材料加工新技术与新工艺更新版重点北京科技大学剖析.docx

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材料加工新技术与新工艺更新版重点北京科技大学剖析

一、绪论

1）材料和新材料概念，生产特点及分类

材料：

人类用以制造用于生活和生产物品、器件、构件、机器以及其他产品物质，也可简单定义为:

材料是可以制造有用器件物质。

新材料：

新出现或正在发展之中具有优异性能或特定功能材料，或在传统材料基础上通过新技术处理获得性能明显提高或产生了新功能材料。

2）材料作用和地位

1，自20世纪70年代，人们就把信息、能源和材料誉为人类文明三大支柱，把材料重要性提高到一个前所未有高度。

2，20世纪80年代又把新材料技术和信息技术、生物技术一起列为高新技术革命重要标志；事实上，新材料研究、开发和应用反映着一个国家科学技术和工业化水平。

3，几乎所有高新技术发展和进步，都以新材料和新材料技术发展和突破为前提。

3）材料技术概念及其分类

材料技术：

可以理解为是关于材料制备、成形和加工、表征和评价，以及材料使用和保护知识、经验和诀窍；从学科观点来考虑，将材料科学和其他相关学科（如计算机、机械、自动控制）知识应用于材料（制备）生产和使用实际，以获得所需材料产品、提高材料使用效能技艺。

分类：

（1）制备技术;

（2）成形和加工技术;（3）改质改性技术;（4）防护技术；（5）评价表征技术；（6）模拟仿真技术；（7）检测和监控技术。

4）材料技术6次革命及其特点（书p5）

5）材料加工技术分类及材料科学和工程要素

按照传统三级学科进行分类，材料加工技术（方法）包括机加工（车钻刨铣磨等）、凝固加工（铸造）、粉末冶金、塑性加工（压力加工）、焊接（连接）、热处理等。

按照被加工材料在加工时所处相态不同进行分类，材料加工技术包括气态加工、液态加工（凝固成形）、半固态加工、固态加工。

一般认为，现代材料科学和工程由四个基本要素组成:

即材料成分和结构、性质、制备和加工工艺、使用性能，它们之间形成所谓四面体关系；材料制备和加工和材料成分和结构、材料性质一起，构成决定材料使用性能最基本一大要素，也充分反映了材料制备和加工技术重要作用和地位

6）材料加工技术发展趋势和方向

发展趋势：

过程综台、技术综合、学科综台。

主要特征：

（1）性能设计和工艺设计一体化；

（2）在材料设计、制备、成形和加工处理全过程中对材料组织性能和形状尺寸进行精确控制

发展方向：

（1）常规材料加工工艺短流程化和高效化；

（2）发展先进成形加工技术实现组织和性能精确控制；（3）材料设计、制备和成形加工一体化；（4）开发新型制备和成形加工技术，发展新材料和新制品；（5）发展计算机数值模拟和过程仿真技术，构建完善材料数据库；（6）材料智能制备和成形加工技术。

二、快速凝固

1）凝固概念、特征及分类

概念特征：

物质从液相变成固相过程，是一种相变过程，如金属凝固，血凝，高分子固化等。

晶体和非晶体凝固特点不一样，前者有明显凝固点，凝固时释放结晶潜热，由短程有序到长城有序，物理性质常发生突变；后者无凝固点，是渐变过程，结构和物理性质无明显突变，逆过程是软化过程。

分类：

按平衡条件分为平衡凝固、非平衡凝固；按凝固方向分为定向凝固、二维凝固、体积凝固；按凝固速度分为快速凝固和正常凝固。

2）快速凝固概念及其实现方法

概念：

由液相到固相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成分、相结构和显微结构过程。

产生急冷技术或深过冷技术获得很高凝固前沿推进速度凝固过程。

实现方法：

（1）快速冷却：

通过提高铸型导热能力，增大热流导出速度可使凝固界面快速推进，实现快速凝固

（2）深过冷：

快冷法只能在薄膜、细线及小尺寸颗粒中实现，减少凝固过程中热流导出量是大尺寸试件中实现快速凝固唯一途径，通过抑制凝固过程形核，使合金溶液获得很大过冷度，从而凝固过程释放潜热被过冷溶体吸收，可大大减少凝固过程要导出热量，获得很大凝固速度。

3）快速凝固方法分类（线材、带材、块体材料快速凝固）

4）金属快速凝固组织特征

（1）偏析形成倾向减小

（2）形成非平衡相（3）细化凝固组织（4）析出相结构发生变化（5）形成非晶态

5）快速凝固用途

（1）获得新凝固组织，开发新材料

（2）制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料（3）简化制备工序，实现近终形成形。

6）线材、带材、块体材料快速凝固成型技术

线材快速凝固成形：

玻璃包覆熔融纺线法、合金溶液注入快冷法、旋转水纺线法、传送带法；

带材快速凝固成形：

单辊法、双辊法、溢流法、甩出法；

体材料快速凝固成形：

喷射沉积技术、大块非晶合金（高压压铸法，水淬法，铜模铸造法，电弧熔炼法，定向区域法，吸铸法等）。

三、定向凝固

1）定向凝固概念、特征、分类

定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向温度梯度，从而使熔体沿着和热流相反方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶或单晶技术。

特征：

在定向凝固过程，随着凝固速度增加，固液界面形态由低速生长平面晶——胞晶——枝晶——细胞晶——高速生长平面晶变化；无沦是哪种固液界面形态，保持固液界面稳定性对材料制备和材料力学性能非常重要；低速生长平面晶固液界面稳定性可以用成分过冷理论来判定，高速生长平面晶固液界面稳定性可以用绝对稳定性理论来判定；关于胞晶、枝晶、细胞晶固液界面稳定性问题，尚没有相关判定理论体系。

2）实现定向凝固基本条件

只沿特定凝固方向存在温度梯度；固液界面前沿存在大小合适成分过冷区；垂直于凝固方向固液界面为平面或凸面。

3）定向凝固工艺

定向凝固方法有：

（1）发热剂法

（2）功率降低法（3）高速凝固法（4）液态金属冷却法（5）流态床冷却法（6）区域熔化液态金属冷却法（7）连续定向凝固

4）连续定向凝固工艺：

原理，概念；特点，方式

原理：

在连续定向凝固过程中对铸型进行加热，使它温度高于被铸金属凝固温度，并通过在铸型出口附近强制冷却，或同时对铸型进行分区加热和控制，在凝固金属和未凝固溶体中建立起沿拉坯方向温度梯度，从而使熔体形核后沿着和热流（拉坯方向）相反方向，按单一结晶取向进行凝固，获得连续定向结晶组织（连续柱状晶组织）甚至单晶组织。

概念:

连续定向凝固技术是定向凝固技术和连铸技术相结合而发展起来一种新型材料制备技术。

特点：

（1）可以得到完全单方向凝固无限长柱状组织

（2）是一种近终形连铸生产技术（3）凝固过程中固液界面始终凸向液相，有利于析出气体及夹杂入液相（4）铸锭中缺陷少，组织致密，消除了横向晶界。

方式：

保证形成沿着铸坯方向一维或者基本一维稳定一温度梯度，即在拉坯过程中，铸坏和熔体之间固液分界面不能伸人到结晶器内，至少不能伸入过多，只有这样才能保证不在结晶器内壁产生形核而破坏晶体单向生长；保证在拉坯过程中不会出现金属液拉漏或者铸坯拉断现象，这样才能获得连续长度铸坏。

5）特种定向凝固

超高温度梯度定向凝固；侧向约束下定向凝固；对流下定向凝固；二维定向凝固。

四、金属半固态加工

1）半固态加工概念、优点及工艺

在金属凝固过程中，对其施以剧烈搅拌作用，充分破碎树枝状初生固相，得到一种液态金属母液中均匀悬浮着一定球状初生固相固液混合浆料（固相组分一般50%），即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工方法称为半固态金属流变成形。

如果将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热至金属半固态温度区，这时金属锭一般称为半固态金属坯料。

利用金属半固态坯料进行成形加工，这种方法称为触变成形。

优点：

黏度比液态金属高，容易控制；模具夹带气体少，减少氧化、改善加工性，减少模具粘接，可进行更高速部件成形，改善表面光洁度，易实现自动化和形成新加共工工艺；流动应力比固态金属低:

半固态浆料具有流变性和触变性，变形抗力非常小，可以更高速度成形部件，而且可进行复杂件成形，缩短加工周期，提高材料利用率，有利于节能节材，并可进行连续形状高速成形（如挤压），加工成本低；应用范围广；凡具有固液两相区合金均可实现半固态加工。

可适用于多种加工工艺，如铸造、轧制、挤压和锻压等，并可进行材料复合及成形。

基本工艺：

分为触变成型及流变成形两种（见后）。

2）金属高温三态成形方法关系（P96图4-1）

3）半固态金属金属学和力学特点（p97）

特点：

（1）溶质元素局部浓度不断变化

（2）宏观变形抗力很低（3）随着固相分数降低，呈现黏性流体特征，在微小外力作用下即可很容易变形流动（4）当固相在极限值（75%）一下时，浆料可以进行搅拌，并容易混入各种异种材料粉末、纤维等（5）固相粒子间无结合力，容易分离，由于液相成分存在又容易将分离部位连接形成一体化，特别液相成分很活跃，不仅半固态金属间结合，而且和一般固态金属材料也容易形成很好结合（6）可加工含有陶瓷颗粒、纤维等难加工材料（7）当施加外力时，液相和固相成分存在分别流动情况（8）上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高情况下都很难发生。

4）半固态加工研究及发展（p101）

5）金属半固态凝固组织及其影响因素

液态金属在凝固过程中搅拌且激冷，其结晶造成固体颗粒初始形貌呈树枝状，然后在剪切力作用下，枝晶会破碎，形成小球形晶。

影响因素：

浆料温度、固相分数、剪切速率。

6）半固态金属力学行为

半固态金属力学行为具有触变性，成形过程中具有明显超塑性效应和充填性能，变形抗力小，可在较高速度下变形

7）金属半固态浆料制备方法及原理、特点和主要影响因素

（1）电磁搅拌法，搅拌式功率时间冷却速度金属液温度浇注速度等2）机械搅拌法，控制搅拌时温度来控制半固态金属初生固相分数，通过改变也便或搅拌棒转速来控制剪切速率。

（3）应变诱导熔化激活法（4）液态异步轧挤法（5）超声振动法（6）粉末冶金法（7）倾斜冷却板制备法（8）低过热度铸造法制备半固态金属浆料或坯料

8）半固态金属触变成型及流变成形

触变成形。

特点：

（1）溶质元素局部浓度不断变化

（2）宏观变形抗力很低（3）随着固相分数降低，呈现黏性流体特征，在微小外力作用下即可很容易变形流动（4）当固相在极限值（75%）一下时，浆料可以进行搅拌，并容易混入各种异种材料粉末、纤维等（5）固相粒子间无结合力，容易分离，由于液相成分存在又容易将分离部位连接形成一体化，特别液相成分很活跃，不仅半固态金属间结合，而且和一般固态金属材料也容易形成很好结合（6）可加工含有陶瓷颗粒、纤维等难加工材料（7）当施加外力时，液相和固相成分存在分别流动情况（8）上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高情况下都很难发生。

独特优点：

（1）黏度比液态金属高，容易控制

（2）流动应力比固态金属低（3）应用范围广。

金属半固态制备方法：

（1）电磁搅拌法

（2）机械搅拌法（3）应变诱导熔化激活法（4）液态异步轧挤法（5）超声振动法（6）粉末冶金法（7）倾斜冷却板制备法（8）低过热度铸造法制备半固态金属浆料或坯料

五、连续铸轧

1）连续铸轧概念及特点、应用

连续铸轧：

直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材工艺称为连续铸轧。

结晶器为两个带水冷系统旋转铸轧辊，熔体于很短时间内（2~3S）在其辊缝间完成凝固和热轧两个过程。

2）连续铸轧工艺基本原理：

基本条件；热平衡条件★

铸轧基本条件：

（1）浇铸系统预热温度

（2）金属液面高度。

热平衡条件：

（1）铸轧温度

（2）铸轧速度（3）冷却强度

3）几种典型连续铸轧生产工艺

适用材料种类：

铝板连续铸轧、薄板坯液芯压下、双辊薄带钢铸轧。

4）影响铸轧过程稳定性主要因素

双辊薄带钢铸轧影响因素：

（1）钢水流动影响

（2）凝固行为影响（3）铸轧速度影响（4）侧封影响（5）铸轧力和辊缝控制问题；

铸轧产品缺陷：

（1）条痕

（2）孔洞（3）横波（4）白条（5）黑皮（6）板面不平（7）边部不齐。

5）连续铸轧产品质量及控制

6）连续铸轧过程中数学模型及模拟技术

六、连续挤压和连续铸挤

1）连续挤压原理、实现条件

实现连续挤压满足两个基个条件：

（1）不需借助挤压轴和挤压垫片直接作用，即可对坯料施加足够力以实现挤压变形；

（2）挤压简应具有无限连续工作长度，以便使用无限长坯料

2）连续挤压特点（优点缺点）

优点：

（1）利用挤压型腔和坯料之间摩擦，挤压变形能耗大大降低；

（2）可以省略常规热挤压中坯料加热工序；（3）可以实现真正意义上无间断连续生产，获得长度达到数千乃至数万米成卷制品；（4）具有广泛使用范围；（5）设备紧凑，占地面积小，设备造价及基建费用较低。

缺点：

（1）对坯料预处理要求高；

（2）主要适用于生产小断面型材，生产大断面型材时效率低；（3）由于坯料预处理效果、难以获得大挤压比等原因，该法生产空心制品在焊缝质量、耐高压性能等方面不如常规挤压-拉拔生产制品好；（4）对工模具材料耐磨耐热性能要求高；（5）工模具更换比常规挤压困难；（6）对设备液压系统、控制系统要求高。

3）连续挤压应用

4）连续挤压工艺及设备

5）连续铸挤原理、优点

连续铸挤：

坯料以熔融金属形式通过电磁泵或重力浇铸连续供给，由水冷式槽轮和槽封块构成环型型腔同时起到结晶器和挤压筒作用。

优点：

金属处于液态和半固态或接近熔点高温状态，能耗低

（2）凝固开始到结束始终处于变形状态，有利于细化晶粒，减少偏析、气孔等缺陷（3）直接液态金属成形，省略坯料预处理工序，工艺流程简单，设备结构紧凑。

七、复合铸造

1）复合铸造概念和特点

复合铸造：

是指将两种或两种以上具有不同性能金属材料铸造成为一个完整铸件，使铸件不同部位具有不向性能，以满足使用要求。

常见复合铸造工艺有镶铸工艺、重力复合铸造、离心复台铸造。

复合铸造铸件质量除取决于铸造合金本身性能外，更主要地取决于两种合金材料界面结合质量。

在双金属复合铸造过程中，两种金属中主要元素在一定温度场内可以相互扩散、相互熔融形成一层成分组织介于两种金属之间过渡台金层，一般厚度为40～60μm。

控制各个工艺因素以获得理想过程层得成分、组织、性能和厚度，时制造优质复合铸造铸件技术关键。

2）传统复合铸造工艺及新技术和新工艺

双金属包覆铸造方法有哪些？

途径方法共同关键技术是什么？

（1）水平磁场制动复合连铸法：

水平磁场作用强度；两种金属浇铸速度

（2）包覆层连续铸造法：

温度正确设定、匹配和控制；辊芯防氧化

（3）电渣包覆铸造法

（4）反向凝固连铸复合法：

侧封技术；凝固控制技术；母带预处理技术

（5）复合线材铸拉法：

钢丝表面预处理；铸拉工艺控制

（6）双流连铸梯度复合法

（7）双结晶器连铸法

（8）充芯连铸法

3）复合铸件质量控制关键技术

技术关键：

控制各工艺因素以获得理想过渡层成分、组织、性能和厚度

八、塑形加工复合

1）复合材料概念及其分类

复合材料：

采用物理或化学方法，使两种以上材料在相变和性能相互独立形式下共存和一体之中，以达到提高材料某些性能，或获得新性能（或功能）目。

按界面结合状态，层状复合材料可以分为机械结合法：

镶套（热装和冷压入）、液压扩管、冷拉拔；冶金结合法：

爆炸成形、扩散热处理、轧制、挤压、粉末塑性加工、摩擦焊接、复合铸造。

2）金属复合材料制备和加工方法

颗粒强化金属基复合材料：

粉末冶金法、铸造法、喷射共沉积法、预制件渗浸法。

晶须强化金属基复合材料：

粉末额近发、铸造法、预制件渗浸法等。

纤维强化金属基复合材料：

粉末冶金法、扩散结合法、预制件渗浸法、两相合金复合法等

3）金属层状复合材料制备和加工方法

4）层状复合材料和梯度复合材料区别

层状复合材料层和层之间材料成分决然不同，梯度复合材料中组元含量沿着某一方向产生连续或非连续变化以实现材料性能梯队化。

5）轧制复合、挤压复合、拉拔复合

九、金属等温成形

1）等温成形特点及使用范围、和超塑形区别

等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现，从而避免了坯料在变形过程中温度降低和表面激冷问题。

特点：

（1）降低材料变形抗力；

（2）提高材料塑性流动能力；（3）成形件尺寸精度高、表面质量好、组织均匀、性能优良；（4）模具使用寿命长；（5）材料利用率高

适用范围：

（1）低塑性材料成形

（2）优质或贵重材料成形（3）形状复杂高精度零件成形（4）采用低压力成形大型结构零件（5）研究材料塑性变形规律

和超塑性成形区别：

典型微细晶粒超塑性实现有赖于晶粒细化、适当变形温度和低应变速率三个基本条件，其中材料初始内部组织是诱发超塑性，并使之成为持续进行主要条件之一。

超塑性状态一般只能在一个很窄温度、速度范围内实现。

而等温成形概念比超塑性成形要广泛多，等温成形可以在很宽温度、速度范围内以及坯料任意原始组织条件下进行。

但等温成形在降低板材变形抗力、提高材料塑性效果方面不如超塑性成形那样显著。

等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现，从而避免了坯料在变形过程中温度降低和表面激冷问题。

2）等温成形发展概况

3）材料等温成形性

4）等温成形时润滑

润滑剂应满足：

1具有良好成膜性、保证产品易于出模2防止坯料氧化3具有良好绝热性能4不予模具和坯料发生化学反应5易于涂敷和除去6便于贮存及性能稳定7价格低廉、货源广。

常用润滑剂：

石墨二硫化钼、聚四氟乙烯、氮化硼、氧化铅以及玻璃等

5）等温成形用模具材料、设备

6）等温成形工艺展望

十、先进连接技术

1）激光焊、电子焊、搅拌摩擦焊原理、特点

激光焊是利用激光束作为热源，将被焊接材料熔合而实现连接一种焊接方法。

最大特点是存在小孔效应。

特点：

1）能力密度高2）焊接速度快3）焊接金属冷速容易得到细晶组织4）焊接热影响范围小5）可以焊接一般焊接方法难焊接材料6）可以进行“小孔焊”，实现单面焊双面成形。

电子焊是利用聚焦后电子束流加热、熔合被焊金属（母材）而实现连接一种焊接方法。

特点：

1）穿透力强，焊缝深宽比大2）焊接速度快3）焊缝性能好4）焊接变形小5）真空条件下焊接对焊缝有很好保护作用

搅拌摩擦焊是利用一种非耗损搅拌头在待焊界面搅拌摩擦而实现连接，高速旋转搅拌头和封肩和金属摩擦生热使金属处于塑性状态，在搅拌头作用下被封肩封闭塑性金属一方面上下循环流动，另一方面随着搅拌头向前移动，不断向搅拌头后方流动填充搅拌头移出空间形成致密焊缝。

特点：

1）可实现板材对接，突破传统摩擦焊局限性2）焊接接头缺陷少3）焊接热影响区组织变化小4）焊接残余应力和变形小5）便于机械化自动化6）低成本7）安全。

2）激光焊和电子焊统称为高能束焊，试比较这两种方法在工艺上应用

激光焊、电子束焊特点：

（1）能量密度高

（2）焊接速度快（3）焊接金属冷速快容易得到细晶组织（4）焊接热影响范围小，残余应力和变形小。

激光焊、电子束焊应用：

一般金属材料激光焊和电子束焊都有良好抗热裂和冷裂能力，焊接性较普通电弧焊时焊接性好。

激光焊拼焊冲压成型板了毛坯可大幅度降低成本，提高质量，激光焊接组合齿轮具有变形小，精度高，接头剪切强度大，生产效率高等特点，焊后可直接装配使用。

电子束焊穿透能力强，焊缝深宽比大，因此在大厚件焊接方面电子束焊接具有不可替代地位，涉及材料主要有钛合金、高强钢、高温合金、不锈钢、复合材料等。

电子束焊还能应用于金属间化合物连接。

十一、粉末冶金新技术新工艺

粉末冶金是用金属粉末或用非金属粉末（或金属粉末和非金属粉末混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合材料以及各种类型制品工艺技术。

粉末冶金工艺第一步是制取原料粉末，第二步时将原料粉末通过成形、烧结以及烧结后处理获得成品。

（1）可以直接制备具有最终形状和尺寸零件，是一种无切削，少切削新工艺，有效降低生产资源和能源消耗

（2）可以实现多种类型复合，充分发挥各组员材料各自特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷基复合材料工艺技术（3）可以生产普通熔炼法无法生产具有特殊结构和性能材料和制品。

（4）可以最大限度减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀铸造组织。

（5）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料（6）可以充分利用废旧原料，是一种有效材料再生和综合利用新技术

工艺：

雾化制粉技术（二流雾化、离心雾化），机械合金化制粉技术，超微粉末制粉技术，粉末注射成型技术，温压成型技术，热压成型技术，等静压成型技术，场活化烧结技术。

等静压成形按其特性分成冷等静压（CIP）和热等静压（GIP）。

前者常用水或油作压力介质，故又称液静压、水静压或油水静压；后者常用惰性气体作压力介质，故又称气体热等静压。