材料加工原理

当物体中存在着成分差异时，原子将从浓度高处向浓度低处扩 散，扩散中原子的扩散通量与质量浓度梯度成正比。 菲克第二定律：
菲克第二定律是在菲克第一定律的基础上推导出来的。菲克第二定律 指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该 处的浓度梯度随空间变化率成正比，其比例系数就是扩散系数。
型能力？
3、根据Stokes公式计算钢液中非金属夹杂物MnO的上浮速度，已知钢
液温度为1500℃，η＝0.0049N.s/m2, kg/m3,MnO呈球行，其半径r＝0.1mm。
ρ液=7500kg/m3,ρMnO=5400
第三章
凝固过程的温度场
第一节 传热基本原理
不稳定温度场：温度场不仅在空间上变化，并且也随时间变 化的温度场：
临界形核功ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一， 它是均质形核 所必须克服的能量障碍。形核功由熔体中的“能量起伏”提供。因 此，过冷熔体中形成的晶核是“结构起伏”及“能量起伏”的共同产 物。 非均质形核过冷度ΔT比均质形核临界过冷度ΔT*小得多时就大量成 核。 晶体长大微观上是液相原子向固相表面转移的过程。所以，微观长大 方式取决于液-固界面的结构 。 关键问题: 如何选择合适的形核剂。 由非均匀形核理论可知，一种好的形核剂首先应能保证结晶相在衬底 物质上形成尽可能小的润湿角θ； 其次形核剂还应在液态金属中尽可能保持稳定， 并且具有最大的表面积和最佳的表面特性 (如表面粗糙或有凹坑等)。 菲克第一定律：
间接法 过比较固液态和固气态转变的物理性质的变化判 断。 （1）体积和熵值的变化 （2）熔化潜热和气化潜热 固体可以是非晶体也可以是晶体，而液态金属则几乎总是非晶体 。 液态金属在结构上更象固态而不是气态，原子之间仍然具有很高的结 合能。
3、液态金属的结构特征
l）组成：液态金属是由游动的原子团、空穴或裂纹构成。
1. 金属性质方面的因素（流动性的高低）
2. 铸型性质方面的因素
3. 浇注条件方面的因素
浇注温度越高、充型压头越大，则液态金属的充型能力越好；
浇注系统（直浇道、横浇道、内浇道）的复杂程度，铸件的壁厚与
复杂程度等也会影响液态金属的充型能力。
第五节 半固态流变规律
在液相线和固相线之间的温度范围内，结晶析出的固相与液相共存，
何？分析获得等轴晶的方法？
第五章
材料加工的力学基础
金属塑性成形的概念
它是指在外力作用下，使金属材料产生预期的塑性变形，以获得
所需形状、尺寸和力学性能的毛坯或零件的加工方法。
Байду номын сангаас
在工业生产中又称压力加工。
第一节
应力状态分析
一、基本概念
外力：塑性加工时，由外部施加于物体的作用力叫外力。可以分为两
类：面力或接触力和体积力
b2越大，冷却能力强，铸件中的gradt越大 （2）铸型的预热温度：
铸型温度上升，冷却作用小 ，gradt下降，金属型需加热，提高 铸件精度减少热裂 3.铸件结构的影响： （1）铸件的壁厚 壁厚越大， gradt 变小；壁厚越小，gradt 变大 （2）铸件的形状
铸型中被液态金属包围的突出部分，型芯以及靠近内浇道附近的铸 型部分，由于大量金属液通过，被加热到很高温度，吸热能力显著下 降，对应铸件部分的温度场较平坦。
本章总结 一、应力状态分析 1、应力张量的概念、坐标面上的应力、任意斜面上的应力 2、主应力与应力张量不变量、应力莫尔圆、主剪应力、主应力方向、 最大剪应力、应力张量的分解与应力偏张量 3、平衡微分方程式； 二、应变状态分析 1、应变的概念、应变与位移的关系、应变张量分析； 2、应变协调方程； 三、屈服准则； Tresca屈服准则、Mises屈服准则； 四、塑性变形时的应力应变关系特点、弹性变形时的应力应变关系特 点
面力：作用于物体表面的力，也叫接触力，如作用于物体表面的分布
载荷，正压力和摩擦力都是面力。
体积力：作用在物体每个质点上的力，如重力、磁力和惯性力等。
内力：在外力作用下，物体内各质点之间产生相互作用的力。
主平面：切应力为零的平面称为主平面； 主应力：主平面上的正应力叫做主应力； 主方向：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称为主方向或应力主 轴。
小，温度分布曲线平坦； （2）结晶潜热
L上升，铸型内表面被加热的温度也高，gradt下降，温度曲线平 坦。 （3）金属的凝固温度
tL越高，铸型内外表面温度差就越大， gradt 升高。有色金属 温度场平坦， 铸铁件、铸钢件较陡，因为有色合金tL低。
2. 铸型性质的影响
铸型的吸热速度越大，则铸件的凝固速度越大，断面的温度场的梯度 也就越大。 （1）铸型的蓄热系数b2
第四节 快速凝固与微重力下的凝固
快速凝固是指采用急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前 沿推进速率的凝固过程。
作业 1、对于低碳钢薄板，采用钨极氩弧焊较容易实现单面焊双面成形（背 面均匀焊透）。采用同样焊接规范去焊同样厚度的不锈钢板或铝板会 出现什么后果？为什么？ 2、说明为什么异质形核比均质形核容易，以及影响异质形核的基本因 素和其它条件。 3、影响成分过冷的因素有哪些？哪些是属于可控制的工艺因素？成分 过冷对晶体的生长方式有何影响？晶体的生长方式只受成分过冷的影 响吗？ 4、影响枝晶间距的主要因素是什么？枝晶间距与材质的质量有何关 系？ 5、铸件典型宏观凝固组织是由哪几部分构成的，它们的形成机理如
第二
章
液态金属
第二节 液态金属的结
金属和合金材料的加工制备过程？ 配料、 熔化 和 凝固成型 三个阶段。 配料是确定具有某些元素的各金属炉料的加入百分数； 熔炼是把固态炉料熔化成具有确定成分的液态金属； 凝固是金属由液态向固态转变的结晶过程，它决定着金属材料的微
观组织特征。 1.液体与固体、气体结构比较
第二节 铸件凝固温度场的解析解法
铸件的凝固时间：是指从液态金属充满型腔后至凝固完毕所需要的时 间。铸件凝固时间是制订生产工艺、获得稳定铸件质量的重要依据。
无限大平板铸件的凝固时间 (理论计算法) 大平板铸件凝固时间计算（凝固系数法） 一般铸件凝固时间计算的近似公式（模数法）
影响铸件温度场的因素
1.金属性质的影响： 热扩散率变大， 铸件内部的温度均匀化的能力就大，温度梯度
此区域的金属合金称为半固态金属。
☆半固态金属是金属合金由液态变为固态的必要阶段。
☆通过实验发现，强烈搅拌正在凝固的金属，可得到具有近球状晶粒
结构的半固态金属，这种半固态金属可用于金属零部件的成形加工。
作业
1、液态金属的表面张力和界面张力有何不同？表面张力和附加压力有
何关系？
2、 液态合金的流动性和冲型能力有何异同？如何提高液态金属的冲
固态 按原子聚集形态分为 晶体与非晶体。 晶体：凡是原子在空间呈规则的周期性重复排列的物质称为晶体。 单晶体：在晶体中所有原子排列位向相同者 多晶体：金属通常是由位向不同的小单晶（晶粒）组成，属于多晶 体。 2、液态金属的结构
直接法 — X射线或中子线分析研究液态金属的原 子排列。 液态金属中原子的排列在几个原子的间距范围内，与 其固态的排 列方式基本一致，但由于原子间距的增大和空穴的增多，原子的配位 数略有变化，热运动增强。
属于结晶过程。
金属从液态过渡为固体晶态的转变称为一次结晶；金属从一种固态
过渡为另一种固体晶态的转变称为二次结晶。
第三节
液态金属的性质
粘度对成形质量的影响
影响铸件轮廓的清晰程度；
影响热裂、缩孔、缩松的形成倾向；
影响钢铁材料的脱硫、脱磷、扩散脱氧；
影响精炼效果及夹杂或气孔的形成：
熔渣及金属液粘度降低对焊缝的合金过渡有利。
1.成分过冷的概念 过冷：金属理论凝固温度与实际温度之差。 热过冷：对于纯金属，固-液界面前沿的过冷度取决于熔体中实际温度 的分布，这种过冷称之为热过冷。 成分过冷：凝固时由于溶质再分配造成固液界面前沿溶质浓度变化， 引起理论凝固温度的改变而在液固界面前液相内形成的过冷。
晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称 为“外生生长”。 平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。 等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。 枝晶间距：指相邻同次枝晶间的垂直距离。 棒状共晶：该组织中一个组成相以棒状或纤维状形态沿着生 长方向规则地分布在另一相的连续基体中。
2）特征：“近程有序”、“远程无序”
原子间能量不均匀性，存在能量起伏。
原子团是时聚时散，存在结构起伏。
同一种元素在不同原子团中的分布量不同，存在成分起伏金属由液
态转变为固态的凝结过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长
程有序状态的过程， 从这个意义上理解，金属从一种原子排列状态
（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变均
第四节 液态金属的充型能力
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，即液态金属充填铸型的能力，是设计浇注系统的重要依据 之一；
充型能力弱，则可能产生浇不足、冷隔、砂眼、铁豆，以及卷入性 气孔、夹砂等缺陷。
内因 —— 金属本身的流动性 外因 —— 铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各 种因素的综合反映。 影响充型能力的因素
质原子形成正吸附现象。 →表面活性物质→跑向表面 反之，如果加入溶质B后，增加了溶剂的表面张力，则表面层就会排斥 溶质原子B，而形成负吸附现象。→表面非活性物质→跑向内部
如果加入溶质B后，并不改变容剂的表面张力，则不形成吸 附现象，整个溶液浓度是均匀的。 1、 界面张力与润湿角 接触的两相质点间结合力越大，界面张力（界面能）就越小，两相 间的界面张力越小时，润湿角越小，称之为润湿性好。 液态金属凝固时析出的固相与液相的界面能越小，形核率越高。 熔渣与液态金属之间的润湿性将影响熔渣对金属的保护效果与焊缝外 观成形。 3．液膜拉断临界力及表面张力对凝固热裂的影响 第一种情况：凝固的早期，或者靠近液体的两相区内，液膜与大量 未凝固的液体相通，此时液膜两侧的固体枝晶拉开多少，液体补充进 去多少，因此不会产生热裂。 第二种情况：液膜已经与液体区隔绝，但是由于低熔点物质的大量 存在（如钢中的硫共晶），形成大的液膜厚度和低的表面张力，将使 液膜的最大断裂应力 fmax 减小，且熔点低而凝固速度较慢，这样，厚 的液膜将会长时间地保持下去，在此期间，如果有大的拉伸速度，则 往往要产生热裂。 第三种情况：液膜虽已与液体区隔绝，但由于液膜中低熔点杂质较 少，其表面张力较高，熔点也相应较高而凝固速度较快，液膜迅速变 薄，此时如果液膜两侧的固体枝晶受到拉力，将会遇到大的 f max 的 抗力，这种抗力将使高温固体内部产生蠕变变形，从而避免了热裂的 产生。
第四章
液态金属的凝固
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）
第一节 纯金属的凝固
第二节 合金的凝固
第三节 铸件及焊缝宏观组织及其控制
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”。 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”。
稳定温度场： 不随时间而变的温度场（即温度只是坐标的 函数）： 等温面：空间具有相同温度点的组合面。 等温线：某个特殊平面与等温面相截的交线。 温度梯度：对于一定温度场，沿等温面或等温线某法线方向
的温度变化率。温度梯度越大，图形上反映为等温面（或等 温线）越密集。 初始条件： 初始条件是指物体开始导热时（即 t = 0 时）的瞬时温度分布。 边界条件： 边界条件是指导热体表面与周围介质间的热交 换情况。
金属液和熔渣的动力学粘度η低则有利于扩散的进行，从而有利于脱
去金属中的杂质元素。
表面与界面的差别在于后者泛指两相之间的交界面，而前者 特指液体（或固体）与气体之间的交界面，但更严格说，应 该是指液体或固体与其蒸汽的界面。广义上说，物体（液体 或固体）与气相之间的界面能和界面张力等于物体的表面能 和表面张力。 溶质元素 使表面张力降低的溶质元素叫表面活性元素，“活性”之义 为表面浓度大于内部浓度，也称正吸附元素 提高表面张力的元素叫非表面活性元素，其表面的含量少于 内部含量，称负吸附元素。 加入某些溶质之所以能改变金属的表面张力，是因为加入溶 质后改变了溶液表面层质点的力场不对称性程度。 热力学上，系统总是向减少自由能方向进行，液体表面的自 由能总是趋向最小。 如果加入溶质B降低了溶剂A的表面张力，则表面层就会吸收更多的溶