研究生课程 材料加工学-金属部分.

1、材料加工学材料加工学材料加工（金属）材料加工（金属）：铸造、锻压、焊接、：铸造、锻压、焊接、粉末冶金等。粉末冶金等。材料加工学材料加工学：金属材料的加工成型原理、：金属材料的加工成型原理、工艺方法和过程。工艺方法和过程。 金属熔体的微观结构、物理性质、凝金属熔体的微观结构、物理性质、凝固结晶过程；铸造、锻压、焊接成型等。固结晶过程；铸造、锻压、焊接成型等。参考资料参考资料：金属凝固理论金属凝固理论、金属工艺学金属工艺学、金属学与热处理金属学与热处理、金属凝固学金属凝固学（图书馆（图书馆有）等；有）等； 网络图书馆等；网络图书馆等； 各种相关的文献资料。各种相关的文献资料。Arthur C. C

2、larke提出的提出的技术发展的三大定律技术发展的三大定律: (1)“When a scientist states that something is possible，he/she is always certainly right .When he/she states that something is impossible，he/she is very probably wrong.” (2)“The only way of discovering the limits of thepossible is to venture a little way past them into

3、the im-possible” (3) “Any sufficiently advanced technology is indis-tinguishable from magic”(唯一发现有可能的极限是探索极限以外不可能的东西唯一发现有可能的极限是探索极限以外不可能的东西)。(任何先进的技术进步都是和魔术分不开的任何先进的技术进步都是和魔术分不开的)。(Nothing is impossible)。凝固凝固（Solidification）凝固是一门凝固是一门技术技术，也是一门，也是一门科学科学。技术技术 。Casting is not only an art but also a sci

4、ence.瑞士联邦理工学院瑞士联邦理工学院Kurz教授实验室教授实验室Solidification国内：国内：图图2-1 研究内容研究内容铸造铸造http:/ 凝固科学凝固加工凝固科学凝固加工数学 物理 化学 工程学形核生长流体学传质相平衡熔体结构与性质溶质分配传热接触动力学界面效应界面能结构演化l宏观组织l 微观组织l 强化相形态、 尺寸、分布l 组织均匀性l 成分均匀性l 组织致密性l 夹杂、气孔l 应力、变形l 晶体缺陷l 非晶、微晶、纳米晶等控控构构l近终形l表面完整性l尺寸精度l力学性能l物理性能l化学性能控控形形控控性性图图2-1 凝固科学与凝固加工的凝固科学与凝固加工的研究内容研

5、究内容凝固是凝固是冷却冷却的过程的过程冷却范围典型生产加工过程典型极限厚度*典型枝晶间距*界限/(K/s)名称10-610-3极慢速大型砂型铸件和铸锭、某些人造晶体6m5mm0.5mm10-3100慢速标准铸件、铸锭、铸绳6m0.2m500m50m10103近快速薄带和拉模铸造、常规雾化200mm6mm50m5m103106快速细粉雾化、熔体挤/抽6mm0.2mm5m0.5m106109及以上超快速喷射沉积、电子束或激光表面处理0.2mm6m0.5m0.05m*用冷模对上下表面同时进行冷却*如,Al-4.5Cu（质量百分比）合金表2-1 快速凝固加工的冷速冷速范围及晶粒尺度等特点1、凝固的历史

6、发展、凝固的历史发展凝固理论：20世纪40年代出现，之前有铸冶工艺铸冶工艺。从从铸冶工艺铸冶工艺常规可控凝固常规可控凝固定向凝固定向凝固快速凝固快速凝固空间凝固空间凝固超常凝固；超常凝固；从结构材料功能材料结构功能材料；从金属（合金）金属间化合物金属基复合材料金属/非金属基复合材料；从多晶单晶微晶非晶；2、常用的、常用的凝固理论凝固理论形成了许多理论液固相变形核理论 形核速率与温度、临界形核功、相变激活能有关。晶体界面生长动力学理论成分过冷理论 第一次从界面稳定性揭示凝固过程。 液固界面前沿有一个溶质富集层，如果液相的实际温度低于液固界面前沿有一个溶质富集层，如果液相的实际温度低于 液相线，形

7、成过冷液相线，形成过冷。 不足：假设热力学平衡，忽略界面曲率和液固两相热物理参数的差异。界面稳定性线性动力学理论 界面稳定性与温度梯度、界面能、溶质边界层有关。 共晶生长理论 共晶凝固不同于 单相合金凝固 枝晶生长边缘稳定性理论 枝晶半径与过冷度、生长速度有关。 快速凝固晶体生长理论 非平衡凝固；生长速度大，溶质分配系数、扩散系数、液相线斜率影响V。 3、结晶的热力学条件、结晶的热力学条件过冷过冷：TTm-T，为什么凝固结晶必须过冷？ 从热力学热力学分析，T=Tm，平衡态；TTm, GsGl, 熔化;TTm, GsGl, 凝固.驱动力:Gv=Lm T/TmLm为熔化潜热.Gv与与T成正比成正比

8、.很显然,过冷度越大,液固两相自由能差越大,结晶的驱动力越大,结晶速度越快.图2-2 液相和固相自由能随温度变化当过冷液相中形成一个晶胚（核）,一部分原子进入晶胚内部,这些原子的自由能比过冷液相原子的自由能低, 这个降低的能量是体积自由能体积自由能, 是结晶的动力是结晶的动力; 另有一部分原子转移到晶胚的表面, 其自由能比过冷液相原子的高, 这个增高的能量为表面自由能表面自由能, 是结晶的阻力是结晶的阻力. 总的自由能的变化将决定晶核的能否长大。假设晶核为球形，半径为r，表面积为S，体积为V。当过冷液相中形成一个晶核时，总的自由能的变化为 G GV+ GSGV为液、固两相自由能之差。4、均匀、

9、均匀(质质)形核形核homogeneous nucleation 可用单位自由能来表示， G VGB+ S 很显然，随很显然，随r的增大，的增大， GV比比GB变化的更快。变化的更快。23434rGrGB图2-3 自由能变化与晶核半径的关系临界晶核临界晶核半径半径rc：r rc时, 能形核;r= rc时, 平衡态.金属凝固结晶, 晶核半径要求GBGVGrcr0临界晶核半径rc, 令 得 临界晶核半径和过冷度 T成反比。 实际生产中，增大过冷度，降低rc ， 增加晶核数量，达到细化晶粒的目的。 r rc时时, 能够形核能够形核; 晶核能否长大？晶核能否长大？临界形核功A0rGTLTrmmc2结晶

10、时，晶核半径在rc r0之间，晶核的长大使系统自由能降低，但G0,也就是说,形成临界晶核时,体积自由能的降低还不能完全补偿表面自由能的增加,还有一部分表面自由能必须由外界,即周围液体做功功来供给,形核功形核功. 临界半径-临界形核功A,TLTrmmc223434rGrGB SGA31max很显然,.也就是,形成临界晶核时,体积自由能得降低只补偿了表面自由能增高的2/3,还有1/3的表面自由能由能量起伏能量起伏获得. 综上, 均匀形核是在过冷液态金属中,依靠结构起伏结构起伏形成大于临界晶核半径的晶核,同时,必须从能量起伏能量起伏中获得形核功,才能形成稳定的晶核。因此，结构起伏和能量起伏是均匀形核

11、的必要条件，同时还必须过冷过冷。 形核率：过冷度。5、非均匀、非均匀(质质)形核形核heterogeneous nucleation 均匀形核的过冷度很大，纯铝为130，纯铁为295。实际生产中，很难达到，一般不超过20。原因原因:图2-4 非均匀形核示意图在在W W 相基底上形成一个相基底上形成一个球冠形球冠形的的S S晶核，半径晶核，半径r r，润湿角，润湿角。系统自由能的变化，系统自由能的变化，界面处，比表面能满足界面处，比表面能满足总的自由能的变化总的自由能的变化cosSLSWLWAVGGB带入，带入，4coscos32434323SLBrGrG均匀形核均匀形核同样，可以求临界晶核半径

12、临界晶核半径和临界晶核功临界晶核功。TLTrmmc24coscos3243132ccSLrG临界晶核半径相同； 0180o 越小，则临界晶核功越小，非均匀形核越容易，需要的过冷度越小。形核率：影响因素多。过冷度、温度、杂质、搅拌等，6、形核剂的选择、形核剂的选择（1）失配度小失配度小：共格（2）粗糙度大粗糙度大： 形核剂粗糙度大时，凹坑多，利于形核。（3）分散性好分散性好： 形核剂在使用时往往处于颗粒或粉末状的形式，若分散性不好，使用时聚集成团，将会大大影响促进形核。 （4）稳定性好稳定性好指化学稳定性和高温稳定性。形核剂一般在高温熔体中使用，若使用时易发生分解、氧化或化合，其性质将改变，形核

13、作用将大大减弱、甚至消失。7、经典形核理论（、经典形核理论（Classical Nucleation Theory）TLTrmmc223434rGrGBSGA31max均匀形核和非均匀形核的形核率形核率实际应用中，经典形核理论在热力学和动力学方面的一些问题产生了疑问。相图相图杠杆定律杠杆定律共晶相图共晶相图铸造铸造：液态成型方法。液态成型方法。Foundry/casting， 铸造过程：熔炼成的液态合金，浇入具有一定几何形状、尺寸大铸造过程：熔炼成的液态合金，浇入具有一定几何形状、尺寸大小的型腔中，在重力或外力作用下充满，凝固后得到。小的型腔中，在重力或外力作用下充满，凝固后得到。砂型铸造和特

14、种铸造；特点，砂型铸造和特种铸造；特点，铸造性能：流动性、收缩、偏析、吸气、应力、变形和裂纹倾向等。铸造性能：流动性、收缩、偏析、吸气、应力、变形和裂纹倾向等。“高温出炉，低温浇注高温出炉，低温浇注”生产中，浇注时应遵循高温出炉，低温浇注的原则。生产中，浇注时应遵循高温出炉，低温浇注的原则。因为提高金属液的出炉温度有利于夹杂物的彻底熔化、熔渣上浮，便于清渣和因为提高金属液的出炉温度有利于夹杂物的彻底熔化、熔渣上浮，便于清渣和除气，减少铸件的夹渣和气孔缺陷；采用较低的浇注温度，则有利于降低除气，减少铸件的夹渣和气孔缺陷；采用较低的浇注温度，则有利于降低金属液中的气体溶解度、液态收缩量和高温金属液

15、对型腔表面的烘烤，避金属液中的气体溶解度、液态收缩量和高温金属液对型腔表面的烘烤，避免产生气孔、粘砂和缩孔等缺陷。因此，在保证充满铸型型腔的前提下，免产生气孔、粘砂和缩孔等缺陷。因此，在保证充满铸型型腔的前提下，尽量采用较低的浇注温度。尽量采用较低的浇注温度。凝固方式：凝固方式：一般三种类型；一般三种类型；逐层逐层凝固方式凝固方式(skin-forming solidification)，体积体积凝固方式凝固方式(volume solidification)或称或称糊状糊状凝固方式凝固方式(mushy solidification)和和中间中间凝固方凝固方式式(middle solidific

16、ation)。凝固方式取决与凝固区域的宽度。凝固方式取决与凝固区域的宽度,而凝固区域的宽度而凝固区域的宽度取决于合金的取决于合金的结晶温度范围结晶温度范围和和冷却强度冷却强度( 温度梯度温度梯度)。 凝固温度范围很小，并且断面温度梯度很大时，凝固温度范围很小，并且断面温度梯度很大时，铸件的凝固区域将很窄，属于铸件的凝固区域将很窄，属于逐层凝固逐层凝固方式；纯铜、方式；纯铜、纯铝、灰铸铁以及低碳钢等属于逐层凝固；纯铝、灰铸铁以及低碳钢等属于逐层凝固； 结晶温度范围很宽，或虽然结晶温度范围不大，结晶温度范围很宽，或虽然结晶温度范围不大，但是温度场较为平坦，以至于表面温度高于但是温度场较为平坦，以至

17、于表面温度高于ts时，铸时，铸件心部的温度已降至结晶开始温度，件心部的温度已降至结晶开始温度， 使凝固区域贯使凝固区域贯穿整个断面，穿整个断面，体积凝固体积凝固，或称，或称糊状凝固糊状凝固，球墨铸铁、，球墨铸铁、高碳钢、锡青铜等合金；高碳钢、锡青铜等合金； 介于二者之间为介于二者之间为中间凝固中间凝固。在凝固初期往往类似。在凝固初期往往类似于逐层凝固，大多数合金均以中间凝固方式进行凝固，于逐层凝固，大多数合金均以中间凝固方式进行凝固，如中碳钢、白口铸铁等。如中碳钢、白口铸铁等。凝固组织和缺陷凝固组织和缺陷等轴晶组织的获得和细化等轴晶组织的获得和细化获得等轴晶组织的原则是使液态金属中不断地产生新

18、晶核，以阻止柱获得等轴晶组织的原则是使液态金属中不断地产生新晶核，以阻止柱状晶的生长，晶核越多则形成的等轴晶晶粒就越细。状晶的生长，晶核越多则形成的等轴晶晶粒就越细。(1)降低浇注温度降低浇注温度：降低浇注温度是缩小柱状晶区和扩大等轴晶区并细化晶粒的有效措施。降低绕注温度能使液态金属与型壁及浇道壁接触时就产生大量晶体并自型壁脱落。降低浇注温度能使游离的小晶体在随后的漂移中重新熔化的可能性减小。（2）孕育处理）孕育处理在液态金属中加入孕育剂，促进液态金属内部形核从而获得细小等轴晶的方法称为孕育处理。关于孕育的作用，目前有两种说法；一种观点认为孕育剂主要起促进关于孕育的作用，目前有两种说法；一种观

19、点认为孕育剂主要起促进非自发形核作用；另一种观点认为孕育剂主要使非自发形核作用；另一种观点认为孕育剂主要使溶质偏析系数溶质偏析系数增大、增大、使枝晶易产生更细的颈缩，促进晶体自型壁脱落和晶枝的熔断脱落，使枝晶易产生更细的颈缩，促进晶体自型壁脱落和晶枝的熔断脱落，从而增加漂移于型腔内部的小晶体数量。从而增加漂移于型腔内部的小晶体数量。偏析程度偏析程度的大小取决于溶质平衡分配系数K0 即固-液两平衡相中溶质浓度的比值。 对于K01的合金，即液相线和固相线随着溶质浓度的增加而降低的合金，K0值越小，结晶过程中造成的溶质偏析程度就越严重； 反之，对于K01的合金，即液相线和固相线随着溶质浓度的增加而上

20、升的合金 K0值越大，则偏析程度越严重。 因此可以用1- K0的绝对值的绝对值，作为描述固-液界面前沿液相的溶质偏析程度的参数，I 1-K0 I称溶质偏析系数称溶质偏析系数。不论K01还是K01，凡偏析系数大的元素对晶粒细化的作用就大。就成了就成了选择选择晶粒细化剂的依据晶粒细化剂的依据。（3）动力学细化法）动力学细化法动力学细化方法主要是采用动力学细化方法主要是采用机械力或电磁力引起固相和液相的相机械力或电磁力引起固相和液相的相对运动对运动，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶，导致枝晶的破碎或与铸型分离，在液相中形成大量结晶核心，达到细化晶粒的效果。核心，达到细化晶粒的效果。（

21、4）提高冷却速度）提高冷却速度影响很复杂。影响很复杂。薄壁件：金属型可以提高冷速，整个铸件断面产生大的薄壁件：金属型可以提高冷速，整个铸件断面产生大的过冷过冷，可，可获得细小等轴晶；获得细小等轴晶；厚壁件：应采用砂型，型壁上不易产生凝固壳，晶体容易从型壁厚壁件：应采用砂型，型壁上不易产生凝固壳，晶体容易从型壁上脱落，阻碍柱状晶的形成。上脱落，阻碍柱状晶的形成。缺陷：缺陷：偏析、缩孔、缩松、气孔、非金属夹杂等。偏析、缩孔、缩松、气孔、非金属夹杂等。金属凝固时各组元会按一定规律分配，这是造成凝固偏析的原因。掌握金属凝固中溶质再分配溶质再分配的规律，是生产实践中控制各种凝固偏析的基础。根据凝固时晶体

22、形成特点，把凝固时只析出一个固相的合金叫单相合金；而把凝固时同时析出两个以上相的合金，叫多相合金。 成分过冷：成分过冷：一般凝固条件下，固液界面前沿液相溶质将形成一个溶质富集的边界一般凝固条件下，固液界面前沿液相溶质将形成一个溶质富集的边界层层(对对k095%转转变量）的温度。变量）的温度。以上为热加工，否则为冷加工。以上为热加工，否则为冷加工。2、动态、动态3、晶内变形和、晶内变形和晶界晶界变形变形 晶界强度低，4、组织和性能、组织和性能 改善晶粒组织、锻合内部缺陷、形成纤维组织。塑性成形时，必须对金属施加外力，称为变形力；而金属抵抗变形塑性成形时，必须对金属施加外力，称为变形力；而金属抵抗

23、变形的力，则称为变形抗力，它们大小相等、方向相反。的力，则称为变形抗力，它们大小相等、方向相反。变形抗力变形抗力反映了材反映了材料变形的难易程度，它不仅取决于材料的性质，还与塑性成形时的应力料变形的难易程度，它不仅取决于材料的性质，还与塑性成形时的应力状态有关状态有关设有两个同材质的单元体其应力状态分别为设有两个同材质的单元体其应力状态分别为三向压缩三向压缩和和两压一拉两压一拉，1为外力所产生的主应力，为外力所产生的主应力，2、3为模壁约束作用所产生的主应力，并为模壁约束作用所产生的主应力，并假设假设2=3。根据屈服准则可知，为了使该单元体发生塑性变形，对于。根据屈服准则可知，为了使该单元体发

24、生塑性变形，对于三向压应力状态时应满足：三向压应力状态时应满足：|1|-|3|=s即即 1=s-|3| 显然，第一种情况下显然，第一种情况下1的绝对值（即变形抗力）要比第二种情况下的绝对值（即变形抗力）要比第二种情况下的大的大.因此，对第一种情况需要施加更大的外力（即增大因此，对第一种情况需要施加更大的外力（即增大1），方能使），方能使金属发生塑性变形。金属发生塑性变形。 真实应力应变曲线真实应力应变曲线真实应力真实应力-应变曲线即为金属在应变曲线即为金属在单向应力状态单向应力状态下真下真实应力与变形程度（应变）之间的关系曲线。由于该实应力与变形程度（应变）之间的关系曲线。由于该曲线反映了金属

25、变形时的加工硬化情况，故也称为曲线反映了金属变形时的加工硬化情况，故也称为硬硬化曲线化曲线。同一材料，由于。同一材料，由于变形温度变形温度和和应变速率应变速率的不同，的不同，其真实应力其真实应力-应变曲线亦不同。应变曲线亦不同。 真实应力应变曲线通常采用真实应力应变曲线通常采用拉伸试验拉伸试验获得，它获得，它是研究材料的屈服强度（流动应力）与塑性行为、应是研究材料的屈服强度（流动应力）与塑性行为、应力应变关系和求解塑性成形问题不可缺少的基本实验力应变关系和求解塑性成形问题不可缺少的基本实验资料。资料。 应力与应变的关系：应力与应变的关系：=An 式中式中 A 与材料有关的系数，单位为与材料有关

26、的系数，单位为MPa； n 硬化指数。硬化指数。 硬化指数硬化指数n：硬化指数大，表明变形时硬化显著，对后续硬化指数大，表明变形时硬化显著，对后续变形不利。例如，变形不利。例如，20钢和奥氏体不锈钢的塑性都很好，但钢和奥氏体不锈钢的塑性都很好，但是奥氏体不锈钢的硬化指数较高，变形后再变形的抗力比是奥氏体不锈钢的硬化指数较高，变形后再变形的抗力比20钢大得多，所以其塑性成形性也较钢大得多，所以其塑性成形性也较20钢差。钢差。 体积不变体积不变：x+ y +z =0结论：结论： （1 1）塑性变形时，只有形状和尺寸的改变，而无体积的塑性变形时，只有形状和尺寸的改变，而无体积的变化；变化；（2 2）

27、不论应变状态如何，其中必有一个主应变的不论应变状态如何，其中必有一个主应变的符号与其它两个主应变的符号相反，且这个主应变的绝对符号与其它两个主应变的符号相反，且这个主应变的绝对值最大。值最大。（3 3）当已知两个主应变的数值时，第三个主应当已知两个主应变的数值时，第三个主应变大小也可求出。变大小也可求出。一、影响金属塑性变形的内在因素影响金属塑性变形的内在因素 （一）化学成分 纯金属的塑性成形性比合金的好。钢的含碳量对钢的塑性成形性影响很大，对于碳质量分数小于0.15%的低碳钢，主要以铁素体为主（含珠光体量很少），其塑性较好。随着碳质量分数的增加，钢中的珠光体量也逐渐增多，甚至出现硬而脆的网状

28、渗碳体，使钢的塑性下降，塑性成形性也越来越差。合金元素会形成合金碳化物，形成硬化相，使钢的塑性变形抗力增大，塑性下降，通常合金元素含量越高，钢的塑性成形性能也越差。杂质元素磷会使钢出现冷脆性，硫使钢出现热脆性，降低钢的塑性成形性能。（二）金属组织 纯金属及单相固溶体的合金塑性成形性能较好；钢中有碳化物和多相组织时，塑性成形性能变差；具有均匀细小等轴晶粒的金属，其塑性成形性能比晶粒粗大的柱状晶粒好；网状二次渗碳体，钢的塑性将大大下降。 二、影响金属塑性变形的加工条件二、影响金属塑性变形的加工条件 （一）（一） 变形温度变形温度 温度升高，塑性提高，塑性成形性能得到改善。变形温度升高到再结晶温度以上时，加工硬化不断被再结晶软化消除，金属的塑性成形性能进一步提高。过热：加热温度过高，会使晶粒急剧长大，导致金属塑性减小，塑性成形性能下降，这种现象称为“过热”。过烧：如果加热温度接近熔点，会使晶界氧化甚至熔化，导致金属的塑性变形能力完全消失，这种现象称为“过烧”，坯料如果过烧将报废。（二）（二） 变形速度变形速度 变形速度：单位时间内变形程度的大小。变形速度的增大增大，金属在冷变形时的冷变形强化趋于严重；当变形速度