材料工程基础总结.docx

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材料工程基础总结

第一章材料的熔炼

一、钢铁冶金（重点—看书/课件）

1、炼铁主要是还原过程，炼钢主要是氧化过程

2、高炉炼铁的原料（炉料）由矿石、溶剂和燃料组成。

3、直接还原：

以气体、液体、煤为能源与还原剂，在铁矿石低于熔点温度时进行还原得到金属铁的炼铁工艺。

4、熔融还原：

用铁矿石和普通煤作原料，在汽化炉流化床中将直接还原得到的海绵铁进一步加热融化，在熔融汽化炉底形成铁水与炉渣的熔池

5、炉外精炼：

将在转炉或电炉内初炼的钢液倒入钢包或专用容器内进行脱氧、脱硫、脱碳、去气、去除非金属夹杂物和调整钢液成分及温度的一种炼钢工艺

6、常用的炉外精炼工艺：

RH法-循环脱气法、LF法-钢包精炼法、VD法-真空脱气法

7、炉外精炼的实施手段：

一般炉外精炼方法都是渣洗、真空、搅拌、喷吹和加热等精炼手段的不同组合，采用一种或几种手段组成一种炉外精炼方法。

8、LF法的精炼过程将钢液、渣料及脱氧剂加入到LF炉，在还原性气氛下，通过电极埋弧造渣，炉底吹氩搅拌，完成钢液的脱硫、脱氧、合金化、温度及夹杂物的控制。

9、炼钢的方法：

转炉炼钢法、平炉炼钢法、电炉炼钢法

10、连铸连轧：

把液态钢倒入连铸机中轧制出钢坯，然后不经冷却，在均热炉中保温一定时间后直接进入热连轧机组中轧制成型的钢铁轧制工艺。

优点：

巧妙地把铸造和轧制两种工艺结合起来，相比于传统的先铸造出钢坯后经加热炉加热再进行轧制的工艺具有简化工艺、改善劳动条件、增加金属收得率、节约能源、提高连铸坯质量、便于实现机械化和自动化的优点。

应用：

连铸连轧工艺现今只在轧制板材、带材中得到应用。

11、典型的薄板连铸连轧工艺流程：

由炼铁（高炉或电炉）—炼钢（电炉或转炉）—炉外精炼—薄板坯连铸—连铸坯加热—热连轧六个单元工序组成。

二、Al冶金（重点—看书/课件）

1、从铝土矿中制取铝常用碱法。

碱法分为拜耳法、烧结法、联合法等。

拜耳法又称湿碱法，典型湿法冶金的一种

2、铝冶金特点：

从铝矿石中提出纯净的化合物，再通过熔盐电解的方法得到纯铝。

3、电解法制备金属铝的环节：

a.从含铝的矿石中制取纯净的氧化铝b.采用熔盐电解氧化铝得到纯铝。

三、Cu冶金（重点—看书/课件）

1、炼铜方法：

湿法冶金、火法冶金（主要）。

2、火法炼铜流程：

精铜矿→造锍熔炼→冰铜→粗铜→火法精炼→电解精炼→纯铜

3、造锍熔炼目的：

首先使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜，部分铁以FeS形式进入冰铜，是大部分铁氧化成FeO与脉石矿物造渣;其次使冰铜与炉渣分离。

两个原则：

①必须使炉料中有足够的硫来形成冰铜②使熔渣中含SiO2接近饱和，以便使冰铜炉渣不致混熔

四、

1、真空冶金用C、H脱氧的原理：

通过降低反应所得的含氧气体产物在系统中的分压，促使反应能够更加充分得进行，进而降低金属中的氧含量。

2、真空吹氧脱碳法（VOD法）

基本功能：

①吹氧脱C②去C保Cr③吹氧升温④真空脱气⑤造渣、脱氧、脱硫、去夹杂

优点：

真空下易将钢中C、N降到很低的水平，因此VOD法更适合生产C、N、O含量极低的超纯不锈钢和合金。

缺点：

设备复杂，冶金费用高，脱碳速度慢，生产效率低。

第二章粉末材料制备

一、从粉碎过程看，制粉方法分为：

机械制粉、物理制粉、化学制粉

二、机械制粉：

通过机械破碎、研磨或气流研磨方法将大块材料或粗大颗粒细化的方法。

机械制粉实质：

利用动能来破坏材料的内结合力，是材料分裂产生新的界面。

提高球磨效率准则：

①动能准则：

提高球磨动能②碰撞几率准则：

提高球磨的有效碰撞几率。

三、物理制粉：

采用蒸发凝聚成粉或液体雾化的方法使材料的聚集状态发生改变，获得粉末。

雾化法原理：

通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心作用使之破碎、冷却凝固来实现的。

雾化法准则：

①能量交换准则：

提高单位时间内单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加;②快速凝固准则：

提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。

雾化制粉分为：

双流雾化、单流雾化

双流雾化法原理：

先由电阻炉或感应电炉将金属或合金熔化，再注入金属液中间包内。

金属液由底部露孔流出时液流与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴。

随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短时间内凝固成粉末颗粒。

离心雾化法原理：

借助离心作用，将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法

四、化学制粉：

依靠化学反应或电化学反应过程，生成新的粉态物质

第四章金属的液态成形与半固态成形

一、液态成形

1、液态成形：

将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸大小的型腔中，经凝固冷却后便形成所需要的零件的技术。

液态成形特点：

①适应性强，工艺灵活性大；②成形件尺寸精度高；③成本低；④零件的力学性能较差，尺寸均一性差；⑤液态成形过成劳动强度大，生产条件较差，生产率较低。

合金收缩——各阶段及其对铸件质量的影响

三个收缩阶段：

液态、凝固、固态

影响：

液态收缩和凝固收缩一般表现为液体体积减小，是缩孔、缩松形成的主要原因。

固态收缩表现为铸件外形尺寸减小，对铸件尺寸精度有较大影响，是产生铸造应力、变形和裂纹的主要原因。

4、缩孔：

在铸件上部或最后凝固部位出现的容积较大的孔洞，其形状不规则，孔壁粗糙并带有树枝晶。

缩松：

当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面上的温度梯度小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。

随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了分散性孔洞即缩松。

预防措施：

结晶温度范围窄的合金采取顺序凝固方式，冒口最后凝固；结晶温度范围宽的合金采取同时凝固方式；铸件在压力下凝固或用热等静压法消除缩孔与缩松。

5、铸造应力：

铸件凝固后，温度继续下降，产生固态收缩。

当收缩受阻时，铸件内部将产生应力，成为铸造应力。

（是导致铸件变形、裂纹的主要原因）

分类：

收缩应力、热应力、相变应力。

产生原因：

收缩应力：

铸件在固态收缩时，因受到铸型、砂芯、浇冒口等外力阻碍而产生的应力。

（临时应力，原因一旦消除，应力也消除）

热应力：

铸件在冷却过程中因不同部位冷却速度不同，收缩量不均匀形成的应力。

（残余应力）

相变应力：

合金由于发生固态相变，铸件各部分体积产生不均衡变化引起的应力。

（可能是瞬时应力或残余应力）

6、液态成形方法：

砂型铸造、特种铸造

7、粘土砂型原理

粘土砂型制备过程：

先将原砂、粘土、附加物加入其中干混，再加水和液体粘结剂湿混，使各种材料混合均匀，并使粘土以薄膜形式包覆在砂粒表面上。

8、特种铸造方法：

熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、实型铸造、离心铸造、低压铸造等。

二、半固态成形

1、半固态合金定义：

液态金属冷至双相区，经搅拌使树枝状晶破碎，形成卵状晶粒，从而获得掺有固态相的悬液。

半固态合金性质：

具有一定流动性，在剪切力较小或为零时，又具有固体性质。

2、半固态成形定义：

是介于液态成形和固态成形之间的一种成形方法。

特点：

①应用范围广；②铸件质量高，力学性能好，尺寸精度高；③减小了对成形装置的热冲击，节约能源；④便于实现自动化，提高劳动生产率；⑤成本低

第五章金属塑形加工

一、金属塑性加工

1、金属塑性加工：

利用金属的塑性，通过外力使金属铸锭、金属粉末或各种金属坯料发生塑性变形，成为具有所需形状、尺寸、性能的制品的加工方法。

特点：

①材料利用率高；②生产效率高；③产品质量高，性能好，缺陷少；④加工精度和成形极限有限；⑤模具、设备费用昂贵，

2、加工硬化：

金属材料发生塑性变形时，随着变形的增大，强度增大，塑性和韧性降低的现象。

3、变形抗力：

材料在产生塑性变形时抵抗塑性变形的能力。

4、应力：

指变形体内某一点的内力强度。

5、简化的应力应变曲线类型：

刚塑性应力应变曲线、弹塑性应力应变曲线、幂指数应力应变曲线。

二、轧制

1、轧制：

金属坯料通过转动轧辊间的缝隙，承受压缩变形，而在长度方向产生延伸的过程。

（也称压延）

2、角钢轧制孔型系统：

蝶式、扁平孔型

槽钢轧制孔型系统：

蝶式、直线式孔型

工字钢轧制孔型系统：

直线式、倾斜式孔型

三、挤压

1、定义：

对放在容器（挤压筒）内的金属坯料施加外力，使之从特定的模孔中流出，获得所需断面形状和尺寸的一种塑性加工方法。

特点：

①可提高金属的变形能力；②制品综合质量高；③产品范围广；④生产灵活性大，工艺流程简单，设备投资少；⑤制品组织性能不均匀；⑥工模具工作条件恶劣，损耗大；⑦生产效率、成品率较低

分类：

正挤压、反挤压、侧向挤压、玻璃润滑挤压、静液挤压、连续挤压

2、正挤压：

金属挤压时，制品流出方向与挤压轴运动方向相同的挤压。

特征：

挤压时坯料与挤压筒之间产生相对滑动，存在很大的外摩擦，且此摩擦有害，它使金属流动不均匀，给挤压制品带来不利影响，导致挤压制品头尾组织性能不均匀、表层和中心组织性能不均匀；使挤压能耗增加。

3、反挤压：

金属挤压时，制品流出方向与挤压轴运动方向相反的挤压。

特征：

金属坯料与挤压筒壁无相对滑动，挤压能耗低，在同样能力的设备上，可实现更大程度的挤压变形，或挤压变形抗力更高的合金。

4、玻璃润滑挤压：

主要用于钢铁材料及钛合金、钼金属等高熔点材料的管棒材和简单型材的成形。

特征：

变形材料与工具之间隔有一层高粘性的熔融玻璃，减轻坯料与工具间的摩擦，并起到隔热保温作用。

5、挤压变形过程划分阶段：

填充挤压阶段、基本挤压阶段、终了挤压阶段。

四、拉拔

1、定义：

在外加拉力作用下，迫使金属通过模孔产生塑性变形，以获得与模孔形状、尺寸相同的制品的加工方法。

2、管材拉拔方法：

空拉；长芯杆拉拔；固定芯头拉拔；游动芯头拉拔；顶管，扩径拉拔

五、锻造

1、定义：

借助锤锻、压力机等设备对坯料施加压力，使其产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和一定组织性能的锻件。

特点:

在塑性变形中，能使坯料的粗晶粒破碎、疏松、孔隙被压实、焊合，锻件内部组织性能得到较大改善。

2、工艺分类：

自由锻造、模型锻造、特种锻造

3、自由锻造工艺制定程序：

绘制锻件图，确定坯料质量和尺寸，确定变形工艺和变形比，选择设备，确定加热、冷却规范，确定热处理规范等。

4、模型锻造：

在专用锻造设备上采用专用模具，使金属坯料产生塑性变形，获得所需形状、尺寸和性能锻件的加工方法。

分类：

胎模锻、锤上模锻、压力机模锻、平锻机模锻

六、冲压成形

1、定义：

通过模具和冲压设备，使板材产生塑性变形，获得具有一定形状、尺寸和性能的冲压件的加工方法。

2、基本工序：

分离工序：

剪切、冲裁、修边等

成形工序：

弯曲、拉深、胀形、翻边等

第八章材料的连接

1、现代连接方法：

铆接、栓接、焊接、粘接

2、焊接方法分类：

熔焊、压焊、钎焊

第九章材料改性与表面加工

一、四把火：

：

退火、正火、淬火、回火

1、退火：

加热金属到一定温度，保温一定时间后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺。

目的：

①消除残余应力；②降低硬度以改善切削加工性能；③细化晶粒、调整组织。

分类：

完全退火，Ac3+30-50℃；等温退火；球化退火；不完全退火，AC1-AC3；

扩散退火，低于固相线温度，消除钢的成分不均匀性

2、正火：

加热到AC3或ACcm以上0-50℃保温适当时间，在空气中冷却，获得含有P的均匀组织。

目的：

使晶粒细化和碳化物分布均匀化

3、淬火：

常用淬火方法

1.单液淬火法

将加热的工件放入一种淬火介质中一直冷到室温。

这种方法操作简单，容易实现机械化，自动化，如碳钢在水中淬火，合金钢在油中淬火。

2.双液淬火法

加热的工件先在快速冷却的介质中冷却到300℃左右，立即转入另一种缓慢冷却的介质中冷却至室温，以降低马氏体转变时的应力，防止变形开裂。

如形状复杂的碳钢工件常采用水淬油冷的方法；而合金钢则采用油淬空冷。

3.马氏体分级淬火法

将加热的工件先放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，保温2～5min，使零件内外的温度均匀后，立即取出在空气中冷却。

这种方法可以有效地减少内应力，防止产生变形和开裂

4.贝氏体等温淬火法

将加热的工件放入温度稍高于Ms的硝盐浴或碱浴中，保温足够长的时间使其完成B转变。

等温淬火后获得B下组织。

用末端淬火法测定钢的淬透性

回火：

二、表面改性

1、定义：

在表面实现材料的成分、组织与结构的变化，达到改变材料表面性能的目的。

2、三束表面改性

3、表面的摩擦磨损防护。

摩擦：

相互接触的物体相对运动时产生的阻力。

分类：

、干摩擦、边界润滑摩擦、混合摩擦、流体润滑摩擦

磨损：

相互接触的物体相对运动时产生的物体损失或残余变形。

分类:

磨粒磨损、粘着磨损、冲蚀磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、微动磨损

防护：

增加抗磨损性，增加润滑性、

三、复合材料

1、定义:

采用物理或化学方法。

使两种或两种以上的材料再相态与性能相互独立的形式下共存于一体中，以达到提高材料的某些性能，或互补其缺点，获得新的性能的目的。

种类：

（按基体材料分）1金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料

（强化材料的形态分）颗粒弥散强化复合材料、晶须强化复合材料、纤维强化复合材料。

2、复合材料界面结合形式：

粘结结合、溶解结合、反应结合。

3、复合理论复合材料的设计理论：

弹性模量设计

强度设计：

位错强化、颗粒强化、晶粒与亚晶强化

韧性设计：

桥梁机制、相变机制、裂纹偏转机制等

物理性能设计

可加工性与加工工艺设计

4、复合准则：

在进行复合材料的性能能设计时需要知道组元材料的性能与复合材料性能之间的关系，简称ROM（有一个假设：

假设复合材料的性能与组元的体积分数成正比）

复合模型：

并列模型、串列模型、Shearlag模型

5、粉末冶金复合法：

烧结成型法、烧结成型+塑性加工成型法。

粉末冶金复合法优点：

集体金属的成分可以自由选择、可以采用一些只有采用快速硬固法才能制得粉末合金做基体材料、可以较自由的选择强化颗粒的种类及尺寸、强化颗粒添加量范围广、较容易实现强化颗粒的均匀分散。

缺点：

工艺复杂成本高、固话方法采用烧结热压挤压制品的尺寸形状受限制、除采用原生复合法的情形外微细强化颗粒的均匀分散通常很困难、由于强化颗粒表面的污染不易被除去致使颗粒与机体之间的界面不如铸造复合好。

粉末冶金符合发的工艺和过程：

原料—混合—压粉—脱气—压粉胚的致密化、烧结、塑性加工。

6、铸造凝固成型基本特点：

金属基体（或包覆层金属）处于熔融状态下复合。

分类：

1.普通铸造法（颗粒掺和铸造复合法，主要缺点是金属基体与强化颗粒的组合受限制；原生铸造复合法，特点是结合强度好）2.含浸凝固法3.连续铸造法4.离心铸造法5.热浸镀与反向凝固法

7、陶瓷基复合材料的增强纤维：

金属纤维，陶瓷纤维，碳纤维。

晶须：

缺陷少，强度可接近理论值。

SiC晶须，NbC晶须，磷酸钙晶须。

弥散强化跟晶须：

太乱了，自己看看好了

ZrO2的颗粒相变增韧原理：

利用氧化锆在压力下的不可逆相变所消耗的能量达到增韧补强的效果。

没有的部分自己补充参考