工程材料及其成形技术第二、三总结

工程材料及其成形技术第二、三总结，绝大数工程材料的使用状态为固态，固态材料（物质）的结构即构成材料的原子（或分子）在三维空间的结合和排列状况，即晶体-原子(或分子)呈周期性规则排列或非晶体

第十章

• 固态材料的连接成形技术
  • 焊接成形过程
    • 焊接成形过程特征和理论基础
      • 影响焊接的主要因素：从焊接过程的物理本质考虑，母材接头可以在固态或局部熔化状态下进行焊接，影响焊接的主要因素有温度和压力。
      • 焊接
        • 融化焊
          • 电弧焊
            • 手工电弧焊
            • 气体保护焊
              • CO2保护焊
                • 可焊材料
                  • 碳钢、低合金钢
                • 适用范围及特点
                  • 生产率高，无渣壳，成本低，宜焊薄板，也可焊中厚板，长直或短曲焊缝
              • 氩弧焊
            • 埋弧焊
            • 等离子弧焊
          • 气焊
          • 电渣焊
            • 可焊材料
              • 碳钢、低合金钢、铸铁
            • 适用范围及特点
              • 较厚工件立焊缝
          • 电子束焊
          • 激光焊
        • 压力焊
          • 电阻焊
            • 点焊
              • 可焊材料
                • 碳钢、低合金钢、铝及铝合金
              • 适用范围及特点
                • 焊接薄板，接头为搭接
            • 缝焊
              • 可焊材料
                • 碳钢、低合金钢、铝及铝合金
              • 适用范围及特点
                • 焊接有密封要求的薄板容器和管道，接头为搭接
            • 对焊
              • 可焊材料
                • 碳钢、低合金钢、铝及铝合金
              • 适用范围及特点
                • 焊接杆状零件，接头为对接
          • 摩擦焊
          • 冷压焊
          • 感应焊
            • 高频焊
            • 工频焊
          • 爆炸焊
          • 超声波焊
          • 扩散焊
        • 钎焊
          • 硬钎焊
            • 铜焊
            • 银焊
              • 可焊材料
                • 一般为金属材料
              • 适用范围及特点
                • 常用于电子元件、仪器、仪表及精密机械零件的焊接，还可完成其他焊接方法难以完成的异种金属间焊接。但接头强度较低，接头多为搭接
          • 软钎焊
            • 锡焊
      • 焊接结构图
        • 选取材料
          • 材料矫正
            • 下料加工
              • 焊接（包括组装）
                • 变形矫正
                • 检验
                  • 后续处理
        • 按图划线放样
      • 电弧焊的冶金过程及特点焊接过程中的冶金反应不同于一般冶炼过程，有如下特点：①焊接电弧和熔池液态金属的温度远高于一般的冶炼温度，金属的氧化、吸气和蒸发现象严重；②接头熔池体积小，周围又是温度较低的冷金属，因此，接头熔池处于液态的时间很短，冷却速度极快，这样一方面不利于焊缝金属化学成分的均匀和气体、渣质的排除，从而产生气孔和夹渣等缺陷；另一方面，使焊接构件形成较大的热（内）应力，造成构件变形甚至开裂。电弧焊工艺采取的技术措施：①形成有效保护，限制空气侵入焊接区。如焊条药皮、焊剂、惰性保护气体等；②添加合金元素以保证焊缝的成分及进行脱氧、脱硫和脱磷。如通过焊条药皮或焊剂中添加合金元素、脱氧剂、脱硫剂等；③从构件设计和焊接工艺采取措施，以减小焊接应力，防止焊件变形和开裂。
        • 焊接接头组织与性能焊接接头包括两部分：一部分是在焊接时经过熔化、凝固的金属，叫焊缝；另一部分是紧靠焊缝受到加热、冷却作用发生组织变化的金属，称为热影响区。这两部分的组织性能，决定了最终焊接接头的性能。（1）焊接工件上温度的变化与分布在电弧热作用下，焊接接头金属都经历由常温状态迅速加热到一定温度，然后再快速冷却到常温的过程；且离焊缝越近的点其加热速度越大，被加热的最高温度也越高，冷却速度也越大。（2）焊接接头的组成（焊缝、熔合区和热影响区）和性能①焊缝和热影响区温度分布不均匀性以及焊接本身的特点，导致了焊缝区细小柱状晶组织的产生以及热影响区经历了不同规范的“热处理”，这就引起了焊接接头的性能变化；②结合相图分析热影响区的组织，得出焊接的薄弱环节在熔合区和过热区；③为提高焊接接头的性能，应减小热影响区的宽度。如采用合适的母材，正确的焊接工艺、焊接方法以及焊后热处理等措施。
      • 焊接应力与变形：焊接过程中，焊缝就相当于一个加热的杆件，焊缝周围部分可看成是具有一定的刚性拘束，焊缝(杆件)受热时不能自由伸长，冷却时不能自由收缩，这样最终在焊缝处产生拉应力，而周围金属产生压应力。刚性约束越大，最终产生的应力越大。若焊接构件刚性不足，承受不了焊接应力就会产生变形，焊件通过变形可削弱焊接应力状态。如果焊接应力超过焊接材料的强度极限，焊接件不仅发生变形，而且还会产生裂纹，尤其是低塑性材料更易开裂。
        • 焊接应力产生的结果，就会导致变形，应力和变形的存在影响了焊接件的尺寸精度和表面质量，降低了承载能力，甚至产生裂纹。因此，应通过合理的结构设计和必要的工艺措施两方面来减小或消除焊接应力与变形，如通过采用合理的焊接顺序(拼板时，应先焊错开的短焊缝，后焊直通的长焊缝)，焊接前预热，加热适当的部位(减小焊缝热胀冷缩的阻碍)，锤击焊缝，去应力退火等措施。
    • 金属常用的焊接成形技术
  • 金属材料的焊接
    • 金属材料的焊接性
      • 焊接性及其评定焊接性是指在给定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的能力。对一般的钢材来言，影响焊接性的主要因素是化学成分，因此常用碳当量：CE=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100％来评定材料的可焊性，碳当量越高，可焊性越差。另一种评定可焊性大小的方法是冷裂敏感系数法，可作一般了解。可焊性有两个方面的内容：一是焊接接头产生工艺缺陷的倾向，尤其是出现各种裂纹的可能性；二是焊接接头在使用中的可靠性。可焊性的各种实验方法就基于上述内容。
    • 常用金属材料的焊接
      • 碳钢的焊接按含碳量的大小来区别各种碳钢的焊接性。一般低碳钢的焊接性较好；而中碳钢的可接性较差，欲获得优质接头需采取一定的工艺措施如选用抗裂性好的碱性低氢焊条，焊前预热、焊后缓冷，合适的焊接方法和规范；高碳钢的很差，一般不焊接。
        • 合金结构钢焊接应根据合金结构钢的特点、碳当量的大小进行综合分析，CE≤0.4％，焊接性能接近低碳钢，常温下焊接时不用复杂的技术措施，便可获得优质的焊接接头。
      • 不锈钢的焊接不锈钢件焊接后接头易出现晶间腐蚀和裂纹，故在焊接工艺以及焊条等方面应采取一定的措施，如采用氩弧焊，小电流、快速焊、短弧焊、多层焊、强制冷却、焊后热处理等工艺，以保证焊接质量。
        • 铸铁的焊补铸铁的焊接性很差，工艺上可采用冷焊法或热焊法进行一些焊补工作。
      • 铜合金、铝合金的焊接铜合金、铝合金的共同点是易氧化、吸气、线收缩大等，因此在焊缝中易形成夹渣、气孔、裂纹等缺陷，焊接性能较差，工艺上应采取一定措施，如采用氩弧焊、使用焊剂等。
        • 焊接结构工艺性一般包括焊接结构材料选择、焊缝布置和焊接接头设计等
  • 焊接接头
    • 焊接应力：焊接过程中，对焊接件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。
    • 焊接变形：常见的焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等五种形式。
    • 减少焊接应力与变形的措施除了设计时应考虑之外，可采取一定的工艺措施，有预留变形量、反变形法、刚性固定法、锤击焊缝法、加热“减应区”法等。重要的是，选择合理的焊接顺序，尽量使焊缝自由收缩。焊前预热和焊后缓冷也很有效。

第二、三章

• 二、材料的内部结构、组织与性能
  • 材料的内部结构
    • 绝大数工程材料的使用状态为固态，固态材料（物质）的结构即构成材料的原子（或分子）在三维空间的结合和排列状况，即晶体-原子(或分子)呈周期性规则排列或非晶体
    • 金属材料（纯金属和合金的统称）的结构：由X射线结构分析表明，大多数纯金属呈体心立方、面心立方和密排六方这三种典型的结构，纯金属具有较好的导电、导热等理化性能，但其力学性能一般较低，价格偏高，在工业上很少作为结构件材料使用。实际中大量使用的都是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质——合金，合金的结构（又叫相结构），实际金属材料的晶体内部原子排列和结合并不象理想晶体那样规则和完整，原因在于金属材料由冶炼的高温向室温的凝固(晶体形成)冷却过程总是存在着一些现象：结晶的不完整性→晶体缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺陷），收缩性→缩孔、缩松、内应力等，其他现象如晶粒粗大、杂质、偏析、二次相析出等，这些现象造成了实际晶体及组织的不完整性，并
    • 有机高分子材料组成高分子材料的分子链的聚集状态有晶态（分子链在空间规则排列，如折叠状或平行状等），部分晶态（分子链在空间部分规则排列）和非晶态（分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态或无定形态）
    • 陶瓷材料陶瓷材料一般均为多组元系，其组成相可分为固溶体和化合物两大类，但其具体内容和组织组成物要比金属的金相组织复杂得多。陶瓷材料的组织由晶体相、非晶体相和气相构成，而晶体相是最主要的组成相。
  • 晶体材料的相图与组织形成
    • 金属材料（简称金属）的凝固由液体转变成固体的过程，称为凝固；若凝固所得到的固体为晶体，则称为结晶。通常，金属在固态下均是晶体，故金属的凝固又叫金属的结晶。
    • • 含碳量超过5%后铁碳合金变得很脆，而无实用价值；所以作为铁碳合金二元相图，左侧的组元为Fe，右侧的组元取Fe3C（即Wc=6.69%），已经是足够的了。铁碳合金相图特征：由包晶、共晶和共析三个部分构成，相图中共有五个基本相即相L，铁素体相F、高温铁素体相δ、奥氏体相A及渗碳体相Fe3C(属化合物)。由基本相所形成的铁碳合金的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体(一次、二次、三次渗碳体之分)、珠光体、莱氏体(有低温与高温莱氏体之分)。重要点：C、E、S、P 涵义、温度和浓度(含碳量）。重要线：ECF水平线—共晶反应线，合金在该线将发生液相的共晶反应L→A+Fe3C；ES线—碳在奥氏体中溶解限度线，随着温度降低奥氏体发生析出A→Fe3CⅡ；PSK水平线--共析转变线，合金在该线将发生奥氏体的共析转变AS→F+Fe3C（P)；GS线--奥氏体析出铁素体线，随着温度降低奥氏体发生析出A→F。相图中的点、线圈出了相或组织的区域并对应有温度和含碳量的范围。
  • 材料的组织与性能
    • 金属材料的组织与性能
      • 子主题
        • 从相图可知，随作含碳量的增加,其硬脆相Fe3C的数量一直呈直线增加，铁素体数量减少，导致硬度也呈直线增加，说明硬度指标对组织形态不敏感，同时塑性及韧性明显下降；其中的珠光体的数量也先是随作含碳量的增加而增加，到wC=0.77%时全部变为珠光体，之后因碳的增加而析出网状的Fe3CⅡ，这样就导致了强度先增加再降低的现象。显然网状的Fe3CⅡ对强度指标影响很大。当含碳量超过1.2%时，则形成以Fe3C为基体的莱氏体Le,性能硬而脆
    • 陶瓷材料的组织与性能
      • 瓷材料的许多性能既取决于它的化学矿物组成，也与它的显微组织密切有关， 其组成相可分为固溶体和化合物两大类，但其具体内容和组织组成物要比金属的金相组织复杂得多。陶瓷材料中除了晶体相外，还有非晶体的玻璃相和气相，它们对陶瓷材料的性能均起重要的作用。主晶相的性能往往标志着陶瓷的物理化学性能；玻璃相会使材料的物理、化学性能不均匀，在对陶瓷的机械、化学及电性能要求较高的情况下，应尽可能减少玻璃相的数量或改变玻璃相的组成，以改善性能；陶瓷材料的性能与气孔的含量、形状、分布有着密切的关系，气孔使陶瓷材料的强度、密度、导热率、抗电击穿强度下降，介电损耗增大。
    • 高分子材料的组织与性能
      • 聚合物的性能与其聚集态有密切的联系。晶态聚合物，由于分子链规则排列而紧密，分子间吸引力大，分子链运动困难，故其熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性等性能好，但透明度降低；非晶态聚合物，由于分子链无规则排列，分子链的活动范围大，故其弹性、延伸率、韧性及透明等性能好；部分结晶聚合物性能介于上述二者之间：随着结晶度增加，熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性、抗熔性及化学稳定性均提高，而弹性、延伸率、韧性、透明性则降低。线型（含支链型）高聚物一般是可溶可熔的，有较高弹性及热塑性，可反复使用。而体型高聚物则具有较好耐热性、难溶性，较高的硬度和热固性（不溶不熔），但弹性、塑性低，易老化，不可反复使用，且随交联密度的增加，弹性下降，而硬度增加（如硫化橡胶）
• 三、改变材料性能的主要途径
  • 金属的热处理
    • 钢的热处理1）钢的热处理原理：利用钢在加热和冷却时内部相（组织）发生转变。根据相变及其基本规律来确定钢热处理的加热温度、保温时间和冷却介质等有关参数，以达到改善其性能的目的
      • 子主题
    • 这些因素是制定热处理工艺时要考虑的基本问题。① 钢加热时奥氏体化的条件，主要是奥氏体的成分、均匀性及晶粒度 ② 冷却介质和冷却方式③ 零件的尺寸，由于零件表面和心部冷却速度不同，导致其组织不同④ 合金化，即改变钢的成分，从而改变C曲线的位置和形状及Ms点、Mf点的高
      • 改变金属整体组织的热处理有退火、正火、淬火和回火以及稳定化处理、固溶处理、固溶处理+时效等；改变金属表面或局部组织的热处理有表面淬火和化学热处理两大类。退火和正火常作为预备热处理；淬火+回火常作为最终热处理。钢的强化原理是获得马氏体随后经过回火来实现的
  • 金属的合金化改性
    • 合金化改性或强化金属材料的原理
      • 在金属材料中能有效地阻止位错运动
        • ①细晶强化：晶粒细化，强度增加，塑性也改善；②固溶强化：异类原子溶人晶体使强度硬度增加；③位错强化：增加位错密度使强度增加；④第二相强化：恰当尺寸的第二相硬粒子可以有效地阻碍位错运动，使强度、硬度、耐热增加。
      • 溶入基体
        • ①溶入奥氏体，阻碍铁、碳的扩散，提高钢的淬透性；②溶入马氏体的合金元素大多阻碍马氏体分解，使合金碳化物也不易聚集长大，从而可提高钢的抗回火软化能力，使钢在高温下仍能保持较高的强度、硬度和耐磨性。
      • 改变相变温度，得到单相组织（如奥氏体钢、铁素体钢等）
      • 形成钝化保护膜，提高耐蚀性和耐热性
  • 金属的形变强化
    • 塑变强化原理塑性变形造成晶格歪扭、晶粒变形和破碎，位错密度增加，出现亚结构，甚至形成纤维组织，当变形量很大时，还会产生变形织构现象等，从而使金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降，即产生加工硬化。当外力去除后，金属内部还存在残余内应力。
    • 变形金属在加热时组织和性能的变化变形金属被加热时，随加热温度的升高，将发生回复、再结晶与晶粒长大等过程。再结晶后，金属形成新的无畸变的并与变形前相同晶格的等轴晶粒，同时位错密度降低，加工硬化现象消失，金属性能全面恢复到或略高于变形前的水平。再结晶的开始温度主要取决于变形度。变形度越大，再结晶开始温度越低。大变形度(70％～80％)的再结晶温度与熔点的关系为T再≈0.4T熔 (K)
    • 金属材料的塑变方式:（1）冷加工（又叫冷塑变）:金属冷变形后具有加工硬化现象即金属变形处的强度、硬度升高，塑性和韧性下降，对于那些不能或不易用热处理方法提高强硬度的金属构件（尤其是薄壁细长件），冷变形制成的产品精度高、表面质量好，大多数无需进行切削加工；（2）热加工（又叫热塑变）:金属在热塑变时，同时存在着加工硬化和再结晶，只是加工硬化现象出现马上被再结晶消除，金属在热变形中始终保持着良好的塑性，可使工件进行大量的塑变，；热变形使金属材料内部的微小孔洞或空隙被压实，粗大晶粒组织结构被再结晶细化，从而使材料内部组织结构致密细小，力学性能尤其是韧性明显改善或提高；
  • 液态金属结晶时的细晶强化
    • 在常温下，金属的晶粒越细，单位体积的晶界数量就越多，晶界对塑性变形的抗力越大，同时晶粒的变形也越均匀，致使强度、硬度越高，塑性、韧性越好。
      • 利用细化晶粒的方式来提高材料室温强韧性的方法称为细晶强化（面缺陷的增加，是细晶强化的主要原因）。对固态金属，可用热处理及塑性变形来细化晶粒，而对液态金属的结晶，则主要采用的措施：①增大过冷度；②加入形核剂(孕育处理)；③机械方法（如搅拌、振动等）来细化晶粒。
  • 有机高分子材料和陶瓷材料的改性
    • 物理改性中，不同高聚物之间不存在化学键，完全是一种机械混合的方法，从而形成复合材料。物理改性又分为填充增强改性、共混改性等。物理改性方法简单，适应性强，应用最广。化学改性是指用化学反应的方法，使不同的高聚物分子链或链段之间存在化学键，改变高聚物的化学组成与结构，改善与提高高分子材料的性能的方法。
      • 陶瓷材料具有许多固有的优点，如高硬度、高耐磨性、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等。但其高脆性的特征，使得陶瓷在应用上受到很大的限制。如能使陶瓷的韧性显著地提高，就有可能使陶瓷成为重要的高温结构材料。工业上陶瓷材料的增韧增强途径有多种
  • 材料的表面改性技术
    • 表面改性技术（或称表面改性处理）的主要目的是对材料的表面进行特殊的强化或作某些功能处理，以提高表面硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性，或提高零件的装饰性，或改变表面的电、磁性能等。表面改性技术一般不改变基体材料的成分或组织，前述表面淬火和化学热处理根据其工艺特点也可归入此类。工业上实施的表面改性技术有很多如高能束表面改性、气相沉积技术、热喷涂技术等