材料工程基础

材料工程基础复习资料

一、绪论

1、概念：

科学：对于现象的观察、描述、确认、实验研究及理论解释。

技术：泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能。

工艺：使各种原材料、半成品加工成为产品的方法和过程。

工程：将科学原理应用到实际目标，如设计、组装、运转经济而有效的结构、设备或系统。材料工程：是工程的一个领域，其目的在于经济地，而又为社会所能接受地控制材料的结构、性能和形状。

2、材料科学与工程的任务？

材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和它们的性能与用途之间有关的知识和应用的科学。

3、传统材料加工包括哪几个方面？

①传统的金属铸造②塑性加工③粉末材料压制、烧结或胶凝固结为制品④材料的焊接与

粘接

二、材料的熔炼

1、钢铁冶金

1）、高炉炼铁生产过程：①还原：矿石中的铁被还原；②造渣：高温下石灰石分解形成的氧化钙与酸性脉石形成炉渣；③传热和渣底反应：被还原的矿石降落使温度升高加速反应将全部氧化铁还原成氧化亚铁，风口区残余的氧化亚铁还原成铁，与炉渣一起进入炉缸。2）、炼钢过程中的理化过程：

①脱碳：碳被氧气直接氧化：

在温度高于1100℃条件下2C＋O2→2CO

间接氧化:

在温度低于1100℃条件下2Fe＋O2→2FeO

C＋FeO→Fe＋CO

②硅、锰的氧化：a.直接氧化反应：

Si＋O2 →Si02

2Mn＋O2 →2MnO

b.间接氧化，但主要是间接反应：

Si＋2FeO →Si02＋2Fe

Mn＋FeO →MnO＋Fe

③脱磷：磷是以磷化铁(Fe2P)形态存在，炼钢利用炉渣中FeO及CaO与其化合生成磷酸

钙渣去除Fe2P＋5FeO＋4CaO→(CaO)4·P2O5＋9Fe

④脱硫：硫是以FeS形式存在，利用渣中足够的CaO，把其中FeS去除。

反应式为FeS + CaO-->FeO + CaS

⑤脱氧（再还原）：通常采用的脱氧剂有：锰铁、硅铁和铝等。

Me +FeO-->MeO +Fe

3）、高炉炼铁原料：铁矿石、燃料和熔剂

焦炭：它是把炼焦的煤粉或是几种煤粉的混合物装在炼焦炉内，隔绝空气加热到1000~1100度，干馏后留下的多孔块状产物。作用是提供热量和还原剂。4）、直接还原炼铁方法：用煤或天然气等还原剂直接将铁矿石在固态还原成海绵铁熔融还原炼铁方法：用铁矿石和普通烟煤作原料，在汽化炉的流化床中，将直接

还原得到海绵铁进一步加热熔化，在熔融汽化炉的炉底形

成铁水与炉渣的熔池。

2、铜冶金

造锍熔炼：目的在于首先使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜，部分铁以FeS形式也进入冰铜（Cu2S+FeS此熔体亦称为锍），使大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣；其次使冰铜与炉渣分离。为了达到这两个目的，造锍熔炼必须遵循两个原则。一是必须使炉料中有足够的硫来形成冰铜，其次是炉渣中含二氧化硅接近饱和，以便使冰铜炉渣不至混熔。

3、单晶材料制备

熔体中生长单晶应满足那些热力学、动力学条件？

热力学：要使熔体中晶体生长，必须使体系的温度低于平衡温度。体系温度低于平衡温度的状态称为过冷，所以，过冷是熔体中晶体生长的必要条件。△T的绝对值称为过冷度，表示体系过冷程度的大小。过冷度是熔体法晶体生长的驱动力，一般情况下，过冷度越大，晶体生长越快，过冷度为零时，晶体生长速度为零。

动力学：晶体生长速度f与晶体的温度梯度以及熔体的温度梯度有关。远离生长界面的熔体温度最高，越趋近于生长界面，熔体温度趋于降低，这样便形成了由晶体到熔体方向(即Z向)的温度梯度。温度梯度的存在是热量输运的必要条件。要提高晶体生长速度，就要增大晶体的温度梯度和减小熔体的温度梯度，要降低晶体生长速度则采取相反措施。

三、金属的液态成型与半固态成型

1、液态成型

1）、从工艺方面列举如何获得等轴晶：

①适当降低浇注温度：

②合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用：

③孕育处理:

④动态晶粒细化：在合金凝固初期，直接对合金液施以振动、搅拌或旋转，都可以在液相中产生大量的游离晶体，细化等轴晶。

2）、合金的充型能力与流动性的概念极其关系：

充型能力：液态金属充满型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。

流动性：指合金本身的流动能力。

关系：一般流动性好的合金，其充型能力也强，合金的流动性是影响合金充型能力的内在因素。流动性是合金本身的性能之一，与合金成分、温度、杂质含量及其物理性能有关。影响合金的充型能力的因素有合金的流动性、浇注条件以及铸型性质及结构。

3）、为什么金属型铸造未能广泛取代砂型铸造？

和砂型铸造相比，金属型铸造有许多优点：

(1)组织致密，力学性能较高。

(2)铸件的尺寸精度高、表面粗糙度低，铝合金铸件的尺寸公差等级可达CT7—CT9，表面粗糙度可达Ra3.2—12.5μm。

(3)浇冒口尺寸较小，金属耗量减少，一般可节约金属15％～30％。

(4)多次浇注、工序简化、生产率高，易于实现机械化、自动化。

而砂型铸造：

（1）可以生产形状复杂的零件，尤其复杂内腔的毛坯；

（2）工艺灵活性大，适应性广，工业常用的金属材料均可铸造。几克～几百吨，壁厚0.3mm～1m；

（3）铸造成本较低：原材料来源广泛，价格低廉；

（4）铸件的形状尺寸与零件非常接近,减少切削量，属少无切削加工。

但金属型制造成本高，周期长，工艺要求严，易出现白口。不适合单件、小批生产零件，不适宜铸造形状复杂的薄壁铸件，否则易产生浇不足等缺陷。铸造高熔点合金，金属型寿命较低。因此金属型铸造未能广泛取代砂型铸造。

4）、简述顺序凝固原则和同时凝固原则，并说明各自适用的场合（合金及铸件结构条件）。

顺序凝固原则：在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固。

顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件。

同时凝固原则：即采用相应工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝固。

同时凝固适用于各种合金的薄壁铸件。

5）、了解各种铸造方法的特点及应用

2、半固态成型

流变成型：指利用半固态金属制备器批量制备或连续制备糊状浆料，直接进行加工成型（铸造、挤压、轧制、锻模等）的方法。

触变成型：指将用浆料连续制备器生产的半固态浆料铸成一定形状的铸锭的成型方法。

3、快速凝固成型

实现快速凝固成型的基本条件及三项技术：

基本条件：①金属溶液必须被分散成液流或液滴，而且至少在一个方向上的尺寸极小，以便散热；②必须有能带走热量的冷却介质。

三项技术：依据实现快速凝固的途径不同，快速凝固可分为两大类，即急冷凝固技术和大过冷凝固技术。在急冷凝固技术中根据熔体分离和冷却方式的不同可分为模冷技术、雾化技术和表面溶化与沉积技术。而大过冷凝固技术的具体方法有两类，即小体积大过冷凝固法和较大体积大过冷凝固法。

四、金属塑性加工

1、塑性加工的特点并与铸造进行比较：

优点：（1）结构致密、组织改善、性能提高、强、硬、韧↑；

（2）少无切削加工，材料利用率高；

（3）可以获得合理的流线分布；

（4）生产效率高。

缺点：（1）一般工艺表面质量差；