第3章材料成形热过程
第三章粉末冶金
第三章成形 d.弹性后效
加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）到一定数值的 现象。压制过程中，当卸掉压制力并把坯块从模具内取出后，由于弹性 内应力的作用，坯块发生弹性膨胀，这种现象称为弹性后效。
a.粉末颗粒发生位移，填充孔隙，施加压力，密度增加很快； b.密度达到一定值后，粉末体出现一定压缩阻力，由于位移大大减少， 而变形尚未开始，压力增加，但密度增加很少； c.当压力超过粉末颗粒的临界应力时，粉末颗粒开始变形，使坯块密度 继续增大。
图3-10坯块密度的变化规律
第三章成形
（5）压制压力与坯块相对密度的关系 相对密度指物质的密度与参考物质的密度在各自规定的条件下之比，
第三章成形
退火温度： T退 （0.5 ~ 0.6）T熔
退火气氛： a.还原性气氛（氢、离解氨、转化天然气或煤气） b.惰性气氛 c.真空退火
第三章成形
（2）混合 a.混合：将两种或两种以上不同成分的粉末混合 b. 将相同成分而粒度不同的粉末混合（合批） 混合方法：机械法（干混、湿混）和化学法 机械法：干混用于生产铁基制品；湿混用于生产硬质合金。混料设备有
a.普通模压法：将粉末装在模具内，用压机将其成形； b.特殊方法：等静压成形、连续成形、无压成形等。
第三章成形
1.成形前原料准备 （1）退火
将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却(通 常是缓慢冷却，有时是控制冷却)的一种金属热处理工艺。
金属粉末退火的目的： a.氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度； b.消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构； c.防止超细粉末自燃，将其表面钝化。 加工产品退火的目的： a.降低硬度，改善切削加工性； b.消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向； c.细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。
材料成形基本原理课后习题答案
第一章习题1 . 液体与固体及气体比较各有哪些异同点？哪些现象说明金属的熔化并不是原子间结合力的全部破坏？（2）金属的熔化不是并不是原子间结合力的全部破坏可从以下二个方面说明：①物质熔化时体积变化、熵变及焓变一般都不大。
金属熔化时典型的体积变化∆V m/V为3%~5%左右，表明液体的原子间距接近于固体，在熔点附近其系统混乱度只是稍大于固体而远小于气体的混乱度。
②金属熔化潜热∆H m约为气化潜热∆H b的1/15~1/30，表明熔化时其内部原子结合键只有部分被破坏。
由此可见，金属的熔化并不是原子间结合键的全部破坏，液体金属内原子的局域分布仍具有一定的规律性。
2 . 如何理解偶分布函数g(r) 的物理意义？液体的配位数N1、平均原子间距r1各表示什么？答：分布函数g(r) 的物理意义：距某一参考粒子r处找到另一个粒子的几率，换言之，表示离开参考原子(处于坐标原子r=0)距离为r的位置的数密度ρ(r)对于平均数密度ρo（=N/V）的相对偏差。
N1 表示参考原子周围最近邻(即第一壳层)原子数。
r1 表示参考原子与其周围第一配位层各原子的平均原子间距，也表示某液体的平均原子间距。
3．如何认识液态金属结构的“长程无序”和“近程有序”？试举几个实验例证说明液态金属或合金结构的近程有序（包括拓扑短程序和化学短程序）。
答：（1）长程无序是指液体的原子分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液体结构宏观上不具备平移、对称性。
近程有序是指相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有序的原子集团（2）说明液态金属或合金结构的近程有序的实验例证①偶分布函数的特征对于气体，由于其粒子（分子或原子）的统计分布的均匀性，其偶分布函数g(r)在任何位置均相等，呈一条直线g(r)=1。
晶态固体因原子以特定方式周期排列，其g(r)以相应的规律呈分立的若干尖锐峰。
而液体的g(r)出现若干渐衰的钝化峰直至几个原子间距后趋于直线g(r)=1，表明液体存在短程有序的局域范围，其半径只有几个原子间距大小。
工程材料课后习题答案 (2)
参考答案第1章机械工程对材料性能的要求思考题与习题P201.3、机械零件在工作条件下可能承受哪些负荷？这些负荷对零件产生什么作用？p4工程构件与机械零件（以下简称零件或构件）在工作条件下可能受到力学负荷、热负荷或环境介质的作用。
有时只受到一种负荷作用，更多的时候将受到两种或三种负荷的同时作用。
在力学负荷作用条件下，零件将产生变形，甚至出现断裂；在热负荷作用下，将产生尺寸和体积的改变，并产生热应力，同时随温度的升高，零件的承载能力下降；环境介质的作用主要表现为环境对零件表面造成的化学腐蚀，电化学腐蚀及摩擦磨损等作用。
1.4 整机性能、机械零件的性能和制造该零件所用材料的力学性能间是什么关系？p7机器的整机性能除与机器构造、加工与制造等因素有关外，主要取决于零部件的结构与性能，尤其是关键件的性能。
在合理而优质的设计与制造的基础上，机器的性能主要由其零部件的强度及其它相关性能来决定。
机械零件的强度是由结构因素、加工工艺因素、材料因素和使用因素等确定的。
在结构因素和加工工艺因素正确合理的条件下，大多数零件的体积、重量、性能和寿命主要由材料因素，即主要由材料的强度及其它力学性能所决定。
在设计机械产品时，主要是根据零件失效的方式正确选择的材料的强度等力学性能判据指标来进行定量计算，以确定产品的结构和零件的尺寸。
1.5常用机械工程材料按化学组成分为几个大类？各自的主要特征是什么？p17机械工程中使用的材料常按化学组成分为四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。
1.7、常用哪几种硬度试验？如何选用P18？硬度试验的优点何在P11？硬度试验有以下优点：●试验设备简单，操作迅速方便；●试验时一般不破坏成品零件，因而无需加工专门的试样，试验对象可以是各类工程材料和各种尺寸的零件；●硬度作为一种综合的性能参量，与其它力学性能如强度、塑性、耐磨性之间的关系密切，由此可按硬度估算强度而免做复杂的拉伸实验（强韧性要求高时则例外）；●材料的硬度还与工艺性能之间有联系，如塑性加工性能、切削加工性能和焊接性能等，因而可作为评定材料工艺性能的参考；●硬度能较敏感地反映材料的成分与组织结构的变化，故可用来检验原材料和控制冷、热加工质量。
材料成型技术基础第2版课后习题答案
第一章金属液态成形1.①液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。
②流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。
流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。
③成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。
④相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。
2.浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。
3.缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。
缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。
4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。
浇不足是沙型没有全部充满。
冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。
出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。
而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。
逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。
定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。
5.定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。
铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称作同时凝固。
材料成型原理(材料成形热过程) 资料习题
材料成型原理（材料成形热过程） 资料习题1、与热处理相比，焊接热过程有哪些特点？答：（1）焊接过程热源集中，局部加热温度高（2）焊接热过程的瞬时性，加热速度快，高温停留时间短（3） 热源的运动性，加热区域不断变化，传热过程不稳定。
2、影响焊接温度场的因素有哪些？试举例分别加以说明。
•热源的性质•焊接工艺参数•被焊金属的热物理性质•焊件的板厚和形状3、何谓焊接热循环？答：焊接热循环：在焊接热源的作用下，焊件上某点的温度随时间的变化过程，即焊接过程中热源沿焊件移动时，焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低随时间的变化。
焊接热循环具有加热速度快、峰值温度高、冷却速度大和相变温度以上停留时间不易控制的特点3、焊接热循环的主要参数有哪些？它们对焊接有何影响？•加热速度•峰值温度•高温停留时间•冷却速度 或 冷却时间决定焊接热循环特征的主要参数有以下四个：（1）加热速度ωH 焊接热源的集中程度较高，引起焊接时的加热速度增加，较快的加热速度将使相变过程进行的程度不充分，从而影响接头的组织和力学性能。
（2）峰值温度Ｔmax 。
距焊缝远近不同的点，加热的最高温度不同。
焊接过程中的高温使焊缝附近的金属发生晶粒长大和重结晶，从而改变母材的组织与性能。
（3）相变温度以上的停留时间t H 在相变温度T H 以上停留时间越长，越有利于奥氏体的均匀化过程，增加奥氏体的稳定性，但同时易使晶粒长大，引起接头脆化现象，从而降低接头的质量。
（4）冷却速度ωC (或冷却时间t 8 / 5) 冷却速度是决定焊接热影响区组织和性能的重要参数之一。
对低合金钢来说，熔合线附近冷却到540℃左右的瞬时冷却速度是最重要的参数。
也可采用某一温度范围内的冷却时间来表征冷却的快慢，如800～500℃的冷却时间t 8 / 5，800～300℃的冷却时间t 8/3，以及从峰值温度冷至100℃的冷却时间t 100。
5、焊接热循环中冷却时间5/8t 、3/8t 、100t 的含义是什么？焊接热循环中的冷却时间5/8t 表示从800︒C 冷却到500︒C 的冷却时间。
第三章 材料的力学行为习题参考答案
第三章材料的力学行为习题参考答案一、解释下列名词1、加工硬化2、回复3、再结晶4、热加工5、冷加工答：1、加工硬化：随着塑性变形的增加，金属的强度、硬度迅速增加；塑性、韧性迅速下降的现象。
2、回复：加热温度较低时，变形金属中的一些点缺陷和位错，在某些晶内发生迁移变化的过程。
3、再结晶：被加热到较高的温度时，原子也具有较大的活动能力，使晶粒的外形开始变化。
从破碎拉长的晶粒变成新的等轴晶粒。
和变形前的晶粒形状相似，晶格类型相同，把这一阶段称为“再结晶”。
4、热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。
5、冷加工：在再结晶温度以下进行的压力加工。
二、填空题1、塑性变形的方式主要有滑移和孪生，而大多数情况下是滑移。
2、滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面及晶向发生。
3、在体心立方晶格中, 原子密度最大的晶面是{110}，有 6 个，原子密度最大的晶向是<111>，有2个；在面心立方晶格中, 原子密度最大的晶面是{111}，有 4 个，原子密度最大的晶向是<111>，有3个。
两者比较，具有面心立方晶格的金属塑性较好，其原因是滑移系和滑移方向多。
4、多晶体金属的塑性变形由于受到晶界和晶粒位向的影响，与单晶体金属相比，塑性变形抗力增大。
5、金属在塑性变形时,随变形量的增加，变形抗力迅速增大，即强度、硬度升高，塑性、韧性下降，产生所谓加工硬化现象。
这种现象可通过再结晶加以消除。
6、变形金属在加热时，会发生回复、再结晶和晶粒长大三个阶段的变化。
7、冷绕成形的钢质弹簧，成形后应进行回复退火，温度约为250～300℃。
8、回复退火也称去应力退火。
9、冷拉拔钢丝, 如变形量大, 拉拔工序间应穿插再结晶退火，目的是消除加工硬化。
10、热加工与冷加工的划分应以再结晶温度为界线。
在再结晶温度以下的塑性变形称为冷加工；在再结晶温度以上的塑性变形称为热加工。
三、简答题1、产生加工硬化的原因是什么？加工硬化在金属加工中有什么利弊？答：⑴随着变形的增加，晶粒逐渐被拉长，直至破碎，这样使各晶粒都破碎成细碎的亚晶粒，变形愈大，晶粒破碎的程度愈大，这样使位错密度显著增加；同时细碎的亚晶粒也随着晶粒的拉长而被拉长。
焊接成型技术
第三章焊接成型技术☆定义：用加热或加压等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来的方法。
☆分类：☆特点：1.接头牢固密封性好2。
可化大为小，以小拼大 3.可实现异种金属的连接4.重量轻加工装配简单 5.焊接结构不可拆卸6.焊接应力变形的，接头易产生裂纹、夹渣、气孔等缺陷一、焊接成形的理论基础1.电弧焊过程加热→融化→冶金反应→结晶→固态相变→形成接头2焊接电弧1)形成焊接电弧：焊接电源供给的，是具有一定电压的两极间或电极与焊件间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象.电弧实质是一种气体放电现象。
a)当焊条与焊件间有足够电压时，接触时，相当于电弧焊电源短路,接触点及短路电流很大，产生大量的电阻热，使金属熔化，汽化，引起强烈的电子发射和气体电离。
b）焊条与焊件拉开一点距离，由于电源电压的作用，在这段距离内会形成很强的电场，促使产生的电子发射，同时加速气体的电离,使带电粒子在电场力作用下定向运动.c)电弧焊电源不断共给电能,新的带电粒子不断得到补充,形成连续燃烧的电弧。
2）电弧的组成及热量分布阴极区：发射大量电子消耗一定能量，36% ，2400k阳极区：高速电子的撞击,传入较多能量，42％，2600k弧柱区：21% ，5000—8000k3）电弧的极性直流电源：①正接极：焊接较厚材料,将焊件接正极；②反接极:焊接较薄材料，将焊件接负极。
交流电源：极性交替变化，阴阳极区的温度和热量分布基本相等。
3.焊接电弧热过程特点及影响1）特点①焊接时的加热不是焊件的整体受热，而是加热局部区域，因此,对于整个焊件来说，受热极不均匀。
②焊接热过程是一个瞬时进行的过程，由于在高度集中的热源作用下，加热速度极快。
③焊接热过程中的热源是相对运动着的,由于焊接时焊件受热的区域不断变化，使得其传热过程不稳定。
2）焊接热过程对焊接质量和焊接生产率的影响①焊接时，熔池金属会与气体发生反应,从而改变金属的化学成分，而在冷却凝固时得到不同的组织，使焊缝金属产生缺陷进而使其性能发生很大变化。
工程材料与材料成型技术教案
教案（理论课）2010～2011学年第2学期课程名称工程材料与成形技术基础教学系机械工程系授课班级焊接091主讲教师晏丽琴职称讲师培黎工程技术学院二○一一年二月课程基本情况系主任：年月日目录第一章绪论第一节材料加工概述一、材料加工概述二、材料加工的基本要素和流程第二节材料成形的一些基本问题和发展概况一、凝固成形的基本问题和发展概况二、塑性成形的基本问题和发展概况三、焊接成形的基本问题和发展概况四、表面成形的基本问题和发展概况第三节本课程的性质和任务绪论学习思考问题·材料加工的基本要素和流程是什么？·材料成形存在的基本问题是什么?·本课程的性质和基本任务是什么?一、材料加工概述任何机器或设备，都是由许许多多的零件装配而成的。
这些零件所用材料有金属材料，也有非金属材料。
零件或材料的加工方法多种多样，归纳起来有以下4类：(1)成形加工：用来改变材料的形状尺寸，或兼有改变材料的性能。
主要有凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制和塑料成形等。
(2)切除加工：用于改变材料的形状尺寸，主要有车、铣、刨、钻、磨等传统的切削加工，以及直接利用电能、化学能、声能、光能进行的特殊加工，如电火花加：[、电解加工、超声加工和激光加工等。
(3)表面成形加工：用来改变零件的表面状态和(或)性能，如表面形变及淬火强化、化学热处理、表面涂(镀)层和气相沉积镀膜等。
(4)热处理加工：用来改变材料或零件的性能，如退火、正火、淬火和回火等。
根据零件的形状尺寸特征、工作条件及使用要求、生产批量和制造成本等多种因素，选择零件的加工方法，以达到技术上可行、质量可靠和经济上合理。
零件制成后再经过检验、装配、调试，最终得到整机产品。
二、材料加工的基本要素和流程材料加工方法的种类虽然繁多，但通过对每种材料加工方法的过程分析表明，它们都可以用建立在少数几个基本参数基础上的统一模式来描述。
该模式便于对各种加工方法进行综合分析和横向比较。
粉末冶金原理第三部分 粉末成形技术
2 研究对象
材料设计的概念
工程应用(服役情况)→性能要求→材料 性能(经济性)设计→微观结构设计→材 质类型、加工工艺设计
研究粉末类型、加工工艺参数与材料 微观结构及部件几何性能间的关系
研究粉末冶金加工过程中 的相关工程科学问题 即研究粉末成形与烧结过 程中的工程科学问题
第一部分
4） 制粒 pelletizing or granulating 细小颗粒或硬质粉末 为了成形添加成形剂 改善流动性添加粘结剂 进行自动压制或压制形状较复杂的大 型P/M制品 粉末结块 原理 借助于聚合物的粘结作用将若干细小 颗粒形成团粒
减小团粒间的摩擦力 大幅度降低颗粒运动时的摩 擦面积 制粒方法 擦筛制粒 旋转盘制粒 挤压制粒 喷雾干燥
非模压成形 冷、热等静压，注射成形，粉 末挤压， 粉末轧制，粉浆浇注，无模成 型，喷射成 形，爆炸成形等
第一章 粉末压制 Powder Pressing or Compaction
§1 压制前粉末料准备 1) 还原退火 reducing and annealing 作用: 降低氧碳含量，提高纯度 消除加工硬化，改善粉末压制 性能（前者亦然）
2.2 弹性后效 Springback 反致密化现象 压坯脱出模腔后尺寸胀大 的现象 残留内应力释放的结果 弹性后效与残留应力相关 压制压力 粉末颗粒的弹性模量
粉末粒度组成（同一密度） 颗粒形状 颗粒表面氧化膜 粉末混合物的成份 石墨含量
3 压坯强度 Green strength
2.2 大程度应变的处理 自然应变 ε =∫LLodL/L=ln(L/Lo) 若压坯的受压面积固定不变， 则 ε =-ln[(V-Vm)/(Vo-Vm)] =ln{[(ρ mρ o)ρ ]/[(ρ m-ρ )ρ o]}
第3章 金属材料的塑性成形——压力加工
其优劣主要取决于金属本身和变形时的外部条件。
影响可锻性的因素
(1) 金属的成分：纯金属好于合金，fcc好于bcc好 于hcp，低碳钢优于高碳钢，低碳低合金钢优于 高碳高合金钢；有害杂质元素一般使可锻性变坏
(2) 金属的组织：单相组织好于多相组织；铸态下 的柱状组织、粗晶粒组织、晶界上存在偏析或有 共晶莱氏体组织使可锻性变差
2、研究与开发塑性加工过程的计算机模拟技术与模具 CAD/CAE/CAM技术等。
3、研究与开发柔性成形技术、增量成形技术、净成形技 术、近净成形技术、复合成形技术等。
4、研究与开发使环境净化的加工技术，如低噪音、小/ 无震动、节省能源、资源或再利用的加工技术。
§3.2 金属的塑性加工成形性
金属的塑性加工成形性/可锻性(Forgeability) ： 用来衡量金属在外力作用下发生塑性变形而不易 产生裂纹的能力，是金属重要的工艺性能之一；
(3) 加工条件 1) 变形温度：一般变形温度的升高，可提高金 属的可锻性；但注意过热、过烧问题
不同合金系8种典型金属的可锻性
Ⅰ—纯金属及单相合金(铅合金、 钼合金、镁合金)；Ⅱ—纯金属及 单相合金(晶粒长大敏感者)(铍、镁 合金、钨合含、钛合金)；Ⅲ—具 有不溶解组分的合金(高硫钢，含 硒不锈钢)；Ⅳ—具有可溶组分的 合金(含氧化物的钼合金，含可溶 性碳化物和氮化物的不锈钢)； Ⅴ—加热时形成有塑性第2相的合 金(高铬不锈钢)；Ⅵ—加热时形成 低熔点第2相的合金(含硫的铁、含 锌的镁合金)；Ⅶ—冷却时形成有 塑性第2相的合金(碳钢和低合金钢 、-钛合金和钛合金)；Ⅷ—冷 却时形成脆性第2相的合金(高温合
可显著减小总变形力，用小设备加工大零件。
材料成型概论 第三章 轧制成型2
轧机按轧辊装配形式分类
按轧辊的数目、放置、大小来区分轧机的基本型式 为：表3－2
3.4.1 轧钢生产系统
轧钢生产工艺过程： 由钢锭或钢坯轧成具有一定规格和性能的钢材的一 系列加工工序的组合。
❖ 在提高质量和产量的同时，力求降低成本是制定轧 钢生产工艺过程的总任务和总依据。
❖ 碳素钢和合金钢的基本典型生产工艺过程如下图所 示。
3.4.1 轧钢生产系统
轧钢生产工艺过程总包括六大工序： 热轧工艺系统—— 坯料准备→加热→轧制→冷却→精整→验收入库 冷轧工艺系统—— 坯料准备→酸洗→轧制→退火→精整→验收入库
材料也比较稀贵，产量不大而产品种类繁多。 ❖ 常属中型或小型的型钢生产系统或混合生产系统。
❖ 各种轧钢生产系统组成见下表。
3.4.1 轧钢生产系统
轧材生产系统的发展： ❖ 向大型化、连续化、自动化方向发展。 ❖ 工艺流程经历了“长流程”到“短流程”的发展过
程。 ❖ 目前“长流程”和“短流程”共存。 ❖ 长流程主要吃铁水，短流程主要吃废钢。
❖ 采用连铸板坯作为轧制板带钢的原料是今后发展的 必然趋势。
3.4.1 轧钢生产系统
型钢生产系统 热轧线材、热轧棒材、热轧H型钢、热轧型钢
❖ 型钢生产系统的规模往往不很大，就规模而言可分 为大型、中型和小型三种生产系统。
❖ 年产100万t以上的称大型生产系统；年产30～ 100万t称中型生产系统；年产30万t以下的称小型 生产系统。
第三章 金属的塑性变形
纯金属的最低再结晶温度 与其熔点之间的近似关系: T再≈0.4T熔 其中T再、T熔为绝对温度.
金属熔点越高, T再也越高.
T再与ε的关系
T再℃ = (T熔℃+273)×0.4–273，如Fe的T再=(1538+273)×0.4–273=451℃
影响再结晶退火后晶粒度的因素
钛合金六方相中的形变孪晶
奥氏体不锈钢中退火孪晶
二、单晶体的塑性变形 分析单晶体的塑性变形，实际上就是分析 晶内变形。 单晶体塑性变形的主要方式有滑移和孪晶。 根据晶体结构 理论，任何一块单 晶体都包含有若干 不同方向的晶面。
外 力 在 晶 面 上 的 分 解 切 应 力 作 用 下 的 变 形 锌 单 晶 的 拉 伸 照 片
580º C保温8秒后的组织
580º C保温15分后的组织 700º C保温10分后的组织
第四节
金属的热加工
• 一、冷加工与热加工的区别
• 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温
度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷 加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。
轧制
模锻
拉拔
• 如 Fe 的再结晶温度为451℃，其在400℃ 以下的加 工仍为冷加工。而 Sn 的再结晶温度为-71℃，则其 在室温下的加工为热加工。 • 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化 所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。
铁素体变形80%
碎拉长的晶粒变为完整
的等轴晶粒。
650℃加热
• 这种冷变形组织在加热
时重新彻底改组的过程
称再结晶。
670℃加热
• 再结晶也是一个晶核形成 和长大的过程，但不是相 变过程，再结晶前后新旧 晶粒的晶格类型和成分完 全相同。
第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化
3.1 金属的凝固（solidification of metal） 金属的凝固（ metal） 3.2 铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 铸造、 3.3 冷塑性变形过程中的材料行为及性能变化 3.4 热塑性变形过程中的材料行为及性能变化 退出
第3章 金属材料成形过程中的行为与性能变化
作业： ， ， ， ， 。 作业：3，4，6，9，10。
本章结束
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图3-1 纯金结晶时冷却曲线示意图
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图3-2 纯金属结晶过程示意图 返回
图3-3 钢锭中的树枝状晶体
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图3-4 树枝状晶体生长示意图
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图3-5 形核率和长大速率与过冷度的关系曲线
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图3-6 铸件的宏观组织形成过程示意图
•零件常用的成形方法： 零件常用的成形方法： 零件常用的成形方法 整体凝固成形。 铸 件——整体凝固成形。 整体凝固成形 焊 件——局部熔化（凝固）连接成形。 局部熔化（ 局部熔化 凝固）连接成形。 其它件——塑性成形（包括切削成形）， 塑性成形（包括切削成形） 其它件 塑性成形 如锻件、冲压件及机制件。 如锻件、冲压件及机制件。 •成形过程中材料内部组织结构有变化 材料行 成形过程中材料内部组织结构有变化→材料行 成形过程中材料内部组织结构有变化 为、性能变化。 性能变化。
3.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化 3.2铸造、焊接过程中材料行为及性能变化
3.2.1 铸锭组织（ingot microstructure） 铸锭组织（ microstructure） •实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在①模壁作用 实际结晶时，液态金属在模腔中凝固，存在① 实际结晶时 方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织。 ②方向性散热，最终形成三晶区的铸锭组织。 图3-6 表面细等轴晶区：模壁激冷（ 及非自发形核→细 表面细等轴晶区：模壁激冷（大△T ）及非自发形核 细 小晶粒薄层，无实用价值。 小晶粒薄层，无实用价值。 且方向性散热→垂直模壁单相长 柱 状 晶 区：△T↓且方向性散热 垂直模壁单相长 且方向性散热 柱晶， 大 →柱晶 ， 致密但粗大 ， 性能有方向 柱晶 致密但粗大， 性且柱晶间为薄弱环节。 性且柱晶间为薄弱环节。 晶区：温度均匀，到处同时形核、各向长大， 中心 等轴 晶区：温度均匀，到处同时形核、各向长大， 晶粒较小，性能较好。 晶粒较小，性能较好。
第三章 先进制造工艺技术 第二节 材料受迫成形工艺技术
卧式离心铸造
挤压铸造
2、清洁铸造技术
1、采用洁净能源。以铸造焦代替冶金焦，以少粉尘、少熔渣的感应电炉 熔化代替冲天炉熔化，以减轻熔炼过程中对空气的污染。 2、采用无砂或少砂的特种铸造工艺，如压力铸造、金属型铸造等，改善 操作者工作环境。 3、研究并推广使用清洁无毒的工艺材料。 4、采用高溃散性型砂工艺，如树脂砂、改性脂硬化水玻璃砂工艺 5、研究开发多种废弃物的再生和综合利用技术，如铸造旧砂的再生回收 技术、熔炼炉渣的处理和综合利用技术。 6、研制开发铸造机器人或机械手，以代替工人在恶劣条件下工作。
超塑性拉伸的Zn-Al合金试样
经典的超塑性气 压阴模成形工艺 示意图
超塑性气压成形过程中施加“背压”的作 用—在材料中形成静水压，防止产生“空 洞”。
超塑性成形的火箭发动机涡轮盘（材料Ti-6Al-4V合金）
超塑性成形的飞机发动机压气 机盘（材料：TC11钛合金）
3、精密冲裁工艺
精密冲裁是使冲裁件呈纯剪切分离的冲裁工艺，在普通冲 裁工艺基础上通过改进模具来提高制件的精度，使冲裁件 尺寸精度可达IT6～IT9级，断面粗糙度Ra值为1.6～0.4μm 。 精密冲裁通常通过光洁冲裁、负间隙冲裁、带齿圈压板冲 裁等工艺手段来实现。
金属的超塑性主要有两种类型：
（1）细晶超塑性，又称组织超塑性或恒温超塑性，其超塑性产生的内
在条件是具有均匀、稳定的等轴晶组织，晶粒尺寸通常小于10微米； 外在条件是应变速率要比普通金属应变速率至少低一个数量级； （2）相变超塑性，又称为环境超塑性，是指在材料相变点上下进行温度 变化循环的同时对试样加载，经多次循环试样得到积累的大变形。
热固性材料
在受热或其它条件下能固化成不熔不溶性物质的塑 料 ，其分子结构最终为体型结构。（变化过程不 可逆） （酚醛塑料、氨基塑料、环氧塑料、聚邻苯二甲酸 、二烯丙酯、有机硅塑料、硅酮塑料
材料成形原理考点
• 液态成型基础 • 液态金属的结构和性质 晶体的结构和性能主要决定于：组成晶体的原子结构和他们之间的相互作用力与热运动。
液态金属的主要特征：进程有序，远程无序。
原子排列的几个原子间距的小范围内，与其固态原子的排列方式基本一致，呈现出一定的有规律排列；而距离远的原子排列就不同于固态了，表现为无序状态。
理论模型：钢球模型，晶体缺陷模型（能量起伏和结构起伏）。
能量起伏：处于热运动的原子能量有高有低，同一原子的能量也随时间不停变化，时高时低。
表现为各个原子间能量的不同和各个原子集团间尺寸的不同。
结构起伏：液态金属中存在由大量不停游动着得原子集团组成，集团内为某种有序结构，处于集团外的原子则处于散乱的无序状态，并且这些原子集团不断的分化组合，时而长大时而减小，时而产生，时而消失，此起彼伏。
浓度起伏：游动集团之间存在着成分不均匀性。
表现为各个原子集团之间成分的不同。
实际金属和合金的液体在微观上是由成分和结构不同的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态杂质或化合物组成，而且还表现出能量起伏、结构起伏及浓度起伏等三种起伏特征。
粘滞性（黏度）的本质：质点间结合力的大小。
影响黏度的因素：温度，熔点，杂质。
黏度对液态形成过程的影响：a 对液态金属留态的影响b 对液态金属净化的影响 表面张力是表面上存在的一个平行于表面且各向大小相等的张力。
本质：表面张力是由于物质在表面上的质点受力不均匀而产生的。
影响界面张力的因素：熔点↑，温度↓，溶质（降低的称为表面活性物质，增加的称为非表面活性物质）。
表面张力引起的附加压力：液面凸起（不润湿）为正，液面下凹为负。
• 液态金属的充型能力及其影响因素 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。
液态金属的充型能力首先取决于金属本身的流动能力（流动性）同时又受外界条件，如铸型性质，浇注条件，铸件结构等的影响。
流动性：铸造性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。
工程材料与材料成型技术教案
教案（理论课）2010～2011学年第2学期课程名称工程材料与成形技术基础教学系机械工程系授课班级焊接091主讲教师晏丽琴职称讲师培黎工程技术学院二○一一年二月课程基本情况(4)热处理加工：用来改变材料或零件的性能，如退火、正火、淬火和回火等。
根据零件的形状尺寸特征、工作条件及使用要求、生产批量和制造成本等多种因素，选择零件的加工方法，以达到技术上可行、质量可靠和经济上合理。
零件制成后再经过检验、装配、调试，最终得到整机产品。
二、材料加工的基本要素和流程材料加工方法的种类虽然繁多，但通过对每种材料加工方法的过程分析表明，它们都可以用建立在少数几个基本参数基础上的统一模式来描述。
该模式便于对各种加工方法进行综合分析和横向比较。
任何一种材料的加工过程，都是为了达到材料的形状尺寸或性能的变化。
而为了产生这种变化，必须具备三个基本要素：材料、能量和信息（图1.2）。
因而材料的加工过程，可以用相关材料流程、能量流程和信息流程来描述。
三大流程：1.材料流程表征加工过程特点的类型；要改变形状尺寸和性能的材料状态；能够用来实现这种形状尺寸和性能变化的基本过程；2.能量流程包括机械过程的能量流程，热过程能量：电能、化学能、机械能3.信息流程形状信息、性能信息三、自发过程四、界面张力第三节形核一、凝固的热力学条件二、自发形核三、非自发形核四、形核剂第四节生长一、固液界面的结构二、生长方式三、生长速度第五节溶质再分配一、溶质再分配与平衡分配系数二、非平衡凝固时的溶质再分配三、成分过冷判据四、成分过冷与晶体生长形态五、微观偏析六、宏观偏析第六节共晶合金的凝固第七节金属及合金的凝固方式一、凝固区特性与凝固质量的关系二、凝固动态曲线与凝固方式三、凝固方式的影响因素第八节凝固成形的应用一、铸造生产过程中的凝固控制二、焊接生产中的凝固过程控制三、陶瓷与粉末合金制备过程中的凝固现象思考与练习第三章材料成形热过程第一节焊接成形过程一、焊接热过程特点二、焊接过程热效率第二节焊接温度场一、焊接传热形式及传导基本方程二、焊接湿度场的数学表述法数学解析的假定条件三、瞬时热源的热传导过程四、影响焊接温度场的因素第三节焊接热循环一、焊接热循环的主要参数二、多层焊热循环三、影响焊接热循环的因素第四节凝固成形热过程一、凝固成形热过程特点及热效率二、凝固成形热温度场第五节塑性成形热过程特点及温度场一、塑性成形热过程的基本特点二、塑性成形加热过程的热效率三、塑性成形的温度场思考与练习第四章塑性成形理论基础第一节金属冷态下的塑性变形一、冷塑性变形机理二、冷塑性变形特点三、冷塑性变形对金属组织和性能的影响铸造成形2．1概述铸造是液态金属成形的方法铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等处力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件的生产过程，是生产金属零件和毛坯的主要方式之一。
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§3-4 焊接成形热过程 焊接热循环 800500℃冷却时间τ8/5实测值与计算值对比（低合金钢埋弧焊）
防止氧 化和脱 碳的措 施
采用快速加热
电感应加热 接触加热
控制炉气的性质 减少空气过剩量 减少水分
采用介质保护加热
气体保护介质 液体保护介质 固体保护介质
3-3 焊接成形热过程
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
• 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的 方式可以简化为： 1） 厚大焊件—点状热源—三维温度 场
高温阶段，各种钢的 热扩散率基本趋于一 致，都较低。但高温 阶段钢具有良好的塑 形，加热引起的应力 并无危险，此时均可 快速加热。
§3-2 塑性成形热过程
2.钢在加热过程中的氧化及脱碳
氧化铁皮形成过程
§3-2 塑性成形热过程
影响氧化 的因素
炉气性质 加热温度 加热时间 钢的化学成分
§3-2 塑性成形热过程
冲天炉热 效率 30%50%
预热区 20% 熔化区 60% 过热区7%
§3-1 凝固成形热过程
二、冷却凝固的热过程特点及效率
铸件成形温度场的简化 一维导热铸件凝固过程，将铸件和铸 型的温度分布用直线近似： 铸件中的导热热流密度: q1=△T1λs/x1 铸件与铸型界面换热热流密度： q2=αi △T2 铸型中的导热热流密度: q3= △T3λM/x2
钢种
相变点
平衡状 态/ ℃
45号
AC1
730
AC3
770
40Cr
AC1
740
AC3
780
23Mn
AC1
735
AC3
830
AC1
740
30CrMnSi
AC3
820
AC1
710
18Cr2WV
AC3
810
加热速度ωH/（ ℃ /s）
6-8
40-50
250300
14001700
770
775
790
840
820
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
离焊缝不同距离各点的焊接热循环
焊接的加热不均匀性是导致焊接接头组织不均匀性 和性能不均匀性的重要原因
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
回顾：铁碳合金相图
A
B
H
L
1400 N J
1200
L+A
A
E
C
1000 G A+F
800
Acm线
A+Fe3C
FP S
600
Q
A3线
400
A1线
F+Fe3C
200
Fe
1
2
3 w(c)% 4
5
D L+Fe3C
F
K
Fe3C
6 6.69
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
单层电弧焊和电渣焊低合金钢时近缝区热循环参数
焊接方 法
钨极氩 弧焊
埋弧自 动焊
电渣焊
板厚 /mm
1 2
3 5 10 15 25
50 100 100 220
脱碳 钢在高温加热时，其表层的碳和炉气中的氧化性气 体，氧、一氧化碳、水以及还原性气体氢气，发生 化学反应，造成钢表层含碳量减少，这种现象称为 脱碳。
影响 脱碳 因素
炉气成分 加热温度 加热时间
§3-2 塑性成形热过程 表面变软
脱碳的危害
强度降低
耐磨性降低
脱碳层厚度与机械加工余量的关系 精密锻造
§3-2 塑性成形热过程
二、多层焊接热循环
1.长段多层焊接热循环 长段焊道差不多在1m以上，这样焊完第一层再焊第二层时， 第一层焊缝基本上冷却到100℃~200℃以下
§3-4 焊接成形热过程 焊接热循环
低合金钢V形坡口三层焊时1点的冷却曲线
§3-4 焊接成形热过程 焊接热循环
2.短段多层焊接热循环 短段焊道一般约50~400mm左右，在这种情况下，前层焊缝 还未冷却到较低温度（如Ms点）时，就开始焊接下一层焊缝。
835
860
950
735
750
770
840
775
800
850
940
750
770
785
830
810
850
890
940
740
775
825
920
790
835
890
980
800
860
930
1000
860
930
1020 1120
AC1和AC3的温度/ ℃
40-50
250300
14001700
45
60
110
65
5
1
有焊剂垫
1.0
0.3
2.3
0.7
0.83 0.28
0.8
0.25
双丝 三丝 板极 双丝
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
一、焊接热循环的主要参数
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
1.加热速度 ωH
加热速度对相变点Ac1和Ac3及其温差的影响
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
影响焊接温度场的因素
（2）焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入） 当速度v＝常数时，随q的增加，某一温度的等 温线所包围的面积增大
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
（3） 被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散 率，比焓，表面传热系数等）
金属热物理性能对温度分布的影响 E=21 kJ/cm（q=4200J/s，v=0.2 cm/s ），h=1 cm
焊接线能量/ （J/cm）
840 1680
3750 7140 19320 42000 105000
504000 672000 117600 966000
900oC时加 热速度/ （℃/s）
900oC以上停留时间/ s
加热时t’ 冷却时t’’
1700
0.4
1.2
1200
0.6
1.8
700
2.0
5.5
400
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
3. 高温停留时间 τH •对于钢来说tH越长，越有利于奥氏体的均 匀化 •温度太高，将会使奥氏体晶粒严重长大， 造成晶粒脆化。
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
4. 冷却速度ω（或冷却时间τ8/5，τ8/3） 冷却速度，特别是在固态相变温度范围
内冷却速度，即800～500℃及800～300℃ 时的冷却速度是焊接热循环中极其重要的 参数，它将决定焊接接头的组织、性能及 接头质量。
§3-1 凝固成形热过程
一、加热熔化的热过程特点及效率 1.凝固成形热过程特点
预热区 熔化区 过热区 炉缸区
§3-1 凝固成形热过程
（1）预热区的 热交换特点
1）炉气给热以 对流方式为主。
2）传递热量大 3）温度变化大
§3-1 凝固成形热过程
（2）熔化区的 热交换特点
1）炉气给热以 对流传热为主。
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
影响焊接温度场的因素
（1）热源的性质（热源能量的集中性） 以电弧焊为例，电弧能量越集中，温度 场范围越小，温度梯度越大
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
影响焊接温度场的因素 （2）焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入）
当热源能量（功率）q＝常数，随焊接速度v的增加， 某一温度的等温线的宽度和长度都变小，用等温线 表示的温度场的形状变的细长
感谢您的听课！
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
5. 冷却时间τc（τ8/5或τ8/3及τ100）
对于一般碳钢及低合金钢常采用固态相 变温度范围的800～500℃冷却时间τ8/5；而对 于 淬 硬 倾 向 比 较 大 的 钢 种 有 时 采 用 800 ～ 300℃冷却时间τ8/3或由峰值温度冷至100℃的 冷却时间τ100。
§3-1 凝固成形热过程
3.厚壁金属型中凝固温度的分布特点 凝固金属和铸型热阻较大，涂层薄，热阻小 热扩散过程取决于铸件和铸型的热物理性质
△T1 ：△T2：△T3 = x1/λs：1/αi ： x2/λM
厚壁金属型时凝固的温度分布
§3-1 凝固成形热过程
4.水冷金属型中凝固温度分布特点 传热主要热阻是凝固金属
焊件及热源形式
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
• 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式 可以简化为： 2） 薄板焊件—线状热源—二维温度场
焊件及热源形式
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
• 根据焊件的厚度和尺寸形状，传热的方式 可以简化为： 3） 细棒对接—面状热源—一维温度场
焊件及热源形式
为了方便，在理论计算的基础上建立了 不同条件下从线算图上直接获取τ8/5或τ8/3的图 解法。
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
a）τ8/5
b)τ8/3
手弧焊线算图
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
冷却时间τ100与E，h，T0的关系（B-预热宽度）
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
§3-3 焊接成形热过程---焊接温度场
（4）焊件的板厚及形状
薄板焊接的温度场分布
Review
材料成形热过程 凝固 塑性 焊接
§3-4 焊接成形热过程---焊接热循环
3.4 焊接热循环
焊接时焊件在加热和冷却过程中温度随时间的变化。 即焊件上某点的温度是随时间由低到高达到最大值后 又由高到低的变化。称为焊接热循环。