材料加工前沿-刘雪峰..

一，绪论

材料与新材料的概念，生产特点及分类

材料：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，也可简单定义为:材料是可以制造有用器件的物质。

新材料：新出现或正在发展之中的具有优异性能或特定功能的材料，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的材料。

材料的作用与地位

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的三大支柱，把材料的重要性提高到一个前所未有的高度。2，20世纪80年代又把新材料技术与信息技术、生物技术一起列为高新技术革命的重要标志；事实上，新材料的研究、开发与应用反映着一个国家的科学技术与工业化水平。3，几乎所有的高新技术的发展与进步，都以新材料和新材料技术的发展和突破为前提。

材料技术的概念及其分类

材料技术：可以理解为是关于材料的制备、成形与加工、表征与评价，以及材料的使用和保护的知识、经验和诀窍；从学科的观点来考虑，将材料科学和其他相关学科(如计算机、机械、自动控制)的知识应用于材料(制备)生产和使用的实际，以获得所需的材料产品、提高材料的使用效能的技艺。分类：(1)制备技术;(2)成形与加工技术;(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)检测与监控技术。

材料技术的5次革命及其特点（书p5）

材料加工技术的分类及材料科学与工程要素

按照传统的三级学科进行分类，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的相态不同进行分类，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，现代材料科学与工程由四个基本要素组成:即材料的成分与结构、性质、制备与加工工艺、使用性能，它们之间形成所谓的四面体关系；材料的制备与加工与材料的成分和结构、材料的性质一起，构成决定材料使用性能的最基本的一大要素，也充分反映了材料制备与加工技术的重要作用和地位

材料加工技术的发展趋势和方向

发展趋势：过程综台、技术综合、学科综台。

主要特征：(1)性能设计与工艺设计的一体化；(2)在材料设计、制备、成形与加工处理的全过

程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制

发展方向：（1）常规材料加工工艺的短流程化和高效化；（2）发展先进的成形加工技术实现组织与性能的精确控制；（3）材料设计、制备与成形加工一体化；（4）开发新型制备与成形加工技术，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，构建完善的材料数据库；（6）材料的智能制备与成形加工技术。

快速凝固

凝固的概念、特征及分类

概念特征：物质从液相变成固相的过程，是一种相变的过程，如金属凝固，血凝，高分子固化等。晶体与非晶体的凝固特点不一样，前者有明显的凝固点，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。

快速凝固的概念及其实现方法

概念：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。产生急冷技术或深过冷技术获得很高的凝固前沿推进速度的凝固过程。

实现方法：（1）快速冷却：通过提高铸型的导热能力，增大热流的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的唯一途径，通过抑制凝固过程的形核，使合金溶液获得很大的过冷度，从而凝固过程释放的潜热被过冷溶体吸收，可大大减少凝固过程要导出的热量，获得很大的凝固速度。

快速凝固方法的分类（线材、带材、块体材料快速凝固）

金属快速凝固的组织特征

（1）偏析形成倾向减小（2）形成非平衡相（3）细化凝固组织（4）析出相的结构发生变化（5）形成非晶态

快速凝固的用途

（1）获得新的凝固组织，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。

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）。

定向凝固

定向凝固的概念、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的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶或单晶的技术。

特征：在定向凝固过程，随着凝固速度的增加，固液界面的形态由低速生长的平面晶——胞晶——枝晶——细胞晶——高速生长的平面晶变化；无沦是哪种固液界面形态，保持固液界面的稳定性对材料的制备和材料的力学性能非常重要；低速生长的平面晶固液界面稳定性可以用成分过冷理论来判定，高速生长的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，尚没有相关的判定理论体系。

实现定向凝固的基本条件

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

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

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，或同时对铸型进行分区加热与控制，在凝固金属和未凝固溶体中建立起沿拉坯方向的温度梯度，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的一种新型材料制备技术。

特点：（1）可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织（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，有利于析出的气体及夹杂入液相（4）铸锭中缺陷少，组