材料成型基本原理课件_3
材料成型原理与工艺
04
材料成求极高，需要具备轻质、高强度、 耐高温等特性。材料成型原理与工艺的发展为航空航天领域 提供了更多的选择，如钛合金、复合材料等。
这些新型材料的应用有助于减轻飞机和航天器的重量，提高 其性能和安全性。
汽车工业领域的应用
随着环保意识的提高和新能源汽车的 兴起，汽车工业对轻量化材料的需求 越来越大。
件。
锻造工艺
01
02
03
04
自由锻造
利用自由锻锤或压力机对坯料 进行锻打，形成所需形状和尺
寸的锻件。
模锻
利用模具对坯料进行锻打，使 坯料在模具中形成所需形状和
尺寸的锻件。
热锻
将坯料加热至高温后进行锻打 ，使材料易于塑性变形。
冷锻
在常温下对坯料进行锻打，适 用于塑性较差的材料。
焊接工艺
熔化焊
压力焊
材料成型原理与工艺的发展使得汽车 零部件的制造更加高效、精确，如铝 合金、镁合金等轻质材料的广泛应用 ，有助于降低汽车能耗和排放。
能源领域的应用
能源领域如核能、太阳能等需要大量的特殊材料，如耐高 温、耐腐蚀的材料。
材料成型原理与工艺的进步为能源领域提供了可靠的材料 解决方案，如高温合金、耐腐蚀涂层等，有助于提高能源 利用效率和安全性。
材料成型原理与工艺
• 材料成型原理概述 • 材料成型工艺介绍 • 材料成型原理与工艺的发展趋势 • 材料成型原理与工艺的应用前景
01
材料成型原理概述
材料成型的基本概念
材料成型是通过物理或化学手 段改变材料的形状，以达到所 需的结构和性能的过程。
材料成型涉及多种工艺和技术， 如铸造、锻造、焊接、注塑等。
泡沫金属
通过在金属基体中引入孔洞，制备 出具有轻质、高比强度的泡沫金属 材料。
材料成型PPT课件
3、铸型填充条件
• （1）铸型导热能力 铸型材料导热系数和比容↑，对合金的激冷
作用越强，合金的充型能力↓。 • （2）铸型温度
铸型温度↑，充型能力↑。 • （3）铸型的阻力
阻力↑，则充型能力↓。 （型腔越狭窄、复杂，铸型材料发气量大）
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二、合金的收缩性
1、合金收缩的概念
• 定义：合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程 中
变量与深度。 柔性最好，不受复杂程度的限制。
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第一篇 金属的铸造成形工艺
第一章 铸造成形工艺理论基础
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§1.1 铸造成形工艺的特点和分类
• 定义：将液态金属浇入到具有与零件形状、尺寸 相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，以获得 毛坯、或零件的工艺方法，称为“铸造”。 铸件：通过铸造成形得到的毛坯、零件。
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板料成形
Sheet-Metal Forming Processes
1 应用背景
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焊接 Welding
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铸造
Casting
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非金属材料成形
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锻造 Forging
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3、发展趋势：
（1）精密的材料成形
近无余量成形。
精铸、精密压力加工、精密焊接与切割等。
• 铸件结构复杂↑ ，铸型硬度↑ ，芯骨粗大↑ ，则收
缩阻力↑ ，收缩率↓
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3、铸件中的缩孔与缩松 （1）缩孔与缩松的形成 液态收缩和凝固收缩、容积得不到补足。 ①缩孔的形成
液态金属充满铸型铸件外壳液面下降最后凝固部位
金属塑性成形课件
2023-11-06•金属塑性成形概述•金属塑性成形工艺•金属塑性成形设备•金属塑性成形技术的发展趋势•金属塑性成形过程中的缺陷与质量控制目•金属塑性成形实例分析录01金属塑性成形概述金属塑性成形是一种使金属材料发生塑性变形，以获得所需形状、尺寸和性能的加工方法。
金属塑性成形广泛应用于机械制造、航空航天、汽车、电子等领域，是一种重要的材料加工技术。
金属塑性成形的定义金属塑性成形可以制造出复杂形状的零件，并且能够获得较高的精度和表面质量。
与切削加工相比，金属塑性成形具有更高的材料利用率和更低的能耗。
金属塑性成形过程中材料的变形是均匀的，因此可以避免应力集中和裂纹等缺陷。
金属塑性成形的特点03金属塑性成形的基本原理包括应力状态、屈服准则、塑性流动规律等。
金属塑性成形的基本原理01金属塑性成形的原理是基于金属的塑性变形规律，即在外力作用下，金属材料会发生形状和尺寸的变化。
02在金属塑性成形过程中，材料的变形受到应力状态、变形温度、变形速度等因素的影响。
02金属塑性成形工艺自由锻工艺自由锻是利用冲击力或静压力使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义特点流程应用自由锻具有较大的灵活性，可以生产形状各异的锻件，但生产效率较低，适用于单件或小批量生产。
自由锻的流程包括坯料准备、加热、变形和锻后冷却。
自由锻主要用于大型锻件和难变形材料的加工，如轴、轮毂、法兰等。
模锻工艺模锻是利用模具使金属坯料变形，并施加外力将其锻造成所需形状和尺寸的锻造方法。
定义模锻具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具制造成本较高。
特点模锻的流程包括坯料准备、加热、放入模具、变形、锻后冷却和修整。
流程模锻广泛应用于中小型锻件的生产，如齿轮、轴套、法兰等。
应用板料冲压工艺板料冲压是利用冲压机将金属板料变形，并施加外力将其冲制成所需形状和尺寸的加工方法。
定义板料冲压具有较高的生产效率，且能获得较为精确的形状和尺寸，但模具对材料的厚度和硬度有一定要求。
材料成型原理
材料成型原理1.焊接方法分为：熔焊、压焊、钎焊2.焊接接头的形成过程包括：焊接热过程、焊接化学冶金过程、焊接物理冶金过程3.焊接热循环：在焊接中，焊件上某点温度由低到高，达到最大值后，又由高到低的过程4.焊接温度场：焊件上各点在瞬时的温度分布称为“温度场”，也称为焊接温度场5.HAZ:在焊接进行过程中，焊缝周围未熔化的母材在加热和冷却过程中，发生了显微组织和力学性能变化的区域称为“热影响区”，简称HAZ6.熔焊的焊接接头由：焊缝、热影响区、母材，此外，焊缝与热影响区之间有一层过滤区称为：熔合区7.低碳钢HAZ组织性能的分布：①熔合区（成分与组织不均匀分布，过热严重，塑形差，是焊接接头的薄弱环节）②过热区（晶粒严重长大，又称“粗晶区”，晶粒粗化使塑形、韧性下降，慢冷时还会出现魏氏足知，薄弱环节）③相变重结晶区（奥氏体晶粒细小，空冷后得到细小而均匀的珠光体和铁素体，相当于热处理的正火组织，塑形和韧性很好）④不完全重结晶区（晶粒大小、组织分布不均匀，虽然受热不严重，但性能不如相变重结晶区）8.焊缝中气孔分为：⑴析出型气孔因气体在液、固态金属中的溶解度差造成过饱和状态的气体析出所形成的气孔，包括①氢气孔②氮气孔；⑵反应型气孔熔池中由于冶金反应产生不溶于液态金属的CO、H2O而生成的气孔，包括：①CO气孔②H2O气孔9.焊缝气孔的消除方法：⑴消除气体来源⑵正确选用焊接材料⑶控制焊接工艺条件10.熔焊的定义：通过局部加热使连接处达到熔化状态，然后冷却结晶形成共同晶粒11.易淬火钢与不易淬火钢热影响区组织分布：⒈不易淬火钢焊接热影响区组织分布：⑴熔合区：最高温度处于固相线与液相线之间，晶界与晶内局部熔化，成分与组织不均匀分布，过热严重，塑性差⑵过热区：峰值温度：固相线以下到晶粒开始急剧长大的温度，一般为1100°C，韧性很低，常产生脆化或裂纹⑶相变重结晶区：峰值温度：在Ac3以上到晶粒开始急剧长大的温度范围内⑷不完全重结晶区：峰值温度：处于Ac1～Ac3之间，组织不均匀，力学性能也不均匀⒉易淬火钢焊接热影响区组织：⑴完全淬火区：该区的加热温度处于固相线到Ac3之间，相当于低碳钢的过热区和正火区，得到淬火M，有时可出现B ⑵ 不完全淬火区：该区的加热温度在Ac1～Ac3之间，相当于不完全重结晶区，形成M-F组织、[C]、合金含量不高或冷速较小时可能出现S和P ⑶ 回火区（Ac1>Tm>悍前调质回火温度）强度下降，塑形、韧性上升，回火软化12.化学冶金与炼钢的区别：在熔焊条件下，焊接冶金过程是优质金属的局部超高温快速熔化，和随后伴随的凝固，化学成分上，与母材有相当明显的差别（1）原材料不同：普通冶金材料的原材料主要是矿石、废钢铁和焦炭等；而焊接化学冶金的原材料主要是焊条、焊丝和焊剂等。
金属材料成型基础PPT课件
切削加工方 法
机械零件 结构工艺性
机械加工 工艺过程
车削加工；钻、扩、铰、镗削加工； 刨、拉削加工；铣削加工；磨削加 工；特种加工方法；零件加工表面 方法的选择 。
零件结构设计的基本原则、切削加 工对零件结构工艺性的要求。
机械加工工艺过程的基本概念、工 件的安装与夹具的基本知识；机械 加工工艺规程的制定，典型零件工 艺过程。
课程教学 改革思路
结合地方工科高校培养应用型高级 专门人才目标和社会需求，紧紧抓 住课程内容广、实践性强、授课学 生多的课程特征，以拓宽基础知识、 优化教学内容为核心，以教学方法、 教学手段改革为抓手，“产学研” 合作强化学生工程实践和创新精神 培养，构建完备的课程教学体系， 形成覆盖面广、灵活的教学模式， 积极开展教育教学改革与实践，全 面提高课程教学质量。
初期建设阶段（1959～1977年） 恢复建设阶段（1978～1988年） 稳定发展阶段（1989～1999年） 高速发展阶段（2000年至今）
2.课程建设
教学内容
金属冷、热加工方法 金属冷、热加工方法+工程材料 金属冷、热加工方法+工程材料 +金属成形的新技术、新工艺
教学手段
黑板+粉笔+挂图 黑板+粉笔+幻灯片 黑板+粉笔+多媒体 多媒体+网络课堂
建造了内容丰富、形象生动的课 程陈列室。
以省级实验教学示范中心、工程 训练中心为基础搭建了学生工程 实践平台，强化学生基础工程实 践能力培养
以省部级重点实验室为依托，与 大型企业、科研院所密切合作建 立学生创新基地，搭建学生创新 实践平台，以课外科技制作竞赛 为途径进行创新精神培养。
四、教学设计
材料成形理论基础
yx y
xy
O
x xz
p x l x m yx n zx
p y l xy m y n zy
yz
px A x
zy
zx z
pz l xz m yz n z
斜面上的应力
全应力
2 2 2 p2 px py pz
斜面上的正应力 为全应力p在法线N方向的投影， 它等于 px、py、pz 在N方向上的投影之和，即
假设材料是连续的，即在材料内不存在任何缺 陷； 假设材料各质点的组织、化学成分相同； 假设材料在各方向上的物理性能和力学性能相 同；
金属塑性成形基本假设
体积力为零
成形过程中的外力可分为两类：表面力和体积 力； 表面力：集中力、分布载荷； 体积力是作用在物体质点上的力，与物体的质 量成正比，例如重力、磁力和惯性力等等； 对于塑性成形来说，除了高速锤锻造、爆炸成 形等少数情况，体积力相对于表面力很小，可 以忽略不计；
应力定义
应力状态表示 应力状态一般用单元体表示
单元体：材料内部的质点，是包围质点的无限
小的几何体，常用的是正六面体 单元体的性质
y
y
yx
xy
x
x
任一面上，应力均布
平行面上，应力相等
z
z
应力定义
在直角坐标系中，假设有一承受任意力系的变 形体，过变形体内任意一点切取一个其棱边分 别平行于三个坐标轴的微小六面体作为单元体。 在单元体的互相垂直的微分面上的全应力都可 以按坐标轴方向分解成一 个正应力和二个剪应 力分量，这样，在三个互相垂直的微分面上就 有三个正应力分量和六个剪应力分量，这九个 应力分量可以完整地描述一点的应力状态。
材料成形原理
材料成形原理
材料成形原理是指在材料加工过程中，通过施加外力和热力，使材料发生形状、尺寸和性能的变化，从而得到所需的工件或半成品的过程。
材料成形原理是材料加工工程中的重要基础理论，对于提高产品质量、降低生产成本、提高生产效率具有重要意义。
材料成形原理的基本原理是利用外力使材料发生塑性变形，从而获得所需形状
和尺寸的工件。
材料成形的基本方式包括压力成形、拉伸成形、弯曲成形、剪切成形等。
在这些成形过程中，材料会受到各种不同的力的作用，从而发生塑性变形，最终得到所需的工件。
在材料成形过程中，材料的塑性变形是通过应力和应变的作用来实现的。
应力
是单位面积上的力，而应变是材料单位长度上的变形量。
在材料成形过程中，通过施加外力，使材料受到应力作用，从而产生应变，最终实现材料的塑性变形。
材料成形原理的实现需要考虑材料的性能和成形工艺的匹配性。
材料的性能包
括硬度、韧性、塑性等，而成形工艺包括成形温度、成形速度、成形压力等。
只有在材料性能和成形工艺相互匹配的情况下，才能实现材料的有效成形。
材料成形原理在实际应用中具有广泛的意义。
在金属加工领域，通过材料成形
原理可以实现金属的锻造、冲压、拉伸等加工工艺，从而获得各种不同形状和尺寸的金属工件。
在塑料加工领域，材料成形原理可以实现塑料的注塑、挤压、吹塑等加工工艺，从而获得各种不同形状和尺寸的塑料制品。
总之，材料成形原理是材料加工工程中的重要理论基础，对于实现材料的有效
成形具有重要意义。
通过对材料成形原理的深入理解和研究，可以不断提高材料加工工艺的水平，实现产品质量的提高和生产效率的提升。
材料成形原理 华科 第五章_铸件凝固组织的形成及控制PPT课件
Ti:0.15; Zr:0.2； 复合:Ti0.01 B或C0.05; ≥0.02
加入方法
铁合金
铁合金
Al-Ti, Al-Zr,Al-Ti-B, Al-Ti-C中间合金 Al-P，Cu-P，Fe-P 中间合金
0.02~0.04
纯金属或中间合金 碳化物粉末
表5-1 合金常用孕育剂的主要元素情况
激冷等轴晶型壁脱落与游离理论
在浇注的过程中及 凝固的初期激冷,等 轴晶自型壁脱落与 游离促使等轴晶形 成, 浇注温度低可 以使柱状晶区变窄 而扩大等轴晶区 。
图5-5 型壁处形成的激冷晶向铸件内部的游离 a) 晶体密度比熔体小的情况; b) 晶体密度比熔体大的情况
溶质的偏析容易使晶体在与型壁的交会处产生“脖颈”，具有 “脖颈”的晶体不易于沿型壁方向与其相邻晶体连接形成凝固 壳, 另一方面，在浇注过程和凝固初期存在的对流容易冲断 “脖颈”，使晶体脱落并游离出去。
对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属铸锭，希望获得较多 的甚至是全部细小的等轴晶组织；
对于高温下工作的零件，通过单向结晶消除横向晶界，防止 晶界降低蠕变抗力。
2、铸件宏观组织的控制途径和措施
•等轴晶组织的获得和细化
强化非均匀形核 促进晶粒游离 抑制柱状晶区
（1）加入强生核剂——孕育处理
孕育——向液态金属中添加少量物质以达到增加晶核数、细 化晶粒、改善组织之目的的一种方法。Inoculation
一、合理地控制浇注工艺和冷却条件 二、孕育处理 三、动力学细化
合理的浇注工艺 冷却条件的控制
浇注温度 浇注方式
合理的浇注工艺
合理降低浇注温度是减少柱状晶、获得 及细化等轴晶的有效措施。但过低的浇 注温度将降低液态金属的流动性，导致 浇不足和冷隔等缺陷的产生。
材料成形技术_金属材料成形基本原理
材料成形技术_金属材料成形基本原理金属材料成形是指通过外力对金属材料进行塑性变形，改变其形状和尺寸的过程。
这是一种广泛应用于制造业的加工技术，包括锻造、压力加工、剪切、折弯、旋压、挤压等多种方法。
下面将介绍金属材料成形的基本原理。
金属材料成形的基本原理可以归结为三个参数：应力、变形和温度。
这三个参数相互作用，影响金属的成形过程和结果。
首先是应力。
应力是指施加在金属材料上的力。
成形过程中，应力会使金属材料内部的晶粒沿着位移方向产生塑性滑移，从而发生变形。
应力的大小和方向会影响金属材料的变形方式和形态。
接下来是变形。
变形是指金属材料在外力作用下发生的形状和尺寸变化。
变形包括弹性变形和塑性变形两种形式。
弹性变形是指金属材料受到外力作用后，恢复到起初形状的一种变形方式。
而塑性变形是指金属材料受到外力作用后，改变形状和尺寸，不会恢复到起初形状的一种变形方式。
金属材料的塑性变形是成形加工中的主要目标。
最后是温度。
温度是指金属材料在成形过程中的温度变化。
温度的变化会影响金属材料的变形行为。
一般来说，金属在高温下更容易发生塑性变形。
高温有助于降低金属的屈服强度和粘滞阻力，使其更易于变形。
但是温度过高会引起金属的晶粒长大，从而降低了材料的性能。
金属材料成形技术的具体方法包括锻造、压力加工、剪切、折弯、旋压、挤压等。
这些方法中，锻造是最常用的一种成形方法。
锻造是通过对金属材料施加冲击或压力，使其产生塑性变形，从而得到所需的形状和尺寸。
锻造包括自由锻、模锻和挤压锻等多种方式。
总之，金属材料成形是一种重要的制造技术，通过对金属材料施加力和温度的控制，可以对材料进行塑性变形，从而得到所需的形状和尺寸。
了解金属材料成形的基本原理对于选择适当的成形方法和实现高质量的产品具有重要意义。
材料成型基本原理完整版
第一章：液态金属的结构与性质1雷诺数Re：当Re>2300时为紊流，Re<2300时为层流。
Re=Du/v=Duρ/η，D为直径，u 为流动速度，v为运动粘度=动力粘度η/密度ρ。
层流比紊流消耗能量大。
2表面张力：表面张力是表面上平行于切线方向且各方向大小相同等的张力。
润湿角：接触角为锐角时为润湿，钝角时为不润湿。
3压力差：当表面具有一定的曲度时，表面张力将使表面的两侧产生压力差，该压力差值的大小与曲率半径成反比，曲率半径越小，表面张力的作用越显著。
4充型能力：充型过程中，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，即液态金属充型能力。
5长程无序、近程有序：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，表现出长程无序特征；而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，液体结构表现出局域范围内的近程有序。
拓扑短程序：Sn Ge Ga Si等固态具有共价键的单组元液体，原子间的共价键并未完全消失，存在着与固体结构中对应的四面体局域拓扑有序结构。
化学短程序：Li-Pb Cs-Au Mg-Bi Mg-Zn Mg-Sn Cu-Ti Cu-Sn Al-Mg Al-Fe等固态具有金属间化合物的二元熔体中均有化学短程序的存在。
6实际液态金属结构：实际金属和合金的液体由大量时聚时散、此起彼伏游动着的原子团簇空穴所组成，同时也含有各种固态液态和气态杂质或化合物，而且还表现出能量结构及浓度三种起伏特征，其结构相对复杂。
能量起伏：液态金属中处于热运动的原子的能量有高有低，同一原子的能量也在随时间不停的变化，时高时低，这种现象成为能量起伏。
结构起伏：由于能量起伏，液体中大量不停游动的局域有序原子团簇时聚时散，此起彼伏而存在结构起伏。
浓度起伏：游动原子团簇之间存在着成分差异，而且这种局域成分的不均匀性随原子热运动在不时发生着变化，这一现象成为浓度起伏。
板料冲压成形工艺课件
板料冲压成形工艺课件引言板料冲压成形工艺是一种常用于工业生产中的成形方法，通过对金属板材进行冲击、压制、拉伸等方法，将板材加工成所需的形状和尺寸。
本课件将介绍板料冲压成形工艺的基本原理、工艺流程和相关设备等内容。
一、基本原理板料冲压成形工艺基于金属板材的塑性变形特性，通过外力的作用，使板材在模具的作用下发生塑性变形。
其基本原理可以简述为：11.应用外力：通过机械力或液压力等作用于金属板材上，使其变形。
2.模具的应用：通过合适的模具，使板材在其作用下发生塑性变形，得到所需的形状。
3.板材的弹性回复：在施加外力后，板材会发生弹性回复，形成最终的成形件。
二、工艺流程板料冲压成形工艺通常包括以下几个主要的工艺步骤：21.板材切割：将原材料的金属板材按照所需的尺寸进行切割。
2.冲孔和开槽：根据产品的要求，在板材上冲孔或开槽，以便后续的成形。
3.弯曲和拉伸：通过模具的作用，使板材发生弯曲或拉伸变形，得到所需的形状。
4.敲凸和冲切：对成形件进行敲凸或冲切，去除多余的材料，得到最终的成形件。
5.表面处理：对成形件进行表面处理，如打磨、喷漆等，提高其外观质量。
三、常用设备在板料冲压成形工艺中，常用的设备有：31张伟、陈静. 金属板材冲压成形的原理与方法[J]. 机械工程, 2010, 10.2曾志伟、刘洪聪. 机械冲压工艺基础[M]. 机械工业出版社, 2017.1.冲床：用于施加冲击力和压力，将金属板材塑性变形。
2.模具：用于加工金属板材的工具，决定成形件的形状和尺寸。
3.剪切机：用于板材的切割，将金属板材按照所需尺寸进行切割。
4.折弯机：用于将金属板材进行弯曲，得到所需的形状。
5.敲料机：用于敲凸和冲切，去除多余的材料。
四、注意事项在进行板料冲压成形工艺时，需要注意以下几个事项：41.板材的选择：选择合适的板材材料和厚度，以满足产品的要求。
2.模具的设计：合理设计模具，确保成形件的质量和尺寸准确。
3.工艺参数的控制：控制冲床的冲击力、压力等工艺参数，以达到最佳的成形效果。
材料成形基本原理
材料成形基本原理
材料成形是指通过各种加工手段将原材料加工成所需形状和尺寸的工件的过程。
在工程制造中，材料成形是非常重要的一环，它直接影响着工件的质量、精度和性能。
材料成形的基本原理包括塑性变形原理、断裂原理和变形加工原理。
塑性变形原理是材料成形的基础。
在塑性变形过程中，材料会发生形状和尺寸
的变化，而且在去除外力之后，材料还能保持新的形状和尺寸。
这是因为在塑性变形时，材料内部的晶粒会发生滑移和再结晶，从而使材料发生塑性变形。
塑性变形原理是材料成形中最常见的一种原理，例如锻造、轧制、挤压等加工过程都是基于塑性变形原理进行的。
断裂原理是指在材料成形过程中，如果外力超过了材料的强度极限，就会导致
材料发生断裂。
断裂原理在材料成形中是需要避免的，因为材料的断裂会导致工件的废品率增加，甚至会影响到生产安全。
因此，工程制造中需要根据材料的性能来选择合适的成形工艺，以避免材料断裂。
变形加工原理是指通过施加外力使材料产生塑性变形，从而得到所需形状和尺
寸的工件。
变形加工原理包括拉伸、压缩、弯曲、剪切等加工方式，这些加工方式都是通过施加外力使材料产生塑性变形，从而得到所需形状和尺寸的工件。
变形加工原理在工程制造中是非常常见的，例如拉伸成形可以制备金属丝、板材等，压缩成形可以制备轴承零件、汽车零件等。
综上所述，材料成形的基本原理包括塑性变形原理、断裂原理和变形加工原理。
这些原理在工程制造中起着非常重要的作用，只有充分理解和掌握这些原理，才能够更好地进行材料成形工艺的设计和优化，从而提高工件的质量和性能。
材料成形技术金属材料成形基本原理
图2-13 收缩应力的形成
图2-14 同时凝固原则
4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。 5 ）对铸件进行时效处理。自然时效、人工时效（去应力 退火）和共振时效。
1.1.3.3 铸件的变形与裂纹
1.铸件的变形 残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲 变形。如图2-15所示的框架铸件，图2-16的T形梁，当刚度 不够时，将产生如图所示的变形。再如图 2-17所示的车床 床身的变形。
铸造：将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸 型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零 件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一， 其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。
铸造的优点：
1）可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯； 2）工艺灵活性大。几乎各种合金，各种尺寸、形状、 重量和数量的铸件都能生产； 3）成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。
热阻碍：铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量 不同而引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。
机械阻碍：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍 , 由其 引起的应力称机械应力（收缩应力）。
1.热应力 由热阻碍引起，落砂后热应力仍存在于铸件内，是一 种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形 成过程，如图2-12所示，其热应力形成过程分三阶段。 第 一 阶 段， 两 者 都塑性 变形，无热应力； 第 二 阶 段， 一 塑 性， 一 弹性，仍无热应力； 第 三 阶 段， 两 者 均弹性 变 形， 冷却 慢 的 受拉 ， 快的受压。残留热应力 和 合 金 的弹 性 模 量、 线 收 缩 系 数、 铸 件 各部分 壁 厚 差 别及 温 度 差成正 比。
图2-4铅锡合金的流动性与相图的关系
图2-5 结晶特性对流动性的影响 a)恒温下 b)一定温度范围
材料成型原理
润湿角是衡量界面张力的标志。
1.1纯金属和实际合金的液态结构有何不同？举例说明纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子 这样的结构处于瞬息万变的状态 液体内部存在着能量起伏。
2 实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体 也就是说 实际的液态合金除了存在能量起伏外 还存在结构起伏。
充型能力中浇注条件方面的影响因素：1、浇注温度 2、充型压头 3、浇注系统的结构2.1液态合金的流动性和充型能力有何异同？如何提高液态金属的充型能力？（1）纯金属的液态结构是由原子集团、游离原子、空穴或裂纹组成。
原子集团的空穴或裂纹内分布着排列无规则的游离的原子，这样的结构处于瞬息万变的状态，液体内部存在着能量起伏。
（2）实际的液态合金是由各种成分的原子集团、游离原子、空穴、裂纹、杂质气泡组成的鱼目混珠的“混浊”液体，也就是说，实际的液态合金除了存在能量起伏外，还存在结构起伏。
系统吉布斯自由能G=H-TS H为焓、T为热力学温度、S为熵。
结构越混乱G越高。
G L 液相G s固相当T<Tm G L液相<G s固相金属结晶。
过冷度为金属结晶的驱动力。
成分起伏、相结构起伏、能量起伏。
对于外来固相的平面基地而言，凹>平>凸，凸界面，促进异质形核的能力随曲率增大而减小，凹界面，随增大而增大。
晶体宏观长大方式：平面方式长大，树枝晶方式生长。
3.1为什么过冷度是液态金属凝固的驱动力？由热力学可知，在某种条件下，结晶能否发生，取决于固相的自由度是否低于液相的自由度，即?G =GS-GL<0；只有当温度低于理论结晶温度Tm 时，固态金属的自由能才低于液态金属的自由能，液态金属才能自发地转变为固态金属，因此金属结晶时一定要有过冷度。
3.2何谓热力学能碍和动力学能碍？凝固过程是如何克服这两个能碍的？热过冷：金属凝固时所需的过冷度，若完全由热扩散控制，这样的过冷称热过冷。
《材料成形工艺》课件
在建筑领域中，焊接工艺被用 于钢结构、钢筋混凝土结构的
连接和加固。
05
热处理工艺
热处理工艺的原理
热处理是通过加热、保温和冷却的方式改变金属材料的内部组织结构，以达到改善其力学性能、提高 耐腐蚀性和加工性的目的。
热处理过程中，金属材料内部的原子或分子的运动速度会随着温度的升高而加快，当温度达到一定的临 界点时，原子或分子的排列会发生改变，形成新的晶体结构。
焊接工艺的原理基于金属的热传导和热对流，以及液态金属的流动和结晶。
焊接工艺的种类
01
熔焊
将待焊接的金属加热至熔化状态，然后通过液态金属将两块金属连接在
ห้องสมุดไป่ตู้
一起。常见的熔焊方法有电弧焊、气焊等。
02
压焊
通过施加压力将两块金属连接在一起，常见的压焊方法有电阻焊、摩擦
焊等。
03
钎焊
利用熔点低于母材的钎料，将其加热至熔化状态，润湿并填满母材接头
模锻
将金属坯料放入模具中，在压力 作用下进行塑性变形，以获得所 需形状和尺寸的加工方法。
特种锻造
针对特殊要求或特殊材料，采用 特殊的工艺和工具进行塑性变形 的加工方法。
锻造工艺的应用
航空航天领域
由于对材料性能要求极高，锻造工艺广泛应用于航空航天领域的 各种零件制造，如发动机叶片、涡轮盘等。
汽车工业
热处理工艺的原理就是通过控制加热、保温和冷却三个阶段的时间和温度，使金属材料内部组织结构发 生变化，从而达到所需的性能要求。
热处理工艺的种类
第一季度
第二季度
第三季度
第四季度
退火
将金属材料加热到一定 温度后保温一段时间， 然后缓慢冷却至室温。 退火可以消除金属内部 的应力，提高其塑性和 韧性。
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k 2
2 1 r r
p
2 r
2kVsTm 2Vs Tm V T p s m H m H m r H m
上式表明： 当固相表面曲率k >0，会引起实际凝固温度降低，这种现象称之为
“曲率过冷”。固液界面的曲率越大（晶粒半径r越小），实际凝固温度 越低。 当固液界面为平直界面时，曲率过冷度为零。 另外，当系统的外界压力升高时，物质熔点必然随着升高。但压力 改变所引起熔点温度的改变很小，约为10-2 oC/大气压。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材 《材料成形基本原理》
第一节 凝固热力学
第二节 均质形核 第三节 非均质形核
第四节 晶体长大
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第一节
凝固热力学
一、 液-固相变驱动力 二、 曲率、压力对物质熔点的影响
三、 溶质平衡分配系数（K0）
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产中均质形核是不太可能的，如对经过区域精炼的钢铁来说，每1cm3 的 液相中也有约106个边长为103个原子的氧化物、氮化物、碳化物等高熔点 微小杂质颗粒）。
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”。
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r＜ r*时，r↑→ΔG↑ r = r*处时，ΔG达到最大值ΔG*
r ＞r*时，r↑→ΔG↓
液相中形成球形晶胚时自由能变化
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令：
G / r 0
得临界晶核半径 r*：
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三、溶质平衡分配系数（K0）
* K0定义为恒温T*下固相合金成分浓度Cs 与液相 T
合金成分浓度C*L 达到平衡时的比值。
C K0 C
K0 的物理意义：
S L
K 0＜ 1
T
*
C 0K 0
C
* S
C
* L
C 0 /K 0
对于K0＜1， K0 越小，固相线、液相线张开程
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二.
曲率、压力对物质熔点的影响
G ΔG
由固相曲率引起 的自由能升高。
由于表面张力σ的存在，固相曲率k引起固 相内部压力增高，这产生附加自由能：
G1 VS p VS
1 r1
r1 2VS k 2
GS
ΔTr
＞
L
G T P
S
即：液相自由能G随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率。
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G = H- ST，所以：ΔGV =GS-GL =（HS- SST ）-（HL- SLT ） =（HS- HL ）-T（SS- SL ）
即
ΔGV = ΔH - TΔS
G S , T P
G V P T
等压时，dP=0，
由于熵恒为正值 → 物质自由能G随温度上升而下降 又因为SL＞SS，所以：
G T P
G dG SdT dT T P
△G2
欲保持固相稳定，必须有一相应过冷度ΔTr （曲率过冷度）使自由能降低与之抵消。
G2
H m Tr
Tm
GL
T
Tr
Tm
温度
H m Tr 即G1 G2 2Vsk 0 Tm
2kVsTm H m
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对球形颗粒
一、形核功及临界半径 二、形核率
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一、形核功及临界半径
晶核形成时，系统自由能变化由两部分组成， 即作为相变驱动力的液-固体积自由能之差 （负）和阻碍相变的液-固界面能（正）：
G V
对于球形晶核
GV A SL VS
4 3 GV G r 4r 2 SL 3 VS
度越大，固相成分开始结晶时与终了结晶时差
别越大，最终凝固组织的成分偏析越严重。因 此，常将∣1- K0∣称为“偏析系数”。
C0
C， %
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第二节
均质形核
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” （实际生
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凝固是物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） 常用工业合金或金属的凝固过程一般只涉及前者，本章主 要讨论结晶过程的形核及晶体生长热力学与动力学。
一、 液-固相变驱动力
从热力学推导系统由液体向固体转变的相变驱动力ΔG 由于液相自由能G 随温度上升而下降的斜率大于固相G的斜率 当 T ＜ Tm 时，
有：ΔGV = Gs － GL＜ 0 即：固-液体积自由能之差为相变驱动力 进一步推导可得：
GV
H m T Tm
Tm 及ΔHm 对一特定金属或合金为定值，所以过冷度ΔT 是影响相变驱
动力的决定因素。过冷度ΔT 越大，凝固相变驱动力ΔGV 越大。
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由麦克斯韦尔热力学关系式： dG SdT VdP 根据数学上的全微分关系得： 比较两式可知：
G G dP dG dT T P P T
当系统 的温度 T 与平衡凝固点 Tm 相差不大时， ΔH ≈-ΔHm（此处，ΔH 指凝固潜热，ΔHm 为熔化潜热） 相应地，ΔS ≈ -ΔSm = -ΔHm / Tm，代入上式得：
GV H m T H m T H T ) H m T Tm Tm