材料成型技术基础同济

第一章绪论

第二章材料凝固理论

1.凝固：是材料成形加工过程中一种非常重要的物理化学现象。它是将固体材料

加热到液态，然后使其按规定的尺寸、形状及组织形态再次冷却至固态的过程。

凝固前后变化：体积、外形、产生凝固潜热、熵值变化、结构改变、溶质再分

配

2.

自发过程与判据：把体系从不平衡状态自发地移向平衡状态的过程称为自发过程。

判据1.Helmholz自由能最低原理：(DELTA)FTV<=0;2.Gibbs自由能判据：（delta）Gtp<=0；

3.自发形核与非自发形核（形核的两种方式）：自发形核：不借助任何外来界面的均

匀熔体中形核的过程；非自发形核是指在不均匀熔体中，依靠外来杂质界面或各种衬底形核的过程。

4.形核：接稳定的液相通过温度起伏在一些微小区域内部形成稳定存在的晶质质点

过程

形核剂作用：提高金属液形核能力，以细化金属晶粒，改善材料性能

特点：失配度小、粗糙度值大、分散性好、稳定性好

5.偏析：金属凝固过程中发生化学成分不均匀的现象

微观偏析（简答）：指树枝晶或胞状晶心部与晶间成分的差异。

宏观偏析（简答）：指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度大范围内产生的成分不均匀现象——正常偏析、逆偏析、密度偏析

铸造、焊接、陶瓷及粉末合金的制备过程

6.（三种）凝固方式：糊状凝固、逐层凝固、中间凝固方式

砂型铸造时，固液相线间距很宽，在很长一段凝固时间内，固液共存的两相凝固区几乎贯穿于整个铸件的断面，这种凝固方式被称为糊状凝固

固液相线间距很窄，凝固自始至终仅有很薄一层的两相共存区，凝固壳由表面至中心逐渐加厚，这种凝固方式就是逐层凝固。

处于两者之间的是中间凝固。

7.充型能力、影响因素：液体金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，

称为液体金属的充型能力。影响因素：金属性质、铸型性质，浇注条件和铸件结构

8.缩孔缩松原因及如何预防：

缩孔：铸件在凝固过程中，因合金的液态和凝固收缩，在铸件最后凝固处形成的容积大而集中的孔洞。

液体收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松的主要原因，而固体收缩则是铸件产生铸造应力、变形、裂纹的主要原因。

9.缩松：缩松是铸件最后凝固的区域没能得到液态合金的补缩造成的分散、细小的

缩孔

凝固收缩是形成缩松的主要原因

10.防止途径：A.顺序凝固和同时凝固B.防止缩松、缩孔的工艺措施。具体。。。

顺序凝固、同时凝固、工艺措施：冒口、冷铁、合理确定浇注系统及浇注工艺

11.热应力-铸件在冷却过程中，由于各部分冷却速度不一致，造成收缩量不一致，

彼此制约的结果，所形成的应力。P42

热应力、相变应力、机械阻碍应力及三个过程

热应力：因各部分冷却速度不同，造成在同一时刻各部分收缩量不同，这种因散热条件和冷却速度不同而形成的铸造应力称为热应力。

具有固体相变的合金铸件，冷却过程中各部分发生相变的时间不一致，以及相变时比体积变化，导致各部分体积和长度变化时间也不一致，由此引起的应力为相变应力

铸件收缩时，受铸件浇注系统、冒口和本身机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力。

均处于塑形状态

一个塑形一个弹性

均到了弹性状态~

12.合金收缩的三个阶段：液体收缩、凝固收缩、固体收缩

(孕育剂作用和原理：孕育剂熔化后，在铁液中许多微区形成富硅区，促进石墨形核，能够造成大量晶核，细化晶粒图2-15，P23)

第三章材料成形热过程

13.焊接温度场：所谓焊接温度场是指在焊接集中热源的作用下，被焊工件上（包括

内部）各点在某一瞬时的温度分布。

影响焊接温度场的因素：热源性质、焊速与能量、被焊金属的物理性质（热导率入，体积热容CP，热扩散率a,比焓H，表面传热系数a）、焊件的板厚及形状(厚板焊接结构、薄板焊接结构、接头形式)

1．热源的性质（热源能量的集中性）

以电弧焊为例，电弧能量越集中，温度场范围越小，温度梯度越大2焊接规范（焊速与能量，即焊接热输入）

?当热源能量（功率）q＝常数，随焊接速度v的增加，某一

温度的等温线的宽度和长度都变小，用等温线表示的温度场的形状

变的细长

?当速度v＝常数时，随q的增加，某一温度的等温线所包

围的面积增大

3 被焊金属的热物理性质（热导率，体积热容，热扩散率，比焓，表面传热系数等）

4.焊件的板厚及形状

14.焊接热循环：焊接时焊件在加热和冷却过程中温度随时间的变化。即焊件上某点

的温度是随时间由低到高达到最大值后又由高到低的变化。称为焊接热循环。

焊接热循环的主要参数：加热速度wh,峰值温度Tmax，高温停留时间TH,冷却速度wc，冷却时间tc(主要意义)

影响焊接热循环的因素：

1.焊件尺寸形状的影响

2.接头形式的影响

3.焊道长度的影响

4．接线能量E的影响

5.预热温度的影响

6.焊接时冷却条件的影响

(焊接热过程特点:？

1.热源热量比较集中，功率密度比较大，相对加热面积较小。

2.在高度集中热源作用下，瞬时可将大量热能传给焊件。

3.一般焊接过程中热源是移动的，焊件的受热区域不断变化。)

第四章塑性成形理论基础

15.多晶体塑性变形包括晶内变形和晶界变形。。。多晶体塑形变形主要是。。。

金属冷态下塑性变形作用的变形机理：

多晶体的塑性变形包括晶内变形和晶界变形（晶间变形）两种。在冷态条件下，由于晶界强度高于晶内，多晶体的塑性变形主要是晶内变形，晶间变形只起次要作用，而且需要有其它变形机制相协调。

晶内变形方式有滑移和孪生。由于滑移所需临界切应力小于孪生所需临界切应力，故多晶体塑性变形的主要方式是滑移变形，孪生变形是次要的，一般仅起调节作用。

对于密排六方金属，孪生变形起着重要作用。

滑移定义、原理、孪生

16.塑形变形时的软化过程;

1）动态回复

动态回复是在热变形过程中发生的回复，金属即使在远高于静态再结晶温度下塑性变形时一般也只发生动态回复。

2）动态再结晶

动态再结晶是在热变形过程中发生的再结晶，与静态再结晶一样，也是通过形核和生长来完成的。它容易发生在层错能较低且有较大热变形程度的金属上。

3）静态回复

在较低的温度下、或在较早阶段发生转变的过程称为静态回复。它是变形后的金属自发地向自由能降低的方向转变的过程。

4）静态再结晶

在再结晶温度以上，金属原子有更大的活动能力，会在原变形金属中重新形成新的无畸变等轴晶，并最终取代冷变形组织，此过程称为金属的静态再结晶。

塑形成形对金属组织和性能的影响：

5）亚动态再结晶

热变形中已经形成但未长大的再结晶晶核以及长大途中遗留下的再结晶晶粒，但变

形停止后温度足够高时，会继续长大，此过程称为亚动态再结晶。它不需形核，所以进行得很快。

17.热塑性变形对金属组织的影响：对组织的影响

改善晶粒组织，细化晶粒

对于铸态金属，粗大的树枝状晶经塑性变形及再结晶而变成等轴（细）晶粒组

织；对于经轧制、锻造或挤压的钢坯或型材，在以后的热加工中通过塑性变形

与再结晶，其晶粒组织一般也可得到改善。

锻合内部缺陷

铸态金属中疏松、空隙和微裂纹等缺陷被压实，提高金属致密度。锻合经历两个阶段：缺陷区发生塑性变形，使空隙两壁闭合；在压应力作用下，

加上高温，使金属焊合成一体。没有足够大的变形，不能实现空隙闭合，很难

达到宏观缺陷焊合。足够大三向压应力，能实现微观缺陷锻合。

●形成纤维组织

在热变形过程中，随变形程度增加，钢锭内粗大树枝晶沿主变形方向伸长，与此同时，晶间富集的杂质和非金属夹杂物的走向也逐渐与主变形方向一致，

形成流线。由于再结晶的结果，被拉长的晶粒变成细小的等轴晶，而流线却很

稳定地保留下来直至室温。

?破碎改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布

高速钢、高铬钢、高碳工具钢等，其内部含有大量的碳化物。通过锻造或轧制，可使这些碳化物被打碎、并均匀分布，从而改善了它们对金属基体的削

弱作用。

2）对性能的影响

通过细化晶粒、锻合内部缺陷、破碎并改善碳化物和非金属夹杂在钢中分布可

提高材料的强度、硬度、塑性和韧性呈各向异性。

纤维组织形成，使金属力学性能呈各向异性，沿流线方向比垂直流线方向具有

较高的力学性能，其中尤以塑性、韧性指标最为显著。

金属热态下有哪些软化机制（热塑性变形机理？）

1）晶内滑移

高温时原子间距加大，热振动和扩散速度增加，位错滑移、攀移、交滑移及节点脱锚比低温容易；滑移系增多，滑移灵便性提高，各晶粒之间变形更加协调；

晶界对位错运动阻碍作用减弱，因此，其主要机理仍然是晶内滑移。

2）晶界滑移

热塑性变形时，由于晶界强度降低，使得晶界滑动易于进行；温度越高，原子动能和扩散能力就越大，扩散蠕变既直接为塑性变形作贡献，也对晶界滑移其调节作用。

3）扩散蠕变

应力作用下，空位发生定向移动，引起蠕变

第五章凝固成形技术

18.凝固成形定义：即铸造，是将金属材料熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状

及尺寸相适应的模型空腔（即铸型）中，待液体金属冷却凝固后将铸型打开（或破坏）取出所形成的铸件毛坯，然后清理掉由于工艺需要而添加的部分后，即可得到所需的铸件。

19.砂型铸造工艺流程：

砂型铸造是一种最基本的铸造方法，其工艺过程有制造模型和芯盒、混砂、造型和造芯、烘干合箱、熔化几个步骤。

一、造型方法：

造型是砂型铸造的重要工序，大体分手工和机器造型两大类。手工造型主要用于单件或小批量铸件的生产，而机器造型则主要用于大批量的铸件制造。

1.手工造型：

手工造型操作灵活、大小铸件均能适应。手工造型对模型的要求不高，一般采用成本较低的木模。对于尺寸较大的回转体或等截面的铸件，还可以采用成本更低的刮板造型法。因此，尽管手工造型的生产率较低、获得铸件的尺寸精度及表面质量也较差，但对工人的技术水平要求较高，且在实际生产中很难完全以机器造型取代。尤其是对于单件、小批铸件的生产。

2.机器造型

机器造型是将手工造型中的紧砂和起模工步实现了机械化的方法。与手工造型相比，不仅提高了生产率、改善劳动条件而且提高了铸件精度和表面质量。但是机器造型所用的造型设备和工艺装备的费用高、生产准备时间长，只适用于中、小铸件成批或大量的生产。

20.凝固成形方法六种：砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、熔模铸造和离心铸造（各个优缺点）

砂型：凝固速度慢。内部晶粒粗大、易产生偏析、表面粗糙度较高

金属型铸造：简化工序，生产率大大提高，便于实现机械化、自动化生产；铸件尺寸精度高、表面光洁、力学性能较高；节省生产场地、改善劳动条件，节省造型材料；金属型制造成本高、周期长，不适合于单件、小批量生产；内腔不能过于复杂，铸件不宜过薄；铸造高熔点合金时，金属型寿命较低；

压力铸造：生产率高；铸件尺寸高，表面光洁；可铸造形状复杂的零件；铸件晶粒细小，合金的强度和硬度较高；便于采用镶嵌法铸造；设备投资大，制造费用高，周期长；压铸合金种类有局限性；壁厚处易出现缩松缺陷；型腔内存有大量分散的微细气泡，无法进行热处理；

低压铸造：便于获得优质铸件，气体较易排除，能防止缩孔缩松，表面质量高；

金属利用率高，设备费用低；

熔模铸造：铸件尺寸精度，表面质量高，可生产形状复杂的薄铸件；适应各种合金的铸造；生产批量不受限制；材料极贵，工艺过程复杂，生产周期长；铸件成本高；难以实现全盘机械化，自动化生产，铸件尺寸不能太大

离心铸造：省去型芯和浇注系统，省工省料，降低铸件成本；铸件组织致密，极少有缩孔、夹渣等缺陷；合金充型能力强，适于生产双金属铸件

内孔尺寸偏差大，内表面粗糙，不适于铸造密度偏析大的合金及轻合金；设备投资较大，不适宜单件、小批量生产；

（铸型工艺对铸件结构的要求：

1.铸件外形应便于取出模型

2.铸件内腔结构应使型芯数量少，并有利于型芯的固定和排气

3.铸件应有结构斜度）

21.合金铸造性能对铸件结构的要求：

1.合理设计铸件壁厚

2.铸件壁厚应尽可能均匀

3.铸件的转角应采用圆角连接

4.设防裂筋

5.注意缓解收缩应力

现代凝固成形技术：定向凝固、快速凝固、深过冷凝固、连续铸造、超常凝固

第六章塑形成形技术

22.塑形成形分板料成形和体积成形。板料成形是指使用成形设备通过模具对金

属板料在室温下加压以获得所需形状和尺寸的成形方法，习惯也称为冲压或冷冲压。

板料成形可分为分离工序与成形工序。分离工序俗称冲裁，包括落料、冲孔、修边等。成形工序包括弯曲、拉伸、胀形、翻边等。体积成形是指对金属块料、棒料或

厚板在高温或室温下进行成形的加工方法，主要包括锻造、轧制、挤压和拉拔等。

23.冲裁：利用冲模使部分材料或工序件与另一部分材料、工（序）件或废料分

离的一种冲压工序。

冲裁包括弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段

24.P154图6-5 断面特征

冲裁件断面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四部分组成。圆角带是刃口附近板料弯曲和伸长变形的结果，是变形区对这部分坯料作用而产生的。光亮带是在侧压力作用下板料相对滑移的结果。断裂带是由刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展

而形成的撕裂面，断面粗糙且有斜度；由于裂纹的产生一般在刃口侧面，故在普通

冲裁加工中总有毛刺产生。

25.应变中性层？

26.自由锻：使用自由锻设备及通用工具，如砧子、型砧、胎模等，使坯料变形获得

所需几何形状及内部质量锻件的锻造方法称为自由锻。其基本工序有镦粗、拔长、冲孔和错移等。

基本工序：镦粗、拔长、其他工序（芯轴拔长、马架扩孔、错移和冲孔）

27.模锻：利用模具使坯料变形获得锻件的锻造方法称为模锻

图6-25（各区特点）

a.变形区域划分

根据子牛面上网格变化情况，可将镦粗毛坯分

成三个区域。I区称为难变形区；Ⅱ区称为大变形区。

Ⅲ区称为小变形区。变形是极不均匀的。

b.变形区应力应变状态

大变形区(Ⅱ区)受三向压应力作用,产生纵向压

缩、切向和径向伸长的变形。

由于不均匀变形的结果，小变形区（Ⅲ区）产

生切向附加拉应力。严重时会引起开裂。

c.不均匀变形引起组织不均匀、产生鼓凸

d.力-行程曲线呈单调增趋势

e.镦粗变形与毛坯尺寸关系密切

第七章焊接成形技术

28.手工电弧焊原理及特点：

手工电弧焊时，利用焊条与工件之间产生的电弧将焊条和工件局部加热熔化，焊芯端部熔化后的熔滴和熔化的母材融合在一起形成熔池。焊条药皮熔化后形成熔渣并放出气体，在气、渣的联合保护下，有效地排除了周围空气的有害影响，通过高温下熔渣与熔池液态金属之间的冶金反应，得到优质焊缝。

当焊条向前移动时，焊条和工件在电弧热作用下继续融化形成新的熔池，原先的熔池液态金属则逐步冷却结晶形成焊缝，覆盖在熔池表面的熔渣也随之凝固，形成渣壳。

用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊法

手工电弧焊优缺点：

优点：

★简便灵活，适应性强

★设备简单，易于移动

★成本低

缺点：

◆对焊工操作技术要术高

◆劳动条件差

◆生产率低

29.焊条作用：焊芯：电极、填充金属

药皮：1）保护作用2）冶金作用3）使焊条具有良好的工艺性能

30.埋弧自动焊特点：

优点：

●生产效率高；

●焊缝成形美观，质量高；

●劳动条件好；

缺点：

●一般只适合于平焊及平角焊位置；

●设备复杂，灵活性不及手工电弧焊。

31.电阻焊分类：点焊、缝焊、凸焊、对焊

按所用电流波形分有直流、交流、脉冲

（钎焊不考）

消除，减少，应力，变形的方法：铸造，凝固，缺陷——防治方法

32.33.减少及消除残余应力措施：

1.减小焊接残余应力措施：

设计措施、

1.改进接头设计

2.避免焊缝集中

3.尽量减少焊缝数量及尺寸，尤其是角焊缝的焊脚尺寸

4.在焊接拉应力区尽量避免存在几何不连续；

5.焊缝应尽量不要布置在工作应力最集中区。

工艺措施

合理的焊接顺序和方向ABC；

●反变形法和减应力加热法；

●采用小线能量焊接；

●锤击法

2.消除焊接残余应力的措施

（1）整体、局部高温回火

（2）温差拉伸法

（3）机械拉伸法

（4）爆炸冲击法

（5）振动法

34.35.预防和消除残余变形措施：

(（原则：对称加热、力求分散；均匀布置，切勿集中；反向变形，以变治变；该紧就紧，该松就送；

焊接顺序的作用；先主后次，先大后小；先内后外，先短后长；异向分段，亦退亦进；多点同步，对称适量。

拘束的作用；

●采用各种适用的卡具装置强制固定，造成大的拘束度，变形会显著减少。上述“该

紧就紧”就是指必要的拘束

●薄板焊时，常用压板压紧防止失稳出现波浪变形

●强制拘束对防止回转变形尤为重要。但拘束度过大，又容易引起裂纹；但如发生回

转变形，则又会产生终端裂纹。增大引出板宽度。牢固点焊点，甚至还可采用千斤顶

预留收缩余量的作用；

●“以变治变”：主要针对横向收缩和纵向收缩，组装时预留收缩裕量，以保证焊后产

品焊后产品的尺寸要求

●“该松就松”：指可控的自由收缩

反变形的作用；是一种“以变治变”的方法。分弹性预弯法和塑性预弯法两种

●弹性预弯法：使构件反向变形，在弹性状态下拘束，焊接后再释放

拘束

●塑性预弯法：使构件在塑性状态下拘束的反变形塑性预弯法要求预

弯变形量必须很精确，而要掌握这一点又是很困难的。在实际使用

中，弹性预弯要比塑性预弯更可靠些

改变热分布形式

消除焊接残余变形方法：火焰加热矫正法和机械加压变形法