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材料加工(超详细)
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- 材料加工
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- 大纲
材料加工
液态金属成形
基本概念
一般工艺过程
成形工艺
适用范围
优缺点
液态金属的结构
液态金属的性质
粘度
影响因素
温度
化学成分
非金属夹杂物
影响
流态
对流
净化
流动性
热裂、缩孔、缩松
表面张力
润湿角
毛细现象
影响因素
熔点
温度
溶质元素
影响
充型过程
表面质量
补缩、热裂
影响组织
流动性
流动性测试
影响因素
结晶特性和物理性质
成分
温度
杂质含量
充型能力
影响因素
流动性
铸型性质
蓄热系数
温度
气体
浇注条件
浇注温度
充型压头
浇注系统的结构
铸件结构
模数
复杂程度
凝固
凝固过程
形核
长大
宏观长大方式
微观长大
凝固方式
凝固组织
类型
控制
冶金处理
定向柱状晶与单晶组织
主要缺陷及原因
主要缺陷
“浇不到”、“冷隔”等铸件缺陷
收缩类缺陷：尺寸精度、缩孔、缩松
应力类缺陷：变形、热裂、冷裂
夹杂类缺陷：偏析、气孔、夹杂
金属液-铸型作用类缺陷：粘砂缺陷
总结

浇不到、冷隔
充型不完整或两股液流没有完全融合，出现分层的界面
与金属液充型能力不足有关
收缩类缺陷
铸造合金的收缩
三个阶段
液态收缩阶段
温度降低收缩
整体收缩
凝固收缩阶段
缩孔缩松产生的原因
纯金属或共晶成分
状态改变收缩
具有结晶温度范围的合金
状态改变和温度下降收缩
固态收缩阶段
温度降低收缩
整体收缩
影响精度、产生应力变形和裂纹
影响收缩因素
化学成分
收缩率大
碳素铸铁
白口铸铁
收缩率小
灰铸铁
碳、硅含量越高， 石墨析出量越大， 收缩率越小
石墨膨胀抵消了部分收缩
球墨铸铁
浇注温度
温度升高，液态收缩增加，总收缩量增大
铸件结构和铸型条件
与收缩受阻有关
收缩受阻越大，实际收缩率越小，但应力大
缺陷
缩孔
逐层凝固
收缩集中到最后结晶部位的集中孔
壁的上部或中心处、壁厚较大处、内浇口附近，两壁相交等热节处， 即不易散热部分，凝固较慢的节点或区域
缩松
体积凝固
分散的小的缩孔
铸件壁的中心区域、厚大部位、冒口根部和内浇道附近
防止措施
减小收缩
浇注温度越高，液态收缩就越大，缩孔容积就越大
增加铸型急冷能力，凝固区域变窄，缩松减小
减慢浇注速度使浇注速度=铸件凝固速度，则缩孔减少
补缩
通过铸造工艺建立良好的补缩条件，尽可 能地使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最 后凝固的地方
建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝 固方式（采用设置冒口和冷铁配合）使之符合于 “顺序凝固原则”或“同时凝固原则”
顺序凝固——远离冒口的部分最先凝固，然后是 靠近冒口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进 行。建立一个递增的温度梯度
顺序凝固后补缩
同时凝固：采取工艺措施使铸件 各部分温差很小、同时凝固。
允许缩松存在时
同时凝固一般用于以下情况： ①产生缩松但对气密性要求不高时 ②壁厚均匀的薄壁铸件 ③宜采用顺序凝固原则的铸件但当 热裂、变形成为主要矛盾时
加压补缩：压力下凝固、减轻显 微缩松、减少或抑制气孔析出
应力类缺陷
铸造应力
固态收缩过程
分类
热应力
相变应力
收缩应力
热应力
温度变化产生不均衡的收缩引起的应力
影响因素
弹性模量
越大，热应力越大
线收缩系数
越大，热应力越大
铸件的壁厚差
越大
温差越大、热应力越大
合金的导热性能
越小
温差越大、热应力越大
铸型的蓄热系数
越大
温差越大、热应力越大
浇注温度
越低
温差越大、热应力越大
相变应力
固态相变，各部分体积发生不均衡变化引起的应力
铸铁的共析转变
钢的共析转变
相变应力与热应力方向相同时， 叠加加强，相反时，减轻
收缩应力
固态收缩，受铸型、型芯、浇冒口、箱带阻碍而产生的应力
是一种临时应力，落砂后即消除
铸造应力的减小
减小铸件各部分的温差
采用同时凝固
减小铸件的壁厚差
提高铸型温度
改善铸型和型芯的退让性
合金性能
采用弹性模量和收缩系数小的铸造合金
铸造应力的消除
人工时效
去应力退火
自然时效
振动时效
缺陷
铸件变形
冷却变形
快冷部分凸起，慢冷部分凹下
存放与机加工变形
压应力伸长，拉应力的缩短
根本原因
冷却过程中铸件各部分冷却速度不一致
解决方法
减小铸造内应力
增大加工余量
反变形法
热裂
铸钢件、可锻铸铁坯件和一些非铁合金铸件
特征
断面严重氧化、无金属光泽
裂口沿晶粒边界产生和发展，外观形状曲折而不规则
分类
外裂纹
表面可见
常从产生应力集中的地方开始，主要是拉应力引起
内裂纹
常产生在铸件内部最后凝固的部位
有时会出现在缩孔附近或尾部
热裂纹
概念
高温条件下金属中产生的一种沿晶裂纹
类型
在低碳钢高温塑性变化曲线的两个脆性温度区间 分别形成凝固裂纹和高温失塑裂纹
产生过程
一般认为是在凝固的末期，固相线附近出现。 此时，由于铸件中结晶的骨架已经形成并开始收缩， 但晶粒间还有一定量的液相存在，且这时铸件强度 和塑性极低，收缩稍受阻碍即可开裂。
影响因素
铸造合金本身
凝固温度范围宽和结晶时形成粗大树 枝晶易产生热裂
铸型性质
凝固收缩受阻、应力大、易开裂；
铸件结构设计不合理
如两截面相交处成直角， 十字交叉截面等
浇注温度和浇注速度
比较复杂，要综合考虑
防止措施
由上述分析可知，影响铸件形成热裂的因素很多， 生产中应根据具体合金铸件分析其产生热裂的主要原因， 采取相应的措施，以防止热裂的产生。
冷裂
特征
外形呈连续直线状或圆滑曲线、通常是穿晶断裂、裂口处表面干净，具有金属光泽或呈轻微氧化色。较低温度下形成的，故称为冷裂。
产生原因
冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是应力集中的地方。因此，铸 件产生冷裂的倾向与铸件形成应力的大小密切相关。
影响因素
合金的化学成分
使铸件应力增大和强度塑性降低的因素使开裂倾向增大
合金元素
如钢中的C、Cr、Ni 等元素，虽提 高合金的强度，但降低钢的热导率，含量高时， 冷裂倾向增大
杂质状况
如P 高时，冷脆性增加；S 及其它 夹杂物富集在晶粒边界，降低合金的塑性和冲 击韧性，易产生冷裂
其他因素
温差、退让性、合金性能
成分偏析与夹杂类缺陷
偏析
材料中成分偏离平衡状态的现象
产生原因
不平衡凝固、使溶质再分配偏离平衡
分类
微观偏析
短程偏析
晶粒内部和晶界等微区内由于 不平衡凝固造成的枝晶偏析和晶界偏析
枝晶偏析
结晶冷速较快时，原子扩散来不及进行，导致一个树枝 晶体（或称晶粒）中先结晶的晶轴含有较多的高熔点组 元，后结晶的分枝（次晶轴）以及枝间区金属含有较多的 低熔点组元。
晶界偏析
在不平衡凝固条件下，树枝晶体之间(晶 粒与晶粒之间)最后凝固部分（晶界区）积累了 较多的低熔点组元和杂质。
比枝晶偏析严重，增加裂纹倾向， 机械性能下降
Ts-100~200℃较长时间扩散退火（均 匀化退火）
可以通过均匀化扩散热处理消除
不仅影响性能，还可能使开裂敏感性增加
宏观偏析
铸件较大尺寸范围内因不平衡凝固造 成的化学成分不均匀现象
一般包括正偏析、逆偏析、重力偏析等
铸锭宏观偏析
以正偏析为例
当相图分配系数＜1时，先结晶的铸锭外层含 溶质元素少，后结晶的中心部位含溶质元素 多。
影响因素
冷却速度不太大时，液相内的 扩散较充分时，易形成区域偏析
冷速较快时，如果液相中溶质扩散过程不 能充分进行，溶质来不及向中心扩散，转 变为微观偏析，宏观偏析减小。
无法通过热处理消除
使铸件力学性能、物理性能和化学性能 降低，直接影响铸件的使用寿命和工作性能
影响因素
合金相图特点
液固成分差别大、液固温度区间大的容易偏析
溶质元素的原子扩散能力
扩散能力低的，容易偏析
其他合金元素的影响
含碳量影响S和P在钢中的分配 系数和扩散速度，导致含碳量越大，S、P偏析程度越高
冷却速度
在一定范围内冷却速度提高、偏析增大；但 超过一定冷却速度后，偏析反而有所降低
气孔
产生原因
凝固时有气体析出。气泡未浮出
分类
析出性气孔
各种铸造合金经熔炼后都含有一定 量的气体，在凝固过程中会析出产生气孔。
反应性气孔
由于热作用、或金属液与铸型材料 发生化学反应，例如湿粘土砂型和树脂砂型，也 会产生大量气体，可能造成铸件产生反应性气孔；
侵入性气孔
铸型和型腔中的气体可能进入充型 后的液态金属中，并且最终形成侵入性气孔。
消除方法
根据气体的来源、存在形式及对铸件带来 的危害，有针对性地采取措施减少和防止气体的 危害，消除气孔缺陷。
气孔形成原因
如析出性气体
高温时大量气体溶入液态金属中，但凝固时 由于溶解度陡降而导致气体析出。
夹杂
不同于基体金属成分的质点称为夹杂物，有不同 的类型和形态，对铸造性能和铸件的质量有不同程 度的影响。
分类
形成阶段
一次夹杂物
在熔化和炉前处理时形成
二次夹杂物
在浇注过程和凝固时形成的
分布、大小
宏观夹杂物
使铸件产生渣孔、夹渣、黑斑等缺陷， 引起铸件力学性能和表面质量降低。
与砂型或砂芯的强度太低有关。
微观夹杂物
特别是分布在晶粒边界上的不规则多 角形夹杂物对性能影响更大。
铸钢晶界上的硫化物、磷化物，使铸件的塑性和 强度显著降低
有尖角形的夹杂物还可造成应力集中，成为疲劳 断裂的裂纹源，降低铸件的使用寿命
熔点高低
难溶夹杂物
易溶夹杂物
形状
球形
多面体
不规则多角形
条形
板型
来源
内生冶金夹杂物
脱O、脱S产物未排出
溶解的S、O等偏析造成局部过饱和后 以化合物或低熔点共晶体析出形成夹杂
外来夹杂
熔炼时的耐火材料
浇注时的造型材料
防止措施
在铸型浇注系统中安放各种陶瓷过滤网，可避免夹 杂物混入液态金属，从而可以提高铸件的强度，同 时塑性也有很大的提高。
金属液-铸型作用类缺陷：粘砂缺陷
砂型铸造中铁合金铸件（铸钢、铸铁）表面出现 牢固粘附砂粒的现象
分类
机械粘砂
金属液直接钻入砂型砂粒间孔隙，靠 金属的包围和钩连作用与砂粒连结在一起，没有 发生化学反应。
化学粘砂
高温金属液被氧化而生成金属氧化物（FeO，熔点为1370℃），FeO 与型砂的SiO2 起化学反应生成硅酸亚铁（即铁橄榄石FeO·SiO2） （熔点仅有1220℃），硅酸亚铁对铸件和型砂都有极强的粘结性，能够将型砂牢固粘附在铸件表 面上而成个化学粘砂。
湿型砂生产铸铁件
机械粘砂而非化学粘砂。铁 液中碳多、氧化铁少；砂型中含煤粉、浇注产生 的还原性气氛、防止形成金属氧化物
影响因素
金属液压头过大、金属液易渗入砂型、易粘砂
防止措施
提高砂型的紧实度和减少原砂粒度
在砂型、砂芯喷刷耐火涂料层等方法 都可以达到减少或消除铸件的粘砂缺陷
加入煤粉附加物
生产铸铁件时还可以在砂型中 加入煤粉附加物以减少铸件的粘砂
金属的熔化及冶金处理
基本概念
液态金属成形对液态金属的要求： 符合要求的化学成分和温度，通过熔炼和熔体处 理获得
熔炼
把固态金属、如生铁锭、铝锭、废钢、回 炉料等在专门的熔炉里进行熔炼；熔化和冶炼
熔体处理
例如孕育、球化、净化、除气等
熔炼与处理涉及保护和各种冶金反应，关注温度、 反应物质（金属、气氛和保护）
铸铁的熔炼
对铁液质量的基本要求
出炉温度
灰铁浇注温度大致1330-1410℃，出炉 比浇注温度高约50 ℃，浇特薄件时再提高20-30 ℃
化学成分
要满足铸铁牌号要求，如灰铁成分范 围：Wc 2.7-3.8%, Wsi 1.4-2.1%, Ws 0.03-0.12%, Wp ≤0.3%。Si是强烈促进石墨化的元素。
有害成分
S、 P以及干扰结晶和组织控制的其 他微量元素要控制在限量以下
铁液纯净
渣、气体、夹杂物含量少。铁液中含 N量超过100ppm时易出气孔。
铸铁的熔炼方法
冲天炉
优点
熔化率高、能耗低，且设备简单，适用各种类 型的企业。与感应电炉进行双联熔炼，可提高总的 热效率，调整和均匀铁液的化学成分，适应大量生 产。
可连续出铁，大型水冷无炉衬长炉龄冲天炉， 可以连续工作100多天
冲天炉设备造价低，最普遍应用的铸铁熔炼设 备。
缺点
出铁温度只能达到1380-1420 ℃，改进后可达 1500 ℃
排放大量的灰尘和废气，易造成环境污染。
冲天炉铁液直接与焦炭接触，因此在熔炼过程 中会发生铁液增碳和增硫现象。
铁液的化学成分和温度波动较大,合金元素的 烧损越严重：一般情况下Si的烧损率为15％～ 20％，Mn的烧损率为15％～25％。
结构
一种熔炼铸铁的圆筒形竖炉
燃料
焦炭
金属炉料
铸造生铁锭、回炉料（浇冒口、废机件）、 废钢、铁合金（硅铁、锰铁）等
溶剂
石灰石和氟石。形成、调整熔渣
炉身底部
装焦炭，底焦上面交替装铁料和焦炭——熔剂， 鼓风底焦强烈燃烧、加热炉料、熔化下落、经过底焦进 一步加热、之后进入前炉；层焦补充底焦；
熔炼过程
底焦燃烧
金属炉料被预热、熔化和过热
冶金反应
氧化、还原、渗硫、脱硫（碱性熔渣）
反应物质
炉气、焦炭、熔渣、炉料、铁液
温度
1500℃以下
固-气、熔渣-金属液
反应结果
Fe\Mn\Si被氧化；碳的变化视含量；增硫
感应电炉
利用交变电流通过感应线圈在炉料中 产生二次电流以加热金属炉料的炉子。
有芯和无芯两种
高频、中频、工频
高频加热薄的工件
中频或工频加热厚的工件
熔渣保护
加入石灰造渣覆盖铁液，减少氧化和吸气
优点
适合于不同批量和规模的生产需要。
占地面积小。
电磁搅拌使得铁液的熔炼温度和化学成分均匀。
铁液的氧化程度容易控制，元素烧损少。一般 电炉熔炼时Mn的烧损率为5％；不会增碳、增 硫；比较容易控制化学成分的波动范围；熔渣 保护、吸气少、铁液比较纯净。
出炉温度可以比冲天炉高
适用于熔炼高质量灰铸铁、合金铸铁、球墨铸 铁及蠕墨铸铁等。
不会增碳、增硫；氧化少
缺点
电能耗费大
熔化效率没有冲天炉高
维修比冲天炉复杂
一次性投资大
与冲天炉相比（感应电炉熔炼铁液温度高、铸 铁组织中石墨细化、珠光体量增多），铁液的 白口倾向较大
冲天炉-感应电炉双联熔炼
进一步提高冲天炉铁水温度、调整 铁水化学成分
电弧炉
反射炉
铸铁的熔体处理
孕育处理
改善石墨数量、大小、分布，提高灰铸铁性能
原理
在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心
方法
先熔炼出碳、硅含量(C2.7％～3.3％、Si l.0 ％～2.0％)的高温铁水(1400~1450℃)
然后向铁水中冲入少量细颗粒状或粉末状孕育剂（占铁水重 量的0.25％～0.6％，其材质一般为含Si75％的硅铁(有时也用硅钙)）
效果
得到细晶粒珠光体和分布均匀的细片状石 墨组织，强度、硬度显著提高
球化处理
石墨呈球状使铸铁具有良好的塑性和韧性
原理
在一定条件下向铁液中加入一定量的球化剂， 改变铁液凝固时石墨的生长方式（抑制基面的择优 生长），使之长成球状。
方法
铁水中加入一定数量的球化剂和孕育剂。 球化剂主要是纯镁和稀土－镁合金两类（加入量为铁 水重量的1.0%~1.6%） 孕育剂为含硅75％的硅铁（加入量为铁液重量的0.4%~1.0%）
效果
球状石墨，强度高的同时，塑性、韧性良好。
石墨的几种形态
片状

蠕虫状

球状

铸钢的熔炼
对钢液的质量要求
一定的温度：满足浇注要求
钢液中的Si\Mn\C以及合金元素含量控制在规格要求范围内
降低钢液中的有害元素硫和磷，控制到规定限度以下
钢液纯净：渣、气、夹杂物清除
铸钢的熔炼方法
一般采用中频感应电炉或电弧炉炼钢
对于特大型铸钢件来源一般来自转炉
电弧炉
优点
比其他炼钢炉工艺灵活性大，能有效地除去硫、 磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小， 适于优质合金钢的熔炼
炉气可为氧化性或还原性；熔渣 覆盖，碱性熔渣利于脱硫、磷；
缺点
温度高易吸氢
转炉
炉体圆筒形，架在一个水平轴架上，可以转动。以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。对于特大型铸钢件，因所需钢液量大，原钢液一般来自转炉
原料
金属料
铁水、废钢、铁合金
非金属料
造渣料（石灰、白云石）， 熔剂（萤石、氧化铁皮）， 冷却剂（铁矿石、石灰石、废钢）， 增碳剂（焦炭、石墨籽）
为了去除磷、硫等杂质，控制好过程温度
气体
氧气、氮气、氩气、二氧化碳
钢液精炼
降低有害元素（H、O、N、S、P)的 含量提高铸钢件的质量。
目前钢液的炉外精炼方法有AOD 法（氩氧脱碳 精炼）、VOD 法（真空氩氧脱碳转炉精炼）和LF 法（钢包电弧加热精炼）。
去硫、磷 ，去气体元素
铝合金的熔炼
有色金属的熔炼要求
温度
成分
净化
冶金处理
保护
防止氧化和吸气需向坩埚炉内加 人KCl、NaCl 等作为熔剂．将铝液与炉气隔离。
铝合金的熔炼方法
铝液精炼
驱除铝液中已吸入的氢气、防止针孔的产生
在铝液出炉之前进行
除氢精炼方法
用钟罩向铝液中压入氯化锌 (ZnCl2)或六氯乙烷(C2Cl6)等氯盐或氯化物。
环保和有效的办法
利用旋转除气装置，通过向 铝液中通入惰性气体，气泡上浮过程中实现除氢 和除渣
方法
气化熔剂、吹活性气体、加活性 熔剂、稀土金属、吹惰性气体、过滤、真空处理、 超声处理等
总结
成分和温度，熔化和冶炼及冶金处理，调整成分去除杂质
铸铁：相对铸钢熔点低一些、C、Si含量高、合金元 素少，冲天炉高效低能耗，但增C、S，合金烧损，污 染，温度不会太高
铸钢：熔点高，合金元素多、成分要求高；感应炉、电弧炉；
铝合金：熔点低、元素易氧化；溶剂覆盖；电阻炉、感应炉；
除气、精炼：真空除气，惰性气体除气，铝合金氯化 物除气；富氧脱碳再脱氧
主要冶金反应：气体吸收、增碳、增硫、氧化烧损、 增氧；去气，脱碳、脱氧、脱硫、脱磷
砂型铸造
基本概念
型砂
原砂
粘结剂
附加物
常见造型方法
造型
填砂
紧砂
起模
修整
型砂紧实原理
紧实度
密度
硬度
拱桥效应
造型方法
要求
强度
气膜容易
透气性
方法
震击造型
高压造型
气冲造型
微震加高压紧实造型
气流加压紧实造型
制芯方法
砂芯
铸造工艺设计
零件结构的工艺性
避免缺陷
合适的壁厚
不应严重阻碍收缩
内壁薄于外壁
均匀壁厚和圆角过渡
有利于补缩和实现顺序凝固
防止铸件变形
避免水平的大平面结构
简化工艺
改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋板的结构
取消铸件外表侧凹
改进铸件内腔结构以减少砂芯
减少和简化分型面
有利于砂芯的固定和排气
减少清理铸件的工作量
简化模具的制造
大型复杂体的分体铸造
造型及制芯方法的选择
优先采用湿砂型
与生产批量相适应
适合工厂条件
兼顾精度与成本
浇注位置的确定
分型面的选择
铸造工艺设计参数
铸件尺寸公差
加工余量
铸出孔和槽的大小
起模斜度
铸造圆角
铸造收缩率
浇注系统设计
结构
基本类型
浇注系统计算
奥赞公式
计算平均压力头
铸铁、铸钢件的浇注时间
冒口与冷铁
冒口
冒口补缩基本条件
冒口位置的选择原则
冒口的计算
冷铁
不同铸造方法的比较与选择
金属塑性成形
概述
概念
塑性成形
塑性
塑性成形的作用
主要应用
重大受力件、关键件、薄板结构件的成形制造
工艺特点
生产效率高
机械化、自动化，适合大批量生产；
产品力学性能好
塑性成形可使金属内部组织发生改变，如塑性成形中的锻造等成形工艺可以细化金属晶粒，压合组织内部的气孔等缺陷，使组织致密，从而提高工件的力学性能。
材料利用率高
材料利用率可达75～85％，最高可达98％，塑性成形是通过外力改变形状，获得力学性能，过程中不会产生切屑，因而材料的利用率较高。
尺寸精度高
可以达到不需机械加工就可以使用的程度。
操作简单、工人素质要求较低、雇佣成本较低。
工作环境相对较差
有一定程度的环境污染：过程中可能会产生粉尘、噪声污染等。
成本高、能耗高
塑性成形模具成本高，设备庞大，能耗高。
成形的工件形状不能太复杂
塑性成形时，工件固态流动比较困难，所以成形也比较困难，导致所能成形工件的复杂程度较低。
实际应用
汽车
重工业
电子、信息工业器件
生活产品
分类
产品性质
一次成形
二次成形
变形特点
体积成形
板料成形
塑性成形原理
塑性
金属材料在外力作用下发生变形 而不破坏其完整性的能力。
反映金属对塑性变形的适应能力。
塑性指标
以材料开始破坏时的塑性变形量来表示， 它可借助于各种试验方法来测定。
试验方法
拉伸试验法
延伸率
断面收缩率
压缩试验法
压下率
扭转试验法
影响因素
化学成分
含碳量提高、塑性降低
杂质元素
磷
冷脆
硫
热脆
氮
蓝脆
氢
氢脆
氧
红脆
合金元素
一般使塑性降低
组织
多相组织塑性差
细晶组织塑性好
铸造组织缺陷多，塑性差
变形温度
一般温度升高，塑形增加，但并非简单的线性上升
应变速率
增加应变速率，塑性先降低、后提高
应力和应变状态
静水压力越大、塑性提高
压缩应变有利于塑性的发挥，而拉伸应变对塑形不利
其他因素
不连续变形
一定程度上提高塑性
尺寸因素
尺寸越大，塑性越低
提高途径
提高材料成分和组织的均匀性：均匀化退火可使允许变形程度提高
合理选择变形温度和应变速率，避开脆性区
选择三向压缩性较强的变形方式：挤压优于拉拔、开式模锻优于自由锻
减少变形的不均匀性：良好的润滑、合适的工模具形状
应力状态分析
外力、内力、应力
坐标面上的应力
应力张量
9个分量6个独立
任意斜面上的应力
主应力及应力张量不变量
应力张量不变量相同，应力状态的解是 同一个，应力状态相同
主剪应力、最大剪应力
屈服准则： 最大剪应力达到某一临界值时， 塑性材料开始屈服。
应力球张量和应力偏张量
静水压力，应力张量第一不变量的1/3
应力偏张量：平均应力为为零，不引起体积变化，只引起形状变化。 也有三个不变量。主应力偏量第二不变量I'2，十分重要，它将被作 为塑性变形的判据。
应力球张量：只引起体积变化，不引起形状变化。
八面体上的正应力和剪应力
正应力
平均正应力或静水压力
剪应力
等效应力
广义应力、应力强度
应力莫尔圆
应力平衡微分方程
应变状态分析
应变概念
工程与对数
工程应变
对数应变
比较
10%以内比较接近
对数应变为可加应变、可比应变
体积不变时，总的对数应变为0
物理意义不同
正应变与剪应变
应变张量
小变形几何方程
应变张量分析
主应变
~主应力
主剪应变
~主剪应力
应变偏张量
应变球张量
八面体应变
等效应变
应变协调方程
应变速率
屈服准则
Tresca屈服准则
第三强度理论
最大剪应力准则
Mises屈服准则
材料质点屈服的条件是其单位体积的弹性形状变化能达到某个临界值；该临界值只取决于材料在变形条件下的性质，而与应力状态无关。
第四强度理论
弹性形状变化能准则

比较
Mises屈服准则更准确

塑性变形的增量理论
弹性和塑性变形的异同点
 
变形体模型

增量理论和全量理论
应力主轴与应变增量主轴相重合，而不是与全量应变主轴重合
广义胡克定律
  
Levy-Mises理论
Prandtl-Reuss理论
组织与性能的变化
变形分类
冷变形
特点
只有硬化，没有回复和再结晶
组织
硬化组织
代表工艺
板料冲压、冷挤压、冷轧、冷拔等
热变形
特点
再结晶充分进行
组织
再结晶组织，没有任何硬化痕迹
代表工艺
热锻、热轧、热挤压
温热变形
不完全的热变形
特点
再结晶进行得不充分
组织
既有再结晶的等轴晶粒组织
又有纤维状的硬化组织
不完全的冷变形
特点
不发生再结晶
只有加工硬化和回复
组织
硬化组织
冷变形
概念
变形温度低于回复温度
只有硬化，没有回复和再结晶
随着变形程度的增加
变形抗力提高
塑性下降
金属显微组织的变化
晶粒形状
纤维组织
等轴晶沿着主变形方向被拉长
亚结构
变形量大且层错能较高时
铝及铝合金、铁素体钢及密排六方的金属易形成胞状亚结构； 层错能较低的金属（奥氏体钢、铜及铜合金）不易形成胞状亚结构。
位错分布不均匀，形成高位错密度区， 将密度低的部分分隔开来，形成胞状亚结构
变形织构
多晶体塑性变形，具有择优取向的组织
丝织构
拉拔、挤压，轴对称变形，两个方向压 缩应变、一个方向拉伸应变
织构晶向与最大主应变方向平行， 丝织构以共同晶向表示，体心立 方[110]、面心[100]和[111]。
板织构
轧制、镦粗
共同的晶面平行于板面、 共同的晶向平行于轧制方向， 板织构以共同晶面和晶向表示
体心立方(100)[011]，面心立方依层错能高低而不同，层错能低的为(110)[112]。
织构造成各向异性，经退火各向异性和织构仍存在
晶内及晶间的破坏
冷变形过程中不发生软化过程的愈合作用
滑移、孪晶造成了在晶粒内部及晶粒间 界面处出现一些显微裂纹、空洞等缺陷使金属密 度减少，是造成金属显微裂纹的根源。
金属性能的变化
物化性能
密度
降低
电阻
增加
化学稳定性
不稳定性增加，耐蚀性能降低
磁性
锌铜
减少抗磁性
铜高度冷加工后可变为顺磁性
对顺磁性金属冷变形会降低磁化敏感性
力学性能
加工硬化
强度、硬度提高
强度、硬度提高：与位错的交互作用相关，变形程度增加、 位错密度增加、亚结构增加、位错移动阻力增大，强度提 高
塑性、韧性降低
塑性变形使晶格产生畸变、晶粒变形和位错增加，以及出 现第二、三类残余应力、微观缺陷增加等，经受冷变形后 的金属及合金，其塑性指标随所承受的变形程度的增加而 下降，在极限情况下可达到接近于完全脆性的状态。
织构与各向异性
由于织构的存在而使金属呈现各向异性
热变形
概念
完全再结晶条件下进行的塑性变形
温度范围是其熔点绝对温度的0. 75~0. 95倍
同时产生软化与硬化，且软化进 行的很充分，变形后的产品无硬化的痕迹。
金属组织性能的变化
优点
与冷加工相比
变形抗力较低，消耗能量较少。
其塑性升高，产生断裂的倾向性减小。
热加工变形一般不易产生织构
不需要像冷加工那样的中间退火，可使生产工序简化，生产效率提高
改善组织和性能，以满足对产品某些组织与性能的要求。
不足
对薄或细的轧件，由于散热较快，温度条件比较困难，一般仍采用冷加工的方法
尺寸精确和光洁程度不如冷加工
因为在加热时，由于轧件表面生成氧化皮和冷却时收 缩的不均匀。
组织及性能不如冷加工时均匀
因为热加工结束时，工件各处的温度难于均匀一致。
无法通过热加工提高材料强度
具有热脆的有些金属不进行热加工
变形温度范围
上限
大致取该合金熔点绝对温度（Tm）的0.95倍，比固相线 低50℃左右。
下限
保证在变形的过程中再结晶能充分迅速地进行，并且整 个变形过程是在单相系统内完成
铸态组织的改造
原因
金属在高温下塑性高、抗力小，且原子扩散能力强，伴随有完全再结晶时，更有利于组织的改善
变形和静水压力的作用，使锭中存在的气泡焊合，缩孔压实，疏松压密，变为较致密的结构
高温下原子热运动能力加强，在应力作用下，借助原子的自扩散和互扩散，可使铸锭中化学成分的不均匀性相对减少
综合结果使铸态组织改造成变形组织（或加工组织），比铸锭有较高的密度、均匀细小的等轴晶粒及比较均匀的化学成分，因而性能明显提高
晶粒度的控制
确定变形程度和变形温度（主要是加工终了温度）

纤维组织
组成
杂质、第二相和各种缺陷
避免方法
只能在变形时通过不断地改变变形的方向
很难用退火的方法去消除，再结晶可以使拉长的晶 粒变成等轴晶，但纤维组织被稳定地保留到室温。

破碎并改善碳化物和非金属夹杂物的分布
可以破碎鱼骨状、网状分布的碳化物；还可以破碎 非金属夹杂物；使之均匀分布，减小有害作用。
热变形过程中的回复与再结晶
动态的，变形、回复与再结晶同时进行
低层错能，大变形更容易发生再结晶 
动态回复

只发生动态回复的软化过程
第一阶段
微变形阶段，发生硬化
第二阶段
达到屈服应力后，加工硬化率降低
第三阶段
稳定变形阶段，加工硬化被动态回复所引起的软化过程所抵消
动态再结晶

高应变速率
曲线迅速升至峰值，随后动态再结晶引起软化，最后平衡
低应变速率
升至峰值后，曲线出现波动，加工硬化和动态再结晶产生软化交替作用周期性变化
特点
动态再结晶很大的变形量下才能发生，即临界变形程度很大
和静态再结晶类似，动态再结晶易于在晶界及亚晶界处形核
若在变形过程中发生了动态再结晶，那么变形一停止 马上即能发生静态再结晶而无需孕育期。
由于动态再结晶“临界变形度”比静态再结晶的大许多， 所以若在变形过程中发生了动态再结晶，那么变形一停止 马上即能发生静态再结晶而无需孕育期。开始时静态再结 晶以很高速度进行，以后随时间的延长而减慢；
发生动态再结晶或变形过程中的静态再结晶所需时间与 温度密切相关，一般而言，温度愈高所需时间愈短。
热变形对室温性能的影响
无加工硬化，可使气孔、疏松焊合，改善夹杂物、 脆性相的分布，成分均匀（部分消除偏析），晶 粒细小、均匀、等轴，致密度和力学性能提高。
塑性成形分析方法
主应力法
概念
应力状态简化假设
建立简化平衡方程和塑形条件
求接触面上的应力大小和分布
基本要点
轴对称问题或平面问题
根据金属流动方向，沿整个截面切取基元体， 切面上的正应力假定为主应力，并均匀分布， 建立基元体的平衡方程
列出塑形条件，忽略摩擦应力影响， 假设接触面上的正应力为主应力
适用范围和特点
计算变形力
计算环形毛坯镦粗时的中性层位置
接触面上的应力大小和分布
长矩形板镦粗时的变形力和平均压力
选取基元体
接触面上的剪应力
库仑摩擦定律
基元体的平衡方程
列出塑形条件
联立平衡方程和塑形条件积分
利用边界条件确定积分常数
求变形力和平均压力
滑移线法
利用最大剪应力迹线的性质，求解塑性力学边值问题的方法
塑性变形是金属在最大剪应力方向的相对滑移引 起的，滑移结果形成滑移带，滑移带和最大剪应 力迹线是重合的，所以最大剪应力迹线又称滑移 线
平面应变问题
最大剪应力平面的正应力
有限单元法
离散变形体
分片近似
总体方程
物理模拟
实验
相似准则
摩擦
概述
阻止金属流动的摩擦力
发生在工件和工具接触面间，阻碍金属流动的摩擦
特点及作用
伴随有变形金属的塑性流动
接触面上压强高
常在高温下产生摩擦
接触面积大
不断有新的摩擦面产生
不利影响
摩擦的不利影响 改变物体应力状态，使变形力和能耗增加 引起工件变形与应力分布不均匀，产生附加应力 和残余应力 恶化工件表面质量，加速模具磨损，降低工具寿 命
利用
摩擦的利用 利用摩擦控制金属的流动，例如，用增大摩擦改善 咬入条件，强化轧制过程；增大冲头与板片间的摩 擦，强化工艺，减少起皱和撕裂等造成的废品。
外摩擦的分类
摩擦力计算
库仑摩擦条件
正压力不太大、变形量较小的冷成形
最大摩擦力条件
适合于热变形
常摩擦力条件
适合于 摩擦因子低于最大值、三向应力显著、如挤压、变形量大的镦粗
摩擦系数影响因素
测定摩擦系数的方法
润滑
目的
润滑的目的 减少工模具磨损，延长工具使用寿命 提高制品质量 降低金属变形时的能耗
要求
在选择及配制润滑剂时，必符合下列要求： （1）润滑剂应有良好的耐压性能，在高压作用下，润滑膜 仍能吸附在接触表面上，保持良好的润滑状态； （2）润滑剂应有良好耐高温性能，在热加工时，润滑剂应 不分解，不变质； （3）润滑剂有冷却模具的作用； （4）润滑剂不应对金属和模具有腐蚀作用； （5）润滑剂应对人体无毒，不污染环境； （6）润滑剂要求使用、清理方便、来源丰富、价格便宜等。
润滑剂
液体润滑剂
矿物油、动植物油、乳液
固体润滑剂
石墨、二硫化钼、云母、皂
液-固型润滑剂
添加剂
加入添加剂改善润滑剂的某些性能，如提高耐磨 性、防腐性等； 润滑油中的添加剂，一般应易溶于机油，热稳定 性要好，且应具有良好的物理化学性能。 常用的添加剂有油性剂、极压剂、抗磨剂和防锈 剂等。
润滑方法改进
流体润滑
表面处理
表面磷化处理
表面氧化处理
表面镀层
体积成形工艺
板料成形工艺
材料焊接
焊接及其技术概述
材料焊接的含义及其应用
连接
连接（Joining）: 指将两种或两种以上分离的材料或零部件 结合形成一个结构整体或者更加复杂的零件与部件、复杂系 统。包括机械连接、焊接和胶接三大类方法。 机械连接（Mechanical fastening）：借助螺栓、螺钉和铆 钉等紧固件将两种分离型材或零件连接成一个复杂零件或部 件。 胶接（Adhesive bonding）：采用胶粘剂将被胶接物表面联 接在一起。胶粘剂亦称粘接剂或胶。形成分子键 焊接（Welding）：通过热、力或两者共同作用，使用或不使 用填充材料，使待连接材料之间达到原子间冶金结合并形成 永久性的连接接头。不可拆卸。形成化合键
焊接的特点
焊接的特点： 1. 可制造更复杂、更便宜、性价比更高的部件 或构件；以小拼大、以简单拼复杂 2. 可制造异种材料复合构件； 3. 工艺方法多、应用范围广：不同材料及组合 、不同加工温度、不同使用温度；
焊接的作用
焊接的作用：通过焊接制造其他方法无法实现的 部件或构件或为降低成本或为将不同材料组合构 成复合构件。（更复杂、更便宜、性价比更高）
焊接技术的应用
焊接技术的应用：广泛应用于航空飞机、航海船 舶、运载火箭、陆地车辆、核反应堆、钢铁桥梁 、建筑结构、电站锅炉、石化贮罐、输油管线、 微纳电子器件与系统集成以及日用产品的制造。
焊接研究涉及的内容
焊接研究涉及的内容：主要包括焊接工艺方法、 材料的焊接、焊接结构及其质量评估三个方面。
材料焊接的物理本质
焊接的物理本质
焊接的物理本质：是通过热、力或两者共同作用使 两个独立的工件实现原子间结合，也称冶金结合。 对金属而言，即实现了金属键结合。
冶金结合的接触界面之间距离的条件
冶金结合的接触界面之间距离的条件：金属原子间 产生金属结合键的距离γA≈0.3~0.5nm。
金属表面
金属表面：粗糙（5-10nm,50-100nm)和表面有污染 (厚度2-10nm).
如何达到原子间结合距离
如何达到原子间结合距离：通过熔化后凝固；通过 塑性变形；通过润湿；分别对应熔化焊、固相焊和 软硬钎焊
焊接基础
本质过程
   
界面能高，结合强度低

表面特性
   
焊接阻碍
   
焊接能量
   
材料焊接与连接中的关键问题
本质过程：表面消失成为有结合强度的界面 结合的驱动力：ΔG = γ12 - γs1 - γs2 (if < 0) 粘附功：Ead = γS1 + γS2 - γ12 阻碍： 界面晶格不匹配，界面能大，结合强度低 表面：不平、污染层（吸附层）/氧化层/组织不均匀层 （冷作层）/（化学不均匀层）/基体 解决方法： 表面不平的解决：机械加工/塑性变形/熔化/液体润湿铺 展 表面污染和氧化层的去除：机械去除/加热/化学，保护 界面晶格匹配：熔化焊外延结晶、固相塑性变形 实现结合：固相、液相（熔化焊、钎焊） 焊接与连接中界面结合与应力是关键问题
实现焊接需要作用的热和力的关系
以纯铁焊接为例，加热温度越低，实现焊接所需的压力就越大。 当加热温度T＜T1时，压力必须在AB线的右上方（I 区）才能实现焊接； 当加热温度T在T1~T2之间时，焊接压力应在BC线以上（Ⅱ区）； 当T＞T2=TM（TM是金属熔化温度）时，则不需施 加焊接压力（Ⅲ区，熔化焊）。  图4-2 纯铁焊接时候所需的温度和压力
焊接工艺方法分类
分为熔化焊、固相焊和钎焊三大类； 每一类又按热源类型来分； 之后再按不同原则如保护方式（气体）、电极等 钨极氩弧焊，CO2气体保护焊，真空扩散焊；真空钎焊等 
熔化焊
固相焊接
钎焊
按尺度分：宏观连接、微连接和纳连接
熔化焊工艺方法
焊接热源种类简介
电弧热
利用气体介质在两电极之间产生的强烈 而持久的放电过程所产生的热能作为焊接热源，对 应的焊接方法称为电弧焊，是现代焊接中应用最广 泛的热源
等离子弧
将自由电弧压缩成高温、高电离度及 高能量密度的等离子弧作为焊接热源。
电子束
利用真空中被电场加速的集束电子轰击 被焊工件表面所产生的热能作为焊接热源。
激光束
经聚焦产生能量高度集中的激光束作为 焊接热源。
化学热
利用可燃性气体的燃烧热和铝、镁热剂 的反应热来作为焊接热源。
电阻热
利用电流通过导体时产生的电阻热作为 焊接电源。
高频热源
利用高频感应产生的二次电流作为热 源，对金属材料进行局部集中加热，其实质是电阻 加热的另一种形式。
摩擦热
利用机械摩擦所产生的热量进行焊接， 如摩擦焊、搅拌摩擦焊。
熔化焊焊接热源特性
用于熔化焊的焊接热源功 率密度需要有一合适范围：太低无法熔化，太高 则以汽化为主。为减小热对母材的影响，理想的 焊接热源应具有加热面积小、功率密度高和加热 温度高等特点。 等离子弧、电子束和激光束都是 比较满意的焊接热源。
熔化焊焊接材料简介
焊接材料
焊接时所消耗的材料统称为焊接材料
焊接材料包括焊条、焊剂、焊丝、保护气体：焊条 药皮、焊剂和保护气体是进行焊接冶金反应和保证 焊接质量所必须的重要材料。
焊接材料起保护、填充焊缝的作用，不仅影响焊接 过程的稳定性、焊接接头的性能与质量，还影响着 焊接生产率。
焊条
由药皮和焊芯两部分组成
焊芯
导电和填充
其化学成分一般与母材相近， 碳钢和低合金钢焊条的焊芯一般选用低碳钢焊芯， 另外，对硫、磷等杂质的限量更加严格。
药皮
组成物： ① 矿石，包括钛铁矿、大理石、长石等 ② 金属或合金，包括锰铁、硅铁、铝粉等 ③ 化工制品，包括钛白粉、水玻璃等 ④ 有机物，包括淀粉、木粉等
起保护、参与冶金反应、改善工艺性能作用
焊剂
焊接时能够熔化形成熔渣和气体，对熔化 金属起保护和冶金处理作用的一种颗粒状物质
分类
非熔炼焊剂
粘结焊剂或低温烧结焊剂
粘结剂粘合药粉、并经低温烘干（低于400℃）而成的焊剂
烧结焊剂或高温烧结焊剂SJ
如经较高温度（400～600℃）或高温（700～900℃）烧结而成。
熔炼焊剂HJ
经高温熔炼之后粒化、烘干、筛选而成。
焊丝
作为填充金属或同时作为导电的金属丝，是埋弧 焊、气体保护焊、自保护焊、电渣焊等各种焊接 方法的焊接材料
实芯焊丝
将热轧焊条钢线材经拉拔加工而成。
药芯焊丝
薄钢带卷成圆形钢管或异型钢管，管 内填充药粉，经拉制而成的一种焊丝。可单独使 用，也可与适当焊剂或保护气体配合使用，可提 高熔覆效率和改善工艺性能。
焊接保护气体
保护气体：惰性气体和活性气体以及混合气体 ① 惰性气体：He、Ar，保护效果好，适用范围 广，但成本较高，主要用于活性金属（如Al、 Ti、Zr等）的焊接和非熔化极电弧焊。 ② 活性气体：CO2 ，成本低，防氮（主要防氮）、 氢效果好（从除氢的角度考虑，其效果比用惰 性气体效果好！）但需要脱氧：Mn-Si联合脱 氧。 ③ 混合气体：如Ar＋CO2， 综合了Ar的优点和CO2的优点，且成本较低。改善工艺性能和降 低H含
焊接接头类型
接头类型
接头类型：5种基本的接头类型。 1）对接接头：同一平面上的被焊工件的边缘相对连接起来 2）角接接头：工件之间形成合适的角度被连接的接头 3）搭接接头：由两个搭接的工件组成的接头 4）T型接头：相互垂直工件连接起来且形状呈“T”型 5）卷边接头：工件与至少一个边相互平行，在公共边上实 现连接 
对接、角接、搭接、T型、卷边
焊接坡口

根据设计或工艺需要，焊前预先将焊 件的待焊部位加工并装配成一定几何形状的沟槽
原因
为了焊透
焊接接头的一般设计原则
焊接结构破坏往往源于焊接接头区，除受结构设 计、材料选择、焊接生产工艺等因素影响外，还 与焊接接头设计（包括接头类型、坡口形式和尺 寸等）密切相关。
接头强度原则
应注意满足焊接结构的使用要求。 一般承载接头应采用全熔透焊缝；非主要承载的 联系焊缝，就不一定要求全焊透或全长焊接。
焊缝位置准则
焊接位置可达，接头形式简单， 结构连续，焊接变形较小且能够控制，焊缝尽可 能安排在应力较小以及结构几何形状变化较小的 部位
低成本准则
坡口加工、焊缝填充金属量、焊接 工时及辅助工时等方面考虑成本费用和经济性。
焊接条件准则
制造单位具备所需要的人员、技 术和设备条件。
焊缝可检测准则
重要接头要采用射线、超声波 等手段对进行无损检测，设计时要考虑可检测性， 检测面、接头几何形状与材质。
避免焊缝局部腐蚀准则
在缝隙内和其它尖角处容易发生强烈的局部腐蚀， 力争采用对接焊和全熔透焊缝。 要避免接头缝隙和接头区形成尖角和结构死区。
举例
熔化焊工艺方法
电弧焊
1.电弧焊 （1）电弧：在一定条件下电荷通过 两极之间气体空间的一种导电过程。 电弧被“点燃”后，放电过程自身 能够产生维持放电所需的带电粒子， 为自持放电现象。 （2）电弧焊接：电弧放电过程电压 低、电流大、温度高、发光强，借 助这个过程，电能被转换为热能、 机械能和光能。焊接主要利用热能 和机械能。 （3）电极：熔化极（焊丝、焊条）、非熔化极（钨极） （4）保护：气体（惰性、活性CO2）、熔渣、药皮 （5）电流：交流、直流、脉冲、变极性 （6）直流极性：正接（工件接阳极）、反接（工件接阴极） （7）电弧的作用力：电磁收缩力（电磁静压力）、等离子 流力（电磁动压力）、电极斑点压力、爆破力、细熔滴的冲 击力。 （8）特种：等离子弧、螺柱
电阻焊
2.电阻焊（RW-Resistance welding） 采用电阻加热和加压手段实现接合的熔焊方法。待焊金属 接触面熔化形成焊核。 特点：电阻焊不使用保护气体、焊剂和填充金属。需要的 焊接电流较大（KA）。连接面附近的金属发生熔化，所 以电阻焊被归为熔化焊。 主要的电阻焊方法包括点焊、缝焊和凸焊。另外，电阻焊 还有闪光电阻焊、电阻对焊、冲击焊、高频电阻焊等。
气焊
3.气焊（OFW-Oxyfuel gas welding） • 指施焊时燃烧的可燃气体中混有氧气的一类焊接方 法。最常用的可燃气体是乙炔—氧乙炔焊接。乙炔 （C2H2）：能产生Tmax：3480℃高温 第一阶段：C2H2+O2→2CO+ H2+热量 第二阶段：2CO+ H2+1.5 O2→2CO2+ H2O+热量
激光焊
4.激光焊（LBW-Laser beam welding） 利用高能量密度的激光束作为热源的一种熔化焊方法。 具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、高精度、适 应性强等优点。先进焊接技术之一，已应用于航空航天、 能源、交通、电子等领域。 激光照射材料表面，一部分被反射，一部分进入材料内部。 对不透明材料而言，进入材料内部的光能在金属表面 0.01~0.1µｍ深度范围内被吸收转变为热能，导致金属表面 温度升高，再传向内部。因此，激光能否被吸收是焊接过 程的关键。 吸收与以下因素有关：波长、材料的性质（直流电阻率）、 温度、表面状态、功率密度等。
优点
优点： ①功率密度可达105～107W/cm2，单位长度、单位厚度工件焊接所需的热输入低，焊接变形极小，热影响区也很窄，适宜于精密焊接和微细焊接。 ②可获得深宽比大的焊缝，厚件焊接可不开坡口一次成形。焊缝深宽比可达12:1，不开坡口单道焊接钢板的厚度已达50mm。 ③适宜于难熔金属、热敏感性强的金属、以及不导电材料的焊接。 ④可穿过透明介质对密闭容器内的工件进行焊接。 ⑤可借助反射镜使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位，YAG激 光（波长1.06 m）还可用光纤传输，可达性好。 ⑥激光束不受电磁干扰，无磁偏吹现象存在，适宜于磁性材料焊 接。 ⑦不需真空室，不产生X射线，观察及对中方便。
不足
不足： 设备的一次性投资大，对高反射率的金属直接进行焊接比较困 难。 还有什么？
分类
激光焊接可分为脉冲激光焊和连续激光焊。脉冲焊接时， 能量是断续的、脉冲的。脉冲激光器主要是YAG激光器。还 可将连续输出的YAG激光器和CO2激光器用于脉冲焊接，通 过打开或关闭装在激光器上的光闸实现脉冲。 激光焊还可分为“热传导焊”（功率密度小于105W/ cm2） 和“深熔焊”（功率密度大于等于105W/cm2）。 热传导焊：温度不超过材料的沸点，只熔化、无大量汽化、 无小孔效应发生，靠热传导加热熔化金属，与非熔化极电 弧焊相似，熔池形状近似为半球形，主要用于薄板焊接。 深熔焊：金属表面在光束作用下，温度迅速上升到沸点， 金属迅速蒸发，形成的蒸汽压力、反冲力等能克服熔融金 属的表面张力以及液体的静压力等而形成“小孔”（由于 像钥匙形貌，又叫“匙孔”），激光束可直接深入材料内 部，因而能形成深宽比大的焊缝。
工艺参数及其对熔深的影响
① 入射光束功率：主要影响熔深。当束斑直径保持不变时， 熔深随入射光束功率的增加而变大。 ② 光斑直径：在入射功率一定的情况下，光斑尺寸决定了 功率密度的大小。 ③ 吸收率：吸收率决定了工件对激光束能量的利用率。 ④ 焊接速度：焊接速度影响焊缝熔深和熔宽。 ⑤ 保护气体成分及流量：深熔焊接时，保护气体的作用有 两个，一是保护被焊部位免受氧化，二是为了抑制等离 子云的负面效应。 ⑥ 离焦量：离焦量不仅影响工件表面光斑直径的大小，而 且影响光束的入射方向，因而对焊缝形状、熔深和横截 面积有较大影响。实际应用时，焦点位于工件表面下1～ 2mm的范围较为适宜。
激光钎焊和激光复合焊接技术
激光钎焊：包括激光软钎焊和激光硬钎焊。 激光软钎焊：主要用于印刷电路板焊接，尤其在表面 贴装技术（SMT-Surface mount technology）中用于 片状元件的组装。 激光硬钎焊：在有色金属连接中优越性较大，在Ag、 Ni、Cu、Au和Al基材料等硬钎焊上获得了良好的效果。 激光焊接复合技术：将激光焊接与其它焊接方法 组合起来的集约式焊接技术。 充分发挥每种焊接方法的优点并克服某些不足。 激光-电弧焊（包括激光-TIG、激光-MIG复合焊接法等） 具有有效地利用激光能量、增加熔深、稳定电弧等优 点。 激光-高频焊、激光压焊。
电子束焊
5.电子束焊（EBW-Electronic beam welding） 在真空环境下利用会聚的高速电子流 轰击工件接缝处所产生的热能并使被 焊金属熔合。电子轰击工件时，动能 转变为热能。 1）电子束焊的原理 电子束的产生：从电子枪中产生。通 常电子是以热发射或场致发射的方式 从发射体（阴极）逸出。在25～ 300kV加速电压作用下，电子被加速 到0.3-0.7倍的光速，具有一定的动能， 经电子枪中静电透镜和电磁透镜作用， 电子会聚成功率密度很高（可达 106W/cm2以上）的电子束。 焊接过程：高速电子束撞击到工件表面时，电子的动能转变为热能，使 金属迅速熔化和蒸发。在高压金属蒸汽的作用下熔化的金属被排开，电子 束就能继续撞击深处的固态金属，很快在被焊工件上“钻”出一个锁形小 孔。小孔的周围被液态金属包围。随着电子束与工件的相对移动，液态金 属沿小孔周围流向熔池后部，逐渐冷却、凝固形成了焊缝。 电子束焊“匙孔”：“匙孔”的存在，从根本上改变了焊接熔池的传质、 传热规律，由一般熔焊方法的热导焊转变为穿孔焊。 高能束焊接“匙孔”：包括激光焊、电子束焊、等离子弧焊在内的高能 束流焊接的共同特点。
优点
3）电子束焊的优点 ① 电子束穿透能力强，焊缝深宽比大，可达到50:1。 ② 焊接速度快（一般在1m／min以上），热影响区小甚至 几乎不存在，焊接变形小。 ③ 真空环境利于提高焊缝质量。 ④ 电子束易受控。通过控制电子束的偏移，可以实现复 杂接缝的自动焊接。可以通过电子束扫描熔池来消除 缺陷，提高接头质量。 ⑤ 材料可焊接性较好的焊接方法之一。并且焊接接头与 其它熔焊方法相比具有更佳的力学性能。
不足
4）电子束焊的不足 ① 设备比较复杂，费用比较昂贵。 ② 焊接前对接头加工、装配要求严格，间隙小而且均匀。 ③ 被焊工件尺寸和形状常常受到真空室的限制。 ④ 电子束易受杂散电磁场的干扰，影响焊接质量。 ⑤ X射线需要严加防护以保证操作人员的健康和安全。 ⑥ 能否焊接不导电材料？
电子束焊的工艺参数
（1）工艺参数主要有电子束电流、加速电压、焊接速度、 聚焦电流和工作距离等，真空度也有影响。 （2）一般说来，熔深和加速电压、束流成正比，和束斑直 径(受聚焦电流影响)、工作距离、焊接速度成反比。电子束 焊接技术在核、航空、航天、汽车、压力容器以及工具制造 等工业中得到了广泛地应用。
电渣焊
铝热焊
熔化焊过程中的化学冶金问题与特点
冶金反应与焊接时材料所处的环境与条件（反应 物质、温度、时间、接触面积）有关
药皮反应区
药皮中较活泼金属被氧化；电弧气氛中增 加反应气体；提供熔渣
熔滴反应区
反应：气体渗入，氧化还原反应，渗硫、 磷等，利于吸热反应的进行 结果：增氢、氧、氮，渗锰、硅，氧化， 渗硫、磷等
熔池反应区
反应：前方继续熔滴反应区反应，后方降 温，利于放热反应的进行，脱氧等
反应结果
成分发生变化：C、Si、Mn; O 、H、 N；S、P 性能变化：塑性、韧性 影响程度与： ① 周围介质 ② 金属本身的活性：如Ti在300℃以上吸氢、600℃ 以上吸氧、700℃以上吸氮→需真空或Ar中熔炼 和浇注，焊接时300℃以上范围内保护→否则变 脆，如激光焊接时的保护 ③ 加热温度：温度越高→反应激烈→成分性能变化 越显著
焊接气氛及其对金属的作用与控制
熔化焊时焊接区的气体及其来源
主要气体：N2、O2、H2、H2O、CO2 主要来源： （1）焊接材料： 焊条药皮、焊剂及药芯焊丝中的造气剂、高价氧化物 和水分等都是气体的重要来源。 （2）气体保护焊的保护气体： 采用的CO2及其中的杂质（如氧、氮、 水气等）。 （3）热源周围： 空气是一种难以避免的气体源。 （4）焊丝表面上的和焊接区母材的铁皮、铁锈、油污、 油 漆和吸附水等。 只有原子或离子态的气体才能溶入金属
氮对金属的作用及其控制
氢的溶解及其有害作用
氧对金属的作用及控制
焊接熔渣及其性能
熔渣作用
1）机械保护作用：液态和固态熔渣隔离空气，防 止液态和固态被加工金属氧化 2）冶金处理作用：脱氧、脱硫、脱磷等，使金属 净化；还可以使金属合金化等 3）改善焊接工艺性能：电弧容易引燃，稳定燃烧 及减小飞溅，还能保证良好的操作性、脱渣性和焊 缝成形等。
类型与组成
熔渣主要由氧化物和盐组成，主要有三种类型 1）盐型熔渣：氯化物和氟化物为主，一般为惰性。 CaF2-NaF、BaF2-BaCl2-NaF 2）盐-氧化物型熔渣：氟化物和强金属氧化物， CaF2-CaO-SiO2、CaF2-CaO-Al2O3 3）氧化物型熔渣：主要由氧化物组成，一般为活性 熔渣。MnO-SiO2、FeO-MnO-SiO2
碱度
物理性能
熔点、粘度、表面张力影响保护效果、冶金反应 和工艺性能（影响熔渣的作用）
熔点
应与金属熔点相适应，否则影响保护和成 形,还影响冶金反应；熔点与组成物有关。
粘度
表面张力
冶金性能
碱度起决定作用
熔渣对金属的氧化与脱氧处理
氧化
扩散氧化
温度
熔渣碱性
熔渣中FeO的含量
置换氧化
温度
熔渣碱度
氧化物含量
金属元素原始含量
脱氧
脱氧剂
脱氧剂对氧的亲和力应比需要还原的金属大。
脱氧产物不溶于液态金属，且熔点合适、密度小、易排 出。
脱氧剂对金属的性能及工艺的影响，还应考虑成本。
先期脱氧
扩散脱氧
沉淀脱氧
焊缝金属渗合金反应
焊缝金属中硫和磷的控制
来源
焊条药皮和焊剂
S与钢的作用
P与钢的作用
S和P的控制
脱S反应
置换反应脱S
扩散脱S
脱S的困难
脱P反应
碱度
温度
CaO的含量
脱硫脱磷的矛盾
保护措施
熔渣保护
气体保护
惰性气体
活性气体
混合气体
真空保护
熔化焊接头
熔化焊接头形成
概述
熔化焊接头形成过程伴随物理冶金（相变）、化学冶金和力学过程。
接头形成过程
焊接热过程
加热和冷却速度快、高温停留时间短
不同位置热过程不同
焊接化学冶金过程
影响成分、组织和性能
控制S、P、O、N、H等杂质，净化焊缝。
其他措施，如合金化，视材料不同进行不同合金化或其他措施
焊接物理冶金过程
不同位置、热过程不同、物理冶金过程不同
焊缝经历熔化、凝固（和固态相变），是铸态组织；
靠近焊缝存在组织性能发生变化的 “热影响区”，主要存在固态下的物 理冶金过程。
HAZ中位置不同、所经受的热循环不同，物理冶 金过程不同、组织和性能不同。
焊接冶金过程的特点
不平衡，非平衡冶金过程
接头的组成
接头特点
不均匀性
内应力
缺陷
焊缝金属的组织与性能
焊接熔池的凝固
焊接熔池的特征
熔池的体积小
熔池的温度高
液态金属处于运动状态
存在搅拌和对流
熔池界面的导热条件好
界面温度梯度大
熔池凝固的特点
联生结晶（外延结晶）
焊缝凝固依附于母材、并与母材形成共同晶粒
择优成长（竞争成长）
熔池内部温度高、无法形核
温度梯度大，联生晶粒容易以柱状晶形式生长
结晶位向与最大散热方向接近平行时生长速度快
凝固速度
柱状晶成长速度
R=v·cosθ
v-焊接速度，θ-结晶方向与焊接方向夹角
柱状晶成长的最大速度，不可能超过焊接速度
结晶潜热及其它附加热的作用，晶体生长有波动。
凝固组织的形态
凝固组织形态与结晶前沿成分过冷区相关， 成分一定时取决于温度梯度与结晶速度
焊缝金属和熔合区的化学成分不均匀性
焊缝
微观偏析（显微偏析）
枝晶偏析
先结晶的晶轴中含有较多的高熔点组元， 后结晶的次晶轴以及枝间区域含有较多的低熔点组元
晶界偏析
树枝晶体之间最后凝固部分（晶界区）积累了更多的 低熔点组元和杂质元素，晶界偏析比晶内偏析更严重
影响因素
合金相图的形状、原子的扩散能力及凝固时的冷却条件、其他元素等
影响
机械性能（特别是塑性和韧性）降低，热裂倾向增加，耐腐蚀性能降低
消除方法
加热到焊缝金属固相线以下100℃~200℃进行较长时间的扩散退火（均匀化退火）
宏观偏析（区域偏析）
非平衡凝固造成区域之间的成分偏离（差别）
焊缝熔池小、运动下结晶、熔池搅拌作用，宏观偏析不明 显，只有在柱状晶的对生处出现一些杂质集中的偏析区，
从减少杂质偏析的影响出发，宽焊缝比窄焊缝有利
熔合区
熔合区不仅存在化学成分的不均匀性，也存在物 理冶金上的不均匀性。因此，组织和性能不均匀
异种材料焊接时，问题更突出
焊缝金属的组织
对钢焊缝而言，高温奥氏体将在不同温 度区间转变为铁素体、珠光体、贝氏体及马氏体 ，在室温下得到相应的混合组织。
等温转变曲线（TTT曲线）
连续冷却组织转变CCT曲线
铁素体转变
晶界铁素体
由奥氏体晶界首先析出
侧板条铁素体
从PF的侧面以板条状向晶内成长
针状铁素体
在原始奥氏体晶内以针状分布
细晶铁素体
在奥氏体晶内形成
珠光体转变
很少能发生珠光体转变，除非在很缓慢的冷却条件下如预 热、缓冷和后热等，才有少量珠光体存在。
贝氏体转变
马氏体转变
焊缝组织与性能特点
加热冷却速度快、最高温度高
联生结晶、柱状晶、枝晶偏析、晶间偏析、层状 偏析；平面晶/胞状晶/树枝晶/树枝等轴；
铸态组织，晶粒粗但一般比铸锭细、有偏析但不 如铸锭严重，易存在气孔和夹杂；
固态相变与热处理不同：成分、热过程不同
焊缝塑性、韧性相对要低一些
焊缝金属性能的控制
焊缝合金化与变质处理
焊缝合金化的目的是保证焊缝金属的焊态强度与韧性
可以有效地细化焊缝组织，提高韧性
工艺措施
采取振动结晶、焊后热处理等措施
焊接热影响区的组织与性能
热影响区的热循环特点
焊接热循环
在焊接过程中，焊件上某点温度由低到高，达到最大值以后 又由高而低随时间的变化，称为“焊接热循环”
HAZ中距离焊缝位置不同点，焊接热循环不同，焊后组织及 性能也不同。
焊接热循环的主要参数
加热速度
最高温度
高温停留时间
冷却速度或冷却时间
HAZ组织分布
熔合区、过热区、相变重结晶区和不完全重结晶区
HAZ的性能变化
HAZ的硬化
低碳奥氏体快速冷却形成低碳马氏体
HAZ的脆化
粗晶脆化、析出脆化、组织脆化、氢脆
组织脆化
魏氏组织和孪晶马氏体， M-A组元脆化和上贝氏体脆化
HAZ的软化
过时效会造成软化
HAZ韧化
韧性
强度和塑性的综合表现
HAZ中的熔合区与过热区以及不完全相变区是韧性较弱区
改善HAZ韧性的措施
调整低合金高强钢的成分与HAZ组织状态
母材不易出现脆化组织，对钢而言，针状铁素体、下 贝氏体、低碳马氏体、奥氏体等塑性、韧性相对较好
工艺因素
合理制订焊接工艺，正确选择焊接线能量、预热温度， 必要时预热。避免出现脆性组织
冶金缺陷与控制
焊接缺陷
焊接接头中常会存在不连续性、不完 善性，还可接受的不连续性即称为“缺欠”。
当缺欠发展到对焊接结构的使用性能 构成危害时则成为“缺陷”。
工艺性缺陷
未焊透、未熔合、烧穿、咬边、 焊瘤、凹坑、塌陷、变形等
冶金缺陷
偏析、气孔、夹杂、各种裂纹（热裂 纹包括结晶裂纹、液化裂纹、多边化裂纹，冷裂 纹，再热裂纹，层状撕裂，应力腐蚀裂纹等）
焊接中的气孔
气孔形成过程
气孔形成的各阶段：生核、长大、上浮
生核条件
纯液态金属中气泡难以自发形核
实际液态金属中存在大量的现成表面， 高熔点质点、熔渣、凝固了的枝晶表面等， 可作为气泡生核的衬底。
相邻枝晶间的凹陷处最易产生气泡
气泡长大条件
长大条件
内压>外压
近似：内部气体压力>大气压+表面张力引起的附加压力
条件分析
气泡独立生长，r太小，2σ/r很大，气泡难稳定长大
在现成表面生长且又是椭圆形，r较大，利于气泡生长
气泡上浮条件
气泡脱离
cosθ＝(σ1,g－σ1,2)/σ2,g
能使θ变小的因素都有利于气泡脱离。
上浮
气泡是否产生气孔的条件
Ve（气泡上浮速度）≤R（金属凝固速度）
Ve＝K(ρL－ρG)gr2/η
影响因素分析
一般情况：ρL＞ρG，轻金属易产生气孔
气泡半径r越小，上浮速度越小，反而易形成气孔
凝固速度R越大，易产生气孔
粘度η越大，易产生气孔
气孔形成原因
析出性气孔
高温时大量气体溶入液态金属中，但凝固时 由于溶解度陡降而导致气体析出。
反应性气孔
液体金属冶金反应产生 [C]+[O]=CO [FeO]+[C]=CO+[Fe] [MnO]+[C]=CO+[Mn] （CO不溶于钢液中） [SiO2 ]+[C]=2CO+[Si] Cu2O+2[H]=2[Cu]+H2O(g)（不溶于Cu中）
影响因素：[FeO]和[C]偏析、冷速大、温度低的区域易形成 气孔。
气孔的有害作用及防止
有害作用
减小有效截面
造成应力集中
成为疲劳裂纹源
降低气密性、塑性和耐腐蚀性
气孔的防止措施
氮
来自大气，加强保护
氧
来自大气、氧化物，加强保护和脱氧
氢
来自水、矿物和有机物
烘烤、降低氢分压，将氢转变为不溶于液体金属的化合物。 （CaF2）或氧化性使氢化合成不溶于金属的HF或OH
当用提高氧化性来降低含氢量时，会导致金属含氧量增 加，控制不当时可能会出现CO气孔。
焊接中的夹杂
分类
内生夹杂
主要来自冶金反应的产物
如脱氧、脱硫产物以及杂质元素硫、氮和氧等偏析造成 局部浓度过饱和后以化合物或低熔点共晶体的形式析出形成夹杂。
外来夹杂
例如焊接时的熔渣等偶然搅入液体 金属形成的夹杂，其特点是无一定形状、而且尺寸特别大。
主要有氧化物、氮化物、硫化物等几种
夹杂物的影响与控制
夹杂物对焊缝性能的影响
降低焊缝金属的韧性
增加低温脆性
增加热裂纹倾向
防止焊缝中夹杂物的措施
原材料、脱氧、脱硫、工艺
选用合适的焊接规范，以利于熔渣的浮出
多层焊时，应注意清除前层焊缝的熔渣
焊条要适当的摆动，以便熔渣浮出
操作时注意保护熔池，防止空气侵入
原材料中夹杂物较多，势必造成焊缝中产生夹杂物
焊接裂纹
焊接裂纹的分类及其特征
焊接裂纹
在焊接应力和它致脆因素共同作用下产生的裂纹
按照宏观形态及其分布分类
纵向裂纹、横向裂纹和星型裂纹
焊缝中裂纹、熔合区裂纹和热影响区裂纹
焊缝根部裂纹、热影响区根部裂纹、 焊趾裂纹、焊道下裂纹及弧坑裂纹等
按照焊接裂纹的产生原因与特征分类
热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀裂纹
焊接裂纹的特征
热裂纹
凝固裂纹
形成机理
凝固过程中（材料受到的拉伸应变）≥ δmin（材料本身具备的塑性）
影响因素
合金元素对凝固裂纹敏感性的影响：使凝固温度区间大的裂纹敏感性较大
晶间易熔物质数量及其形态对凝固裂纹倾向的影响
一次结晶组织及其形态对凝固裂纹敏感性的影响：晶 粒细化、方向性不明显开裂敏感性低
工艺因素的影响：拘束度大、冷却速度大、温度不均 匀均易开裂
控制措施
冶金措施
降低S、P含量，改变结晶模式，改变液膜形态等
工艺方法
冷速和温度均匀性的控制等
力学方法
减少拉应力
焊接中的焊接方法选择
固相焊接
高温液化裂纹
在焊接热循环作用下，晶界产生液膜在拉应力的作用下开 裂，形成高温液化裂纹
含有Cr和Ni的高强度钢、奥氏体钢以及某些镍基合金和铝合金的热影响区或多层焊的层间部位，在固相线以下稍低的温度开裂，当母材和焊丝中S、 P、Si和B含量偏高时，敏感性显著增大。
形成原因
凝固裂纹类似--液膜有关，但形成机理有所不同。 液化裂纹的液膜并非在凝固过程中产生， 而是由于加热过程中晶界局部熔化形成的液膜。
产生液化裂纹的两种情况
晶界存在低熔杂质：FeS（1190℃）Ni3S（645℃ ）Fe3S （1160℃）Ni3 S2（1150℃）
快速加热（如焊接或激光重熔）时，第二相来不及熔入 而引起的低熔点共晶反应（α＋β共晶反应）。
有害作用与控制
有害作用
裂纹本身并不大，但它能诱发其 它裂纹如结晶裂纹和冷裂纹等
控制
裂纹的产生与合金成分的设计及纯 度有关，消除HAZ中的裂纹较难。锻造时控 制温度及燃料的含硫量。母材晶粒细有利。
冷裂纹
概念
材料在较低温度下脆化引起的裂纹
特点
往往产生于工作温度范围，产生的温度较低（如Ｍs～室温）
在工作应力下可能迅速发展，非常严重，造成灾难事故
分类
根据被焊钢种和结构的不同，冷裂纹可以 进一步划分为延迟裂纹（钢中氢致裂纹）、淬硬 脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。
延迟裂纹/氢致延迟裂纹
特点
不在焊后立即出现，而是有一定的孕育期，具有延迟现象
影响因素
钢种的淬硬倾向、接头的应力状态和熔敷金属中扩散氢的含量
扩散氢的影响
钢中氢的种类
扩散氢
具有活动能力的过饱和氢
残留氢
通过扩散进入金属缺陷后成为分子氢，失去了进一步活动能力。
扩散氢与氢致裂纹
当扩散氢在扩散过程中出现氢的局部集聚 （相变诱导扩散、应力诱导扩散、浓度扩散）， 局部含氢量超过一定的临界值后会发生氢脆， 形成氢致裂纹
当氢的扩散速度很快，则能迅速达到金属 表面而逸出——不会形成氢致裂纹。例如，当 T>100℃时的高温状态
当氢的扩散速度很小，即受到抑制时如 T<-100℃，即使经历很长时间后也不会形成延 迟裂纹
组织的影响
钢材组织的影响
淬硬组织容易产生
硬度低、塑性好不会产生冷裂纹；硬度高、塑性差（硬脆）易产生冷裂
析出相的影响
弥散分布时能吸氢、降低扩散氢含量，降低氢脆倾向
析出于奥氏体晶界或马氏体、贝氏体板条界时，一方面对此部分产 生脆化，另一方面促使氢在此集聚，容易引起晶界脆化（如回火过 程中析出杂质P）
非金属夹杂物
当有MnS夹杂且形状不利（如条状、细长、纺锤状）时，与基体结 合强度低，且在高应力区时，氢集聚，易产生裂纹；
但硫含量较少时，形成细小球形CaS·MnS复合硫化物或稀土硫化 物时，增加了氢陷阱，降低了氢脆
应力的影响
应力对氢致裂纹的影响
氢含量、组织和应力的综合影响
裂纹敏感指数PC和PW
氢致裂纹的预防措施
降低[H]扩散：低氢材料，低氢加工工艺，预 热、后热（脱氢处理），缓冷等。
改善组织，减少淬硬组织，预热
降低内应力：降低拘束度，提高均匀度，消 应力处理
淬硬脆化裂纹
一些淬硬倾向很大的钢种，即使没有氢的诱发，仅在拘 束应力的作用下，也能导致开裂。这种开裂即称为淬硬脆化裂纹
焊接含碳较高的镍铬钼钢、马氏体不锈钢、工具钢以及异种 钢时均有可能出现这种裂纹，它主要是由冷却时马氏体相变产生的脆性 造成的，没有延迟现象，焊后立即发生，有时出现在热影响区，有时出 现在焊缝中，沿奥氏体晶界断裂，呈冰糖状
低塑性脆化裂纹
某些塑性较低的材料，焊接后冷却至低温时，由于 收缩应力而引起的应变超过了材质本身所具有的塑性储备，或材质变 脆而产生的裂纹，称为低塑性脆化裂纹
例如铸铁补焊、堆焊硬质合 金和焊接高铬合金时，就会出现这种裂纹。由于是在较低温度下产生 的，所以也是属于冷裂纹的一种形态，但没有延迟现象
再热裂纹
概念
金属材料（如低合金、珠光体耐热钢、沉淀强化高温合金、 以及某些奥氏体不锈钢等）在加工后热处理，或高温 （500～600℃）运行时产生的裂纹
特点
晶内强化机制：含有一定的沉淀强化元素（Cr、Mo、V、Nb、Ti等）
沿晶断裂
与温度密切相关（敏感温度）
晶间弱化机制：S、P、Sb-antimony-锑（ti）、Sn、As –arsenic-砷等 元素的晶间析集）
应力腐蚀裂纹
概念
材料在特定环境下，承受拉应力时产生的一种延迟破坏现象
特点
裂纹成长速度0.03mm-4mm/h，比全面均匀腐蚀快2- 1000倍，很危险。 例如日本HT80钢制造的LPG（液化丙烷气） 球罐在使用一周后因H2S应力腐蚀裂纹而泄漏
条件
材质、腐蚀环境（或介质）、应力共同作用。还有 一定的温度条件
影响因素
材质与环境有一定的匹配关系。腐蚀环境一般是弱腐蚀介 质。 应力为拉应力：（ σ s ≥） σ ＞ σ th时裂纹产生。 一般来说纯金属中很少发现应力腐蚀裂纹 高强钢，屈服极限σ s越高， 临界应力σ th越低，产生应力 腐蚀裂纹的敏感性越大 工程事故统计表明，引起裂纹的应力主要是加工时造成的 残余应力而非外加的工作应力。
形成机理
应力阳极溶解开裂（APC）Active path corrosion和 阴极氢脆开裂（HEC）Cathode hydrogen embrittlement高强度材 料易发生HEC型SCC，低强度材料易发生APC型SCC
裂纹形成过程
表面形成一些稳定的腐蚀裂纹源（应力集中 部份-如冶金缺陷、晶界腐蚀、小孔腐蚀处）→拉应力作用下 表面保护膜发生破裂→裸露于介质中的金属发生阳极溶解， 并形成新的保护膜（钝化膜）→钝化膜破坏，阳极再溶解→ 裂纹扩展（纵向、横向，呈树枝状或根须状）
断口
沿晶开裂（低碳钢，低合金钢，铝合金，α黄铜，镍 基合金）穿晶开裂（β黄铜，在氯化物介质中的奥氏体不锈 钢）混合型开裂（在硫酸、亚硫酸、HCl+HN03 +HF中的奥氏体不锈钢SCC），断口面上一般会发现有腐蚀产物
防止措施
正确选用材料：与腐蚀介质不匹配原则,或极弱腐 蚀介质。控制腐蚀介质的含量：如对HT50-HT80钢，[H2 S]＜0.01％。避免应力集中：结构设计减少应力集中，去应力 退火处理等。
焊接方法和技术
焊接方法选用
产品结构类型
结构类产品
机械类产品
半成品类产品
微型电子器件
被焊件厚度
接头形式和焊接位置
母材性能
物理性能
力学性能
冶金性能
技术水平
设备条件
焊接用消耗材料
焊接技术发展趋势
不断提高焊接生产率
全过程的机械化和自动化
逐步实现焊接过程的自动化和智能化
研究和开发新的焊接热源和焊接工艺
应用绿色节能技术
新兴工业和高新技术推动焊接技术的发展
增材制造
概述
定义
基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的 科学技术体系，统称为三维打印，也就是广义上的三维打 印，也称为增材制造（additive manufacturing，AM；英 文也曾写作material increase manufacturing，MIM）。
美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造给 出的定义：依据三维模型数据将材料连接制作物体的过程， 相对于减法制造，它通常是逐层累加的过程。
传统的减材制造是通过模具、车铣对原材料进行定型、切 削、去除，从而最终生产出成品；增材制造则是无模具的直接近净成形技术，采用材料逐渐累加的方法制造实体零 件，它将三维实体变为若干个二维平面薄层，通过对材料 处理并逐层叠加进行生产，最终形成物件。
特点
① 不需要复杂的工艺和模具、众多的人力;
② 直接从计算机图形数据生成任何形状的零件;
③ 产品生产向设计／制造／材料三位一体的模式发展;
④ 由传统大规模、批量生产的模式向个性化、订制化、 小批量生产的模式转型;
⑤ 增材制造技术具有数字制造、降维制造、堆积制造、 直接制造、快速制造等五大技术特征;
⑥ 增材制造技术的核心是数字化制造与材料科学的结合， 它是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离 散和数控成型系统，利用激光束、电子束或其它能源、 热熔喷嘴等方式将金属粉末或丝材、陶瓷粉末、塑料、 细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成 型，制造出实体产品。
发展及分类
开始于上世纪80年代，最初主要用于制造原型， 称快速原型制造，RPM (Rapid Prototyping Manufacturing)，90年代后又开始研究高性能金属构件的增材制造和生物组织与器官的培养；
增材制造技术按材料和用途可以划分为非金属模型及构件的增材制造（快速原型制造）、生物组织及器官培养（生物制造）、高性能金属构件的增材制造（直接制造）
区别
非金属材料增材制造以制造原型或模型为主，材料主要是熔点较低的树脂基高分子材料，所用的 能量也是以低功率能源（如小功率紫外激光、小功率切割激光等）为主，所制造的零件的机械性能无法达到真实金属零件的性能。
高性能金属构件增材制造制造真实金属零件， 材料为钛合金、高温合金、高强钢以及铝合金等 金属材料，热源为高能束流(电子束、激光束、电 弧等)，所制造零件的机械性能可以达到或接近金 属塑性成形件的性能。
非金属模型及构件（快速原型制造）
基础内容
内容
非金属材料增材制造主要用于制造原型、模型
原型：新产品或新零件的物理模型，使零件形象 化并可进行一定的测试和评估。
两类原型技术：（1）材料去除工艺和（2）材料 增加工艺。
材料去除工艺：初始材料为易加工材料蜡、木材、 塑料、或易加工金属，利用专门的数控机床（一 般是小型的台式机床）根据零件的CAD模型进行。
材料增加工艺：自下而上逐层增加材料来制造一 个实体零件。可以是液体光敏树脂经逐层固化后、 也可以是粉末经过逐层集聚和连接、还可以是层 片材料经过逐层连接。
程序的产生
几何造型：CAD系统建立元件的模型，定义其包含 的体积，常用实体建模技术。
几何模型的曲面细分：CAD模型转化成一种格式， 使其表面用三角形或多边形近似，顶点做标志以 区别内外表面。快速原型制造中常用的曲面细分 格式是STL，STL已成为几乎所有RP系统的事实上 的标准输入格式。
将模型分层：将STL格式的模型分割成密集的平行 水平层，层一般在X-Y平面内、沿着Z轴方向逐层 分割，每层STL文件产生一个固化或沉积或烧结的 路径，由RP系统按此路径将这层固化。
优点
（1）可以自动、快捷地将设计思想物化为具有一定 结构和功能的原型产品，从而可以对产品设计进 行快速评价、修改及功能实验，有效地缩短了产 品的研制周期。快速
（2）可以不使用刀具、模具等传统工具而制作各类 零部件，开辟了零件制造的新途径，并为目前尚 不能制作或难以制作的零件和模型提供了一种新 的制造手段。可以做复杂的
（3）可为CAD/ CAM 系统提供极具实用价值的技术 支持，使通过CAD 获得的几何图形实体化。
制造工艺
分类
（1）基于液体
（1）光固化法（Stereolithography，STL）
（2）掩膜固化法（Solid Ground Curing，SGC）
（3）微滴沉积制造（Droplet Deposition Manufacturing，DDM）。
（2）基于固体
（1）叠层制造（Laminated- Object Manufacturing，LOM）
（2）熔融沉积（Fused- Deposition Modeling，FDM）
（3）基于粉体
（1）激光选区烧结 （Selective Laser Sintering，SLS）
（2）三 维打印（Three-Dimensional Printing，3DP）
基于液体
（1）光固化法（STL）
最早的增材RP工艺，1988 年提出。是一种用液态光敏树脂经定向激光束固 化后制造成实体塑料零件的工艺，逐层完成零件 的制造，后层添加到前层逐渐形成所要求的三维 几何造型。点、线、面、体
光固化法的设备组成包括：①一个在盛有光敏液 体树脂的容器中可以垂直移动的平台，②一个在 X-Y方向可控移动的激光束。
每层大约0.076-0.50mm厚，层薄分辨率好、可制 造复杂件、但时间长；激光扫描速度在500- 2500mm/s。
成形后光敏树脂的95%已固化，零件要放到荧光炉 中“烘烤”以使聚合物完全固化。多余的聚合物 可以用酒精去除，有时表面也进行轻轻打磨以改 善表面光洁度和外观。
（2）掩膜固化法（SGC）
SGC也是基于CAD几何数据逐层固化光敏树脂而形 成三维实体模型的。但SGC是通过在液体树脂表面 放置掩膜把整层都暴露在紫外光源中，每层硬化 时间是2-3s。
与光固化法不同，SGC制成的原型后续不需要进行 再固化。其优点是对光敏树脂进行截面曝光，单 层成形时间基本一致，因此成形效率较高，尤其 是加工大尺寸零件时效率提高更为显著；其次是 不需设计支撑（因为罐蜡）；此外，由于每一层 均经过铣削，故加工过程中树脂的收缩变形不会 影响零件的最终尺寸。
过程
①准备掩膜；
②工作平台表面分布一层 液体光敏树脂；
③表面放掩膜、高功率紫 外光曝光，无掩膜部分固 化，被盖住的部分仍然是 液态；
④去掉掩膜，将表面中留 有的液体树脂要擦掉和吸 走；
⑤空白区域注入热蜡，硬 后作为零件悬空部位的支 撑；
⑥蜡冷却固化后，用铣刀 铣平到一定厚度，准备下 一层液体树脂的涂覆。
（3）微滴沉积制造（DDM）
通过熔化初始材料并注射微滴到已经制成的前一 层表面，微滴冷焊到表面形成新的一层，每一层 微滴的沉积由沿X-Y移动的喷嘴头控制，移动的轨 迹取决于CAD几何模型分层形成的截面（与已经提 到的其它RP系统相同），每层完成后，零件的支 撑平台根据层厚下降一定距离，准备进行下一层。
DDM采用的工作材料包括蜡和热塑性塑料，也有试 验采用低熔点金属，如锡、锌、铅、铝等。通常 用蜡作为工作材料，喷头采用压电振荡器，每秒 钟能喷射10000-15000个蜡的微滴，微滴直径比较 均匀，在0.076mm，微滴撞击到零件表面后变平成 为0.05mm厚，各层沉积后表面铣平或进行热光滑 以达到Z向要求的精度。
基于固体
叠层制造（LOM）
先将零件的CAD模型分层分割，根 据分层的横截面切割薄层轮廓，再将各薄层堆叠连接起来 形成实体物理模型。切割之前先将薄层粘结到前层顶面， 切割后层中多余的材料还留在其中以支撑零件。初始材料 可以是任何薄层状的材料，如纸、塑料，纤维素，金属， 或纤维增强材料，层厚在0.05-0.50mm。所有层都完成后， 将零件与多余的材料分开，零件可以用砂纸磨光或把边折 弯，建议用聚氨酯、环氧树脂或其它聚合物封装以防止吸 潮和破坏。
熔融沉积法（FDM）
将蜡丝或树脂细丝从工作头挤出到 已成形的零件表面完成新的一层。初始材料是固 体的丝材，典型直径是1.25mm， 丝材从卷轴送进 工作头、在被挤到零件表面之前加热到熔点之上 0.5℃，挤出的材料在大约0.1秒的时间内凝固并 冷焊到已冷却的零件表面，零件由底向上、与其 它RP系统一样，一层一层地制造。
层的厚度在0.05mm-0.75mm之间，每秒可以通过口 径0.25mm和2.5mm的挤出头沉积400mm长左右的丝 材（1.25mm直径每秒沉积~490mm3)。初始材料可 以是蜡或其它几种树脂，包括ABS，聚酰胺、聚乙 烯等，这些材料无毒，FDM设备可以在办公室环境 中安装。
基于粉体
（1）激光选区烧结 （SLS）
移动的激光束烧结CAD 分层模型中与本层相对应区域的易烧结粉末，一 次烧结一层，一层完成后，铺平新一层的粉末， 粉末预热到熔点以下温度以利于连接和减小变形， 逐层将粉末烧结成固体形成三维零件造型，激光 没有烧结的区域粉末成松散状态在制造过程中起 到支撑作用、制造完成后可以从已烧结的零件中 清出。
层厚一般在0.075-0.50mm。工作材料可以有多种 选择，包括聚氯乙烯、聚碳酸酯、涤纶、聚氨酯、 ABS、尼龙和熔模铸造石蜡，这些材料比光敏树脂 便宜、而且无毒，可以用低功率（25-50W）CO2激 光进行烧结，目前也有用金属和陶瓷粉末进行激 光选区烧结（但金属粉末激光选区烧结或熔化已 属于金属增材制造）。
（2）三 维打印（3DP）
用喷墨打印机将粘接剂材料喷射到已铺好的粉末材料上， 粘结剂材料是有选择地喷射到与固体零件横截面相对应的 区域，横截面仍然是由CAD分层模型确定，粘接剂将粉末 粘结一起形成固体，而没有粘接剂的区域粉末仍然松散的、 之后去除，这些粉末在成形过程中同样也可以起到一定的 支撑作用。
三维打印结束后，零件要进行热处理强化连接，之后再去 除多余的松散粉末，为进一步强化连接，还可以采用烧结 的方法连接粉末。
初始材料可以是陶瓷粉末、金属粉末、或金属陶瓷粉末， 粘接剂材料可以是聚合物或硅胶。
层厚一般在0.10-0.18mm，喷墨打印机头的移动速度在 1.5m/s左右，扫描加上铺粉每层周期可以在2秒以内。
应用
设计、工程分析和规划
1. 设计（Design）：RP系统最初应用的领域，为确 认设计制造物理实体模型，展示零件的特点和功 能。
2. 工程分析与规划（Engineering Analysis and Planning）：优化零件的美学作用；分析功能； 测试某些性能；应力分析；试生产、进行过程规 划和工装设计；规划外科手术、制造假肢或人体 植入物时提供模型。
问题
（1）零件精度；（2）材 料的种类有限；（3）零件的机械性能。
误差
影响零件精度的一些误差来源：（1）理论上的（数学因 素）；（2）工艺相关；（3）材料相关。
数学误差：分层时分层厚度与实际厚度的误差和表面进行 近似时带来的误差，厚度误差造成Z方向上的尺寸误差；
与工艺相关的误差：与使用的特殊零件制造技术相关，不 仅影响每层的形状、也影响相邻层的过渡；还影响Z向尺 寸精度。
与材料相关的误差：材料的收缩和变形，为补偿收缩带来 的误差，可以根据材料和工艺参数在进行CAD设计时适当 放大模型。
常用材料及其性能
高性能金属构件
材料：钛合金、高温合金、高强钢以及铝合金
热源：电子束和激光束为主，电弧和等离子弧等 热源也有应用。
制造方法
基于电子束热源的增材制造
电子束熔丝逐层堆积成形增材制造技术
在真 空室中，金属丝材送入电子束聚焦区，电子束将 丝材熔化形成熔池，电子束与熔池按照CAD／CAM 预先规划的路径移动，熔池凝固逐层堆积，成形 制造出金属零件或近净成形坯件。制造的钛合金 构件力学性能与锻件相当。
配套技术包括：专用材料的制备、专用装备、CAD ／CAM路径设计软件、工艺流程与后处理技术等。 核心技术内容包括逐层堆积成形路径的控制、缺 陷和变形调控技术、参数优化以及成形后热处理 等
电子束选区粉材熔敷成形增材制造技术
在真空室内，电子束在偏转线圈驱动下按CAD／ CAM规划的路径扫描，熔敷预先铺层的金属粉末； 完成一个层面的扫描后，工作箱下降一个层高。 铺粉器重新铺放一层粉末，电子束再次扫描熔敷， 如此反复进行，层层堆积，直接成形制造出需要 的零件。
配套技术包括：专用合金粉末的制备、电子束精 确扫描技术、精密铺粉技术、数据处理软件等核 心技术。
电子束物理气相沉积成形增材制造技术
在真空环境中，利用大束斑高能量密度电子束(20～40 kW)轰击待沉积材料靶坯、使之熔化、沸腾进而蒸发，金 属蒸气原子、粒子流沉积于零件或芯体表面重新凝结，成 为新的材料涂层或成形为新型结构件。
可以用多个电子枪通过沉积不同的材料进行电子束物理气 相沉积复合结构材料。
基于激光热源的增材制造
激光熔覆增材制造（LMD）
通过快速成形技术和激光熔覆技术有机结合，以 金属粉末或丝材为加工原料，采用高能密度激光 束将粉末或送入在激光加热区的金属丝材逐层熔 覆堆积，从而形成金属零件。
LMD 系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路 系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉 （丝）系统及工艺监控系统等。
基本过程
（1）将连续的三维CAD 数模离散成具有一定 层厚及顺序的分层切片；（2）提取每一层切片所产生的 轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫 描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程 序；（3）将激光溶化沉积腔抽真空，并充入一定压力的 惰性保护气体，防止金属熔化时被氧化；（4）计算机控 制送粉（丝）系统向工作台上的基板喷粉（或送丝），同 时激光器在计算机指令控制下，按照预先设置的扫描程序 进行扫描，熔化喷洒出来的粉末或送进的丝材，熔覆生成 与这一层形状、尺寸一致的熔覆层；（5）激光阵镜、同 轴送粉喷嘴等整体上移（或工作台下移）一个切片厚度并 重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD 模型所设计的 形状，加工出所需的金属零件,其实质是计算机控制下的 三维激光熔覆。
激光铺粉选区熔敷增材制造（SLM）
由选区激光烧结技术（SLS）发展而来，以金属粉 末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金 属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零 件的制造技术。
SLM 设备包括激光器、激光阵镜（激光扫描器）、 粉末碾轮、粉末储存室、零件成型室等。
在惰性保护气氛环境中，层厚为20～100μm。
激光束的品质、粉材的颗粒度、层厚的尺度、过 程工艺参数控制等因数决定着激光选区熔敷增材 制造的精密程度。
铺粉选区熔敷AM与熔敷沉积AM相比
◦ 成形尺寸：相对较小，300mm以内 ◦ 成形材料：单一
◦ 制件复杂性：复杂 ◦ 成形精度：高
◦ 成形效率：低，约低一个数量级
基于电弧热源的增材制造
电弧熔丝增材制造（WAAM）
WAAM 一般采用商品化的CMT、MIG、TIG、 PA 等常用焊接电源，以及机器人或数控机床作为 焊枪的运动执行机构，逐点逐层熔覆增材
与激光、电子束铺粉AM技术相比
WAAM技术 热输入大、熔覆效率高，铝合金和钛合金沉积效 率达1kg/h以上，不锈钢及高强钢沉积效率达4kg/h 以上，基于铺粉的SLM、EBSM 技术沉积效率低 （0.01kg/h 左右）。
WAAM成形精度较低、应力和变形较大；而SLM、 EBSM 技术成形精度高，适用于小型复杂结构零 件的近净成形。
WAAM 成形构件的晶粒一般要更为粗大，力学性 能略低。
WAAM 具有设备投资 少、运行成本低、沉积效率高、材料利用率高等 特点，使大型金属构件的高效、低成本制造成为 可能，越来越受到国内外航空航天制造业的重视
电弧增材制造的不足之一是晶粒粗大造成的性能 略低，超声冲击、碾压等方法可以细化晶粒，提高性能。
发展历程
20 世纪90 年代中期，英国著名航空发动机公司罗 尔斯- 罗伊斯（Rolls-Royce）与克兰菲尔德大学 （Cranfield University）合作开展了高温合金的 WAAM 技术研究，并成功地将其应用于飞机发动 机高温合金机匣的制造生产中。
目前，WAAM 成形材料主要是钛合金、高温合金、 高强钢、不锈钢和高强铝合金。WAAM 大型钛合 金、铝合金结构尚未实现工程化应用，仍处于关 键技术研发阶段。
力学性能对比
成形件的冶金质量与性能
缺陷
影响成形件组织和性能的因素：基础工艺参数、气氛、 材料预处理、制件热处理等，粉末制备方法也有影响。
制件质量问题包括尺寸精度、表面质量和缺陷。
制件中容易产生的微观缺陷包括裂纹、孔洞、夹杂和 未熔合，缺陷的产生与工艺参数不当、存在应力和熔 合不良等因素有关。
塑性较好的钛合金制件，裂纹较少出现，主要缺陷是 微气孔和熔合不良，气孔呈球形，在成形件内随机分 布，气孔的形成与粉末材料的松装密度特性有关。熔 合不良呈不规则状，主要分布在层间和道间，与成形 特征参数是否匹配有关，主要影响因素包括能量密度、 多道间搭接率以及Z轴的单层行程。
不锈钢、高温合金快速成形时容易产生热裂纹。
控制
钛合金、高温合金等快速成形制件或经过热处理后的性能 可以达到与锻造件或粉末冶金件性能相当的水平。
快速成形件的晶粒大小与形态根据基体的材料与温度、快 速成形基础工艺参数等的不同而不同，根据凝固条件的不 同，可以形成粗/细等轴晶、柱状晶等晶粒形态。
• 在逐点沉积过程中通过控制输入熔池的能量密度、输入质量以及束斑尺寸, 控制熔池 形状, 进而实现对所制造构件宏观晶粒组织形态的控制;
• 通过控制不同沉积层的沉积路径、不同熔覆沉积层间的主温度梯度方向, 实现对不 同沉积层宏观晶粒取向的控制.
• 利用激光增材制造逐点熔覆沉积的特征以及熔池的高冷却速率, 还可制造大块非晶
AM组织和性能特点
冷却速度：102-106 K/s，快速凝固组织和相变组 织
非平衡：固溶极限扩大，晶内微观亚结构显著细 化；
熔池小，基本无宏观偏析，晶粒细、微观偏析范 围小、易在扩散退火均匀化；
熔池小、温度梯度大，不易出现缩孔缩松；
无宏观偏析、无缩孔缩松，亚结构细化的致密组 织，性能优于铸件、可接近锻件
AM制件性能
金属增材制造技术的应用
金属增材制造技术具有净近成形、材料利用率高，无 模具快速自由成形、复杂零件制造周期短、零件综合 性能达到或接近锻件性能等优点，适合用于制造材料 成本高、难加工、结构复杂的零件，在航空航天领域 得到广泛重视，已开始利用金属增材技术制造航空航 天零部件，材料体系涉及钛合金、高温合金、高强钢 和铝合金以及钴基、铌基材料、铼、铱、钽、钨等难 熔金属；铜-铝、TiAl 等金属间化合物；NiTi 等高 加工硬化率材料，目前钛合金零件的制造技术比较成 熟，已有应用。
为航天技术带来的效益
① 快速研发新型航空航天器。
② 显著减轻结构质量。
③ 显著节约昂贵的战略金属材料
④ 制造一些过去无法实现的功能结构包括：合理的 应力分布结构；理想的温度控制手段；振动频率 特征的调控；通过多材料任意复合等。
⑤ 通过激光组合制造技术改造和提升传统制造技术， 使铸造、锻造和机械加工等传统制造技术手段更 好地发挥作用。
⑥ 高性能成形修复：按缺损部位形状进行激光快速 成形就可以恢复零件形状。
主要特点及关键技术
特点
① 原位冶金／快速凝固“高性能金属材料制备”与“大型、 复杂构件近净成形制造”一体化，制造流程短。
② 晶粒细小、成分均匀、组织致密，综合力学性能优异， 可以达到或接近锻件的性能。
③ 无需大型装备、配套基础设施、模具制造，后续机械加 工余量小、材料利用率高、周期短、成本低。
④ “超常快速”响应能力，结构设计不再受制造技术的制 约。
⑤ 可以实现对包括钨、钼、铌、钽、钛、锆等在内的各种 难熔、难加工、高活性高性能金属材料的冶金快速凝固 材料制备和复杂零件的直接“近净成形”。
⑥ 可实现多材料、梯度材料等高性能金属材料构件的直接 近净成形等。
挑战和问题
（1）使用成本高（10-100元/g），大多数民用制造 领域无法承担其制造成本；
（2）制造效率低，如金属材料成形速率为100- 3000g/h；
（3）制造精度不能令人满意，对于绝大多数零件还 无法做到净成形；
（4）工艺装备尚未进行大规模工业应用。
关键技术
1. 智能化增材制造设备：包括多材料、多结构、 多工艺的增材制造装备；增材制造数据规范与软 件系统平台；材料工艺数据库建设和装备的智能 控制；增材制造装备关键零部件及系统集成技术。
2. 增材制造材料工艺与质量控制：面向增材制造 的新材料体系；金属构件成形质量与智能化工艺 控制；难加工材料增材制造成形工艺；增材制造 材料工艺的质量评价标准。
3. 功能驱动的材料与结构一体化设计：功能需求 驱动的宏微结构一体化设计；多材料、多色彩的 结构设计方法与智能化制造工艺集成；面向增材 制造工艺的设计软件系统。
4. 生物制造：个性化人体组织替代物及其临床应 用；人体器官组织打印及其与宿主组织融合；体 外生命体组织仿生模型的设计与细胞打印。
5. 云制造环境下的增材制造生产模式：增材制造 与传统制造工艺的技术集成；增材制造服务业对 社会化生产组织模式变化的影响；效益驱动的分 散增材制造资源与传统制造系统的动态配置；分 散社会智力资源和增材制造资源的快速集成。