先进材料加工技术陈孝文课后参考答案

第一章１.什么叫材料？什么叫材料技术？答：材料是指人类用以制造用于生活和生产的物品、器件、构件、机器以及其他产品的物质。材料技术可以理解为关于材料的制备、成形与加工、表征与评价、材料的使用和保护的知识、经验和诀窍。２.列举三种油气田材料，并说明其特性。答：（1）钻杆。钻杆是钻柱的基本组成部分，其上端连着方钻杆，下端连着钻铤。钻杆包括钻杆体和钻杆接头两部分，利用钻杆接头的螺纹连接钻杆，杆体和接头则通过摩擦焊连接。钻进时，钻杆受力非常复杂，主要有以下三种：①钻杆上部受到由于钻柱本身重量而产生的拉应力，这种应力越往上越大，在方钻杆和钻杆连接处最大；②钻进时由于方位变化或定向钻斜井时，还要承受较大的交变弯曲应力；③在有负荷的情况下旋转时会产生扭应力。针对钻杆复杂的受力情况，工程上对钻杆性能要求主要有：①强度高；②自直性好；③内壁光滑；④具有一定的耐蚀性和耐磨性。钻杆管体的强度主要包括抗拉强度、抗扭强度和抗挤强度，而钻杆接头的强度主要包括抗拉强度和抗扭强度，接头的抗拉强度要大于管体的抗拉强度。钻杆制备过程复杂，涉及轧制、拉拔、焊接和热处理等加工工序，每一道工序都会对钻杆性能产生重要影响。（2）油井水泥。油井水泥是油气井钻井工程固井作业中必不可少的胶凝材料，是指应用于各种钻井条件下进行固井、修井、挤注等作业的硅酸盐水泥和非硅酸盐水泥，包括掺有各种外掺料或外加剂的改性水泥或特种水泥的油井水泥体系。油气井地层结构异常复杂，有深井、超深井、高温井和强腐蚀井等，为适应这些特殊类型的油井，油井水泥要求具备以下性能：①水泥能配成流动性良好的水泥浆，从配制开始到注入套管的环形空间内的一段时间内都应保持这种性能；②水泥浆在井下温度和压力条件下应保持稳定；③水泥浆应在规定的时间内凝固并达到一定的强度；④水泥浆应能和外加剂相配合，可调节各种性能；⑤形成的水泥环具有较低渗透性能。油井水泥的质量主要是由其化学成分决定的。固井水泥浆要求具有以下基本性能：①密度大小适宜。②流变性能良好。③稠化时间合适。④失水量和自由水较低。⑤凝固时间适当。⑥稳定性良好。（3）聚合物钻井液处理剂。钻井液是指钻井时用来清洗井底并把岩屑携带到地面，维持钻井操作正常进行的流体。聚合物钻井液是指将聚合物作为处理剂或主要用聚合物调控性能的钻井液体系，具有如下特点：①固相含量和亚微米粒子含量较低。这是聚合物钻井液的基本特征，是聚合物处理剂选择性絮凝和抑制岩屑分散的结果，有利于提高钻井速度。②流变性能好。在高剪切力作用下，架桥作用被破坏，黏度和剪切力降低，故聚合物钻井液有较高的剪切稀释作用。由于聚合物溶液为典型的非牛顿流体，所以聚合物钻井液黏度值较低。③钻井速度高。聚合物钻井液固相含量低、亚微米粒子比较小，剪切稀释性好，悬浮携带钻屑能力强，洗井效果好，故钻井速度高。④稳定井壁能力较强，井径比较规则。钻井液中的聚合物能有效抑制岩石的吸水分散作用，从而稳定井壁。⑤对油气层损害小，有利于发现和保护产层。聚合物钻井液密度低，可实现平衡压裂钻井，固相含量少可减轻固相侵入，从而减少对油层的损害程度。⑥钻井成本低。由于聚合物钻井液中的聚合物处理剂用量少，钻井速度快，缩短完井周期，可大幅度降低钻井成本。聚合物钻井液根据所使用的聚合物不同，分为阴离子聚合物钻井液、阳离子聚合物钻井液和两性离子聚合物钻井液。３.常用的材料加工技术有哪些？答：材料加工技术是制造业的关键共性技术之一，也是生产高质量产品的基础。液态金属成形、金属塑性成形、焊接以及热处理等材料加工技术仍然是当今制造业，特别是装备制造业的主要加工技术。随着科学技术的发展，尤其是计算机技术和人工智能的发展，材料加工技术也在不断进步，新型材料加工技术不断涌现出来。除了这些传统的材料加工技术外，还有定向凝固、快速凝固、半固态加工、先进连接、增材制造、表面改性等新型加工技术。4.材料加工技术的发展趋势是什么？答：随着科学技术的发展，材料加工技术的发展越来越迅速，金属材料加工技术的主要发展方向如下：（1）材料加工的智能化。随着人工智能的快速发展，材料加工技术也将由传统方法向智能化方向发展。将机器学习的思想引入材料成分设计及加工过程，加上机器人的出现，将大大减轻人们的劳动强度，同时也会使得材料的制备和加工更加稳定，提高材料的性能，满足各行各业对新材料性能的需求。（2）常规材料加工工艺的短流程化和高效化。半固态流变成形、连续铸轧等是将凝固与成形两个过程合二为一，实现了精确控制，缩短了生产工艺流程，简化了工艺环节，提高了生产效率。目前，国外镁合金和铝合金的半固态加工技术已经进入较大规模的工业应用阶段。铝合金和镁合金熔点相对于钢铁材料较低，采用半固态加工技术实现起来相对容易，但高熔点的钢铁材料如何利用半固态加工这种新技术将是未来发展和研究的重点。（3）发展先进的成形加工技术，实现组织和性能的精确控制。计算机技术的发展有望实现对材料成形加工后的组织和性能进行精确控制，降低材料制备的成本。采用电磁连铸、先进超塑性成形等技术可以改善材料的组织，大幅度提高材料的性能，有利于发展新材料，促进新材料的应用。（4）材料设计、制备与成形加工一体化。发展材料设计、制备与成形加工一体化技术，有利于实现材料与零部件的高效、近终形和短流程成形，如粉末注射成形和激光快速成形是不锈钢、高温合金、金属间化合物、陶瓷等零部件制备技术的关键。（5）开发新型制备与成形加工技术，发展新材料与新制品。新材料的制备在很大程度上依赖于新设备，因为新工艺与新设备息息相关。例如，采用常规的甩带法可以制备非晶薄带，但很难制备较厚的大块非晶，而新设备铜模吸铸系统则可以制备大块非晶；先进包覆材料的用途越来越广，但现有各种制备方法具有工艺复杂，界面质量控制困难，生产成本较高等缺点，科研工作者开发的充芯连铸法适合于包覆层金属熔点高于芯材金属熔点的特种高性能复合材料的直接成形。（6）发展计算机数值模拟与材料基因技术，构筑完善的材料数据库。材料的研发主要依赖于实验，但计算机数值模拟与过程仿真技术可以起到很好的补充作用，节约研发时间，降低研发成本，对材料加工技术的研发起到了重要的促进作用。构筑材料数据库可以进一步提高数值模拟的结果可靠性和广泛适用性，国外有些国家从20世纪80年代起就开始有计划有步骤地开启了这方面的工作，我国在这方面起步较晚，目前也在快速发展这项技术。第二章1.什么是快速凝固？快速凝固有何特点？答：快速凝固技术是指在比常规凝固工艺过程快得多的冷却速度（104~109℃/s）或大得多的过冷度（可达几十至几百摄氏度）下，合金以极快的凝固速率从液态转变为固态的材料成形过程。快速凝固也可以理解为由液相到固相的相变过程进行得非常快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程。快速凝固合金的组织特点主要有：（1）偏析倾向减小，成分均匀化。溶质原子不均匀分布或偏析的范围减小，通常，可用枝晶偏析的二次枝晶臂间距来表征成分偏析的范围或距离。快速凝固后的合金晶粒细化，枝晶间距减小，偏析范围呈数量级减小。（2）形成超饱和固溶体。大多数液态合金是无限互溶的（CLmax→1），而在快速凝固过程中，发生了非平衡或无溶质分配凝固。快速凝固合金中置换式固溶体和间隙式固溶体的溶质固溶度都会有较大的亚稳扩展，而且一般冷速高、扩展大。（3）组织超细化、尺寸均匀化。快速凝固合金晶粒，随冷速增大，依次可能为树枝状晶、胞状或柱状晶与等轴晶。快速凝固合金晶粒尺寸极小，而且大小分布均匀。由于凝固形核前熔体过冷度可达几十甚至几百度，而结晶形核速率比长大速度更强烈地依赖于过冷度，大大提高了凝固形核速率，同时，在极短的凝固时间内晶粒难以充分长大。通常，快速凝固晶态合金被称为微晶合金，甚至有人根据凝固速度很高的合金中晶粒可小达纳米量级，而把快速凝固晶态合金分为微（米）晶合金和纳米晶合金。（4）晶体缺陷增加。与铸态合金相比，快速凝固合金中的空位、位错等缺陷密度有较大增加，其原因主要是因为液态合金中空位形成能（0.11eV）比固态合金中的（0.76eV）小得多，故液态合金中空位浓度高，快速凝固时大部分空位来不及消失而留在固态合金中。凝固速度快，晶体生长过程中也容易形成空位，导致固态合金中空位浓度高。由于快速凝固过程中热应力大，空位聚集、崩塌，形成位错环，导致位错密度（尤其是位错环）高。2.快速凝固的热力学和动力学的特点分别是什么？答：快速凝固的热力学特点是在较大的过冷度下发生的高生长速率的凝固过程中，液/固界面可偏离平衡或亚稳平衡状态，直至发生无扩散、无溶质分离的凝固，乃至结晶过程完全被遏制，形成非晶结构（金属玻璃）。固态凝固的热力学条件是自由能变化(△GL-S)必须符合△GL-S<0。动力学特点是稳态形核理论关于形核孕育期的计算方法只有在下列条件下才是适合的，即所有晶胚原子团簇在温度变化时会足够快地形成。对于在大的过冷度下开始的快速凝固过程，这种方法不再适用，而应根据时间依从（瞬态）的形核理论来计算。运用以上理论方法，针对不同的合金成分及不同的固态相（稳定或亚稳），即可得到：某一成分合金中不同结构的各固态相的T（形核温度）-τ（孕育时间）图；确定在不同的熔体冷却速度下，领先形核的是哪个相；确定为避免某个初生相（常为金属间化合物）先于基体相形成所必须的临界冷却速度；预测不同粒度或厚度的粉、片中的相组成。3.非晶态合金的形成条件是什么？非晶态合金在结构上有什么特点？答：非晶态合金的形成是有条件的，既与合金成分有关，也与凝固过程的冷却速率有关。从相变角度看，非晶态形成的过程就是避免结晶的过程，即避免原子重排的过程。粘滞系数是标志原子迁移难易程度的物理量，大则不易结晶。形成非晶态合金的过程是：过热液态金属过冷液态金属非晶态合金。熔液黏度越大，冷却速度越快，越容易形成非晶态合金。构成非晶态固体的原子或原子团，没有任何的长程序，只在几个原子间距的区间内具有短程序。一般从否定含义可对非晶态固体作如下定义：非晶态固体没有晶态结构，原子在三维空间呈无序排列。所谓“无序”不是单纯的混乱，而是残缺不全的秩序。非晶态合金在宏观上处于非热平衡的亚稳态。这里亚稳的含义是指在同样外界条件下，非晶态合金的能量要比相应晶态的能量高。4.简述非晶态合金的应用前景。答：非晶态合金具有长程无序、短程有序的结构特性，导致了其具有与晶态合金不同的特性。非晶态合金不仅具有优异的力学性能，也具有优异的软磁性能。非晶态合金具有广阔的应用前景。（1）非晶带材的应用。非晶合金带材在低频领域的应用主要是用于电力输配电领域，如配电变压器、互感器和漏电开关等。与用常规材料（如硅钢片）制备的变压器相比，非晶配电变压器具有铁损低的突出优点，但也存在价格高、工作磁感低和叠片系数低等不足。非晶合金带材在高频领域的应用主要是用于电力电子领域、中大功率高频开关电源、电子信息领域、计算机开关电源、网络接口设备、电源滤波器、防盗标签以及非晶钎焊料等。（2）非晶丝材的应用。非晶丝材的应用较广，目前主要集中于信息技术、自动化技术和微电子技术等领域。比如在磁性ID标签、智能轮胎传感器、汽车导航传感器等都有广泛的应用。（3）块体非晶的应用。块体非晶在结构材料领域、化工领域、磁性材料领域、空间探测领域生物医学材料领域有着广泛的应用。第3章思考题的参考答案（1）定向凝固，又称为定向结晶，是指金属或合金在凝固过程中，通过控制或调节特定方向上的温度梯度，使得合金熔体沿着温度梯度的方向生长，最终获得具有特定晶粒取向的柱状晶或单晶的一种工艺方法。（2）对定向凝固理论和技术的研究，在共晶凝固、定向柱状晶生长、单晶制备等方面具有重要的意义；对推动新型高温合金、人工晶体、磁性材料、自生复合材料、高熵合金、TiAl基合金的研究和开发具有重要的意义；（1）成分过冷，是指合金凝固过程中，由于液相中溶质分布发生变化，使得固液界面前沿液相的液相线温度发生了变化，即改变了固液界面前沿液相的熔点，此时，过冷是由成分变化与实际温度分布这两个因素共同决定的，称为成分过冷。（2）定向凝固界面状态受G/V值控制，当温度梯度G足够高，凝固速度V足够小时，就可以实现平面凝固，但当G/V逐渐减少时，平面界面就有可能失稳，逐渐发展为胞状晶，直至树枝晶和等轴晶等。功率降低法（PD）、高速凝固法（HRS）、液态金属冷却法（LMC）三种定向凝固法在工艺上的差异主要表现在以下几个方面，（1）温度梯度G和凝固速度V的差异，LMC法的温度梯度G和凝固速度V最大，HRS次之，PD法最小，LMC法的冷却介质是高导热系数、低熔点、高沸点、热容量大的液态金属，而HRS的冷却介质主要是气体强制循环冷却介质，PD法的冷却介质是对流的空气；（2）冷却速度的差异，LMC的冷却速度最大，可达4700℃•h-1，HRS次之，PD冷却速度最小；（3）局部凝固时间，由于LMC冷却速度高，凝固时间快，导致局部凝固时间短，而HRS次之，PD的局部凝固时间最长。这些工艺上的主要差异，将导致铸件性能会有明显的差异。区域熔化液态金属冷却法的优势：（1）液态金属冷却介质与铸型的接触时间大大缩短，减少了液态金属冷却介质对铸件的影响；（2）有效提高了温度梯度和冷却速度；（3）扩大了所允许的凝固速度范围，细化组织，改善偏析。区域熔化液态金属冷却法显著提高定向合金凝固使用性能。过冷是指金属或合金熔体在平衡液相线以下仍然保持液态的现象，过冷度是指金属或合金熔体实际温度与平衡液相线温度的差值。一般情况下，当熔体凝固时，由于合金熔体内部或器壁具有较多的非均匀异质形核点的存在，因此，凝固所需的过冷度往往只有摄氏几度。然而，清洁的熔体即内部不具有或非常少的异质形核核心条件下凝固时，往往需要非常大的过冷度，而深过冷就是指在尽可能消除异质形核的前提下，使得液态金属保持到液相线以下数百摄氏度，而后突然形核并获得快速凝固组织形态。深过冷熔体的形核和生长很大程度上不受外部散射条件的限制，但却可以达到急冷过程的结晶速度。略。请查阅界面稳定性理论文献，根据MS稳定性理论做出说明。第四章1、什么是半固态成形技术？它与铸造，塑性变形有何区别？参考答案：利用金属材料在固液共存状态下所特有的流变特性进行成形的技术。首先要制造含有一定体积比例的非枝晶固相的固液混合浆料，成形方法有流变成形和触变成形两种。铸造是将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的工艺过程。材料在外力作用下产生形变，而在外力去除后，弹性变形部分消失，不能恢复而保留下来的的那部分变形即为塑性变形。2、半固态成形工艺分为哪两种典型工艺？各有什么特点？参考答案：流变成形和触变成形。流变成形是在冷却过程中，对金属熔体进行强烈的搅拌或其他处理，获得具有部分凝固的半固态浆料，并使浆料中的初生固相呈近球形;然后直接将所得的半固态金属浆液进行成形，如压铸、挤压或轧制。利用材料触变性成形的工艺叫触变成形，它是一种利用金属在固相线和液相线温度范围内的流变行为的成形工艺。3、哪些合金适合半固态成形制造零件？哪些不合适？为什么？参考答案：半固态成形技术适合那些具有宽结晶范围的合金，而窄结晶范围或共晶合金不适合用半固态成形技术。这是因为在成形过程中需要在固液共存温度区域内进行，如果结晶范围太窄可操作的温区太窄。4、半固态浆料的制备方法有哪些？其机理是什么？参考答案：机械搅拌法、磁力搅拌、喷射铸造、化学晶粒细化、液相铸造、斜坡冷却、新MIT法、旋转热焓平衡装置法、直接热法、气体诱导半固态加工法、超声波振动、剪切-冷却-轧制法、应力诱发熔体激活法、重熔再结晶、直接部分重熔法、固溶处理和部分重熔法。主要是通过不同方式获得具有近球形晶粒的固液共存浆料，用于后续加工成形。5、半固态粉末成形与半固态成形技术有什么根本区别？简述应用范围？参考答案：半固态粉末成形就是将SSF中的块体材料换成粉末材料。在半固态成形中，有涉及到半固态浆料的制备过程；在半固态粉末成形中，不需要制备浆料。可用于铝合金、钛合金、镁合金等及其复合材料的制备。第五章1、什么是连续铸轧？它与连铸连轧有何区别？参考答案：连续铸轧是指金属熔体在连续铸造凝固的同时进行轧制变形的过程。将液态金属直接浇入辊缝中，轧辊既起着结晶器的作用又同时对金属进行轧压变形，此过程又称为液态轧制或无锭轧制。连续铸轧工艺与通常的连铸连轧工艺不同，后者是待金属在连铸机中凝固成连铸坯后，趁热装炉或稍经补热后直接进行轧制，其节能效果和经济效益也逊于前者，但技术上比前者较为容易实现。2、什么是连续挤压？常用的连续挤压方法有哪些？参考答案：连续挤压技术是挤压成型技术的一项较新的技术，以连续挤压技术为基础发展起来的连续挤压复合、连续铸挤技术为有色金属管、棒、型、线及其复合材料的生产提供了新的技术手段和发展空间。CONFORM连续挤压、连续包覆（CONKLAD）、3、连续铸轧和连续挤压主要应用？参考答案：连续铸轧主要应用于钢铁材料、铝合金及其复合材料、镁合金、钛合金、高温合金等。连续挤压主要应用于铜及铜合金、铝及铝合金、双金属复合线。4、连续铸轧的凝固理论与半固态成形凝固理论有何异同？参考答案：连续铸轧过程中轧辊既起着结晶器的作用又同时对金属进行轧压变形，因此有着激冷和机械折断枝晶效应，可以细化晶粒。半固态成形过程中是通过使用一定方法将凝固的枝晶变成近球形晶粒，他们有一定的相似性，但存在根本区别。第6章思考题的参考答案：提示：复合材料是由两种或两种以上的不同性质的材料，通过不同的工艺方法人工制备出的，各组成部分之间有明显界面的多相组织材料。复合材料按性能可分为结构复合材料和功能复合材料；按基体材料可分为金属基复合材料、无机非金属基复合材料、聚合物基复合材料；按增强材料可分为叠层复合材料、纤维增强复合材料、晶须增强复合材料、颗粒增强复合材料、混杂复合材料；按组成复合材料各组成在复合材料的分布情况可分为分散强化复合材料、层状复合材料、梯度复合材料等等。提示：对于金属基复合材料的设计，金属组合的选择、界面的设计和控制等问题是关键，其根本是界面的结构。提示：由于复合材料的种类不同，其制备方法有较大的差别，例如树脂基复合材料有喷射成型、模压成型、热压成型、注射成型等；陶瓷基复合材料有固相烧结成型、化学气相沉积成型等；而金属基复合材料制备方法有铸造法、粉末冶金法、预制件渗浸法、塑性变形加工法等。层状金属基复合材料可分为机械结合法和冶金结合法。机械结合复合法包括镶套（包括热装和冷压入）、液压扩管复合、冷拉拔复合等等。冶金结合法是指界面结合以冶金结合为主，包括固-固相复合法、液-固相复合法、液-液相复合法等等。提示：复合铸造是指两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使得铸件在不同的部位具有不同的性能，以满足应用场景的使用要求。复合铸造铸件质量主要取决于铸造合金本身的化学成分和性能、以及更为关键的是两种合金复合界面的质量。略。提示：采用包覆层连续铸造法（CPC）制备复合轧辊有以下优点：①辊芯材质可选择强韧性好的合金系材料；②外层材质可选择耐磨性好的特殊高合金材料；③外层金属凝固速度快，显微组织致密均匀；④由于是自下而上的顺序凝固，可明显改善缩孔、偏析及非金属夹杂等缺陷；⑤CPC法制备的复合轧辊，工艺适当的情况下，外层和芯部材料界面结合强度高；⑥CPC法在改善外层金属复合的完整性及控制复合效果方面具有独特的优势，从实际生产和工艺控制方面，复合材料质量容易得到保障。提示：反向凝固连铸复合工艺的关键在于以下三个方面，首先是侧封技术；其次是连铸复合控制技术；再则，是母带的预处理技术。这种方法是包覆层金属液由里到外的凝固，非常有利于凝固补缩，是一种很有应用潜力的工艺。提示：首先是凝固顺序不同，双结晶连铸法首先凝固的是芯部金属，包覆层后凝固，而充芯连铸法首先凝固的是包覆层金属，芯部金属后凝固；其次，在工艺上关键控制点不同，双结晶连铸法在连铸过程中，连铸温度、拉坯速度是该工艺的关键参数和首要条件，而充芯连铸法在连铸过程中，外层和芯部控温坩埚的控温调节、导流管的结构设计、导流管下端伸入位置等是工艺的关键控制点。提示：与热轧复合相比，温轧、冷轧复合温度低，复合界面结合困难，但由于温度低，界面无氧化，界面不易生成脆性金属间化合物，无需真空焊接等坯料前处理工艺。因此，金属组合自由度大，产品性能稳定、适用面广。提示：利于组元结合；可阻止碳钢中的碳向包覆层扩散；在加热和轧制时，可防止氧化。提示：在热轧复合过程中，两种金属的待复合表面发生塑性变形，从而导致金属表层破裂，从破裂处露出的新鲜金属相互接触，在压力作用下使金属间形成冶金结合，但这种结合并非接触面的全部结合，因此需要对热轧温度和热轧道次进行有效控制，同时，又需要避免界面脆性相的生成，因此，需要对热轧温度和热轧道次有精确要求。提示：金属减振材料一般可分为合金型减振材料和复合型减振材料。合金型减振材料其本身具有振动衰减性能，而复合型减振材料是通过与黏弹性高分子材料复合而获得具有较高振动衰减性能的材料。提示：采用静液挤压法制备包覆线材时，坯料与挤压筒壁、坯料与挤压垫片之间填充的是粘性介质，挤压力通过这些粘性介质传递，可极大改善传统复合坯料挤压法易造成金属流动的不均匀性，从而改善复合界面的性能。提示：查阅文献，结合实例说明超导线材的一些制备方法。略。提示：拉拔复合成型双金属管是在拉拔过程中实现材料的复合，其工艺原理是内外金属经过拉拔塑性变形后，内外层材料因材质的差异，导致内外层弹性回复量存在着差异，从而外层金属管对内层金属管产生附加抱紧力，实现内外层界面的机械结合。思考题及参考答案焊接领域目前主要采用哪两种激光器？各有什么特点？在焊接领域，目前主要采用的激光器有两种，分别是YAG激光器和光纤激光器。YAG激光器，即钇铝石榴石激光器，其工作原理是利用脉冲氙灯激发Nd:YAG激光晶体产生激光。YAG激光器的主要特点是能够提供高峰值功率的脉冲激光，适用于薄壁金属材料的点焊和缝焊。由于其脉冲特性，焊接过程中工件的整体温升很小，热影响区小，因此特别适合于对热影响要求严格的焊接应用，如3C产品外壳、锂电池、电子元器件等。此外，YAG激光器对焊接速度的要求不是很严格，适合于一些低速焊接的应用。光纤激光器，则是通过光纤传输激光，具有光束质量好、光斑小、能量强等特点。其工作原理是利用光纤激光器产生的连续激光，经过聚焦后实现焊接。光纤激光器的主要优点是焊接速度快，适用于高速焊接的应用，如汽车、船舶等行业。同时，由于其高功率和良好的光束质量，也能实现深熔焊接，适用于厚板材料的焊接。此外，光纤激光器结构紧凑，稳定性好，维护简单，适用于自动化生产线。总的来说，YAG激光器和光纤激光器在焊接领域各有特点，YAG激光器适合于薄壁材料和低速焊接，热影响区小；而光纤激光器则适合于高速焊接，焊接速度快，适用于自动化生产线。简述激光-电弧复合焊接的主要特点及应用。激光-电弧复合焊接是将激光和电弧两种热源相结合的焊接技术，通过利用两种热源的优点，实现了高效、高质量的焊接过程。其主要特点和应用如下：主要特点：（1）大焊接熔深：激光和电弧的协同作用使得焊接熔深大，可以实现更深的焊接接头。（2）高工艺稳定性：复合焊接技术具有较高的工艺稳定性，焊接质量可靠。（3）高焊接效率：利用激光和电弧的快速加热和冷却特性，实现了高速焊接，提高生产效率。（4）较强的焊接间隙桥接能力：电弧具有良好的间隙桥接能力，可以适应一定的焊接间隙变化。（5）小焊接变形：由于激光和电弧的复合作用，焊接过程中热输入较低，减小了焊接变形。应用领域：（1）汽车制造领域：激光-电弧复合焊接技术在汽车制造领域得到了广泛应用，如车身框架、发动机部件等的关键部位焊接。（2）航海船舶领域：在船舶制造中，激光-电弧复合焊接用于船体结构、甲板等部件的焊接，提高了生产效率和焊接质量。（3）航空航天领域：航空航天领域的结构件焊接，对焊接质量要求极高，激光-电弧复合焊接技术可以满足这些要求。（4）工程机械领域：在工程机械制造中，激光-电弧复合焊接用于焊接结构件，提高了产品的承载能力和使用寿命。（5）轨道交通领域：轨道交通设备的关键部件焊接，如车体结构、轨道桥梁等，激光-电弧复合焊接技术为其提供了高效的焊接解决方案。总之，激光-电弧复合焊接技术具有众多优点，广泛应用于各个领域，为焊接行业的发展做出了巨大贡献。简述电子束焊的原理。低真空和非真空电子束焊各有什么优点？分别用于什么场合？电子束焊的原理是利用高速运动的电子束轰击工件，将电子束的动能转化为热能，使焊接处的金属熔化，从而实现焊接。电子束焊设备主要由电子枪、真空室、高压电源、控制系统等部分组成。在焊接过程中，电子枪发射的电子束在高电压的作用下加速，并通过电磁透镜聚焦成高能量密度的电子束。当聚焦后的电子束轰击工件时，电子束的动能转化为热能，使焊接处的金属熔化，形成熔池。随着工件的移动，熔池冷却并凝固，形成焊缝。低真空电子束焊的优点主要体现在以下几个方面：设备成本相对较低，因为低真空环境较易实现，不需要非常高级的真空设备。焊接速度快，因为电子束在真空中的传播速度接近光速，且不需要像高真空那样缓慢抽真空的过程。可以在大气环境中进行焊接，省去了复杂的高压电源和真空系统的维护。低真空电子束焊适用于一些不需要非常严格真空环境的焊接场合，如一些金属的焊接，特别是当焊接材料对氧敏感时，可以在低真空条件下减少氧化。非真空电子束焊的优点在于：

可以在大气环境中进行焊接，不需要抽真空，操作简单。适用于焊接较大的工件，因为非真空环境下的电子束可以照射到更大的面积。焊接过程中可以观察到焊接区域，便于操作和监控。非真空电子束焊通常用于一些对焊接质量要求不是非常高的场合，如一些建筑材料、重型机械部件的焊接。简述传统摩擦焊的基本特点及应用。传统摩擦焊是利用工件端面之间的相对滑动摩擦产生的热量，使接触面材料达到塑性状态，施加顶锻力使之形成连接的一种压焊方法。摩擦焊的特点有：焊接接头质量好，强度高，接头性能接近于原材料性能。生产效率高，可实现自动化、连续化生产。设备简单、成本低。适用范围广，可焊接同种金属或异种金属，也可以焊接金属与非金属。摩擦焊的主要应用领域有：航空、航天工业中的火箭发动机燃烧室、燃气轮机叶片、飞机发动机的涡轮盘和叶片等。电气工程中的电刷、换向器、电机转子等。汽车、拖拉机等动力机械中的传动齿轮、链轮、弹簧等。机械制造工业中的轴、齿轮、螺栓、紧固件等。简述搅拌摩擦焊的原理、特点及应用。搅拌摩擦焊的主要焊接参数有哪些？简述搅拌摩擦焊接头的组织特征。搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，简称FSW）是一种固相连接技术，由英国焊接研究所（TWI）于1991年发明。搅拌摩擦焊的原理是在焊接过程中，搅拌头一边高速旋转，一边沿着焊接方向前进，焊接过程中，搅拌头轴肩与被焊工件表面摩擦产生热量使工件达到塑性状态，塑性状态的金属在搅拌头旋转压力的挤压作用下，转移到搅拌头后面，填满后面的空腔，从而形成连接。搅拌摩擦焊的主要特点有：（1）焊接温度低，即使在长焊缝情况下也是如此，从而可以避免熔化焊所产生的气孔、裂纹、变形和氧化等问题。（2）固相连接，不产生类似熔焊的铸造组织缺陷，接头各种力学性能，比如疲劳、弯曲、拉伸等指标好。（3）焊前、焊后辅助修补工时较少，生产成本大幅度降低。焊接过程中的搅拌和摩擦可有效去除工件表面氧化膜及附着杂质，减少了清理步骤。（4）焊接过程不需要添加保护气体和焊料。（5）能够进行全位置焊接，适应性好，效率高，操作简单。搅拌摩擦焊的主要焊接参数包括：搅拌头旋转速度、搅拌头轴向进给速度、焊接压力、焊接时间等。搅拌摩擦焊接头的组织特征主要有：（1）微观结构均匀，无明显熔化焊缝和铸造组织。（2）晶粒细化，由于搅拌摩擦过程中金属的塑性变形和再结晶作用，使焊缝区域的晶粒显著细化。（3）硬度提高，焊缝区域的硬度明显高于母材，这是由于焊接过程中产生的细晶强化和析出强化作用。（4）接头性能优良，搅拌摩擦焊接头的强度、韧性、耐腐蚀性等性能均优于传统的熔化焊接接头。什么是增材制造，它与其他传统制造方法相比有什么特点？增材制造是指通过逐层增加材料来实现3D实体的生成，克服了传统制造工艺和结构的限制，快速精准地实现产品的构建。通常是采用数字技术材料打印机来实现的。增材制造方法相比较于传统的制造方法存在着以下特点：（1）增材制造无需机械加工或任何模具就能实现制造，极大地缩短制造周期，即使结构复杂的零件也无需增加加工时间，便于实现低成本的工业化生产；（2）增材制造可实现产品的一体化，避免分开制造的产品进一步组装；（3）增材制造不再受限于产品的形状结构，能够制造出传统工艺无法实现的或是结构复杂的零件，精准快速地进行满足需求的产品制造，增强了定制化的实现能力；（4）增材制造可减少制造时产生的副产物，极大程度上避免了材料的浪费；（5）3D打印机具有较高的单位空间生产能力，其制造能力非常强，可以打印出比自身更大的产品，并且打印出来的产品精度高；（6）增材制造技术的生产门槛较低，对员工的技术要求较低，可减少生产失误，降低人员培训成本，提高生产效率。也就是说，增材制造能够简化操作步骤，变革生产方式，实现零技能制造。增材制造的主要技术分类有哪些？（1）选区激光熔化（SLM）技术；（2）选区激光烧结（SLS）技术；（3）熔融沉积成型（FDM）技术；（4）光固化（SLA）技术；（5）激光近净成型（LENS）技术；（6）电子束选区熔化（EBSM）技术；（7）电弧熔丝增材制造（WAAM）技术增材制造给生活带来的积极影响是什么？（1）个性化定制：增材制造允许根据个体需求和设计要求制作定制化的产品，从个性化定制的鞋子、眼镜到医疗器械，都能够更好地满足个人需求。（2）医疗应用：在医疗领域，增材制造被广泛用于生产个体化的假体、植入物和义肢。通过扫描患者的身体部位，可以精确制造适应患者独特解剖结构的医疗器械，提高治疗效果。（3）原型制作和产品研发：增材制造技术使得快速原型制作变得更加容易，有助于设计师和工程师在产品开发过程中迅速验证概念，加快产品上市速度。（4）艺术和创意领域：艺术家和设计师利用增材制造技术创造出独特的艺术品和装置，通过打破传统制造的限制，展示了更多创意和想象力。（5）减少资源浪费：增材制造是一种精确的生产方法，可以减少原材料的浪费，对于环境可持续性和资源节约具有积极的影响。谈谈你对新增材制造技术的了解以及增材制造技术的未来发展趋势。新增材制造技术的了解：新增材制造技术的核心原理是逐层堆积材料，其中包括直接墨水书写增材制造技术（DIW），连续纤维增强复合材料（CFRTPCs）的增材制造技术等不同的实现方式。这些方法使用计算机辅助设计（CAD）创建的数字模型，并通过逐层添加或固化材料来制造物体。增材制造技术的未来发展趋势：（1）未来的增材制造技术有望更加注重多材料和多工艺的整合，以实现更复杂的产品。这将推动材料科学和工艺技术的发展。（2）随着材料科学的不断进步，新增材制造将更多地采用高性能材料，以满足各种特殊需求，如高强度、高温、耐腐蚀等。（3）随着数字化技术的不断发展，新增材制造将更加数字化，包括数字化设计、数字化工艺控制和智能制造。这将提高生产效率和产品质量。（4）增材制造技术有望在可持续发展方面发挥作用，通过减少废料和能源消耗，促进资源的可持续利用。5.智能制造对我国的制造业的意义是什么？智能制造是实现我国制造业高端化的重要路径。智能制造技术在我国的应用和普及，必将催生一批具有世界先进水平、引领世界制造业发展的龙头企业，引领我国制造业实现自主创新跨越发展。发展智能制造既符合我国制造业发展的内在要求，也是重塑我国制造业新优势，实现转型升级的必然选择，应该提升到国家发展目标的高度。6.请尝试列举智能制造的几个关键技术。（1）电火花加工工艺方法电火花线切割加工工作原理是利用移动的细金属导线（钼丝或铜丝）作电极，靠脉冲火花放电对工件进行切割。（2）仿生制造模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程称为“仿生制造”。它通过模拟生物器官的自组织、自愈、自增长气自进化等功能，以迅速响应市场需求并保护自然环境。生物体能够通过诸如自我识别、自我发展、自我恢复和进化等功能使自己适应环境的变化来维持自己的生命并得以发展和完善。（3）智能设计技术智能设计是指应用现代信息技术，采用计算机模拟人类的思维活动，提高计算机的智能水平，从而使计算机能够更多、更好地承担设计过程中的各种复杂任务，成为设计人员的重要辅助工具。（4）绿色设计绿色设计（GreenDesign）也称生态设计、环境设计、环境意识设计，是一种概念设计。绿色设计是指在产品整个生命周期内，要充分考虑对资源和环境的影响，在充分考虑产品的功能质量、开发周期和成本的同时，更要优化各种相关因素，使产品及其制造过程中对环境的总体负影响降到最小，使产品的各项指标符合绿色环保的要求。7.智能制造新技术有哪些，请举例说明？人工智能技术；工业机器人技术；大数据技术；云计算技术；物联网技术；整体的信息化系统。8.云计算技术最大的优势是什么？工业云平台打破了各部门之间的数据壁垒，让数据真正地流动起来，发现数据之间的内在关联，使得设备与设备之间，设备与生产线，工厂与工厂之间无缝对接，监控整个生产过程，提高产品质量，帮助企业做出正确的决策，生产出最贴近消费市场的产品。9.物联网技术和人工智能技术的特点是什么？物联网技术：智能制造的最大特征就是实现万物互联，工业物联网是工业系统与互联网，以及高级计算、分析、传感技术的高度融合，也是工业生产加工过程与物联网技术的高度融合。工业互联网具有全面感知、互联传输、智能处理等特点。人工智能技术：人工智能技术的三大特点就是大数据技术、按照计划规则的有序采集技术、自我思考的分析和决策技术。新一代的人工智能在新的信息环境的基础上，把计算机和人连成更强大的智能系统，来实现新的目标。人工智能正在从多个方面支撑着传统制造向智能制造迈进。10.增材制造技术对油气田领域的发展有什么作用？（1）随着增材制造技术的快速发展，油气田领域将其与传统制造、油气田服务相结合，加速促进增材制造业在油气田领域的应用。（2）增材制造技术的快速成型可显著减少制造时间和成本，大大改善传统的油田装备制造、油气勘察开发等板块，为提高油气田领域的工作质量做出卓越贡献。（3）增材制造技术在油气田领域展现出材料成本相对较低，浪费少；在高精度、高强度、高复杂度的测井仪器加工制造中，利用增材制造技术，可实现一台设备完成多道工序，解决批量小、换产频的生产效率问题，还可提升产品性能。（4）增材制造技术可增加产品设计自由度，提高设备性能。（5）增材制造技术在油气田领域的应用不仅可以发挥出本身的优势，还可以结合油气田领域的特殊性，满足油气开采生产过程对设备零件的灵活性需求。11.智能制造技术对油气田领域的发展有什么作用？在油气田领域应用数字化管理平台，整合工程设计、设备材料采购、施工建设、生产运行等环节的全部数据，通过数字建模，可大幅提高设计和建设效率，节约采购和施工成本，为项目实施全生命周期管理打下基础；通过将大数据、物联网、云计算、人工智能等技术与客户的具体应用场景结合的方式，为客户提供满足其需要的各类定制化服务。智能制造在油气田领域的应用体现在数字化油气田的建设以及从数字化向智能化的迈进。12.根据你对油气田领域中增材制造技术和智能制造技术的了解，发表你对其在油气田领域中应用的看法。（1）油气田设备通常需要特殊设计的零部件，以适应特殊的工作环境和要求。增材制造技术可以提供定制化的解决方案，快速制造出复杂形状和高性能的零部件，提高设备的可靠性和适应性。（2）在油气田领域，需要不断进行新设备和工具的研发。增材制造技术可以用于快速原型制作，使工程师能够快速验证设计概念，可为生产过程提供快速、批量的零部件支持，以避免延长施工期的风险。（3）在油气田设备中引入物联网技术，实现设备之间的实时数据交互和监控。这将有助于提高设备运行效率，减少故障发生，并优化维护计划。（4）智能制造技术可以实现油气田设备的自动化生产，减少人为操作的依赖，提高生产一致性和效率。（5）油气田产生大量的数据，包括地质勘探数据、设备运行数据等。通过应用大数据分析，可以更好地理解油气藏的特性，优化生产过程，并预测设备可能的故障。综合来看，增材制造技术和智能制造技术在油气田领域中的应用有望带来生产效率的提升、设备可靠性的增强以及成本的降低。随着技术的不断发展，它们将在油气产业中扮演越来越重要的角色。第九章1.什么是表面改性技术？常用的表面改性技术有哪些？答：表面改性技术是指在保障基体材料化学组分基本保持不变或仅有较小改变的前提下，通过采用单一或复合技术手段以直接或间接的方式来提高零部件表面理化性能的一种技术。常用的金属材料表面改性技术主要有：化学热处理、喷涂技术、气相沉积、溶胶-凝胶法、激光表面处理、电泳沉积法、氧化法等。2.微弧氧化的机理是什么？答：微弧氧化是指将铝、镁、钛等有色金属及其合金置于特定的电解液中，利用电化学和等离子体化学原理，使金属材料表面出现火花放电，在热力学、电化学、等离子体的共同作用下，在原金属表面原位生长陶瓷层的技术。微弧氧化是发生在阳极工件表面的极其复杂的热力学、电化学、等离子体的相互作用，过程非常复杂，瞬间温度可达1800℃以上，熔融的金属液体随后会快速凝固，起弧点还在不断移动，整个过程既有高温高压，而且持续的时间很短，因此对过程的跟踪比较困难，有些理论还只是假设和推测，很难用仪器测试进行验证。铁木辛柯(Timoshenko)等人认为微弧氧化由以下几个过程组成：①在氧化物基体中形成空间电荷；②在膜层孔洞中进行气体放电；③局部膜层被熔化；④孔洞微区内进行热扩散、等离子体化学和热化学反应等极其复杂的过程。Apelfeld等人研究发现，膜层孔洞在等离子体放电过程中温度急剧升高，电解液与基体金属之间发生电化学反应，膜层向基体内侧生长。Yerokhin等人认为，在微弧氧化过程中将发生大量的电解过程，如图9-4