材料成型技术基础复习课件
第一章第一章 绪论绪论 材料成形技术基础 第一节第一节 材料加工概述材料加工概述 一一.材料加工概述材料加工概述 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； 二二.材料基本加工要素及流程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、信息三个基本要素：材料、能量、信息 三大流程：三大流程： 1.材料流程材料流程 表征加工过程特点的类型； 要改变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。料状态、基本过程）表示其特征。 2.能量流程能量流程 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：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；）、传递介质和加工材料间相对运动； 模锻成形模锻成形 （2）、作用在加工材料上的压力差；）、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；）、产生于加工材料中的质量力； 由质量力产生的机械基本过程由质量力产生的机械基本过程 （a）浇注成形（）浇注成形（b）磁力成形）磁力成形 热过程能量提供：电能、化学能、机械能热过程能量提供：电能、化学能、机械能 感应电加热原理感应电加热原理 1-感应器；感应器；2-坯料；坯料；3-电源电源 3.信息流程信息流程 形状信息、性能信息形状信息、性能信息 第二节第二节 材料成形的一些基本问题和发展概况材料成形的一些基本问题和发展概况 1. 凝固成形凝固成形 基本问题：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；发展概况：凝固理论的发展； 凝固技术的发展；凝固技术的发展； 计算机的应用及发展，包括：计算机的应用及发展，包括： 凝固过程数值模拟技术；凝固过程数值模拟技术； 快速样件制造技术；快速样件制造技术； 过程和设备运行的计算机控制等。过程和设备运行的计算机控制等。 2.塑性成形塑性成形 基本问题：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：发展概况： 板料成形方面 大批量生产中着重向高速化、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. 焊接成形焊接成形 基本问题：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：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.表面成形表面成形 基本问题：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：发展概况： 表面工程学 PACVD、LCVD 本课程任务本课程任务 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 第二章第二章 材料凝固理论材料凝固理论 主要内容：主要内容： 材料凝固概述材料凝固概述 凝固的热力学基础凝固的热力学基础 形核形核 生长生长 溶质再分配溶质再分配 共晶合金的凝固共晶合金的凝固 金属及合金的凝固方式金属及合金的凝固方式 凝固成形的应用凝固成形的应用 材料成形技术基础 第一节第一节 材料凝固概述材料凝固概述 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。 第一节第一节 材料凝固概述材料凝固概述 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 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。 第一节第一节 材料凝固概述材料凝固概述 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 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 第二节第二节 凝固的热力学基础凝固的热力学基础 一、状态函数的概念一、状态函数的概念 1、热力学函数与状态函数 状态函数状态函数关关只与体系所处的状态有只与体系所处的状态有无关无关与过程经历的“历程”与过程经历的“历程”有关有关与过程经历的“历程”与过程经历的“历程”热力学函数热力学函数,21)(VVdVVpW第二节第二节 凝固的热力学基础凝固的热力学基础 一、状态函数的概念一、状态函数的概念 热力学函数与状态函数 状态函数状态函数关关只与体系所处的状态有只与体系所处的状态有无关无关与过程经历的“历程”与过程经历的“历程”有关有关与过程经历的“历程”与过程经历的“历程”热力学函数热力学函数,21)(VVdVVpW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 pp)TH(CTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdGTPCP V S H G 三三、自发过程、自发过程 判据一、判据一、Helmholtz自由能最低原理：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、判据二、Gibbs自由能判据：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。 四四、界面张力、界面张力 物体与物体接触时都会形成分界 面，分界面上原子受力不平衡，合力 则指向物体内部，使接触面产生自动 缩小的趋势。 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 总是力图使界面的面积减小。 bFbF0）界面张力（mN从能量角度： AEEWAlblFW）比表面能（2mJlFb 简单的薄膜拉伸试验 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。 bFbF0）界面张力（mN 从能量角度： AEEWAlblFW）比表面能（2mJ固体表面的液滴及表面张力的示意 根据力的平衡原理： LGLSSGLGLSSG coscos表现为不润湿情况。表现为不润湿情况。，表现为润湿情况。表现为润湿情况。 ,900cos,90, 0cos,00LSSGLSSG又称润湿角。又称润湿角。接触角接触角一一、凝固的热力学条件、凝固的热力学条件 等压条件下有：等压条件下有： 0)(STGpppTHCTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdG)(TCTH TTSTHSp ppp)(1)(1)(0)()(22 TCTS TGp pp又：又： 第三节第三节 形核形核 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、凝固的热力学条件一、凝固的热力学条件 等压条件下有等压条件下有： 0)(STGpppTHCTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdG)(TCTH TTSTHSp ppp)(1)(1)(0)()(22 TCTS TGp pp又又： 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： mmmmmmmmTHS:,GTTSTHG故故时，时，当，当0ppTHCTdSdHdGVdpTdSdHSdTVdpdG)(
