材料技术前沿

1.人类历史的5次材料技术革命是什么？简述材料设计时代的特点。

答：1）石器时代---青铜器时代---铁器时代---合金化时代---合成材料时代---新材料设计与制备加工工艺时代。

2）材料设计时代的特点:资源-材料-制品界限的弱化与消失-按照使用要求来设计材料的性能；性能设计与工艺设计一体化要求-同时设计出可以获得其性能的可行的制备加工工艺。

2.简述材料加工技术的总体发展趋势以及主要发展方向。

答：发展趋势：概括为过程综合、技术综合、学科综合三个综合。过程综合包括两个方面：一是材料设计、制备、成形与加工的一体化；二是多个过程（如凝固与成形）的综合化。技术综合是指材料加工技术与计算机技术、信息技术、各种先进控制技术的综合。学科综合体现为三级学科（铸造、塑性加工、热处理）之间的综合、与材料物化、材料学等二级学科的综合，与计算机、信息环境过程工程等一级学科的综合。主要发展方向：常规材料加工工艺的短流程化和高效化；发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的精确控制；材料设计、制备与成形加工一体化；开发新型设备与成形加工技术，发展新材料和新制品；发展计算机数值模拟与过程仿真技术，构筑完善的材料数据库；材料的智能制备和成形加工。

3.简述快速凝固的概念及用途。实现快速凝固的两种方法以及金属快速凝固的组织特征。答：快速凝固是指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。用途：获得新的凝固组织，开发新材料；制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料；简化制备工序，实现近终形成形；提高产品质量，降低生产成本。实现方法：快速冷却和深过冷。组织特征：偏析形成倾向减小；形成非平衡相；细化凝固组织；析出相的结构发生变化；形成非晶态。

4.简述定向凝固的概念和现有工艺。简述连续定向凝固的基本原理。

答：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的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终的到具有特定取向柱状晶的技术。现有工艺：发热剂法、功率降低法、高速凝固法、液态金属冷却法和连续定向凝固。连续定向凝固的基本原理：在连续定向凝固过程中对铸型进行加热，使它的温度高于被铸金属的凝固温度，并通过在铸型出口附近的强制冷却，或同时进行分区加热与控制，在凝固金属和未凝固熔体中建立起沿拉环方向的温度梯度，从而使熔体形核后沿着与热流(拉坯方向)相反的方向，按单一的结晶取向进行凝固，获得连续定向结晶组织（连续柱状晶），甚至单晶组织。

5.简述半固态加工的概念和特点；何谓触变成形？何谓流变成形？

答：半固态加工就是在金属凝固的过程中对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的固液混合浆料，即流变浆料，利用流变浆料直接进行成形加工的方法称为半固态金属的流变成形。如果将流变凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热至金属的半固态温度区，利用金属的半固态坯料进行成形加工的方法称为触变成形。上述两种方法合称为半固态加工。特点：黏度比液态金属高，容易控制；流动应力比固态金属低；应用范围广，具有固液两相区的合金均可实现半固态加工。

6.连续驻扎的概念和工艺特点，列出3种目前咋生产的金属材料。影响铸轧过程稳定性的主要因素有哪些？保证铸轧正常进行的两个条件是什么？答：连续铸轧是直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材的工艺。显著的特点是：其结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊；熔体在辊缝间完成凝固和热轧两个过程；而且在很短的时间内（2~3s）完成。例子为铝带铸轧、硅钢、普碳钢、不锈钢。影响稳定性的因素：钢水的流动性；凝固行为；铸轧速度；侧封；铸轧力和辊缝；二次冷却和拉坯系统的影响。两个条件：1.基本条件：浇注系统预热温度、金属液面高度；热平衡条件：铸轧温度、铸轧速度、冷却强度。

7.实现连续挤压的必要条件是什么？连续挤压法有哪些优缺点？

两个基本条件：不需借助挤压轴和挤压垫片的直接作用，可对坯料施加足够的力实现挤压变形；挤压筒应具有无限连续工作长度，以便使用无限长的坯料。优点：有效利用挤压型腔与坯料之间的摩擦，挤压能耗大大降低；可以省略常规挤压中坯料的加热工序，节省能耗；可以实现真正意义上的无间断连续生产；具有较为广泛的应用范围；设备紧凑，占地面积小，设备造价及基建费用较低。缺点：对坯料预处理要求高；生产断面尺寸大，形状复杂型材不如小断面型材加工时优势大；焊缝质量耐高压性能等不如常规挤压-拉拔法好；对模具材料耐磨耐高温性能要求高；工模具更换比常规挤压困难；对设备液压系统、控制系统要求高。

8.双金属包覆铸造的方法有哪些？这些方法共同的关键技术是什么：

答：复合铸造指将两种以上的具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使不同部位具有不同的性能，以满足使用的要求。特点是通常一种合金具有较高的力学性能，而另一种或几种合金具有抗磨耐蚀、耐热等特殊使用性能。常规复合铸造：镶铸工艺、重力复合铸造工艺、离心复合铸造工艺；复合铸造新工艺:水平磁场制动复合铸造法、包覆层连续铸造法、电渣包覆层铸造法、反向凝固连铸复合法、复合线材铸拉法、双流连铸梯度复合法、双结晶器连铸法、充芯连铸法。关键技术：控制各工艺因素以获得理想的过渡层成分、组织、性能和厚度，是制造优质复合铸造铸件的关键技术。

9.按照界面结合状态，层状复合材料可以分为哪两大类？每一类包括哪几种制备方法：

答：层状复合材料一般分为机械接合法与冶金接合方法两大类。其中典型的机械接合法主要有镶套、液压扩管、冷拉拔等方法；典型的冶金接合法包括：爆炸成形或爆炸成形后进行轧制；扩散热处理；轧制成形，包括热轧、冷轧+扩散热处理、液压轧制复合；挤压成形，包括复合坯料热挤压、温静液挤压、热挤压包覆等；粉末塑性加工或粉末塑性加工后烧结；摩擦焊接；复合铸造，包括包覆铸造、反向凝固、双流铸造、双结晶铸造。某些方法所成形的层状复合材料因成形条件而异，其界面结合状态介于上述两种情况之间。

10.说明等温成形工艺的特点和适用范围。

答：特点：降低材料的变形抗力；提高材料的塑性流动能力；成形件尺寸精度高，表面质量高、组织均匀、性能优良；模具使用寿命长；材料利用率高。适用范围：低塑性材料的成形；优质或贵重材料的成形；形状复杂的高精度零件的成形；采用低压力成形大型结构零件；研究材料的塑性变形规律。

11.简述激光焊、电子束焊和搅拌摩擦焊的工艺特点。

答：激光焊：能量密度高；加热范围小；焊缝金属冷速大，容易得到细晶组织；焊接热影响区范围小，焊接残余应力和变形小；可以焊接一般焊接方法难以焊接的材料；可进行“小孔焊”，实现单面焊双面成形。电子束焊：电子束穿透能力强，焊缝深宽比大；焊接速度快；焊缝性能好；焊接变形小；真空条件下焊接对焊缝有很好的保护作用。搅拌摩擦焊：实现板材对接，突破了传统摩擦焊的局限性；焊接接头缺陷少，性能好；焊接热影响区组织变化小；焊接残余应力和变形小；便于机械自动化；低成本；安全。

12.简述粉末冶金的概念和特点，并举出8种粉末冶金技术。

答：粉末冶金是制取金属粉末或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）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的工艺技术。特点：可以直接制备出具有最终形状和尺寸的零件；可以容易地实现各种类型的复合，充分发挥各组元材料各自特性；可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品；可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大不均匀的铸造组织；可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶核过饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料；可以充分利用矿石、炼钢污泥、轧钢铁磷回收废旧金属作原料。方法：快速冷凝物化制粉技术、机械合金化制粉技术、超微粉或纳米粉制备技术、粉末注射成形、温压成形、爆炸成形、热压成形等静压成形、微波烧结、反应烧结。