第五章材料成形中的裂纹
材料成型内容要点(完整版)
《材料成形工艺基础》要点第一章金属的液态成形第一节液态成形理论基础1.三种凝固方式（逐层、糊状、中间）及其影响因素（结晶温度范围、温度梯度）2.合金的流动性及其影响因素（合金成分）a)为什么共晶合金的流动性好？3.合金的充型能力对铸件质量的影响（浇不足、冷隔）4.影响充型能力的主要因素（合金的流动性、浇注条件、铸型条件）5.合金收缩的三个阶段（液态、凝固、固态）6.缩孔、缩松产生的原因、规律（逐层：缩孔；糊状：缩松；位置：最后凝固部位）7.缩孔与缩松防止（定向凝固原则；措施：加冒口、冷铁）8.铸造应力产生的原因和种类（热应力、机械应力或收缩应力）9.热应力的分布规律（厚：拉；薄：压）及防止（同时凝固原则）10.铸造残余应力产生的原因（热应力）及消除措施（时效处理）11.铸件变形与裂纹产生的原因（故态收缩，残余应力）12.变形防止办法（同时凝固；反变形；去应力退火）13.热裂纹与冷裂纹的特征第二节液态成形方法1.常用手工造型方法（五种最基本的方法：整模、分模、活块、挖砂、三箱）的特点和应用（重在应用）2.机器造型：实现造型机械化的两个主要方面（紧砂、起模）3.熔模铸造的原理（理解）、特点（理解）和应用。
a)为什么熔模铸件精度高，表面光洁？b)为什么熔模铸造适合于形状复杂的铸件？c)为什么熔模铸造适合于难于加工的合金铸件？4.金属型铸造的原理（理解）、特点（理解）和应用。
a)为什么金属型铸件精度高，表面光洁？b)为什么金属型铸造更适合于非铁合金铸件的生产？5.压力铸造的原理（理解）、特点（理解）和应用。
6.低压铸造的原理（理解）、特点（理解）和应用。
7.离心铸造的原理（理解）、特点（理解）和应用。
第三节液态成形件的工艺设计1.浇注位置的概念及其选择原则（重在理解和应用）2.分型面的选择原则（重在理解和应用）3.铸造成形工艺参数（加工余量、拔模或起模斜度、收缩率）4.铸造工艺图（能用规定的符号和表达方式正确画出）第四节液态成形件的结构设计1.铸件壁厚设计（大于最小壁厚；小于临界壁厚；壁厚均匀；由薄到厚均匀过渡）a)为什么要大于最小壁厚？b)为什么要小于临界壁厚？c)壁厚不均匀会产生什么问题？2.铸件壁间连接（圆角；避免锐角）3.铸件筋条设计（避免十字交叉）4.铸件外形设计和铸件内腔设计（理解；重在应用）5.结构斜度的设计（结构斜度与起模斜度的区别；重在应用）第二章金属的塑性成形第一节塑性成形工艺基础1.常用的六类塑性成形方法（轧制、拉拔、挤压、自由锻、模锻、板料冲压）2.与铸造比较，塑性成形法的最显著的特点（性能好，但形状不能太复杂）3.塑性变形对金属组织和性能的影响（冷变形条件下和热变形条件下；纤维组织及其性能特点）4.金属可锻性的衡量指标（塑性、变形抗力）及影响因素（成分；组织；温度）5.金属加热缺陷（过热、过烧、脱碳、过渡氧化）与碳钢始锻温度（低于固相线200℃）第二节热锻成形工艺1.自由锻基本工序（镦粗、拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转）2.自由锻件结构工艺性3.模锻的基本原理（理解）及特点4.胎模锻的概念及特点（理解）第三节板料冲压1.两大类基本工序（分离工序和变形工序）2.冲裁的概念；冲裁变形过程（弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂分离阶段）及冲裁件断面特征（塌角或圆角带；光亮带；断裂带）3.切断的概念4.弯曲变形的特点（内：压；外：拉）；弯曲的质量问题（弯裂；回弹）；弯裂的防止办法（限制最小弯曲半径；弯曲线与纤维方向垂直）；回弹的防止办法（模具角度比弯曲件角度小一个回弹角值）5.拉深的概念；拉深和冲裁工序所使用的凸、凹模之间的区别（间隙大小；圆角）拉深件质量问题（拉裂与起皱）6.拉深系数的概念及计算7.三类冲模的概念四种挤压方式第三章材料的连接成形第一节焊接成形工艺基础1.三大类焊接方法（熔化焊；压焊；钎焊）；2.熔焊的冶金特点（理解）及保证焊接质量的基本措施（保护焊接区；渗加合金元素；脱氧脱硫）；3.焊接接头的概念（焊缝加热影响区）；4.焊接热影响区的概念（焊接过程中，焊缝两侧受焊接热作用而发生组织与性能变化的区域）；5.低碳钢焊接热影响区的组成及其特点（熔合区；粗晶，性能差；过热区：粗晶，性能差；正火区：细晶，性能好；部分相变区：性能稍差）；6.焊接应力与变形产生的原因（局部加热）；7.防止和减少焊接应力的措施（焊前预热；焊接次序；焊后缓冷；焊后去应力退火）；8.焊接变形的形式（收缩变形；角变形；弯曲变形；扭曲变形；波浪变形）；9.防止和减小焊接变形的措施（刚性固定；反变形；焊接次序；焊前预热；焊后缓冷；矫正）；10.焊接缺陷的种类及其检验方法（理解）；第二节焊接方法1.焊条的组成及作用（焊芯和药皮；焊芯：作电极和焊缝的填充金属；药皮：稳定电弧燃烧；保护焊接区；渗加合金元素；脱氧脱硫）；a)为什么焊条药皮中要加脱氧剂？2.两种重要的焊条（J422、J507）；焊条选用原则（重在应用）3.埋弧焊的原理（理解）、特点和应用范围（水平位置焊接长直焊缝；大直径环形焊缝）b)埋弧焊的生产率为什么高于焊条电弧焊？c)埋弧焊与焊条电弧焊相比，为什么可以节省材料？d)埋弧焊为什么不能实现全位置焊接？4.氩弧焊的原理、特点及其应用；5.二氧化碳气体保护焊的原理、特点及其应用（注意与氩弧焊比较理解）e)二氧化碳保护焊时焊丝的成分有何要求，为什么？6.电渣焊的原理（电阻热）及其应用。
材料物理化学-第五章 表面与界面
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④n↑或↓ 三、吸附与表面改性 吸附：新鲜的固体表面能迅速地从空气中吸附气体或其它物质来降低其表面能。吸附是 一种物质的原子或分子附着在另一种物质表面现象。 表面改性：通过改变固体表面结构状态和官能团。 表面活性剂：降低体系的表面（或界面）张力的物质。
5.3 无机材料的晶界与相界
液体
开 the contact 两相的化学性能或
F 为润湿张力，θ为润湿角（接触角 angle），由于 所以，润湿先决条件是γSV>γS或γSL很小，当固液 化学结合方式很接近时，是可以满足这一要求。
材料物理化学
固
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改变γSV——减少氧化吸附膜； 改变γSL——两相组成相似； 改变γLV——液体中加入表面活性剂 ⑶浸渍润湿 浸渍润湿指固体浸入液体中的过程。
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第五章
表面与界面
表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶。这就使物体表面呈现一系列特殊的性 质。高分散度物系比低分散度物系能量高得多，必然使物系由于分散度的变化而使两者在物 理性能（如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等）和化学性质（化学活性、 催化、固相反应）方面有很大的差别。随着材料科学的发展，固体表面的结构和性能日益受 到科学界的重视。随着近年来表面微区分析、超高真空技术以及低能电子衍射等研究手段的 发展，使固体表面的组态、构型、能量和特性等方面的研究逐渐发展和深入，并逐渐形成一 门独立学科——表面化学和表面物理。 表面与界面的结构、性质，在无机非金属固体材料领域中，起着非常重要的作用。例如 固相反应、烧结、晶体生长、玻璃的强化、陶瓷的显微结构、复合材料都与它密切相关。 表面：—个相和它本身蒸汽（或真空）接触面称之。 界面：—个相与另一个相（结构不同）接触的分界面称之。 相界：指具有不同组成或结构的两固相间的分界面。 晶界：是指同材料相同结构的两个晶粒之间的边界。 习惯上把液-气界面、固-气界面称为液体表面和固体表面。表面可以由一系列的物理化 学数据来描述（表面积、表面组成、表面张力、表面自由能、熵、焓等），表面与界面的组 成和结构对其性能有着重要的影响。 表面与界面起突出作用的新型材料，如薄膜、多层膜、超晶格、超细微粒与纳米材料等 发展如日中天。
热压罐成型复合材料成型工艺的常见缺陷及对策
热压罐成型复合材料成型工艺的常见缺陷及对策热压罐成型复合材料成型工艺是一种广泛应用于航空、汽车、船舶等领域的高性能材料成型技术。
由于其具有质量轻、刚性高、耐高温耐腐蚀等优点，因此备受青睐。
在实际生产中，热压罐成型复合材料成型工艺常常会出现各种缺陷，影响产品质量和性能。
本文将重点介绍热压罐成型复合材料成型工艺中常见的缺陷及相应的对策。
一、气泡气泡是热压罐成型复合材料成型工艺中常见的缺陷之一。
气泡的存在会导致制品的密度不均匀，影响其力学性能和耐久性。
气泡的形成原因主要包括树脂充填不足、工装表面粗糙和工艺参数设置不当等。
对策：1. 提高树脂充填效率，保证充填充分；2. 提高工装表面光洁度，减少气泡的产生；3. 调整工艺参数，如温度、压力和时间，使树脂更好地充填并排除气泡。
二、裂纹裂纹是热压罐成型复合材料成型工艺中另一个常见的缺陷。
裂纹的存在会降低制品的强度和韧性，影响其使用寿命。
裂纹的形成主要受到成型温度、成型压力和成型时间的影响，同时也与工装的设计和加工精度有关。
对策：1. 控制成型温度，避免温度过高导致树脂的膨胀收缩，产生裂纹；2. 合理控制成型压力，保证树脂充填充分但不会过大导致裂纹；3. 控制成型时间，避免过长造成树脂过度固化产生裂纹；4. 设计合理的工装结构，减少应力集中和变形，避免裂纹的产生。
三、毛刺对策：1. 优化模具的设计，减少脱模力和剪切力，避免毛刺的产生；2. 提高模具表面的加工精度和光洁度，减少毛刺的生成；3. 采用表面喷涂、电镀等方法，形成一层平滑的保护层，减少毛刺的产生。
四、变形变形是热压罐成型复合材料成型工艺中常见的内部缺陷。
制品的变形会导致尺寸偏差和形状不规则，影响其使用功能和外观美观。
变形的产生主要与工装设计、成型参数和材料性能有关。
对策：1. 优化工装设计，减少应力集中和变形；2. 调整成型参数，如温度、压力和时间，使成型过程更加稳定；3. 选择合适的复合材料，提高材料的强度和韧性，减少变形的产生。
第五章 塑性成形
常温下塑性变形对低碳 钢力学性能的影响
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《材料成型学》 第五章 塑性成形
冷变形强化的原因是：在塑性变形过程中，在 滑移面上产生了许 多晶格方向混乱的 微小碎晶，滑移面
附近的晶格也产生
了畸变，增加了继
续滑移的阻力，使
继续变形困难。
滑移面附近晶格畸变示意图
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《材料成型学》 第五章 塑性成形
（2）回复 指当温度升高时，金属原子获得热能，使冷 变形时处于高位能的原子回复到正常排列，消除 由于变形而产生的晶格扭曲的过程，可使内应力 减少。
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《材料成型学》 第五章 塑性成形
多晶体
多晶体晶粒逐批滑移示意图
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《材料成型学》 第五章 塑性成形
2、塑性变形后的金属组织和性能
塑性变形后的组织: （1）形成纤维组织： 晶粒被压扁、拉长，晶界模糊不清。 （2）晶粒破碎，细化。 （3）形成变形结构： 晶粒择优取向，形成变形结构，使金属各向异性。 （4）残余内应力： 由于变形不均匀，局部区域变形量的大小不同， 造成受拉或受压。
纯铁冷拔90%后在550℃加热不同时间后的显微组织
《材料成型学》 第五章 塑性成形
回复、再结晶及晶粒长大阶段中性能的变化示意图
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《材料成型学》 第五章 塑性成形
（4）冷变形和热变形
冷变形：指金属在其再结晶温度以下进行塑性变 形。如冷冲压、冷弯、冷挤、冷镦、冷轧和冷拔。 能获得较高的硬度及表面质量通过对坯料锻打或锻压，是产生塑性变形而得到所 需制件的一种成形加工方法。
常用锻造方法：自由锻 模锻 1. 自由锻 自由锻指将金属坯料放在锻造设备的上下抵铁 之间，施加冲击力或压力，使之产生自由变形而获 得所需形状的成形方法。 坯料在锻造过程中，变形不受限制，锻件的形状和 尺寸靠锻工的技术来保证，所用设备与工具通用性 强。主要用于单件、小批生产，也是生产大型锻件 的唯一方法。
焊接熔焊原理复习题 材料成型
焊接冷裂纹的形成机理影响因素及防治措施？答：冷裂纹常产生在中、高碳钢，低合金高强钢和钛合金等金属材料焊接接头中的热影响区，形成机理：变形量大于变形能力。
焊接时产生冷裂纹的三大主要因素: 1）钢种的淬硬倾向，淬硬越大，越容易产生裂纹，2，焊接接头氢含量及其分布，氢是引起高强钢焊接冷裂纹的主要因素，3，接头所承受的拘束应力状态，焊接条件下主要有焊接热应力，金属相变产生的组织应力，结构自拘束条件所造成的应力三种应力，冷裂纹是三者共同作用的效果。
影响裂纹的主要因素：1，钢化学成分的影响，既对淬硬性的影响，2.拘束力的影响：拘束力是焊接时产生裂纹的必备条件。
3.氢的有害影响，氢是引起冷裂纹的主要因素。
4.焊接工艺的影响：1，线能量的影响，线能量大引起结晶粗大，增大产生裂纹的倾向，过小，不利于氢气的逸出，应选择合适的范围，2.预热，可有效防止冷裂纹，.焊接后热处理，可使扩散氢逸出，适当改善组织，降低淬硬性，5.多层焊的影响，后层对前层有消氢和改善热影响区的作用，对防止冷裂纹有良好的作用。
防止途径冶金方面，控制材料的成分，降低碳含量，以多种微量元素合金化，使得强度上升，有一定的韧塑性，2.选用合适的方法和材料，低氢型焊条和材料，3.除锈，油污.烘干，控制氢的含量。
工艺方面：1.选用适当的线能量，2.预热，去H减小应力等可防止冷裂纹产生，3.采用多层焊，4.减小结构刚度，避免应力集中5.锤击焊缝，减小应力等，二，焊接热裂纹的形成机理影响因素及防治措施？最常见的沿着焊缝中心纵向开裂，由于焊缝中存在液态薄膜，和焊缝在凝固过程中受到拉伸应力的作用的结果，这种裂纹是在焊缝结晶过程中产生的，产生裂纹的条件：焊缝在脆性温度转变区所承受的拉伸应变大于焊缝金属所具有的塑性，就会产生裂纹现可将熔池结晶分为三个阶段分析：1.液固阶段，在此阶段液态金属占大部分，故不会产生裂纹，2.固液阶段，此阶段过程腔体封闭，液态金属少，且在拉伸力的作用下，不能补充而开裂，存在一个脆性转变区，3.完全凝固阶段一般很难产生裂纹。
铸造裂纹产生的原因和避免的措施
铸造裂纹产生的原因和避免的措施铸造是一种重要的金属成型工艺，广泛应用于汽车、航空、航天、军工等领域。
然而，铸造件在生产中常常会出现裂纹缺陷，导致产品质量下降，甚至造成安全事故。
本文将就铸造裂纹的产生原因和避免措施进行简要介绍。
铸造裂纹产生的原因铸造裂纹主要有以下几个原因。
1. 材料缺陷铸造材料在生产过程中，常常会出现缺陷，如气孔、夹杂、杂质等，这些缺陷会在铸造冷却过程中形成应力集中区域，导致裂纹的产生。
2. 铸造工艺不合理铸造工艺不合理也是造成铸造件裂纹的重要原因。
如浇口不当、冷却不均、浇注速度过快等，都会导致铸造件的应力不均匀，从而形成裂纹。
3. 设计不合理铸造件的设计也会影响裂纹的产生。
当设计不合理时，会使铸造件应力分布不均匀，从而形成裂纹。
4. 环境因素环境因素也可能导致铸造件裂纹的产生。
如温度过高或过低、环境湿度过高、风力过大等，都会影响铸造件的冷却速度，从而形成裂纹。
避免铸造裂纹的措施为了避免铸造裂纹的产生，我们可以采取以下措施。
1. 优化材料在生产过程中，对铸造材料进行优化，去除缺陷，可以有效减少铸造裂纹的产生。
2. 检查工艺在生产过程中，对铸造工艺进行检查，保证浇口、浇注速度等符合要求，可以有效减少铸造件裂纹的产生。
3. 合理设计设计时要考虑到铸造件内部的应力分布，合理设计无疑可以减少铸造裂纹的产生。
4. 控制环境在铸造过程中，要控制环境温度、湿度和风力等因素，使铸造件冷却均匀，从而减少裂纹的产生。
结语本文介绍了铸造裂纹的产生原因和避免措施。
铸造件裂纹的产生很大程度影响了铸造件的质量和使用寿命，因此，为了提高产品质量，我们必须采取措施避免铸造裂纹的产生。
材料成型名词解释
名词解释：1、液态金属的充型能力Mold-filling capacity：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2、延迟裂纹：是在氢、钢材淬硬组织和拘束应力的共同作用下产生的，其形成温度一般在Ms 以下200℃至室温范围，由于氢的作用而具有明显的延迟特征3、逐层凝固Gradual solidification：固液两相区很窄时的凝固方式4、糊状凝固（体积凝固）V olume solidification：凝固过程中固液两相区很宽或整个断面处于固液两相区5、中间凝固：固液两相区宽度介于逐层凝固与糊状凝固之间6、均质形核Homogeneous nucleation：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而液相自身发生形核的过程7、异质形核Heterogeneous nucleation：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程称为异质形核8、形核率：单位体积中单位时间内形成的晶核数目9、粗糙界面Rough interface：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构（非小平面）10、光滑界面Smooth interface：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满，只留下少数空位或台阶而形成整体平整光滑的界面结构（小平面）11、过冷度Degree of supercooling：理论结晶温度与实际结晶温度之差12、动态过冷度：晶体长大所需要的界面过冷度称为动态过冷度13、溶质再分配：合金凝固过程中，随温度的不同，凝固相平衡成分发生改变，由于固液相原始成分不同，排出的溶质在固液界面前沿富集并形成浓度梯度，这种在整个凝固过程中，固液两相内部不断进行着的溶质元素的重新分布过程叫溶质再分配14、成分过冷Constitutional undercooling：凝固过程中由于溶质再分配导致界面前沿溶质富集，改变了界面前方熔体成分，导致界面前沿熔体液相线变化而引起的过冷，它不仅受实际温度梯度的影响同时受到界面前沿熔体化学成分的影响15、外生生长：晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式16、内生生长：等轴枝晶在熔体内部自由生长得方式17、共生生长Cooperative growth：规则共晶长大时，两相彼此紧密相连，相互依赖生长，两相前方的液体区域中存在溶质的运动18、离异生长Divorced growth：共晶两相没有共同生长得界面，它们各自以不同的速度而独立地生长，即两相的析出在时间上和空间上都是彼此分离的，因而形成的组织中没有共生的特征，这种非共生生长得共晶结晶方式叫离异生长19、晶间偏析型离异共晶：当一相大量析出，而另一相尚未开始结晶，将形成晶间偏析型离异共晶20、晕圈型离异共晶：由于两相在生核能力和生长速度上的差别，第二相环绕着领先相表面生长而形成一种镶边外围层的情况，此外围层称为晕圈21、共生协同生长：两相各向其界面前沿排出另一组元的原子，由于α前沿富集B，β前富集A，扩散速度正比于溶质的浓度梯度，故横向扩散速度比纵向大，共晶两相通过横向扩散不断排走界面前沿积累的溶质，且又互相提供生长所需的组元，彼此合作，齐头并进的向前生长22、铸件的宏观组织：铸件的宏观组织指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布情况23、孕育处理Inoculation：浇注之前或浇注过程中向液态金属中添加少量物质（孕育剂）以达到细化晶粒，改善宏观组织的目的24、孕育衰退：孕育效果减弱的现象25、联生结晶：非自发形核依附在熔池边界未熔母材晶粒表面，在较小的过冷度下以柱状晶 的形态向焊缝中心生长，称为联生结晶（外延生长）26、变质处理：焊接时，通过焊接材料向熔池加入一定量的合金元素作为非自发晶核的质点。
陶瓷工艺原理_郑州大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
陶瓷工艺原理_郑州大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.陶瓷材料的性能主要由其化学组成决定，与其显微结构关系不大。
参考答案:错误2.陶器的吸水率一般要低于瓷器的吸水率。
参考答案:错误3.陶瓷材料在常温下一般先发生塑性变形然后再发生断裂。
参考答案:错误4.关于陶瓷材料中裂纹产生的原因，下述说法正确的是：参考答案:陶瓷多相体热性质的不同引起裂纹_陶瓷晶体的生长缺陷会导致裂纹的形成_陶瓷材料的机械损伤与化学腐蚀形成表面裂纹5.陶瓷材料中玻璃相的组成、数量与坯料的组成密切相关，而受该陶瓷的烧成工艺影响则很小。
参考答案:错误6.陶瓷的显微结构主要由生产工艺决定，与其化学组成关系不大。
参考答案:错误7.采用陶瓷生产工艺，可以制备出高质量的大理石墙地砖。
参考答案:错误8.干燥缺陷是由不均匀收缩引起的内应力造成的。
参考答案:正确9.微波干燥是以微波辐射使生坯内极性强的分子，主要是水分子运动随交变电场的变化而加剧，发生摩擦而转化为热能使生坯干燥的方法。
参考答案:正确10.采用圆形的泥浆搅拌池比采用六角形的搅拌效果好。
参考答案:错误11.注浆成型是指在石膏模的毛细管力作用下，含有一定水分的粘土泥浆脱水硬化、成型的过程。
参考答案:正确12.对于普通陶瓷来说，所含的晶相越多、玻璃相越少，则强度越高。
参考答案:正确13.按照概念和用途，特种陶瓷又可进一步划分为：参考答案:结构陶瓷_功能陶瓷14.为了提高陶瓷坯料的可塑性，加入的最佳矿物原料是：参考答案:膨润土15.下列属于釉中网络形成剂的组分是：参考答案:二氧化硅16.陶瓷工业中常用的长石类型有钾长石、钠长石、钙长石和钡长石。
参考答案:错误17.陶瓷材料的相变增韧主要是利用单斜相ZrO2向四方相ZrO2的转变实现的。
参考答案:错误18.多晶陶瓷材料的强度随晶粒尺寸的增大而升高。
参考答案:错误19.在釉料配方中提高Na2O或CaO的含量可使釉的熔融温度降低。
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制2
材料成形基本原理
16
第三节
内部等轴晶的形成机理
一、“成分过冷”理论 二、激冷等轴晶型壁脱落与游离理论 三、枝晶熔断及结晶雨理论
材料成形基本原理
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一、“成分过冷”理论
该理论认为，随着凝固层向内推移，固相散热能 力逐渐削弱，内部温度梯度趋于平缓，且液相中的 溶质原子越来越富集，从而使界面前方成分过冷逐
浇注温度
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。
通过改变浇注方式强化对流对型壁激
浇注方式
冷晶的冲刷作用，能有效地促进细等 轴晶的形成。但必须注意不要因此而 引起大量气体和夹杂的卷入而导致铸 件产生相应的缺陷。
材料成形基本原理
中间柱状晶区
内部等轴晶区 的晶粒较为粗大;
材料成形基本原理
5
第一节 铸件的宏观组织
不是每个铸件都有上述三个晶区，有以下 特殊情况：
材料成形基本原理
6
几种不同类型的铸件宏观组织
图5-2 几种不同类型的铸件宏观组织示意图 （a）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有;（d）只有等轴晶
材料成形基本原理
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铸件宏观结晶组织的影响因素
2．浇注条件方面
1)低的浇注温度。有利等轴晶的形成和晶粒细
化。 2)合适的浇注工艺。强化液流对型壁的冲刷有 利等轴晶的形成和晶粒细化。
材料成形基本原理
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铸件宏观结晶组织的影响因素
3．铸件性质和铸件结构方面
材料成形基本原理
第五章 铸件及焊缝宏观组织及其控制
材料基础第5章习题课
单晶体的塑性变形 ——孪生
1.定义：是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另 一部分所发生的切变。
2.孪生的特点： ① 孪生使晶格位向发生改变； ② 所需切应力比滑移大得多, 变形速度极快, 接近声速; ③ 孪生时相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距. ④ 孪生变形在应力-应变曲线上也很有特点 ⑤ HCP晶格金属滑移系少， BCC晶格金属只有在低温 或冲击作用下才发生孪生变形，FCC晶格金属，一 般不发生孪生变形。 ⑥ 对塑性变形贡献小
合金的塑性变形——多相合金
１.结构：基体＋第二相。 ２.分类依据：第二相粒子尺寸大小 聚合型两相合金 与基体晶粒尺寸属同一数量级， 两相性能接近：按强度分数相加计算。
弥散分布型两相合金 第二相粒子细小而弥散地分布 在基体晶粒中。 不可变形粒子的强化作用（位错绕过机制） ； 可变形微粒的强化作用（位错切割粒子的机制）。
材料科学与工程学院 材料科学基础
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1、什么是弹性变形？并用双原子模型来解释其物理本质。 【答】弹性变形是指外力去除后能够完全恢复的那部分变形， 可从原子间结合力的角度来了解它的物理本质。 原子处于平衡时，其原子间距为r0，位能U处于最低 位臵，相互作用力为零，这是最稳定的状 态。当原子受力后将偏离其平衡位臵，原 子间距增大时将产生引力；原子间距减小 时将产生斥力。这样，外力去除后，原子 都会恢复其原来的平衡位臵，所产生的变 形便完全消失，这就是弹性变形。
孪生与滑移的异同
滑 移 相同点
晶体位向
孪 生
是塑变的形式；沿一定的晶面、晶向进行；不改变结构 。
不改变（对抛光面观察无重 现性） 改变，形成镜面对称关系（对 抛光面观察有重现性）
不 同 点
材料成型原理名词解释及分析
材料成型原理名词解释及分析名词解释能量起伏：原⼦能量存在不均匀性。
结构起伏：原⼦时聚时散。
浓度起伏：同种原⼦在不同原⼦团的分布量不同。
表⾯张⼒：⼀⼩部分液体单独在⼤⽓中出现时，⼒图保持球状形态，说明总有⼀个⼒的作⽤使其趋向球状，这个⼒为表⾯张⼒。
传热的基本⽅式：传到传热、对流换热和辐射换热。
三种计算凝固时间的⽅法：1理论计算法；2平⽅根定律；3折算厚度法。
匀质形核：在没有任何外来界⾯的均匀熔体的形核过程。
⾮均质形核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界⾯提供的衬底进⾏形核的过程。
粗糙界⾯：界⾯固相⼀侧的点阵位置只有50%左右被固相原⼦所占据，这些原⼦散乱的随机分布在界⾯上，形成⼀个坑坑洼洼，凹凸不平的界⾯。
平整界⾯：固相表⾯的点阵位置⼏乎全部被固相原⼦所占据，只留下少数空位；或者是在充满固相原⼦的界⾯上存在少数不稳定的孤⽴的固相原⼦，从⽽形成了⼀个总体上的平整光滑界⾯。
溶质再分配：从形核开始到凝固结束，在整个结晶过程中固液两相内部将不断进⾏着溶质元素的重新分布过程，称为合⾦结晶过程中的溶质再分配平衡凝固：在⼀定压⼒条件下，凝固体系的温度和成分完全由相应合⾦系的平衡相图所规定，这种理想状态下的凝固过程称为平衡凝固。
近平衡凝固过程：在固液界⾯处合⾦成分符合平衡相图，这种情况称为界⾯平衡，相应的凝固过程称为近平衡凝固过程，也成为正常凝固过程。
⾮平衡凝固过程：即使在固液界⾯处也不符合平衡相图的规定，产⽣所谓的溶质捕获现象，这类凝固过程称为⾮平衡凝固过程溶质平衡分配系数：平衡固相溶质浓度Cs与液相溶质浓度Cl之⽐为溶质平衡分配系数热过冷——液态凝固时所需过冷完全由传热所提供。
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。
⾮⼩平⾯-⾮⼩平⾯共晶合⾦（⼜称规则共晶合⾦）：该类合⾦在结晶过程中，共晶两相α和β具有⾮⼩平⾯⽣长的粗糙界⾯，组成相的形态为规则的棒状或层⽚状。
(陶瓷科学与工艺学)第五章1成型-压制成型
2.3.3加压制度对坯体质量的影响
5、添加剂的选用 （1）减少粉料颗粒间及粉料与模壁之间的摩擦，这种添加物又称润滑剂； （2）增加粉料颗粒之间的粘结作用，这类添加物又称粘合剂； （3）促进粉料颗粒吸附、湿润或变形，通常采用表面活性物质。
第二节 成型与成型前后工艺的关系
5.2.1 成型对粉体的要求 d)颗粒的大小、形状---粉料的拱桥效应(或称桥接) 球形颗粒有利于提高流动性和松装密度。 颗粒粒度分布窄的高于粒度分布宽的松装密度。
等径球体堆积形式及孔隙率 粉料自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉料不是球形，加上表面 粗糙图表，以及附着和凝聚的作用，结果颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空 隙率。这种现象称为拱桥效应
第四节 冷等静压成型
5.4.3 等静压成型的缺陷和控制
1)填充不均匀而形成的颈部，这和粉料流动性差有关；
2)粉料填充不均匀或装料的橡胶袋无支撑而导致的不规则表面 3) 湿式等静压中因模具橡胶袋太硬或因粉料压缩性太大而形成的“象脚”形； 4)湿式等静压中因橡胶模具无支撑而形成的“香蕉”行； 5)成型中轴向弹性回弹形成的压缩裂纹，硬粉料更是如此； 6)由于压缩裂纹而形成分层，这来源于不合适的或过厚的橡胶材料或较弱的坯块； 7)不规则表面形状：与密封橡胶袋材料不合适或太厚，坯体强度低或小的角半径有关； 由于不充分的弹性而形成的轴向裂纹。
(陶瓷科学与工艺学)第五章1成型-压 制成型
5 陶瓷坯体的成形
课后习题
1.列举陶瓷坯体的基本成型方法。 2.试分析注浆成型过程中影响泥浆流动性和稳定性因素有哪些？ 3.干压成型中，怎样的粉体有利于获得高密度的成型坯体？ 4.简述干压制成型过程中坯体易于出现层裂的原因。 5.弹性后效定义 6.简述成型对烧结有哪些影响？ 7.简述干燥过程的不同阶段及影响因素。
水泥稳定碎石层碾压成型后裂纹产生原因及防治措施
水泥稳定碎石层碾压成型后裂纹产生原因及防治措施水泥稳定碎石层作为一种常见的路面结构，其主要作用是加固路面，提高路面的承载力和稳定性。
但是，在施工和使用过程中，水泥稳定碎石层经常会产生裂纹，这会降低路面的使用寿命和承载能力。
本文将就水泥稳定碎石层裂纹产生的原因及防治措施进行分析和阐述。
1.施工质量不佳：水泥稳定碎石层的质量受到施工工艺和施工操作的影响。
如果施工质量不佳，如水泥稳定碎石层的浇筑不均匀、振捣不充分等，就会导致水泥稳定碎石层内部存在空隙和不均匀压实，从而引起裂缝的产生。
2.材料质量问题：水泥稳定碎石层的质量受到材料的影响，如水泥的质量、砂石的质量等。
如果水泥的质量不合格或者砂石的粒径分布不合理，就会导致水泥稳定碎石层的强度不均匀，从而引发裂纹。
3.环境因素：路面作为一个暴露在室外的结构，受到环境因素的影响较大。
例如，气温变化引起的温度变化，地基的沉降变形等都会对水泥稳定碎石层产生应力，导致裂纹的产生。
为了防止水泥稳定碎石层裂纹的产生，可以采取以下措施：1.提高施工质量：要严格按照施工规范操作，确保水泥稳定碎石层的浇筑均匀、振捣充分，避免在施工过程中产生空隙和质量不均匀的情况。
2.选用优质材料：要选择质量可靠的水泥和砂石，确保其符合相关技术标准要求，并且要注意砂石的粒径分布，避免出现不均匀的情况。
3.合理设计路面结构：在设计水泥稳定碎石层时，要根据路面的使用条件和承载要求进行设计，合理确定水泥的用量和砂石的比例，以保证水泥稳定碎石层具有足够的强度和稳定性。
4.监控和维修：定期进行路面巡查，发现裂纹和破损要及时进行维修和处理，避免裂纹扩大和进一步损坏。
5.加强养护管理：水泥稳定碎石层的养护管理是防止裂纹产生的重要措施，要保持路面的清洁和干燥，避免水沉积和外界环境因素对路面的影响。
6.适当增加伸缩缝的设置：在水泥稳定碎石层的设计中，可以适当增加伸缩缝的设置，以减轻温度和变形引起的应力集中，从而减少裂纹的产生。
材料成型原理各章重点
第一章重点总结第一节了解即可，没有出过题。
第二节1.纯金属的液态结构（11页第三段）2.实际金属的液态结构（11页第四段第五行，从“因此，实际液态金属-----”到段末）3.名词解释温度起伏，结构起伏，能量起伏（11页三、四段中）4.13页第一段“X射线衍射-----”第三节5.影响液态金属粘度的因素（14页）（1）化学成分，难熔化合物的液体粘度较高，熔点低的共晶成分合金粘度低（2）温度，液体金属的粘度随温度的升高而降低。
（3）非金属夹杂物，非金属夹杂物使液态金属粘度增加6.粘度在材料成形过程中的意义1）对液态金属净化的影响（2）对液态合金流动阻力的影响（3）对凝固过程中对流的影响7.名词解释，表面张力（15页最下面一句“总之，一小部分---”）8.表面张力产生的原因，（16页第一段）9.影响表面张力的因素（见2005年A卷二大题1小题）第四节10.流变铸造及特点（21页第一段“即使固相体积分数达到---”至最后，及21页最后一段，22页第一段）11.半固态金属表观粘度的影响因素（21页2 3 4段）第二章重点总结1铸造概念（22页第一段第一句）第一节2.液态金属充型能力和流动性有何本质区别（见2006年A卷第2题）3.两种金属停止流动机理（1）纯金属和窄结晶温度范围合金的停止流动机理（22页最后一段）（2）款结晶温度范围合金停止流动机理（23页第二三段）4.影响充型能力的因素及促进措施（1）金属性质方面的因素1.合金成分2.结晶潜热3.金属比热容4液态金属粘度5表面张力（2）铸型性质方面的因素1铸型蓄热系数，蓄热系数越大，铸型的激冷能力就越强2.铸造温度（3）浇注条件方面因素1.浇注温度2充型压头3浇注系统结构（4）铸件结构方面因素1折算厚度2铸件复杂程度（每点后最好总结一句话）第二节5.金属凝固过程中的流动（第二节1、2段）第三节6.了解存在三种传热；对流传热，传导传热，辐射传热即可第四节7.了解存在三种计算凝固时间的方法1理论计算法2平方根定律3折算厚度法即可第三章重点第一节1为什么过冷是液态合金结晶的驱动力（见2006年A卷第1题）2. 何为热力学能障和动力学能障？凝固过程中是如何克服这两个能障的？（见2005年D卷第3题）第二节 3.形核条件(40页第一段)4.名词解释，匀质形核，非匀质形核（41页最上部）5，2007年B卷第1题6.记住公式3-17 7.2006年A卷第3题第三节8.晶体宏观长大方式晶体宏观长大方式取决于界面前方液体中的温度分布，即温度梯度（1）平面方式长大固-液界面前方液体中的温宿梯度大于0，液相温度高于界面温度，称为正温度梯度分布。
材料科学基础第五章1.1
抗拉强度
屈服强度 弹性极限
低碳钢ζ—ε曲线
静拉伸示意图
载荷－伸长曲线
真应力－应变曲线(考虑动态截面积的变化)
不同材料，其应力－应变曲线不同，如：
屈服强度(σ0.2) :有的金属材料的屈服点极不明显 ，在测量上有困难，因此为了衡量材料的屈服 特性，规定产生永久残余塑性变形等于一定值( 一般为原长度的0.2%)时的应力，称为条件屈服 强度或简称屈服强度σ0.2
d 式中ζ为应力；dt
一些非晶体，有时甚至多晶体，在比较小的应 力时可以同时表现出弹性和粘性，这就是粘弹性现 象。 粘弹性变形的特点是应变落后于应力。当加上 周期应力时，应力—应变曲线就成一回线，所包含 的面积即为应力循环一周所损耗的能量，即内耗。
5.2晶体的塑性变形 应力超过弹性极限，材料发生塑性变形，即产 生不可逆的永久变形。 5.2.1单晶体的塑性变形 在常温和低温下，单晶体的塑性变形主要通过 滑移方式进行的，此外，尚有孪生和扭折等方式。 1．滑移
纳米铜的室温超塑性
一、概述
金属的应力—应变曲线 金属在外力作用下一般经历弹性变形（elastic deformation）、弹塑性变形（plastic deformation）和断裂（fracture）三个阶段。
1.工程应力一应变曲线
工程应力一应变（ζ－ε）曲线： ζ= P/Ao ε= （L－Lo）/ Lo P—为载荷 Ao—原始试样的截面积 L、Lo—变形后和变形前试样的长度 低碳钢ζ—ε曲线如图5.1（P151）
1.包申格效应 材料经预先加载产生少量塑性变形(小于4％)， 而后同向加载则e升高，反向加载则e下降。此现 象称之为包申格效应。它是多晶体金属材料的普遍 现象。
实际材料T10钢的包辛格效应
焊缝成形中的热裂纹与冷裂纹
五、多边化裂纹和高温失延裂纹的形成
在热影响区(包括多层焊时前一焊道的热影响区)温度低于固 相线的部位，不存在液态薄膜，也会产生晶间断裂而形成高 温裂纹。这种裂纹大多属于多边化裂纹或高温失延裂纹。 在纯金属或单相奥氏体焊缝或近缝区中，刚凝固的金属存 在很多晶格缺陷，晶格缺陷在高温条件下的扩散聚集形成低 塑性的二次边界（多边化晶界），在收缩应力的作用下由多 边化晶界产生多边化裂纹。 在其它材料的焊接热影响区中，在高温条件下由晶内晶界 的不均匀变形加上晶界的缺陷聚集而失强、失塑导致的晶界 开裂属于高温失延裂纹。
第三节
焊接冷裂纹
一、 冷裂纹的分类
(一) 延迟裂纹
这种裂纹是冷裂纹中一种普遍形态，它的主要特点是不在焊后立即出现，而是 有一定孕育期，具有延迟现象 1. 焊趾裂纹 2. 焊道下裂纹 3. 根部裂纹
(二) 淬硬脆化裂纹(或称淬火裂纹)
它完全是由冷却时马氏体相变而产生的脆性造成的，这种裂纹基本上没有 延迟现象，焊后可以立即发现，有时出现在热影响区，有时出现在焊缝上
1. 焊缝中氢的溶解与扩散 来源：焊接时焊接材料、坡口表面的铁锈、油污、空气中水分 中的氢会熔入焊缝金属 溶解与扩散：氢在铁素体中的扩散速度要显著大于奥氏体中 氢在铁素体中的溶解度小，扩散速度大；相反，氢在奥氏 体中溶解度大，扩散速度小。
2. 氢在焊接接头中的扩散集聚
焊接低合金高强钢时，焊缝冷却时焊缝的相变点也总是高于母材 (因为，为了改善焊接性，焊缝的含碳量总是低于母材) 所以，焊缝中的H中冷却过程中要先从焊缝向母材HAZ区扩散，由于氢在 HAZ奥氏体中的扩散速度较小，不能很快把氢扩散到距熔合线较远的母材中 去，因而在熔合线附近就形成了富氢地带。 当滞后相变的HAZ由奥氏体向马氏体转变时(TAM)，氢便以过饱和状态残留在 马氏体中，促使这个地区进一步脆化,为延迟裂纹的产生创造了条件。
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根据裂纹产生的机理，焊接裂纹可分为：
•焊接热裂纹 结晶裂纹 液化裂纹 多边化裂纹
•焊接冷裂纹 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 低塑性裂纹
•再热裂纹 •层状撕裂 •应力腐蚀裂纹
各种裂纹的基本特征如表5-1所示
第二节 焊接热裂纹
一、热裂纹的主要特征
•热裂纹出现时间： 在结晶后期，邻近固相线的温度范围内，焊后立即产生；
•热裂纹的产生与焊缝和热影响区中碳、硫、磷等杂质的含量及结晶 后期硫、磷等在晶界形成的低熔点共晶有关 ；
二、热裂纹的分类
(一) 结晶裂纹
焊缝结晶过程中，在固相线附近，由于凝固金属的收 缩，残余液体金属不足而不能及时填充，在应力作用下 发生沿晶开裂，故称结晶裂纹。
(二) 液化裂纹
近缝区或多层焊的层间部位，在焊接热循环峰值温度 的作用下，由于被焊金属含有较多的低熔点共晶而被重 新熔化，在拉伸应力的作用下沿奥氏体晶界发生开裂
三、结晶裂纹形成的机理
结晶裂纹是在液态薄膜和拉应力共同作用下产生的，其中 •液态薄膜是产生结晶裂纹的内因， •而拉伸应力是产生结晶裂纹的必要条件
１. 结晶过程中焊缝金属的塑性
(1) 液固阶段： (2) 固液阶段： (3) 完全凝固阶段：
(二) 结晶裂纹形成的条件
1. 应变按曲线1变化 在固 相 线 Ts 附 近 的 应 变 为 △ e ， 此时焊缝的塑性储备量 △es=Pmin-△e > 0，此时不 会产生结晶裂纹。
1. 冷却速度的影响 接头的冷却速 度越大，所产生的应变率也越大
2. 焊接速度的影响 3. 焊缝形状的影响 4. 焊接次序的影响 5. 减小熔合比 6. 采用适当的运条手法
四、液化裂纹
(一) 液化裂纹的特征
液化裂纹是在高温下近缝区的 奥氏体晶界出现的一种微裂纹，它的尺寸很小，一般在0.5mm以下， 个别裂纹可达1mm，属于显微裂纹，多出现在焊缝熔合线的凹陷区 （具表面约3～7mm）和多层焊的层间过热区， (二) 液化裂纹的形成机理
(4)镍 镍在低合金钢中易于与硫形成低熔共晶(Ni与Ni3S2的共 晶熔点仅645℃)，因此会引起结晶裂纹
5. 一次结晶组织形态的影响
焊缝在结晶后，晶粒大小、形态和方向，以及析出的初生相等对 抗裂性都有很大的影响。晶粒越粗大，柱状晶的方向越明显，则产 生结晶裂纹的倾向就越大。
（二）工艺因素的影响及防治措施
五、多边化裂纹和高温失延裂纹的形成
在热影响区(包括多层焊时前一焊道的热影响区)温度低于固 相线的部位，不存在液态薄膜，也会产生晶间断裂而形成高 温裂纹。这种裂纹大多属于多边化裂纹或高温失延裂纹。
第五章 材料成形中的裂纹
天津大学 王惜宝
第一节
焊接裂纹的分类
图5-1 焊接裂纹的宏观形态及分布 a) T型接头的宏观裂纹 b) 对接接头的焊接裂纹 c) 焊缝收弧处的弧坑裂纹 1－焊缝中纵向裂纹 2－焊缝中横向裂纹 3－熔合区裂纹 4－焊缝根部裂纹
5－热影响区根部裂纹 6，7－焊趾裂纹 8－焊道下裂纹 9－层状撕裂 10－弧坑纵向裂纹 11－弧坑横向裂纹 12－弧坑星形裂纹
•结晶裂纹主要产生钢种： 在含碳、硫、磷等杂质较多的碳钢、低合金钢焊缝中和单相奥
氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中 ；
•热裂纹主要分布位置： 在焊缝中心、弧坑，有的分布在焊缝的柱状晶晶界，有的分布
在热影响区的过热区
•热裂纹的显微特征： 产生具有沿晶开裂特征，它是沿原奥氏体晶界开裂，裂纹
尖端圆钝，裂纹表面还多伴随有氧化色彩 。
2. 硫、磷的影响
3、碳的影响 碳不仅本身会显著增大结晶温度区间(见图)，而且还会加剧硫、
磷的偏析 （因为液相中的先析出相由δ相转变为γ相 ）
δ相
S
0.18
P
2.80
γ相 0.05 0.25
4、其它合金元素的影响
(1) 锰的影响 锰具有脱硫作用，同时也能改善硫化物的分布形态 使薄膜状FeS改变为球状分布的MnS，提高了焊缝的抗裂性
液化裂纹虽然同属于热裂纹，但它与结晶裂纹不同的是液化裂纹 不是在结晶过程中产生的，而是在焊接峰值温度的作用下，导致近 缝区奥氏体晶界处的低熔点共晶重新液化，该部位金属的强度及塑 性急剧降低，在拉应力作用下沿奥氏体晶界开裂而形成的裂纹。
(三) 影响液化裂纹的因素及防治措施 冶金因素：铬、镍、硼等元素的晶界偏析 工艺因素：主要体现在线能量和焊缝形状上
(三) 多边化裂纹
焊接时焊缝或近缝区在固相线稍下的高温区间，由于 刚凝固的金属中存在很多晶格缺陷(主要是位错和空位)及 严重的物理和化学不均匀性，在一定的温度和应力作用 下，由于这些晶格缺陷的迁移和聚集，便形成了二次边 界，即所谓“多边化边界”。因边界上堆积了大量的晶 格缺陷，所以它的组织性能脆弱，高温时的强度和塑性 都很差，只要有轻微的拉伸应力，就会沿多边化的边界 开裂，产生所谓产多边化裂纹”
(2)硅的影响 硅是δ相形成元素，应有利于消除结晶裂纹，但硅 含量超过0.4%时，容易形成硅酸盐夹杂，从而增加了裂纹倾向
(3)钛、锆和稀土 近年来发现，钛、锆和镧、铈等稀土元素能 形成高熔点的硫化物。例如，TiS的熔点约为2000～2100℃、 ZrS熔点为2100℃、La2S3熔点在2000℃以上、CeS熔点2450℃。 因此，采用钛、锆和镧、铈等稀土元素的脱硫效果比锰还好 (MnS熔点1610℃)，故对消除结晶裂纹有良好作施
是否产生结晶裂纹取决于 1、焊缝金属的脆性温度区间TB 的大小；2、脆性温度区内的最小塑性Pmin；3、脆性温度区内 应变增长率，4、这些因素之间的相互关系。
因此, 从本质上看，影响结晶裂纹的因素主要可归纳为冶 金因素和力的因素
(一) 冶金因素对结晶裂纹的影响
1. 结晶温度区间的影响： 合金状 态图中结晶温度区间越大,脆性温度 区间也越大,结晶裂纹倾向越大
2. 应变按曲线2变化 在固 相线Ts附近，焊缝的塑性储 备量△es=Pmin-△e ＝ 0,应变 △e恰好与焊缝金属的最低
塑性值Pmin相等，此时处于临界状态。
3. 应变按曲线3变化 在固相线Ts附近，焊缝的塑性储备量 △es=Pmin-△e < 0 焊缝应变值△e已超过焊缝金属的最低塑性值 Pmin，此时必然产生裂纹。