新技术试题答案

材料制备新技术试题 名词解释 （15分） 亚稳相：亚稳相是指在相空间中于一定的温度、压力、成分等状态条件下吉布斯自由能比稳定相或平衡相高的相， 粉末注射成型：是传统粉末冶金工艺与现代塑料注射成形工艺相结合而形成的一门新型近净形成形技术。它利用模具注射成型并通过烧结快速制造高密度、高精度、三维复杂形状结构零件。 结构驰豫：在低于玻璃转化温度Tg和晶化温度Tc的较低温度下退火时，合金内部原子的相对位置会发生较小的变化，从而增加密度，减小应力，降低能量，使金属玻璃的结构逐步接近于有序度较高的“理想玻璃”结构，这种结构变化称为结构弛豫。 螺杆背压：在进入下一次注射前，螺杆将通过旋转把熔融物料输送到料筒的前部加以储备，此时，螺杆一边旋转一边将被输送到料筒前部的物料产生的反压力而后退。为了调整和拧制螺杆后退的方式，可在螺杆上加上一定的和熔融物料相反的压力，这就是螺杆背压。 牛顿冷却：熔体与模面的热接触较差，熔体与冷模之间的界面热阻较大，同时熔体层厚度较小，熔体内部沿热流方向的温度梯度也很小，因此熔体在凝固前和凝固时的传热主要由熔体与冷模之间的界面热传递控制。

填空题：（25分） 1、 材料加工技术的主要发展方向是向短流程、设计制备与成型加工一体化、先进制备加工技术和发展新材料。 2、 基本材料的制备方法有液态成型、固态成型和各类加工。 3、 晶态金属的凝固属于一级相变，包括形核与长大二个阶段的渐变过程。 4、 粉末注射成型包括喂料制备、注射成形、脱脂和烧结四个基本过程 5、 快速凝固设备与常规铸造工艺比较，熔化装置相当于冶炼炉，冷却装置相当于铸模。还包括常规铸造设备所没有的、特殊的分离装置，如单辊法中的辊轮。 6、 快速凝固设备中的核心是分离装置，其作用是在时间和空间上分割熔体，避免大量熔化潜热的集中释放，改善熔体与冷却介质的热接触状况。 7、非晶凝固属于二级相变，晶体凝固属于一级相变。 8、金属玻璃的结构稳定性不仅包括温度达到Tc以上时发生的晶化，还包括低温加热时发生的结构弛豫。 9、粉末注射成型中的金属粉末可用氧化还原法、雾化法、化学沉积法以及粉碎研磨法等方法制备。

问答题：（40分） 1、 试比较连续铸轧和连铸连轧二种加工方法的相同点与不同点。 2、 某零件有二种成型方法可选择，一种方法是先通过液态成型后再固态成型方法加工而成，另一种方法是液态成型。试分析这二种方法加工的零件各有什么优缺点。 3、 金属粉末注射成型相比与传统金属加工技术（如模压、铸造）有什么特点 PIM是塑料成型工艺学、高分子化学、粉末冶金工艺学和金属材料学等多学科交叉复合的产物。粉末注射成形特点， 一是粉末注射成形过程中，粉末均匀填充模腔成形，模腔内各点压力一致，消除了传统粉末冶金压制成形方法不可避免的沿压制方向的密度梯度问题，能在一定程度上克服传统粉末冶金产品存在的密度、组织、性能不均匀的现象。与精密铸造技术相比，金属粉末注射成形技术在提高零件精度，避免铸造的成分偏析等问题的同时，大大提高了生产效率。 二是用注塑机注射成型，能制造传统工艺不能制造的复杂零部件。传统粉末成形是在外加压力作用下，把粉末加入压模内压成生坯，然后烧结成产品，金属或其他类型粉末通过颗粒重排、塑性流动而得到致密化。由于粉末的流动性较液体差，一些具有外部切槽、横孔、盲孔、外螺纹、凹台、表面滚花等形状的零部件，难以一次成形。PIM通过采用一定比例的高分子聚合物黏结剂与制备零件需要的金属粉末、陶瓷或者其他材料的粉末制成具有良好流动性的均匀混料，能够像塑料制品注射成形一样成形复杂形状的零部件，再经脱脂、烧结得到最终需要的产品，如外部切槽、外螺纹、锥形外表面、交叉孔与盲孔，凹台与键销、加强筋板、表面滚花等，这类零件都是无法用常规粉末冶金方法得到的。 三是可根据零件性能要求进行大范围的成分设计，只要这种材料能被制得细粉，而且可以事先不同材料零部件一体化，PIM可以制取微观复合材料或宏观复合材料的零件，以充分发挥不同材料的优异性能，适应性广，生产成本低。 四是适合大批量自动化生产。PIM具有一些生产优势，可方便地采用一模多腔模具，成形效率高，模具使用寿命长（磨损小），更换调整模具方便快捷，产品转向快，新产品从设计到投产时间短。该工艺技术不仅具有常规粉末冶金技术工序少、切削少或无切削、高效、经济的优点，而且PIM制造的零件几乎不再需要进行机加工，材料的消耗少，自动化程度高，材料的利用率可以高达98%以上，因此，所生产的复杂形状零件高于一定数量时，PIM就会比机加工方法更为经济。

4、 实现快速凝固的核心是什么？达到这一目的的方法主要有哪两种？ 快速凝固的核心是要提高形核凝固时的过冷度，从而提高凝固速度。在实际凝固过程中 达到这—目的的方法主要有两种，一种可以看成是“动力学”的方法，即设法提高形体凝固时的传热速度从而提高凝固时的冷速，使熔体形核时间极短，来不及在平衡熔点附近凝固而只能在远离平衡熔点的较低温度凝固，因而具有很大的凝固过冷度和凝固进度。具体实现这一方法的技术称为急冷凝固技术或熔体淬火技术。另一种力法是“静力学”的力法，即针对通常铸造合金都是在非均匀形核条件下凝固，因而使合金凝固的过冷度很小的问题，设法提供近似均匀形核的条件。在这种条件下凝固时，尽管冷速不高但也同样可以达到很大的凝固过冷度。具体实现这种方法的技术一般称为大过冷技术。

5、非晶材料在微观结构上的基本特征 非晶材料在微观结构上具有以下三个基本特征： (1)存在小区间内的短程有序，在近邻或次近邻原子的键合(如配位数、原于间距、键角、键长等)具有一定的规律性，但没有任何长程有序。由于非晶态结构的长程无序性，可以把非晶态材料看作是均匀的各向同性结构。 (2)它的衍射花样是由较宽的、弥散的环组成，没有表征结晶态的任何斑条纹，用电子显微镜也观察不到晶粒边界、晶格缺陷等形成的衍衬反差。 (3)当温度连续升高时，在某个很窄的温区内，非晶材料会发生明显的结构相变，因此它是一类亚稳态材料，但亚稳态转变到自由能最低的平衡态必须克服一定的能量势垒，因此这种亚稳态在一定温度范围内能长期稳定存在。

5、 金属粉末注射成型中，引起基体树脂降解和交联的原因有哪些？ 聚合物在热、力、氧、水和辐射等外界因素的作用下，或者在成型过程中往往会发生降解的化学过程。降解的发生可能是聚合物大分子的断链；结构或侧基的改变；或者是它们间的综合作用。 (1)热降解 成型中因高温受热时间过长而引起的降解反应称为热降解。这是一种游离基链式解聚反应，其速度随温度升高而加剧，首先大分子主链上的某些化学链断裂并生长初始游离基，然后通过产生活性中心、链转移、链减短和链终止等反应．再形成不同的降解物。 (2)力降解 成型中因粉碎、高速搅拌、挤压、注射等而受到切变和拉伸应力，使分子链发生断裂，并因此引起相对分子量降低的现象称为力降解。它常常伴有热量释放，若不及时泄排则可能引起热降解。实验结果表明，相对分子量大，施加应力增大都会使力降解加剧；而成型温度提高，添加增塑剂可减弱力降解。 (3)氧化降解 常温下绝大多数的聚合物都能和氧气发生缓慢的作用，某些化学键较弱的部分常常产生极不稳定的过氧化结构一易分解出游离基，从而导致解聚反应，称它为氧化降解。成型时它伴随着热作用而迅速地加剧，生产中称之为热氧化降解。这种热氧化降解速度因聚合物的结构不同而不同，例如不饱和碳链聚合物因主链上的双链易氧化，它的热氧化速度要比饱和碳链聚合物快得多。此外，热氧化速度还与氧含量、加热温度和时间有关，各因素增强都促使其加快。为此成型时须严格控制温度和时间，避免过热发生氧化降解。

推导证明题（20分） 在金属的凝固过程中，过冷度越大，金属越容易形核，试从热力学和动力学的角度分析推导？ 形核的热力学条件是指为了使形核过程能持续进行必须具有一定的热力学驱动力。假定形核凝固前后固、液相的吉布斯自由能分别为Gs，GL，热焓分别为HL、Hs、熵分别为SL。SS、熔体温度为T，则凝固前后系统的自由能变化为

通常忽略H、S随熔体温度发生的变化，则当熔体温度T等于固相平衡熔点温度Tm时，ΔG=0。因此从(1-1)式可得：

式中ΔHm是固相在平衡熔点的熔化潜热。将上式代入(1-1)可得 式中ΔT＝Tm-T为熔体的过冷度。从(1-3)式可知，由于熔化潜热ΔHm＜0，因此只有当ΔT＞0，即在熔体温度低于平衡熔点温度时才能有ΔG＜0，从而使形核过程具有一定的热力学驱动力。同时，在上述分析中实际上假定了晶核的表面是平面，但由于实际凝固过程中晶核表面通常是曲面，这会使固相的实际熔点低于Tm。因此，足够的过冷度对实际形核过程的稳定进行更是不可缺少的。 满足形核的热力学条件只是为形核过程的进行提供了必要条件或可能性，这种可能性要变成现实还必须同时满足形核的动力学条件，这些条件要通过分析形核的具体过程来导出。 假定在稳定凝固时晶核的形状是最简单的球形，半径为r。由于在晶核形成的同时晶核与熔体之间会形成新的固液界面，这将使系统增加固液界面能，因此这时系统中总的能量变化实际上为：

式中ΔGV是单位体积固、液相自由能之差，σSL是单位面积固液界面能。如上所述，形核的热力学条件要求ΔGV＜0，为形核过程提供驱动力，而σSL＞0可以看成形核的动力学阻力。因此从能量变化的角度考虑，(1-4)式表明形核实际上是热力学驱动力ΔGV与动力学阻力σSL

STHSSTHHGGGmLSLSLS）（）（mmT

HS

）（11

）（21mmmmmTTHT

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SL2v3r4Gr34G

）（41