材料工程与基础复习资料

1、材料工程与基础第1章 材料的熔炼1. 炼铁：主要是还原过程 使铁从铁的氧化物中还原，并与脉石分离。炼钢：主要是氧化过程 将生铁的碳、硅、锰氧化，炼到规定范围内，将有害元素硫、磷含量降到规格范围之下。（对生铁的一种精炼过程）2.铁矿物的特性：自然界含铁矿物一般认为有四类 赤铁矿-质松易还原 磁铁矿-有磁性，质硬较难还原 褐铁矿-较易还原 菱铁矿-较易还原3.燃料的作用：a.作为高炉热量主要来源,提供热量 b. 提供还原剂C、CO c. 料柱骨架，保证透气性、透氧性4.焦炭是高炉炼铁的必要燃料，不可缺少。但在还原铁和熔融铁中多用烟煤或天燃气做还原剂。5.炼钢过程的脱氧方式与特点(简答题）：(1)

2、沉淀脱氧：脱氧剂直接加入钢液中，并直接 与钢液中 的FeO反应脱氧。优点速度快，缺点脱氧产物MnO、SiO2、Al2O3可留在钢液中。(2) 扩散脱氧：利用加在炉渣中的脱氧剂与FeO反应，减少炉渣中的FeO含量，使钢液中FeO向渣中扩散，间接脱氧。优点钢液干净除氧彻底，缺点是速度慢。可以采用两者结合的方法，用锰铁沉淀预脱氧，再用碳粉和硅铁扩散脱氧，最后用铝沉淀脱氧。即保证质量又缩短时间。6.铸造技术的特点特性：(1)钢铁的连续铸造：钢水连续浇入水冷的结晶槽中，并沿着结晶器周边迅速形成凝固层，用机械的方法从结晶器下方拉出。利用凝固壳层的强度维持钢锭的外部形态，进而通过向钢锭表面喷水进行二次冷却，

3、使钢锭在铸型外完成凝固过程。不需要容器。(2) O.C.C.连铸技术：通过加热铸型和对固相的强制冷却，维持很强的轴向导热，并保证固液界面凸向液相，这一凝固界面有利于获得定向或单晶凝固组织。与传统连续铸造工艺的区别，铸型是加热的，而不是冷却的，所以铸型不起结晶器的作用，相反铸型温度高于合金液的温度，凝固过程的热量是通过固相导出的。(3)钢锭的液芯轧制：轧制过程在钢锭凝固尚未完全结束，芯部仍处于液态的条件下进行的。液态轧制技术可大幅度节约能源，并且显著提高钢锭的质量，抑制柱状晶的生长，从而有利于获得细等轴晶；缩松、缩孔和一些裂纹也能在高温轧制过程中焊合，抑制宏观偏析。(4)薄板连铸连轧技术：直接用

4、冷却的轧棍代替结晶器，液态合金在轧制压力下进行凝固。凝固在有塑性变形的条件下快速发生，有利于晶粒细化，并能更有效的防止偏析，缩松，缩孔等凝固缺陷。7.铝铁矿提取氧化铝的方式：(1)拜耳法（湿碱法）生产氧化铝，Na2O·Al2O3·2SiO2·2H2O进入赤泥，造成苛性钠、氧化铝损失，这种损失与SiO2因此，拜耳法仅适宜处理含SiO2较少(58%以下)、铝硅比大于7的铝土矿。(2)碱石灰烧结法, 对铝硅比<4的铝土矿，碱石灰烧结法几乎是唯一得到实际应用的方法。我国铝土矿大多铝硅比不高。8.炼铜的步骤与目的：火法炼铜的基本流程包括：造锍熔炼、冰铜吹炼、火法精炼或

5、阳极铜电解精炼。造锍熔炼的目的在于：一、使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜；部分铁以FeS形式也进入冰铜，使大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣； 二、使冰铜与炉渣分离。冰铜吹炼的目的是在一定压力下将空气送到液体冰铜中，利用空气中的氧将冰铜中的铁和硫几乎全部除去：FeS氧化变成FeO与加入的石英熔剂造渣；而Cu2S则部分经过氧化，并与剩下的Cu2S相互反应变成粗铜。火法精练的目的是除去粗铜中的部分杂质，并为电解精炼提供优质的铜阳极。电解精炼的目的：提高铜的性能；回收其中有价元素，尤其是贵金属和稀散金属。9.熔体法晶体生长：必须使体系温度低于平衡温度，所以，过冷是熔体中晶体生长的必要条件。过冷度是晶体

6、生长的驱动力。一般情况下， 过冷度越大，晶体生长越快，过冷度为零时，晶体生长速度为零。熔体法晶体的生长方法(简答题）：提拉法，坩埚下降法，泡生法，水平区熔法，浮区法。浮区法的技术要点与步骤如下：将多晶料棒紧靠籽晶； 射频感应加热，使多晶料棒靠近籽晶一端形成一个熔化区，并使籽晶微熔，熔化区靠表面张力支持而不流淌；同速向下移动多晶料棒和晶体，相当于熔化区向上移动，单晶逐渐长大而料棒不断缩短，直至多晶料棒板全部转变为晶体。 该方法不用坩埚因此生长温度不受坩埚材料熔点的限制，可用来生产高熔点的晶体，又由于生产环境不易被污染，该方法又常用来生产高纯度的晶体材料。 10.溶液法晶体生长：在一定温

7、度下，只有溶液的浓度大于该温度下的平衡浓度（即饱和浓度）时，晶体才会生长，这是溶液法晶体生长的必要条件；过饱和度为晶体生长的驱动力B亚稳区稳定区不稳区过饱和度比亚稳区大，自发成核。过饱和区但不自发成核为不饱和区不能生长晶体 （简答题对上图进行分析）三个区域以亚稳区最为重要，因为从溶液中生长晶体都是在这个区域内进行的在不稳定区内，过饱和度太大，当溶液中没有晶体时，溶质会自发成核析出，若溶液中有晶体时，晶体会生长，但同时会在溶液的其他部位析出固态溶质，这是我们所不希望的。在亚稳定区内，过饱和度适中，当溶液中无晶体时，溶质不会自发成核析出，若有晶体时，晶体会生长且其他部位不会自发成核。不饱和区也称为

8、稳定区，在该区域内晶体会溶解。11.玻璃制备工艺过程（熔融冷却法）：原料，配合料制备，玻璃的熔制，澄清和均化冷却，玻璃制品的成形，退后及后加工。成形方法：压制法，吹制法，拉制法，压延法，烧结法，浇铸法吹制法主要用于生产广口瓶，小口瓶等空心制品拉制法主要用于生产玻璃、棒，平板玻璃等产品。（给出产品选择合适的方法制备成形）第2章 粉末材料制备1. 振动球磨制备机理:通过机械振动使磨球产生很强惯性力，使磨球间及磨球与磨筒间产生激烈冲击，摩擦等作用力，达到细化颗粒的目的。2. 气流研磨法: 旋涡研磨，冷流冲击，流态化床气流磨。冷流冲击:利用金属的冷脆性开发的粉末制取技术，将高速运动的粉末颗粒

9、喷射到一个固定硬质靶上，通过强烈碰撞使粉末颗粒破碎。 要注意的是，高速气流通过拉瓦尔管型喷嘴获得速度。夹带有粉料的高压气流通过一个特殊设计的拉瓦尔管型喷嘴喷出，在管颈部，气体压缩，速度达到临界流速，在开口部气体气压急剧下降，形成绝热膨胀过程。出现加速效应和冷却效应，使颗粒的撞击动能增大，金属颗粒的冷脆性提高。流态化床气流磨(简答题）:粉碎作业时，高压气体通过特殊喷嘴进入研磨室，使物料流态化，粉末颗粒被压缩气体加速后，自身相互碰撞，摩擦达到粉末细化目的。在实际研磨过程中，粉料随气体循环运动，与冷流冲击不同的是粉末颗粒的粉碎是颗粒间不断碰撞、摩擦作用累积的结果，保持足够的研磨时间，粉末就能被细化到

10、一定粒度。这种气流研磨制粉法具有以下特点：(1) 可获得超细粉体,并且粉末力度均匀。(2) 由于气体绝热膨胀造成温度下降,所以可以研磨低熔点物料。(3) 粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少。(4)针对不同性质的粉末可使用空气、N2、Ar等惰性气体 。3.物理化学制粉特点：雾化法、还原-化合法、电化学法。雾化法：雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。离心雾化制粉是借助离心力的作用，将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。 雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可能的氧化物陶瓷材料也可采用

11、这种方法进行加工。但由于氧化物陶瓷熔体的黏度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得短纤维 、小珠或空心球。金属氧化物的还原法是生产金属粉末的常用方法，这是一种十分经济的方法 。电解粉末的一般特点是纯度较高，形状为树枝状，压制性较好。4. 粒度测定法:筛分法，激光衍射法，沉降法（整体批量的观察粉末的粒度） 显微镜观察法（单个的观察粉末的粒度，速度慢）第4章 金属的液态成形与半固态成形1. 合金的收缩（简答题）：铸件在凝固和冷却到室温过程中，其体积和尺寸都将减少，这种现象被称收缩。合金收缩的三个阶段：液态收缩、凝固收缩、固态收缩 。液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，液态收缩一般表

12、现为铸型内液面的降低即液体体积的减少。凝固收缩如果没有外来金属液的补充，则在铸件内形成缩孔和缩松，是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因；固态收缩铸件内部产生铸造应力，导致铸件变形和裂纹的主要原因。它对铸件形状和尺寸精度影响很大。形成缩孔的原因：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充 逐层凝固 通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位集中缩孔。形成缩松的原因： 结晶温度范围宽或铸件断面的温度梯度小，凝固过程有较宽的糊状凝固两相并存的区域随着树枝晶长大该区域被分割成很多孤立的小熔池，各部分熔池内的液体合金的收缩得不到补充，形成分散的小缩孔。缩孔、缩松的防止措施：实现顺序凝固，合理应用冒口、冷铁等工艺

13、措施补缩。使铸件实现同时凝固。铸造应力：铸件在凝固冷却的过程中，各部分体积变化不一致，彼此制约而引起的应力。（开裂有热裂和冷裂）防止铸件变形的措施：铸件壁厚尽量均匀、对称；采用同时凝固工艺，降低热应力。防止裂纹产生的措施：采取安放冒口、冷铁或调整内浇口位置等工艺措施，使铸件各部分温度均匀、同时凝固；提高铸型和芯子退让性；合理设计铸件结构，使壁厚均匀，结构对称等；对铸件进行时效热处理可消除应力。2. 液态成形方法，铸造方式的特性：砂型铸造、特种铸造。砂型铸造主要分粘土型砂、水玻璃砂、有机粘结剂砂（植物油砂、合脂砂和树脂砂），与粘土砂芯和水玻璃砂芯比较，有机粘结剂砂的出砂性好，干强度高，表面质量好

14、。砂型铸造的特点：适用面最广的一种成形凝固方法，几乎适用于所有不同大小结构的零部件的生产；从铸型的制造方法划分为手工造型和机械造型，前者用于单件，小批生产，后者生产产率高，尺寸精度高，仅适用于中小型铸件的成批或大量生产；从凝固角度来看，铸件内部晶粒粗大，易于产生组织及成分的偏析，降低了材料的力学性能及性能的均一性，另一方面，铸件的表面粗造度较其它凝固成形方法高。特种铸造是砂型铸造以外的铸造方法的统称。常用的特种铸造方法有熔模铸造，金属型铸造，压力铸造，实型铸造，离心铸造，低压铸造等。熔模铸造的特点和适用范围：因无分型面，铸件的精度和表面质量高，可实现少或无切削加工，能铸造各种合金铸件，尤其适用

15、于高熔点及难加工的高合金钢。生产批量可以不受限制；主要问题是工艺过程较复杂，生产周期长，铸件成本高。此外，力学性能较低；不能做大型件，铸件质量在25kg以下为宜。应用: 使用高熔点合金精密铸件的成批，大量生产，形状复杂，难以切削加工的小零件。如：汽轮机叶片，工艺品等。金属型铸造的特点及适用范围：多次浇注、工序简化、生产率高，易于实现机械化、自动化；铸件的尺寸精度高、表面粗糙度低，组织致密，力学性能较高。但金属型制造成本高，周期长，不适合单件、小批生产零件，不适宜铸造形状复杂、大型、薄壁铸件和高熔点合金铸件。应用：适用于大批生产的有色合金铸件，如铝合金的活塞、汽缸体、汽缸盖、轴瓦、轴套等。对于铸

16、铁、铸钢件，金属型铸造只限于形状简单的中、小件生产。压力铸造的特点及适用范围：铸件的尺寸精度高，表面粗糙度低，可铸出形状复杂的薄壁铸件，铸件的强度和表面硬度较高，生产效率很高，生产过程易于机械化和自动化。但设备投资大，生产准备周期长，易形成气孔，不能进行较多余量的切削加工，也不能进行热处理。应用：主要应用于有色合金薄壁形状复杂的中小型精密零件的大批量生产。实型铸造的特点和应用范围：无分型面，尺寸精度高、表面质量好；工序简单，缩短了生产周期，生产率高。但泡沫塑料模是一次性的，铸件易出现与泡沫塑料高温热解产物有关的缺陷，铸铁件的黑渣、铝合金铸件的针孔、夹渣及铸钢件的增碳、气孔等。应用：高精度、少余

17、量、结构复杂的铸钢、铸铁和铝合金铸件的单件及大量生产 。离心铸造的特点和应用范围：铸件致密，缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷少，力学性能好；铸造中空的套筒和管件可不用砂芯和浇注系统，便于铸造双金属铸件，金属液的充型能力得到提高，可以浇注流动性较差的合金和薄壁铸件，内孔不准确；内表面较粗糙。应用：广泛用于生产管、套类铸件，是铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承等零件。常用铸造方法的特点比较：（1）无分型面：熔模铸造、实型铸造。 （2）金属利用率高，无浇冒系统：离心铸造 （3）各种批量均可：砂型铸造3. 半固态合金的制备原理： 半固态合金是将合金熔化后，待它冷却到液相线温度以下时，对合金进行搅拌

18、，在搅拌的作用下，合金中析出的树枝状晶被破坏，并在周围金属液的摩擦熔融作用下，晶粒和破碎的枝晶小块形成卵球状的颗粒，分布在整个液态金属中。 特点：成形温度低，节约能源；模具寿命长；铸件性能好；尺寸精度高4. 快速凝固成形：金属玻璃成形方式一般为快速凝固成形。（简答题）快速凝固的特点：（1）快速凝固速度较大，溶质产生非平衡分配，是无溶质分配的凝固；（2）在快速凝固条件下，固液界面的稳定性将增加，固形成了平面、无偏析的等轴晶。 （3）快速凝固能形成组织特殊的晶态合金。（4）非晶态组织的形成 （5）准晶态组织的形成 第5章 金属塑性加工1. 塑性变形：物体在外力作用下产生变形当去除外力后仍有残余的变

19、形称这种变形为塑性变形。塑性变形对金属性能的影响：（1）产生加工硬化，金属材料发生塑性变形时，随着变形的增大，强度增大，塑性和韧性降低的现象称为加工硬化。加工硬化的结果使金属材料的强度提高、塑性降低、塑性变形难继续下去，同时增加设备能耗，提高生产成本，另外，加工硬化还有强化金属的作用。2.回复与再结晶：回复：金属材料产生塑性变形后加热时材料的力学性能和物理性能等得到恢复，此现象称为回复。回复后的金属材料显微组织无明显变化，强度略降低，塑性、韧性略有增高，内应力大部去除。再结晶：金属材料产生塑性变形后加热时，在原来的组织中重新产生无畸变的新晶粒的现象。再结晶形成等轴晶，强度大大降低，塑形显著提高

20、，内应力完全去除。工程上为了消除加工硬化现象，降低硬度，提高塑性，使压力加工能继续进行，广泛采用再结晶退火3.金属材料的热加工与冷加工（计算题）：分界线是再结晶温度，再结晶温度是一个温度范围，T再(0.350.4)Tm (K)热加工：变形加工在再结晶温度之上进行，变形的同时及冷却过程中，发生再结晶。冷加工：在再结晶温度之下进行的变形加工。冷加工: T T再，只有加工硬化，无再结晶软化；热加工: T T再，有加工硬化，也有再结晶软化。冷加工对组织性能影响：加工硬化，较高精度和较低的表面粗糙度，变形抗力大4.轧制方法针对的对象：纵轧：初轧、板带材轧制、型钢轧制和线材轧制。斜轧：主要用于管材，以及钢

21、球等变断面零部件的轧制，像空心管材、钢球等。 横轧：主要用于齿轮、车轮、车轴等回转体的轧制。5.挤压缩尾形式及其产生形式(简答题）：中心缩尾、环形缩尾、皮下缩尾。中心缩尾的形成：在终了挤压阶段的后期，挤压筒内剩余的坯料高度较小，金属处于紊流状态，坯料后端表面的氧化物、油污等集聚到坯料中心部位，进入制品内部，最后在制品中心尾部出现了漏斗状的空缺，即中心缩尾。环形缩尾的形成：随着挤压过程进行，堆积在挤压垫与挤压筒角落部位中的带有各种缺陷和污物的金属会越来越多。挤压末期，当中间金属供应不足，边部金属开始发生径向流动时，这部分金属将沿着后端难变形区的边界进入锭坯的中间部位，最后流入制品中，形成环形缩尾

22、。皮下缩尾的形成：当死区与塑性流动区界面因剧烈滑移使金属受到很大剪切变形而断裂时，坯料表面的氧化层、润滑剂和脏物等会沿着断裂面流出，同时由于坯料剩余长度很小，死区金属也逐渐流出模孔包覆在制品的表面上，形成皮下缩尾。3. 锻造的特点及适用：自由锻造、模型锻造、特种锻造。自由锻特点及应用：不需要模具，自由锻的适应性强，灵活性大，生产周期短，成本低。缺点是锻件尺寸精度低，加工余量大，金属材料消耗多，生产率低，劳动强度大、条件差，要求操作者的技术水平较高。 自由锻适合于单件、小批和大型锻件的生产。模锻与自由锻相比，具有以下特点：生产率高、易于机械化，可成批大量生产；锻件尺寸精度高、表面粗糙度值小，节省

23、金属材料和加工工时。需要能力较大的专用设备且模具模具费用昂贵。但它可锻造形状复杂的锻件, 因此，模锻适用于150以下的中、小型锻件的大批量生产。第6章 粉末材料的成形与固结1. 粉体成形的工序：原料准备（粉末退火、混合、筛分、制粒、添加润滑剂和成形剂）、装模、加压、保压、脱模、烧结。退火的目的是为了使氧化物还原，降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度，同时，粉末退火还能消除粉末的加工硬化，稳定粉末的晶体结构成形压力的大小直接影响雅培的烧结密度和烧结收缩率。一般成形压力大则烧后产品收缩小，密度高。但压力超过一定值时，烧结体你读提高很少，而且当压力的大时，胚体还易出现裂纹，分层和脱模困难等现象粉末

24、在压制过程中，常常在某一特定压力下保持一段时间，特别是对于形状复杂或体积较大的制品来说尤为重要，保压可以使压力传递得更充分，有利于压胚中各部分的密度均匀。2.等静压成形的机理:等静压是借助高压泵的作用把流体介质压入耐高压的缸体密封容器内，高压流体的等静压力直接作用于弹性模套内的粉末上，使粉体各个方向同时均衡受压，而获得密度分布均匀以及强度较高的压坯。 3. 注浆成形的机理：注浆成型是在石膏模中进行的，即把一定浓度的浆料注入石膏模中，与石膏相接触的外围层首先脱水、硬化、粉料沿石膏模内壁成形出所需形状，经脱膜干燥后得到已具有一定形状和强度的坯体。优点：不使用压力和钢制模具，可制造大而复杂的制品，设

25、备简单。缺点：生产周期长，生产效率低。4. 烧结的驱动力一般为体系的表面能和缺陷能。第七章塑料成形加工方式1.挤出成型适用于绝大部分热塑性塑料及部分热固性塑料，如PVC、PS、ABS、PC、PE、PP、PA、丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂等。2.口模形状：圆孔口模：主要用于生产棒、杆、单丝造粒 扁平口模：一般用来生产厚度小于0.025mm的膜或板材 环形口模：一般用来生产管材，薄膜，吹塑用型胚以及电线电缆3.注射成型：除极少数热塑性塑料外，几乎所有热塑性塑料都用此方法4.橡胶加工步骤：塑炼：使生胶降低弹性，增加塑性。混炼：通过机械作用使各种配合剂均匀地分散在胶料中。成形：通过压延机或螺旋压出机制成半成品，然后再把各部件按橡胶制品的形状组合起来，最后进行硫化。硫化：成形品在一定温度、压力下形成网络结构的过程。使制件失去塑性，同时获得高弹性。5.橡胶的成形方法：压制成形，传递成形，注压成形，压出成形第八章 材料的连接1.焊接方法的分类：焊接方法大致可分为三大类：熔焊、压焊和钎焊。熔焊气焊、电弧焊、电渣焊、等离子弧焊、电子束焊、激光焊压焊电阻焊（对焊、点焊、缝焊、凸焊）、摩擦焊、高频焊、真空扩散焊、爆炸焊、超声波焊钎焊2. 焊条：焊条由焊芯和药皮两部分组成。焊芯的作用：一是作为电极传导电流，二是