材料成型技术基础（全套课件650p）1.pptx

1、第一章 绪论,材料成形技术基础,第一节 材料加工概述,一.材料加工概述 零件或材料的四种加工方法：1.成形加工：凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制、塑料成形；2.切除加工：车、铣、刨、钻、磨、电火花、电解、超声加工、激光加工等；3.表面成形加工：表面形变、淬火强化、化学强化、表面镀层、气相沉积镀膜；4.热处理加工：退、正、淬、回火；二.材料基本加工要素及流程,原材料（锭料、轧材）,凝固成形塑性成形焊接成形,毛坯,切削加工,零件,机器,装配,切削加工凝固成形塑性成形焊接成形,热处理,热处理切削加工,表面加工,三个基本要素：材料、能量、信息三大流程：1.材料流程 表征加工过程特点的类型；要改变

2、形状尺寸和性能的材料状态；能够用来实现这种形状尺寸和性能变化的基本过程；类型：直通流程、发散流程、汇合流程；如下图所示,材料加工过程,输入材料(I),输入能量(I),输入信息(I),输出信息(O)(形状、性能),输出能量(O)(损失),输出材料(O)(产品+废料),下表列出一部分常见的材料加工过程，用材料流程（包括流程类型、材料状态、基本过程）表示其特征。,2.能量流程 基本过程为机械过程的能量流程。实现此类基本过程的能量可以通过下列三种方法来提供：（1）、传递介质和加工材料间相对运动；,模锻成形,（2）、作用在加工材料上的压力差；,由压力差产生的机械基本过程,（3）、产生于加工材料中的质量力

3、；,由质量力产生的机械基本过程（a）浇注成形（b）磁力成形,热过程能量提供：电能、化学能、机械能,感应电加热原理1-感应器；2-坯料；3-电源,3.信息流程 形状信息、性能信息,第二节 材料成形的一些基本问题和发展概况,1.凝固成形基本问题：凝固组织的形成和控制；铸造缺陷的防止和控制；铸件尺寸精度与表面粗糙度控制等；发展概况：凝固理论的发展；凝固技术的发展；计算机的应用及发展，包括：凝固过程数值模拟技术；快速样件制造技术；过程和设备运行的计算机控制等。,2.塑性成形,基本问题：材料的塑性；塑性成形力的评价；加工材料内部市场变量的确定；形状信息的准确输入等；发展概况：板料成形方面 大批量生产中着

4、重向高速化、自动化发展；小批量生产中朝简易化、通用化、万能化发展；体积成形方面 自由锻 模锻 特种成形技术,3.焊接成形,基本问题：能量的输入；清除表面污染；组织性能不均匀；残余应力及残余变形；焊缺陷及检测；焊接结构的制造问题等；发展概况：焊接结构的发展；焊接材料的发展；自动化焊接的发展；,4.表面成形,基本问题：表面涂层：涂层与基体的结合、涂层的材料及结构等；表面改性：针对材料的服役条件及损伤机理并结合基体材料，设计合理的表面 组织结构；针对希望的表面组织及结构，研究活动这一表面材料的方法；发展概况：表面工程学 PACVD、LCVD,本课程任务,材料成形所涉及的基本理论,材料成形热过程,金属

5、的凝固理论,塑性成形的物理和力学基础,表面成形、粉末冶金、塑料成形理论,工艺方法技术要点相关工艺装备及模具,凝固成形,塑性成形,表面成形及强化,陶瓷成形及粉末冶金技术,塑料成形,第二章 材料凝固理论,主要内容：材料凝固概述凝固的热力学基础形核生长溶质再分配共晶合金的凝固金属及合金的凝固方式凝固成形的应用,材料成形技术基础,第一节 材料凝固概述,一、凝固成形的基本问题和发展概况,1、基本问题：,凝固组织的形成与控制,铸造缺陷的防止与控制,铸件尺寸精度与表面粗糙度控制,控制铸件的凝固组织是凝固成形中的一个基本问题。目前已建立了许多控制组织的方法，如孕育、动态结晶、定向凝固等。,第一节 材料凝固概述

6、,一、凝固成形的基本问题和发展概况,1、基本问题：,凝固组织的形成与控制,铸造缺陷的防止与控制,铸件尺寸精度与表面粗糙度控制,缩孔、缩松；偏析缺陷；裂纹。还有许多缺陷，如夹杂物、气孔、冷隔等，出现在填充过程中，它们不仅与合金种类有关，而且，还与具体成形工艺有关。,第一节 材料凝固概述,一、凝固成形的基本问题和发展概况,1、基本问题：,凝固组织的形成与控制,铸造缺陷的防止与控制,铸件尺寸精度与表面粗糙度控制,铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素（如铸型尺寸精度及型腔表面粗糙度、液体金属与铸型表面的反应、凝固热应力、凝固收缩等）的影响和制约，控制难度很大。,2、发展概况：,金属凝固理论的发展,

7、凝固技术的发展,计算机的应用,近四十年来，从传热、传质和固液界面三个方面进行研究，使金属凝固理论有了很大的发展，例如：建立了铸件冷却速度和晶粒度以及晶粒度与力学性能之间的一些函数关系，为控制铸造工艺参数和铸件力学性能创造了条件。,2、发展概况：,金属凝固理论的发展,凝固技术的发展,计算机的应用,典型代表就是定向凝固技术、快速凝固技术和复合材料的获得。此外，还有半固态金属铸造成形技术等。,2、发展概况：,金属凝固理论的发展,凝固技术的发展,计算机的应用,凝固过程数值模拟技术；快速样件制造技术；过程和设备运行的计算机控制。,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改

8、变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,大多数材料在经历液固转变时，其体积将缩小35，原子的平均间距减小11.7，导致缺陷形成的主要原因之一。,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,材料发生液固转变后，其外形将保持容器的形状，这就是铸造古老而又年轻的工艺手段。,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,表示一个体系的紊乱程度，熵值越大，体系越紊乱。当材料发生液固转变时，熵值将减小，说明固体比液体的结构更“整齐”。,二、凝固过

9、程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,亚共晶灰铸铁冷却曲线,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,1200时液态金属原子的状态,1500时液态金属原子的状态,二、凝固过程中材料的物理性质 与晶体结构的变化 体积改变 外形改变 熵值改变 产生凝固潜热 晶体结构改变 发生溶质再分配,凝固过程的溶质再分配,第二节 凝固的热力学基础,一、状态函数的概念 1、热力学函数与状态函数,第二节 凝固的热力学基础,一、状态函数的概念 热力学函数与状态函数,

10、体系的吉布斯（Gibbs）自由能热焓，体系等压过程中热量的变化热量和温度的熵值，反映体系紊乱程度体系的体积 体系的温度体系的压力 等压热容,二、状态函数间的关系,P,V,S,H,G,三、自发过程,判据一、Helmholtz自由能最低原理：等温等容条件下体系的自由能永不增大；自发过程的方向力图减低体系的自由能，平衡的标志是体系的自由能为极小。判据二、Gibbs自由能判据：等温等压条件下，一个只做体积功的体系，其自由能永不增大；自发过程的方向是使体系自由能降低，当自由能降到极小值时，体系达到平衡。,液气界面原子受力作用示意,可以这样理解界面张力：不同物体接触的界面如同一张具有弹性的膜，该膜总是力图

11、使界面的面积减小。,从能量角度：,可以这样理解界面张力：不同物体接触的界面如同一张具有弹性的膜，该膜总是力图使界面的面积减小。,从能量角度：,固体表面的液滴及表面张力的示意,根据力的平衡原理：,一、凝固的热力学条件,等压条件下有：,又：,第三节 形核,等压条件下，体系自由能随温度升高而降低，且液态金属自由能随温度降低的趋势大于固态金属。,一、凝固的热力学条件,等压条件下有：,又：,纯金属液、固两相自由能随温度的变化,在熔点附近凝固时，热焓和熵值随温度的变化可忽略不计，则有：,过冷度T为金属凝固的驱动力，过冷度越大，凝固驱动力越大；金属不可能在TTm时凝固。,二、自发形核,1、经典相变动力学理论

12、,根据经典相变动力学理论，液相原子在凝固驱动力Gm作用下，从高自由能GL的液态结构转变为低自由能GS的固态晶体结构过程中，必须越过一个能垒Gd，才能使凝固过程得以实现。整个液相的凝固过程，就是原子在相变驱动力Gm驱使下，不断借助能量起伏以克服能垒Gd，并通过形核和长大的方式而实现的转变过程。,二、自发形核,1、经典相变动力学理论,根据经典相变动力学理论，液相原子在凝固驱动力Gm作用下，从高自由能GL的液态结构转变为低自由能GS的固态晶体结构过程中，必须越过一个能垒Gd，才能使凝固过程得以实现。整个液相的凝固过程，就是原子在相变驱动力Gm驱使下，不断借助能量起伏以克服能垒Gd，并通过形核和长大的

13、方式而实现的转变过程。,2、临界形核功与临界晶核半径,表面自由能,体积自由能,晶胚,晶核,原子半径与吉布斯自由能的关系,临界形核功相当于表面能的1/3，这意味着固、液之间自由能差只能供给形成临界晶核所需表面能的2/3，其余1/3的能量靠能量起伏来补足。,三、非自发形核,1、临界晶核半径与形核功,四、形核剂,第四节 生长,一、固液界面结构,粗糙界面：微观粗糙、宏观光滑；将生长成为光滑的树枝；大部分金属属于此类,光滑界面：微观光滑、宏观粗糙；将生长成为有棱角的晶体；非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此类,粗糙界面,第四节 生长,一、固液界面结构,粗糙界面：微观粗糙、宏观光滑；将生长成为光滑的树

14、枝；大部分金属属于此类,光滑界面：微观光滑、宏观粗糙；将生长成为有棱角的晶体；非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此类,粗糙界面,第四节 生长,一、固液界面结构,粗糙界面：微观粗糙、宏观光滑；将生长成为光滑的树枝；大部分金属属于此类,光滑界面：微观光滑、宏观粗糙；将生长成为有棱角的晶体；非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此类,光滑界面,第四节 生长,一、固液界面结构,粗糙界面：微观粗糙、宏观光滑；将生长成为光滑的树枝；大部分金属属于此类,光滑界面：微观光滑、宏观粗糙；将生长成为有棱角的晶体；非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此类,光滑界面,第四节 生长,一、固液界面结构,粗糙界面：微

15、观粗糙、宏观光滑；将生长成为光滑的树枝；大部分金属属于此类,光滑界面：微观光滑、宏观粗糙；将生长成为有棱角的晶体；非金属、类金属（Bi、Sb、Si）属于此类,为光滑界面。,界面形态被称之,自由能均最小，此时的,这两种情况下，,的空位均被原子占据。,，或几乎所有,很多空位未被原子占据,面上有,的两端处，这意味着界,和,于,接近,的最小值在,时，,）当,1,0,2,2,x,G,S,D,a,简单立方晶体的长大过程示意,二、生长方式,三、生长速度,一、溶质再分配与平衡分配系数 溶质平衡分配系数 为恒温下固相溶质浓度 与液相溶质浓度 达到平衡时的比值，二元合金中的 可由平衡状态图的液相线与固相线给出，即

16、：,二、非平衡凝固时的溶质再分配 假定凝固的任意时刻，固液界面处于局部平衡状态，则有：,第五节 溶质再分配,第五节 溶质再分配,一、溶质再分配与平衡分配系数 溶质平衡分配系数 为恒温下固相溶质浓度 与液相溶质浓度 达到平衡时的比值，二元合金中的 可由平衡状态图的液相线与固相线给出，即：,二、非平衡凝固时的溶质再分配 假定凝固的任意时刻，固液界面处于局部平衡状态，则有：,三、成份过冷判据,成分过冷：由溶质再分配导致界面前沿平衡温度发生变化而引起的过冷,合金凝固时的成分过冷a)二元平衡相图 b)界面前沿液相溶质富集带c)稳定界面d)非稳定界面,铝合金随成分过冷度的增加，凝固界面形态的演变过程a)平界面b)痘点状界面c)狭长胞状界面d)不规则胞状界面e)六角形胞晶f)树枝晶,在固液界面附近，运用Fick扩散定律和平衡温度梯度与液相斜率的关系，可以推导出成分过冷判据：,四、成份过冷与晶体生长形态,凝固界面形态分为：平界面、胞状界面、和树枝界面当合金成分一致时，随 值的减少，晶体形态由平面晶向胞状晶向胞状树枝晶、柱状树枝和等轴树枝晶转变。,和 对晶体形态的影响,“成分过冷”与固液界面形貌,胞状晶