材料加工原理课件 第3讲
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材料加工原理课件
• 切削力稳定，精度高 • 适用于钢、铁、铝等材料
车床
• 能够加工中小孔以及薄 壁管材
• 适用于黑心铸件、铸锭 等材料
磨床
• 将零件磨成规定的形状 和尺寸
• 适用于制作精密零件的 加工工具
案例分析
1 创新成型技术
通过引入计算机数字控制技术，创造出对计算机程序控制成型、整体车削加工等全新加 工程序。
2 高速切削技术
运用高速减摩来提高切削效率和精度，并降低温度和成本。
3 悬臂梁加工
通过悬臂的方式，增加机械加工的运动自由度和机械性能，快速完成工艺。
课程总结
观念变革
要把握知识和技术的最新变化，灵活运用创新 思维，注重产品质量与市场需求。
实践操作
不断提高自身的能力，通过实践和交流，进一 步提高自己的加工技巧和知识水平。
原理概述
材料本质
材料加工原理是连续弹性加工和塑性加工相结合的物理过程，对材料本身的特点和力学性能 有很高的要求。
成形技术
通过变形和分离来形成所需材料的几何尺寸和表面特征，成为成形加工技术。
加工方法
1
机加工
包括车、铣、刨等，能够应对不同材料的需求。
2
锻压成型
通过冲压和挤压将钢材等材料变成所需形状，广泛应用于大量生产中。
3
热加工
如高温形变，热轧，热锻等，能够改变材料的性质和结构。
加工工艺
冷拔工艺
通过金属材料的塑性变形，实现 长轴向尺寸的压缩。
炼钢工艺
将生铁和轧钢坯中的杂质去除或 控制，达到制造出优质钢铁的目 的。
铸造工艺
将熔化后的金属注入预先准备好 的铸模中，通过冷却定形为所需 要的金属制品。
加工工具与设备
铣床
车床
• 能够加工中小孔以及薄 壁管材
• 适用于黑心铸件、铸锭 等材料
磨床
• 将零件磨成规定的形状 和尺寸
• 适用于制作精密零件的 加工工具
案例分析
1 创新成型技术
通过引入计算机数字控制技术，创造出对计算机程序控制成型、整体车削加工等全新加 工程序。
2 高速切削技术
运用高速减摩来提高切削效率和精度，并降低温度和成本。
3 悬臂梁加工
通过悬臂的方式，增加机械加工的运动自由度和机械性能，快速完成工艺。
课程总结
观念变革
要把握知识和技术的最新变化，灵活运用创新 思维，注重产品质量与市场需求。
实践操作
不断提高自身的能力，通过实践和交流，进一 步提高自己的加工技巧和知识水平。
原理概述
材料本质
材料加工原理是连续弹性加工和塑性加工相结合的物理过程，对材料本身的特点和力学性能 有很高的要求。
成形技术
通过变形和分离来形成所需材料的几何尺寸和表面特征，成为成形加工技术。
加工方法
1
机加工
包括车、铣、刨等，能够应对不同材料的需求。
2
锻压成型
通过冲压和挤压将钢材等材料变成所需形状，广泛应用于大量生产中。
3
热加工
如高温形变，热轧，热锻等，能够改变材料的性质和结构。
加工工艺
冷拔工艺
通过金属材料的塑性变形，实现 长轴向尺寸的压缩。
炼钢工艺
将生铁和轧钢坯中的杂质去除或 控制，达到制造出优质钢铁的目 的。
铸造工艺
将熔化后的金属注入预先准备好 的铸模中，通过冷却定形为所需 要的金属制品。
加工工具与设备
铣床
材料加工原理课件课件
材料加工原理课件
欢迎来到材料加工原理课件！本课程将带你深入了解材料加工的基本原理和 各种工艺，展示最新的技术和行业趋势。让我们开始探索吧！
材料加工原理介绍
1
加工基础
解释什么是材料加工以及其在工业生产中的重要性。
2
物质结构
探索不同材料的结构和性质对加工过程的影响。
3
加工参数
介绍影响加工质量和效率的关键参数。
了解车削的基本原理以及用于粗加工和精加工的不同类型。
2
铣削
探索铣削的原理和用途，以及不同刀具类型的特点。
3
钻削
介绍钻削工艺及其在孔加工中的应用。
塑性加工及其原理
挤压
了解挤压工艺以及在制造连续性截面的材料中 的应用。
冲压
介绍冲压工艺及其在快速制造大批量零件中的 应用。
拉伸
探索拉伸过程中材料的行为和塑性变形的机制。
基本材料加工工艺
1 铸造
了解铸造工艺以及其在制造复杂形状和大型 件和热量改变材料的形状。
3 成型
4 切削制造
介绍常见的成型工艺，如挤压、拉伸和压缩， 以及它们的应用。
讨论切削工艺及其在制造各种形状的零件时 的作用。
热加工及其原理
焊接
了解不同类型的焊接工艺和焊接过程中的热能转化。
锻压
讨论锻压的原理和用途，以及在制造高强度零 件时的优势。
材料焊接及其原理
电弧焊接
了解电弧焊接的原理、设备和常 见应用。
激光焊接
探索激光焊接技术的原理和在高 精度制造中的应用。
摩擦焊接
介绍摩擦焊接的原理以及在异种 材料连接中的优势。
材料压缩及其原理
1 挤压
了解压缩的原理和在制造复杂形状和构件中 的应用。
欢迎来到材料加工原理课件！本课程将带你深入了解材料加工的基本原理和 各种工艺，展示最新的技术和行业趋势。让我们开始探索吧！
材料加工原理介绍
1
加工基础
解释什么是材料加工以及其在工业生产中的重要性。
2
物质结构
探索不同材料的结构和性质对加工过程的影响。
3
加工参数
介绍影响加工质量和效率的关键参数。
了解车削的基本原理以及用于粗加工和精加工的不同类型。
2
铣削
探索铣削的原理和用途，以及不同刀具类型的特点。
3
钻削
介绍钻削工艺及其在孔加工中的应用。
塑性加工及其原理
挤压
了解挤压工艺以及在制造连续性截面的材料中 的应用。
冲压
介绍冲压工艺及其在快速制造大批量零件中的 应用。
拉伸
探索拉伸过程中材料的行为和塑性变形的机制。
基本材料加工工艺
1 铸造
了解铸造工艺以及其在制造复杂形状和大型 件和热量改变材料的形状。
3 成型
4 切削制造
介绍常见的成型工艺，如挤压、拉伸和压缩， 以及它们的应用。
讨论切削工艺及其在制造各种形状的零件时 的作用。
热加工及其原理
焊接
了解不同类型的焊接工艺和焊接过程中的热能转化。
锻压
讨论锻压的原理和用途，以及在制造高强度零 件时的优势。
材料焊接及其原理
电弧焊接
了解电弧焊接的原理、设备和常 见应用。
激光焊接
探索激光焊接技术的原理和在高 精度制造中的应用。
摩擦焊接
介绍摩擦焊接的原理以及在异种 材料连接中的优势。
材料压缩及其原理
1 挤压
了解压缩的原理和在制造复杂形状和构件中 的应用。
《材料加工原理》PPT课件
5
体积凝固方式（糊状凝固方式）特点：
a）铸件断面温度平坦 b）结晶温度范围很宽——凝固动态曲线上的两相边
界纵向间距很大
6
3、中间凝固（结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金） 如果合金的结晶范围较窄， 或因铸件断面的温度梯度 较大，铸件断面上的凝固 区域介于前两者之间时， 属于“中间凝固方式”。
26
( 二 ) 缩松的形成
27
( 二 ) 缩松的形成
28
( 二 ) 缩松的形成
29
( 二 ) 缩松的形成
30
（1）当粗大的等轴晶互相连接以后，便将尚未凝固的液态金属 分割成一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩 松。采用普通冒口消除缩松是很困难的，往往采用其它措施， 如增加冒口的补缩压力，加速冷却等.
分类：
形壳凝固（表面凝固速率>中心）
机制：宏观S-L界面分散，界面推进方向与传热方向相同。
热量通过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。
形貌：等轴晶
15
三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响
1、窄结晶温度范围的合金 包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金
金属浇入铸型后，首先 在型壁处过冷，形成激冷层 ，然后按柱状晶的形势紧密 生长，固相界面前沿为平面 推进的方式.
16
由于凝固前沿直接与液态金属接触，当 液态凝固成为固态而发生体积收缩时， 可以不断地得到液体的补充，所以： （1）产生分散缩松的倾向小，而是在铸件 最后凝固部位留下集中缩孔，设置冒口 易消除，因此其合金的补缩特性良好； （2）这类合金铸件在凝固过程中当收缩受 阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属 液的充填，使裂纹愈合，所以铸件的热 裂倾向小。 （3）如果这类合金在充型过程中发生凝固 时，也具有较好的充型能力。
体积凝固方式（糊状凝固方式）特点：
a）铸件断面温度平坦 b）结晶温度范围很宽——凝固动态曲线上的两相边
界纵向间距很大
6
3、中间凝固（结晶范围较窄或铸件断面温度梯度较大的合金） 如果合金的结晶范围较窄， 或因铸件断面的温度梯度 较大，铸件断面上的凝固 区域介于前两者之间时， 属于“中间凝固方式”。
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( 二 ) 缩松的形成
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( 二 ) 缩松的形成
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( 二 ) 缩松的形成
29
( 二 ) 缩松的形成
30
（1）当粗大的等轴晶互相连接以后，便将尚未凝固的液态金属 分割成一个个互不沟通的溶池，最后在铸件中形成分散性的缩 松。采用普通冒口消除缩松是很困难的，往往采用其它措施， 如增加冒口的补缩压力，加速冷却等.
分类：
形壳凝固（表面凝固速率>中心）
机制：宏观S-L界面分散，界面推进方向与传热方向相同。
热量通过液相向环境散失。凝固速率取决于液相过 冷度。
形貌：等轴晶
15
三、结晶温度范围对铸件凝固过程的影响
1、窄结晶温度范围的合金 包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金
金属浇入铸型后，首先 在型壁处过冷，形成激冷层 ，然后按柱状晶的形势紧密 生长，固相界面前沿为平面 推进的方式.
16
由于凝固前沿直接与液态金属接触，当 液态凝固成为固态而发生体积收缩时， 可以不断地得到液体的补充，所以： （1）产生分散缩松的倾向小，而是在铸件 最后凝固部位留下集中缩孔，设置冒口 易消除，因此其合金的补缩特性良好； （2）这类合金铸件在凝固过程中当收缩受 阻而产生晶间裂纹时，也容易得到金属 液的充填，使裂纹愈合，所以铸件的热 裂倾向小。 （3）如果这类合金在充型过程中发生凝固 时，也具有较好的充型能力。
清华大学材料加工原理课件第3-2讲
记：金属/铸型界面温度为Ti，铸件浇注温度为Tp，铸件凝固
温度为Ts，铸型初始温度为T0，
则：Tp=Ti=Ts
平方根定律
铸型温度场Tm = Ti + (Ti − T0 ) ⋅ erf ( x 2 α mt ) , x≤0 ⎛ x2 ⎞ ∂Tm 1 ⇒ = (Ti − T0 ) exp ⎜ − ⎟，即为x处的温度梯度 ∂x πα mt ⎝ 4α mt ⎠ ∂Tm 则x处单位面积通过的热流量（t时刻） : qm = λm ，单位[W m 2 ] ∂x 1 在x = 0即铸件 / 铸型界面处的热流量：q f = qm x =0 = λm (Ti − T0 ) 0 ~ t内流过界面的热流量：Q f = ∫ q f dt = 2λm (Ti − T0 )
(
)
(
)
(
)
高斯误差积分值
铸件在金属型中的凝固传热
① 铸件温度场TM：
⎧ x = 0时， TM = Ti 边界条件： ⎨ ⎩ x = ∞ 时， TM = TP
T = A + B ⋅ erf (
x 2 αt
)
得：A = Ti , B = TP − Ti
TM = Ti + (TP − Ti ) ⋅ erf (
Fourier方程的推导
∂T r ∂T r ∂T r grad (T ) = ∇T = i+ j+ k ∂z ∂x ∂y ∂T ∂T ∂T + + div(T ) = ∂x ∂y ∂z ∂ 2T ∂ 2T ∂ 2T ⇒ div(∇T ) = 2 + 2 + 2 = ∇ 2T ∂x ∂y ∂z
∫∫∫ λdiv (∇T )dV = ∫∫ λ∇TdS
高分子材料加工成型原理--物料组成及混合 ppt课件
硬脂酸及其盐类、硬脂酸 硬脂酸、石蜡、矿物油及硅油 丁酯、硬脂酰胺，油酰胺 等 等
种类
“内润滑”与“外润滑”是相对的，取决于润滑剂与聚合物之间的相溶 性；大多既有外润滑性质，又有内润滑性质，仅少数具有单一性质。
润滑剂
润滑剂加入的影响：
能降低聚合物的流动温度，增加其流动性； 过多的加入，在高的剪切作用条件下会缩短聚合物在设备中的停留时间，以致产生 不均匀熔融物料，同时对材料的玻璃化温度、热变形温度、机械强度和伸长率等都 会有影响； 所以使用润滑剂时应先研究其对熔化的影响，然后再考虑它们的润滑性能。
• 过多，易由成型表面析出(常称起霜)，从而影响外观等； • 用量过少不足以起润滑作用；
润滑剂
润滑剂分类： 内润滑剂 外润滑剂 与聚合物的相溶性很小
相溶性
与聚合物相溶性的较大
作用机理
易从内部析至表面而粘附于设 减少聚合物分子间的内聚 备的接触表面 ( 或涂于设备的表 能，降低其熔体粘度，从 面上 ) ，形成一润滑剂层，降低 而削弱聚合物间的内摩擦， 了熔体和接触表面间的摩擦， 改进塑料熔体的流动性能 防止塑料熔体对设备的粘接
影响计量与操作环境
过细粒子易造成粉尘飞扬和容积计量的困难
水分及挥发物含量、结晶度、密度等的影响 对粉(粒)料的配制和制品性能有着较大影响，应很好的 加以控制
增塑剂
概念
作用
作用机理 性质要求
选用原则
使用现状
增塑剂
增塑剂
增塑剂是指增加塑料的可塑性，改善在成型加工时树脂的流动性，并使制品具有 柔韧性的有机物质。 它通常是一些高沸、难以挥发的粘稠液体或低熔点的固体，一般不与塑料发生化 学反应。
种类
“内润滑”与“外润滑”是相对的，取决于润滑剂与聚合物之间的相溶 性；大多既有外润滑性质，又有内润滑性质，仅少数具有单一性质。
润滑剂
润滑剂加入的影响：
能降低聚合物的流动温度，增加其流动性； 过多的加入，在高的剪切作用条件下会缩短聚合物在设备中的停留时间，以致产生 不均匀熔融物料，同时对材料的玻璃化温度、热变形温度、机械强度和伸长率等都 会有影响； 所以使用润滑剂时应先研究其对熔化的影响，然后再考虑它们的润滑性能。
• 过多，易由成型表面析出(常称起霜)，从而影响外观等； • 用量过少不足以起润滑作用；
润滑剂
润滑剂分类： 内润滑剂 外润滑剂 与聚合物的相溶性很小
相溶性
与聚合物相溶性的较大
作用机理
易从内部析至表面而粘附于设 减少聚合物分子间的内聚 备的接触表面 ( 或涂于设备的表 能，降低其熔体粘度，从 面上 ) ，形成一润滑剂层，降低 而削弱聚合物间的内摩擦， 了熔体和接触表面间的摩擦， 改进塑料熔体的流动性能 防止塑料熔体对设备的粘接
影响计量与操作环境
过细粒子易造成粉尘飞扬和容积计量的困难
水分及挥发物含量、结晶度、密度等的影响 对粉(粒)料的配制和制品性能有着较大影响，应很好的 加以控制
增塑剂
概念
作用
作用机理 性质要求
选用原则
使用现状
增塑剂
增塑剂
增塑剂是指增加塑料的可塑性，改善在成型加工时树脂的流动性，并使制品具有 柔韧性的有机物质。 它通常是一些高沸、难以挥发的粘稠液体或低熔点的固体，一般不与塑料发生化 学反应。
材料加工原理课件
个性化与定制化
随着个性化需求的增加，未来材料加工将更加注重个性化与定制化， 满足不同用户的需求。
THANKS
感谢观看
04
材料加工设备与、落砂机、抛丸机等，用于生产砂型铸件。
特种铸造设备
如金属型铸造机、离心铸造机、连续铸造机等，适用于特定类型的铸件生产。
焊接设备
手工焊接设备
包括焊枪和焊条，适用于手工焊接金属材料。
自动焊接设备
如焊接机器人、焊接专机等，能够实现自动化焊接，提高生产效率。
电子信息产业
医疗器械制造
材料加工在电子信息产业中广泛应用，涉 及芯片制造、电子封装、PCB板制造等领域， 是现代电子产品的核心技术之一。
材料加工在医疗器械制造中具有重要作用， 如钛合金、医用不锈钢等材料的加工制造， 对医疗技术的发展起到关键作用。
材料加工新技术与新工艺
增材制造
增材制造技术通过逐层堆积材料来制造三维实体，具有个 性化定制、高效、节能等优点，是现代制造技术的重要发 展方向。
对流换热定律
在流体流动过程中，流体与固体壁面之间的热量 交换速率与表面积、温差及流体的性质有关。
辐射换热定律
物体之间相互辐射和吸收热量，其交换速率与物 性、温度、波长等因素有关。
传质学原理
扩散定律
物质在静止或缓慢流动的流体中传递 的速率与该物质的浓度梯度和扩散系 数成正比。
对流传质定律
在流动的流体中，溶质传递的速率与 浓度梯度、流体流动的速度、扩散系 数及质量作用系数成正比。
钎焊
使用熔点低于母材的金属作为钎料，将母材连接在一起。
塑性加工技 术
轧制
01
通过旋转轧辊将金属板材轧制成各种形状和尺寸的板材和管材。
锻造
随着个性化需求的增加，未来材料加工将更加注重个性化与定制化， 满足不同用户的需求。
THANKS
感谢观看
04
材料加工设备与、落砂机、抛丸机等，用于生产砂型铸件。
特种铸造设备
如金属型铸造机、离心铸造机、连续铸造机等，适用于特定类型的铸件生产。
焊接设备
手工焊接设备
包括焊枪和焊条，适用于手工焊接金属材料。
自动焊接设备
如焊接机器人、焊接专机等，能够实现自动化焊接，提高生产效率。
电子信息产业
医疗器械制造
材料加工在电子信息产业中广泛应用，涉 及芯片制造、电子封装、PCB板制造等领域， 是现代电子产品的核心技术之一。
材料加工在医疗器械制造中具有重要作用， 如钛合金、医用不锈钢等材料的加工制造， 对医疗技术的发展起到关键作用。
材料加工新技术与新工艺
增材制造
增材制造技术通过逐层堆积材料来制造三维实体，具有个 性化定制、高效、节能等优点，是现代制造技术的重要发 展方向。
对流换热定律
在流体流动过程中，流体与固体壁面之间的热量 交换速率与表面积、温差及流体的性质有关。
辐射换热定律
物体之间相互辐射和吸收热量，其交换速率与物 性、温度、波长等因素有关。
传质学原理
扩散定律
物质在静止或缓慢流动的流体中传递 的速率与该物质的浓度梯度和扩散系 数成正比。
对流传质定律
在流动的流体中，溶质传递的速率与 浓度梯度、流体流动的速度、扩散系 数及质量作用系数成正比。
钎焊
使用熔点低于母材的金属作为钎料，将母材连接在一起。
塑性加工技 术
轧制
01
通过旋转轧辊将金属板材轧制成各种形状和尺寸的板材和管材。
锻造
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
61
3. 离心铸造应用范围
用离心铸造法生产产量很大的铸件有以下几种： (1) 铁管，世界上每年球墨铸铁管件总产量的近一半是用离心铸造法生产的； (2) 柴油发动机和汽油发动机的气缸套。 (3) 各种类型的铜套。 (4) 双金属钢背铜套、各种合金的轴瓦。 (5) 造纸机滚筒。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(3)取出铸件：铸件凝固之后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽 出，动型左移开型，铸件则借冲头的前伸动作离开压室。此后， 在动型继续打开过程中，由于顶杆停止了左移、铸件在顶杆的作 用下被顶出动型(图d)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷室压铸机的压室 和熔炉是分开的， 压铸时要从保温炉 中舀取金属液倒入 压室内，再进行压 铸。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(1)注入金属 先闭合压型，将勺内金属液通过压室上的注 液孔向压室内注入(图a)。 (2)压铸压射冲头向前推进，金属液被压人压型中(图b)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
1、压力机工作原理及应用 （1）热压室压铸机
热室压铸机的压室 与合金熔化炉联成一体， 压室浸在保温坩埚的液 体金属中，压射机构装 在坩埚上面，用机械机 构或压缩空气所产生的 压力进行压铸。
图3-23为热室压铸机工作原理示意图。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
（2）冷压室压铸机
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
二、 压力铸造
定义：在高压（30～70MPa) 下将液态或半液态合金 快速( 5～100mm/s,t=0.05～0.2s))地压入金属铸型中， 并在压力下凝固，以获得铸件的方法。
61
3. 离心铸造应用范围
用离心铸造法生产产量很大的铸件有以下几种： (1) 铁管，世界上每年球墨铸铁管件总产量的近一半是用离心铸造法生产的； (2) 柴油发动机和汽油发动机的气缸套。 (3) 各种类型的铜套。 (4) 双金属钢背铜套、各种合金的轴瓦。 (5) 造纸机滚筒。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(3)取出铸件：铸件凝固之后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽 出，动型左移开型，铸件则借冲头的前伸动作离开压室。此后， 在动型继续打开过程中，由于顶杆停止了左移、铸件在顶杆的作 用下被顶出动型(图d)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷室压铸机的压室 和熔炉是分开的， 压铸时要从保温炉 中舀取金属液倒入 压室内，再进行压 铸。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
冷压室卧式压铸（目前应用最多)
(1)注入金属 先闭合压型，将勺内金属液通过压室上的注 液孔向压室内注入(图a)。 (2)压铸压射冲头向前推进，金属液被压人压型中(图b)。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
1、压力机工作原理及应用 （1）热压室压铸机
热室压铸机的压室 与合金熔化炉联成一体， 压室浸在保温坩埚的液 体金属中，压射机构装 在坩埚上面，用机械机 构或压缩空气所产生的 压力进行压铸。
图3-23为热室压铸机工作原理示意图。
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
（2）冷压室压铸机
材料成型第3章金属的铸造形成工艺2
二、 压力铸造
定义：在高压（30～70MPa) 下将液态或半液态合金 快速( 5～100mm/s,t=0.05～0.2s))地压入金属铸型中， 并在压力下凝固，以获得铸件的方法。
材料与加工PPT课件
切削性 面心立方格子（FCC）的純金屬通常太軟，而易造成積屑刃口；太硬的材料，容易造成刀具磨耗；鑽石的碳容易擴散到鋼鐵材料中，造成損耗；不鏽鋼切削時容易硬化，而切屑導熱係數低，造成刀具溫度升高而加速磨耗。 低碳鋼要改善切削性有以下方法： (1)加鉛 (2)加硫或硫化鈉 (3)加磷、錳、鈣 (4)加銻
陶瓷材料
聚合材料1
聚合材料2
複合材料1
電子材料
鋼和鐵
2-1 材料的分類杜拉鋁1杜Fra bibliotek鋁2黃銅
青銅1
青銅2
2-4 材料的選用
腐蝕
高溫環境
回收
2-2 材料的規格
表2-3 SAE與AISI鋼種類
2-2 材料的規格
鋼材的顏色標示
鋼 鐵 材 料
顏 色
中碳鋼
黃
高碳工具鋼
紅
高速鋼
藍綠各半
特種冷模合金鋼
紫
特種熱壓模合金鋼
紅藍各半
表2-4 常用鋼材之顏色標示
2-2 材料的規格
鋁合金規格 AA及ASTM。 第二位數由0～9，0代表基本合金，1～9分別表示改良順序；第三、四位數在純鋁表示小數點以下二位數，合金則表示原Alcoa的編號。
2-4 材料的選用
性質與應用 1.高溫環境：高溫環境如鍋爐、射出成型模、壓鑄模…等。高溫環 境會加速氧化、潛變，降低強度、硬度。 製造加工 有些材料可以透過處理而使加工性提高。 來源與成本 丟棄與環保 使用環境
相關影片展示
2-4 材料的選用
腐蝕
高溫環境
回收
2-1 材料的分類
2-2 材料的規格
表2-1 鋼的種類或用途
2-2 材料的規格
2-2.1 鋼鐵材料的規格 (2)機械結構用鋼：機械結構用鋼與結構用合金鋼為鋼 鐵材料的例外，其符號分為5部分： 1.字母S（Steel）表示鋼； 2.主合金元素符號分為單種和複合；
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ΔTr
Tm
GS
GL
温度
表明： 曲率对物质熔点的影响：固相表面曲率引 起熔点降低。
曲率越大（晶粒半径r越小），物质熔点 温度越低。
均质形核率
I均 f0N*
N
*
NL
exp
G均* kBT
单位体积液 相中的原子数
形核功
f0 NSp
固液界面紧邻固体
exp
GA kBT
r均*
2 CL
HV
Tm T
GV
HV T Tm
G均*
16
3
T 3 2
CL m
HV2T 2
4r 2
G*
O
r*
r
4 3
r
3GV
G
液体中存在“结构起伏”的原子集团，其统计平均尺寸 r°随温度降低（ΔT增大）而增大，r°与 r* 相交，交 点的过冷度即为均质形核的临界过冷度ΔT*（约为 0.18~0.20Tm）。
3)液态金属状态 过热对异质核心的影响
晶体长大
正温度梯度下的凝固界面形态
负温度梯度下的凝固界面形态
Jackson因子与界面形态
H0 kBTm
粗糙与光滑界面
二维和缺陷生长机制
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
连续生长 二维台阶生长
v1 K1 TK v2 K2 eB TK
2 LCTm
H T
• 将r*值代入△G非式，求得非均质形核的临界形核 功△G非*为
G非*
16
3
3 Lc
(
Tm H m T
)2[
2
3 cos
4
cos3
]
G均* f ( )
单位体积中液相 与非均质核心部 位接触的原子数
异质形核率
I异
f1N1*
f1
N
* L
e
0.020wt%Sr
Si相的孪晶与大角度分枝
石墨结构与生长方式
球状石墨的生长模型
球化前后的石墨组织
思考题：
1. 液态金属的主要结构信息有哪些？其表征和测定方法怎样？这些结构与性质会对液态金属 的凝固过程和凝固组织有什么影响？
2. 常用金属融化时的熵变与升华时的的熵变相大概是一个什么样的比例？这种熵变差异对金 属从液态结晶和从气相中结晶的界面形态有什么影响？
两个过程重叠交织
形核
长大 形成多晶体
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指完全依靠液态金属中 的晶胚形核的过程，液相 中各区域出现新相晶核的
几率都是相同的。
生核过程
均匀形核
非均匀形核
是指晶胚依附于液态 金属中的固态杂质表
面形核的过程。
均质形核
G均
4 3
r
3GV
4r 2 CL
dG均 0 dr
3. 如果液态金属的结构是均匀的，结晶将如何进行？ 4. 液态金属的冶金处理是通过哪些途径改变或控制凝固过程和凝固组织的？
研讨题：
按热力学理论估算，大多数金属当尺寸很小时（如小于2nm），其熔点将降至室温以下。 我们能在室温下拥有（制备和储存）如此小尺寸的金属粉末（颗粒）吗？为什么？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
GV
HV
TSV
Gm Vm
凝固的热力学条件
∆GV= ∆HV−Tm ∆SV = 0
SV
HV Tm
GV HV TSV
GV
HV T Tm
H m T VmTm
液－固两相自由能与温度的关系
凝固的热力学条件
• 凝固的热力学和 动力学能障
– 界面能 – 激活能
金属结晶微观过程
r 2 SCLLVSTm HGmV T
过冷是结晶的必要条件之一
结构起伏与能量起伏
回忆：实际液 态金属结构？
结构起伏是结晶的必要条件之二
临界晶核的表面积为：
A
4 (r )2
16
2 CL
Tm H mT
2
而：
2
G
16
3
3 CL
exp 3
LC (
GA G均*
kBT
Tm )2 )
KT
3KT H T
形核率
是指单位时间内单位体积液体中形成晶 核的数量。用N＝N1*N2表示。
形核功影响
原子扩散能力
急冷
非晶态材料
异质形核
LS CS CL cos
G异 VCGV ACS CS LS ACLCL
Tm H m T
所以：
G
1 3
A CL
ΔG*的大小为临界晶核表面能的三分之一。形核功由熔体中的
“能量起伏”提供。
能量起伏是结晶的必要条件之三
气相中单个小尺寸金属的熔点
熔体中小结晶颗粒的熔点T3
Gls system
4 r3
3
Gs
Gl
4r 2 CL
核心的液体原子数
液体原子 振动频率
被固相接受 的几率
金属原子在结晶过程 液体原子扩散 中的自由能变化
激活能
均质形核率
I
均
I I
NCS peNxLpe(xpKGTAG)AkeBxTpG( 均* KTG
*
)
k1
C exp( GA ) exp( 16
（3）形成瞬时局部形核条件
Si对铸铁的孕育作用机理
孕育前后的灰铁晶粒度
影响晶粒长大的冶金处理 变质处理对Al-Si合金性能的影响
Al-7Si合金变质前后的硅相形态
Sr对亚共晶铝硅合金的变质作用
a
b
c
d
e
a
unmodified
b
0.005wt%Sr
c
0.010wt%Sr
d
0.015wt%Sr
exp
G异* kBT
f1N
* L
exp
G均* f
kBT
f1
N
* L
exp
B f
T 2
B
16 C3LTm2
3HV2 k BT
影响异质形核率的因素
1)过冷度 过冷度↑形核率↑
2)界面状况 点阵失配度、夹杂物基底形态
• 因此，形成了一个球形晶核的总自由能变化△G非为
G非 V冠GV LC SLC ( CS LS )SC S
[
4 r3
3
GV
4
r
2
LC
][
2
3
cos
4
cos3
]
G均 f ( )
• 非均质形核的临界晶核半径为
r非*
2 SC
GV
螺旋位错生长
v3 K3 TK2
不同生长机制的生长速度与过冷度的关系
2.3 液态金属的冶金处理
• 影响形核的冶金处理 • 影响生长的冶金处理
(1)引入有效的异质形核基底
共格和半共格关系
aS aC 100%
aC
（2）形成先凝固的同质核心基底
Al-Ti 和Al-B相图
细化处理前后Al-7Si合金的组织
第二章液态金属及其加工
2.2 液态金属凝固结晶的热力学与动力学
• 金属凝固结晶的热力学条件 • 均质形核 • 异质形核 • 晶体生长
凝固的热力学条件
G GL GS
HL TSL HS TSS
HL HS T SL SS
H TS
Gm Hm TSm
错配度 aC aN 100%
aN
δ越小，共格情况越好，界面张力σLC越小，越容易
进行非均质形核； δ≤5% ，为完全共格，非均质形核能力强
5% ＜ δ＜25%，为部分共格，衬底基底有一定非均 质形核能力
δ＞25%，为不共格，衬底无非均质形核能力
外来物质表面形貌
• 杂质表面的粗糙度对非均质形核的影响 凹面杂质形核效率最高，平面次之，凸面最差 。
4 3
r
3GV
4r 2 CL
4 3
r
3
HV
TSV
4r 2 CL
令：
Gls system
0
熔体中小结晶颗粒的熔点下降∆ T3
T3
1
3 CL
rHV
Tm
T3
Tm
T3
3 CLTm
rHV
由于表面张力σ的存在，固相曲率k引起固相内 部压力增高，这产生附加自由能：
G1 VSp VS
1 1
r1 r2
2VS k
欲保持固相稳定，必须有一相应过冷度ΔTr使
自由能降低与之平衡（抵消）。
G2
H mTr
Tm
即G1 G2
2Vsk
H mTr Tm
0
Tr
2k VsTm
H m
G ΔG
T
由固相曲率引起 的自由能升高。