力的作用、应力应变关系曲线

1.每个晶粒都处于不同位向的晶粒的包围之中，晶粒在周围(邻居)的

约束下变形，晶粒所受的应力状态发生变化；

2.各个晶粒的取向不同，受力状态不同，造成各晶粒之间变形的不同

时性和不均匀性；

3.相邻晶粒之间的变形在晶界上需要协调配合；造成晶界处多系滑移

的提前开始和晶界上变形困难，造成晶界和晶内变形的不均匀。

孪生：晶体在外力的作用下，其一部分沿着一定的晶面和该晶面(孪生面)上的一定晶向(孪生方向)，产生均匀切变。孪生后，晶体的变形部分与未变形部分形成关于孪生面的镜面对称。镜面两侧晶体的相对位向发生了改变，但不改变晶体的晶格点阵类型。孪生变形部分称为“机械孪晶”。

滑移孪生

原子相对移动距离：等于小于(变形方向上一个原子间距生产变形的位错：全位错不全位错

原子移动方向：双向单向/有极性

变形均匀性：集中在在整个孪晶

滑移面上带上均匀

移动部分晶体取向：不变改变/镜面对称

开动应力服从： H-P关系 H-P关系

开动条件服从： Schmid定律 Schmid定律

冷变形中金属组织变化

一、形成纤维组织

二、产生结构缺陷

三、产生晶体学择优取向

四、晶粒超细化、甚至非晶化，形成非平衡材料

冷变形中金属性能变化

一、加工硬化(应变强化)：随着变形程度的增加，金属的强度指标上升，塑性指标下降。这就是加工硬化。

二、各向异性

三、其他性能变化：冷加工还会造成：密度降低、导电性降低、导热性降低、耐蚀性变差以及磁性变化等多种物理、化学性能的变化。

拉深：法兰区坯料在切向压应力、径向拉应力作用下向直壁流动，形成筒形或带法兰的筒形零件的板成形过程。金属在其再结晶及其以上(通常>0.5Tm)温度进行的加工叫热加工。其特点是：

1.变形温度高，加工硬化小；

2.变形抗力低、耗能少；

3.塑性好；加工变形量大；

4.不易产生裂纹等加工缺陷。

但：加工精度低；组织性能不均匀性大。

热塑性变形过时的基本软化过程包括：动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶等。

动态回复、动态再结晶是发生在变形过程中的回复和再结晶过程；

而静态回复和静态再结晶则在变形的间歇期间或热变形后发生。

热变形时金属组织性能变化：

1.消除缺陷：消除某些铸造缺陷，如使气孔、疏松锻合；消除或减轻

铸造偏析；

2.改善晶粒组织：均化和细化晶粒使性能(强度、塑性等)提高。

3.改善第二相分布：破碎粗大第二相和化合物，改善夹杂物与脆性相

的分布形态。

4.形成流线：金属中存在的不溶性物质沿着主应变方向拉长，形成

流线。沿着流线方向材料性能提高。

5.形成带状组织：铸锭中原来存在枝晶偏析——合金元素的贫区与富

区。热加工时，这些沿主应变方向扩展，形成带状。合金元素含量

的不同造成相变温度的差别，如贫锰区比富锰区发生A——F转变，

将碳抛向富锰区，造成贫锰的带状区F比例大，而富锰的带状区P

比例大，形成带状组织。

塑性：材料在外力作用下能连续地生产塑性变形而不断裂的能力

溶质原子溶入溶剂点阵中，造成强度的提高，这就是固溶强化。

当合金中含有细小弥散的颗粒时，就会对位错运动造成障碍。运动的位错必须与其滑移面上的弥散颗粒交互作用，从而引起变形抗力的提高。这种作用叫作弥散强化。

手工电弧焊原理:用手工操作焊条进行焊接的一种电弧焊方法。

手工电弧焊特点（优点）:手工电弧焊的简便灵活，适应性强，

手工电弧焊特点（不足之处）: 手工电弧焊对焊工的操作技术要求较高，焊接质量在一定程度上决定于焊工的操作技术。此外，手工电弧焊劳动条件差，生产率低。因此，手工电弧焊适用于焊接单件或小批量产品，短的和不规则的、各种空间位置的以及其它不易实现机械化焊接的焊缝。

埋弧自动焊特点（优点）

(1)生产率高由于可用较大焊接电流，加上焊剂与熔渣的隔热作用熔深也大。不开坡口单面一次焊，熔深可达20mm。

(2)焊缝质量高熔渣隔绝空气的保护效果好。熔池金属与熔化的焊剂之间有较充分的时间进行冶金反应，较大限度地减少了焊缝中产生气孔、裂纹的可能性。

(3)劳动条件好既无弧光辐射又无烟尘，劳动环境好。

埋弧自动焊特点（不足之处）

埋弧自动焊的主要缺点一是由于采用颗粒状焊剂堆积形成保护条件，因此，一般只适用于平焊位置。其它焊接位置需采用特殊措施才能保证焊剂覆盖焊接区。二是焊接设备比手工电弧焊设备复杂，灵活机动性也较差，所以较适合于长焊缝的焊接，短焊缝显示不出生产率高的特点。钨极氩弧焊特点（优点）

1) 氩气本身不和金属产生化学反应又不溶于金属，且比空气重25％，能有效地隔绝电弧周围空气。因而可成功地焊接易氧化、氮化及化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。

2)直流正极性电弧(工件接直流电源正极，钨电极接电源负极)稳定，即使在很小的焊接电流(<10A)下仍可稳定燃烧，特别适用于薄板，超薄板的焊接。

3)明弧无渣，熔池可见度好，便于控制，易于实现机械化、自动化和全位置焊接。

4)电弧热源与填充焊丝分别控制，易于实现单面焊双面成形，并由于填充焊丝不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。

钨极氩弧焊特点（不足之处）

1)钨电极承受电流能力有限，所以熔深浅，熔敷率小，生产率低。

2)焊接所用惰性气体(氩气、氦气)较贵，与其它电弧焊方法(手工电弧焊，埋弧焊，CO2气体保护焊)相比，生产成本较高。

3)由于此焊接方法是依靠氩气机械排开空气进行保护，所以焊前对焊件表面的清理工作要求严格。

钨极氩弧焊用途

钨极氩弧焊几乎可以焊所有的金属和合金，但由于生产成本较高，一般仅用于不锈钢、耐热钢以及铜、钛、铝、镁等有色金属的焊接。对于低熔点(低沸点)和易蒸发的铅、锡、锌等金属则难以焊接。由于钨电极承受电流能力有限，从生产率考虑所焊板材范围以3mm以下为宜。对于某些厚壁重要构件(压力容器和管道)要求焊透的坡口打底焊、全位置焊和窄间隙焊也可采用钨极氩弧焊。

熔化极氩弧焊的特点（优点）

1)与钨极氩弧焊一样，它几乎可以焊接所有金属，尤其适合于焊接铝及铝合金，铜合金以及不锈钢等材料。

2)由于用焊丝作电极，电流密度大，因而焊接熔深大，填充金属熔敷速度快，用于焊接厚板铝、铜等金属时生产率比钨极氩弧焊高，焊件变形也小。

3)常采用直流反接，焊接铝及铝合金时有良好的阴极雾化作用。

熔化极脉冲氩弧焊(MIGP)

1)具有较宽的电流调节范围

2)可用较小的平均电流进行焊接，有利于实现全位置焊

3)可有效控制输入热量，改善接头性能

CO2气体保护焊的特点（优点）

1)生产率高。 2)成本低。 3)能耗低 4)适用范围广。 5)抗锈能力强。

6)明弧无渣，熔池便于监视和控制，有利于实现焊接过程的机械化和自动化。

目前，CO2电弧焊由于有氧化性，合金元素易烧损主要用于低碳钢及低合金钢等黑色金属的焊接。对于不锈钢，由于对焊缝金属有增碳现象，影响抗晶间腐蚀性能。因此，用于对焊缝性能要求不高的不锈钢焊件。热轧钢及正火钢的焊接要点是：

①抗热裂性比较好。

②有一定的冷裂倾向。

③沉淀强化的钢种(15MnTi、15MnVN、14MnMoV、18MnMoNb等)有产生再热裂纹的倾向。

④热轧钢在制造厚大件时，有层状撕裂的危险

⑤这类钢不存在热影响区软化问题，但有过热区脆化问题。

低碳调质钢的焊接要点是：

①一般含碳量低，而含锰量高，因此热裂倾向小。高镍低锰类低合金高强钢对液化裂纹比较敏感。

②冷裂纹倾向比较大，但只要工艺合适，冷裂纹是呵以避免的。

③有一定的再热裂纹敏感性(如14MnMoNbB钢中碳化物形成元素Mo、Nb、B 共同作用结果使其易产生再热裂纹)。

④对层状撕裂不敏感。

⑤有过热区脆化和热影响区软化问题。

以k0 <1的合金为例说明成分过冷的形成原因

在一般凝固条件下，固—液界面前沿将发生溶质富集（ k0<1时），这种溶质富集，将导致液相凝固温度T L发生变化，与界面前沿实际温度T a存在差别，从而引起过冷

对于k0 <1的合金，界面前沿液相中的溶质富集将引起液相线温度的降低，若熔体温度低于该合金的液相线温度时，则处于过冷状态，过冷度等于液相线温度与实际温度之差。

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。

石墨形态对灰口铸铁性能的影响

除微量溶于铁素体以外，绝大部分以石墨形式存在，断口呈灰色，是应用最广的铸铁。根据石墨形态不同又可分为普通灰口铸铁（片状）、蠕墨铸铁（蠕虫状）、可锻铸铁（团絮状）、球墨铸铁（球状）

普通灰口铸铁通常指具有片状石墨的铸铁，显微组织是由金属基体（铁素体及珠光体）与片状石墨组成。其抗拉强度、弹性模量比钢低，塑韧性接近于零，为脆性材料，不可锻、冲和焊接成形。但具有优良的铸造性能和切削加工性能。

球墨铸铁不仅具有与钢相近的力学性能，而且也具有良好的铸造性、减摩性及低的缺口敏感性等。

蠕墨铸铁石墨呈短片状，片端钝而圆，类似蠕虫，是介于片状和球状之间的一种过渡形态。承载时应力集中比灰口铁要小得多，但比球墨铸铁大。力学性能介于灰铁和球铁之间。导热性、抗高温生长及抗氧化性比其它铸铁好。

可锻铸铁石墨呈团絮状，大大减轻了石墨对基体的割裂及应力集中作用，因此强度和韧性较灰口铸铁有了很大提高，其抗拉强度最高可达700MPa，伸长率最高达12％，可锻铸铁因此而得名。

形核剂条件

（1）失配度小

（2）粗糙度高

（3）分散性好

（4）高温稳定性好在设计铸件时，应考虑以下几个方面。

1.合理设计铸件壁厚

2.铸件壁厚应尽可能均匀

3.铸件的转角应采用圆角联接

4.增设防裂筋

5.注意缓解收缩应力

铸造工艺图是在零件图上用各种工艺符号表示出工艺方案的图纸，

主要包括：铸件的浇注位置、铸型分型面、型芯的数量、形状及其固定方法、加工余量、拔模斜度、收缩率、浇注系统、冒口、冷铁的尺寸和布置等。