材料成型工艺基础(第三版) 第9章

材料成型工艺MaterialFormingTechnology课程编号：07310060学分：6学时：90(其中：讲课学时：78实验学时：12上机学时：0)先修课程：材料成型原理、金属学及热处理、机械设计基础适用专业：材料成型及控制工程教材：《金属材料液态成型工艺》贾志宏编化学工业出版社2008年2月第1版《金属材料焊接工艺》雷玉成主编化学工业出版社，2006年8月第1版《冲压工艺与模具设计》牟林、胡建华主编.北京大学出版社2010年3月第2版开课学院：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务：本课程是材料成型与控制工程专业的一门主要专业基础课。

本课程的任务是掌握金属液态成型工艺的方法、金属板料成形技术、焊接电弧及焊接方法等三大部分知识。

通过本课程的学习，了解常见的液态成型、板料成形、焊接工艺方法。

为学习有关专业课程、从事生产技术工作和管理工作打好热加工工艺知识基础；了解热加工的新工艺、新技术、新方法和发展趋势。

二、课程的基本内容及要求第一篇液态成型工艺绪论1基本内容金属液态成型工艺发展历史，液态成型工艺流程。

2教学要求了解铸造产业的发展概况；了解铸造生产的基本流程和工艺种类。

3重难点液态成型工艺的基本类型、流程及发展趋势。

第一章零件结构的铸造工艺性分析1基本内容(1)常用铸造方法的选择；(2)砂型铸造零件结构的工艺性分析；(3)特种铸造零件结构的工艺性分析。

2教学要求(1)了解各种铸造方法的特点；熟悉铸造方法选用的依据(2)掌握砂型铸造零件结构的工艺性分析方法；(3)熟悉特种铸造零件结构的工艺性分析方法。

3重难点铸造工艺性分析的方法和思路。

第二章砂型铸造工艺方案的确定1基本内容(1)工艺设计内容及流程；(2)砂型铸造工艺方案确定的基本原理；2教学要求(1)熟悉铸造工艺设计的依据、内容及流程；(2)掌握砂型铸造工艺方案制定的原理及方法。

3重难点(1)生产纲领、生产条件对工艺方案制定的影响；(2)分型面及浇注位置的确定。

第九章液态金属的净化与精炼1、何谓沉淀脱氧？试述生产中常用的几种沉淀脱氧反应。

答：（1）沉淀脱氧是指溶解于液态金属中的脱氧剂直接和熔池中的[FeO]起作用，使其转化为不溶于液态金属的氧化物，并析出转入熔渣的一种脱氧方式。

（2）生产中几种常用的沉淀脱氧反应：a 锰的脱氧反应，[Mn]+[FeO]=[Fe]+(MnO)b 硅的脱氧反应，[Si]+2[FeO]=2[Fe]+(SiO2)c 硅锰联合脱氧反应。

2、试述铸造与焊接冶金工艺中常用的脱氧方式及特点。

答：（1）先期脱氧熔焊过程中先期脱氧的特点是脱氧过程和脱氧产物与高温的液态金属不发生直接关系，脱氧产物直接参与造渣。

而在一般的熔炼钢铁炉中，也存在硅和锰等元素与炉气中的氧化性气体发生反应，生成的氧化物进入熔渣，但此时并不是有目的地为了脱氧。

（2）沉淀脱氧这种方法的优点是脱氧速度快，脱氧彻底。

但脱氧产物不能清除时将增加金属液中杂质的含量。

（3）扩散脱氧这种方法的优点是脱氧产物留在熔渣中，液态金属不会因脱氧而造成夹杂。

缺点是扩散过程进行的缓慢，脱氧时间长。

（4）真空脱氧在一般真空处理条件下，碳只能起到部分脱氧的作用，尽管如此，用碳脱氧，脱氧产物不留在钢液中，所以对提高钢液质量有明显的效用。

3、从冶金反应动力学角度分析熔渣粘度过大或过小所带来的问题。

答：（1）扩散脱氧是在熔渣中加入脱氧剂，使脱氧元素与熔渣中的氧化亚铁起作用而达到间接脱去钢液中氧化亚铁的目的。

如果熔渣粘度过大，不利于钢液中氧化亚铁向熔渣中扩散，从而影响脱氧效果。

（2）熔渣脱硫的原理与扩散脱氧相似，其反应也包括有扩散过程。

如果熔渣粘度过大，不容易传输，不利于脱硫反应进行。

（3）脱磷反应是在熔渣与钢液界面上进行的。

随着反应的进行，界面处的CaO和FeO 因反应而消耗，浓度减低，必然会引起渣层上方的CaO和FeO向界面传输。

与此同时，反应生成的磷酸钙在界面处浓度增高，必然会向渣层上方传输。

熔渣粘度过大，不利于这些传输过程的进行，因而脱磷效果降低。

绪论材料成形：所有利用物理、化学、冶金原理使材料成形的方法，称之为材料成形加工工艺。

一、材料与材料科学材料是用来制作有用器件的物质，是人类生产和生活所必须的物质基础。

历史学家把人类社会的发展按其使用的材料类型划分为石器时代、青铜时代、铁器时代，而今正处于人工合成材料的新时代。

材料科学的研究内容材料科学是研究各种固体材料的成分、组织、性能和应用之间关系及其变化规律的科学，它包括四个基本要素：材料的合成与制备，成分与组织结构，材料性能和使用性能。

材料的分类按化学成分：金属材料：钢、铸铁、铜、铝等高分子材料：塑料、橡胶、胶粘剂、纤维材料等陶瓷材料复合材料金属材料是怎么得到的呢？冶炼---- 把金属从矿石中提炼出来，这个过程就叫金属的冶炼。

材料新技术芯片光纤超导材料二、材料成形技术1、课程性质材料成形基础是一门研究常用工程材料坯件及机器零件成型工艺原理的综合性技术基础学科。

2、材料成形加工在国民经济中的地位材料成形加工在工业生产的各个部门和行业都有应用，尤其对于制造业来说更是具有举足轻重的作用。

制造业是指所有生产和装配制成品的企业群体的总称，包括机械制造、运输工具制造、电气设备、仪器仪表、食品工业、服装、家具、化工、建材、冶金等，它在整个国民经济中占有很大的比重。

统计资料显示，在我国，近年来制造业占国民生产总值GDP的比例已超过35%。

同时，制造业的产品还广泛地应用于国民经济的诸多其他行业，对这些行业的运行产生着不可忽视的影响。

因此，作为制造业的一项基础的和主要的生产技术，材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位，并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。

通过下面列举的数据，可以帮助我们真切、具体地了解到成形加工对制造业和国民经济的影响。

据统计，占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接制成构件或产品后投入使用的；在机床和通用机械中铸件质量占70~80%，农业机械中铸件质量占40~70%；汽车中铸件质量占约20%，锻压件质量约占70%；飞机上的锻压件质量约占85%；发电设备中的主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；家用电器和通信产品中60~80%的零部件是冲压件和塑料成形件。

材料成型工艺基础1.合金的铸造型:是指合金在铸造过程中获得尺寸精度，结构完整的铸件的能力，主要包括合金的流动7板料冲压:金属板料在冲模之间受压产生分离或变形的成形工艺称为冲压。

性，收缩性，吸气性以及成分偏析倾向性等性能。

8加工硬化:随变形程度的增加，金属的强度及硬度提高，而塑性和韧性下降，这种现象称为加工硬化。

2.合金收缩的三个阶段为:液态收缩，凝固收缩，固态收缩阶段。

9冷变形:变形温度低于再结晶温度时，金属在变形过程中只有加工硬化而无再结晶现象，变形后的金3.影响合金收缩的因素:化学成分;浇注温度;铸件结构和铸型条件。

4.机械应力:是铸件的固态收缩属只具有加工硬化组织，这种变形称为冷变形。

受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。

10热变形:变形温度在再结晶温度以上时，金属变形产生的加工硬化组织会随金属的再结晶而消失，5.按照气体的来源，气孔可以分为侵入气孔，析出气孔和反应气孔。

变形后的金属具有细而均匀的再结晶等轴晶粒组织而无任何加工硬化痕迹，这种变形称为热变形。

11最小阻尼定律:金属受外力作用发生塑性变形时，如果金属质点在几个方向上都可流动，那么，金1.炼铁的三个反应:还原反应，造渣反应和渗碳反应。

属质点就优先沿着阻力最小的方向流动，这就叫做最小阻力定律。

2.铸铁的分类:按碳存在的形态不同可分为:白口铸铁，灰铸铁及麻口铸铁;按石墨形态不同可分为:12金属材料经受压力加工而产生塑性变形的工艺性能，常用金属的锻造性来衡量。

金属的锻造性好，灰铸铁，蠕墨铸铁，可锻铸铁及球墨铸铁;按金属基体不同可分为铁素体铸铁，珠光体铸铁及铁素体说明该金属宜用压力加工方法成形;金属的锻造性差，说明该金属不宜用压力加工方法成形。

锻造性与珠光体混合基体铸铁;另外加入合金元素，使其具有特殊性能的铸铁称为合金铸铁。

的优劣是以金属的塑性和变形抗力来综合评定的。

3.什么是石墨化，影响石墨化的因素是什么? 13什么是塑性，影响金属铸造性的因素是什么, 石墨化:铸铁中的碳以石墨析出和聚集的过程称为石墨化。

第九章液态金属与气相的相互作用1.焊接和铸造过程中的气体来源于何处？它们是如何产生的？答：（1）焊接区内的气体：主要来源于焊接材料，如焊条药皮、焊剂及药芯焊丝中的造气剂，高价氧化物和水分等；焊材表面和母材坡口的油污、油漆、铁锈、水分，空气中的气体、水分，保护气体及其杂质气体；焊接区的气体还通过一些物理化学反应，有机物的分解和燃烧，碳酸盐和高价氧化物的分解，材料的蒸发。

（2）铸造过程中的气体：熔炼过程，气体主要来自各种炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分、氮、氧、氢、CO2、CO、SO2和有机物燃烧产生的碳氢化合物等。

来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。

浇注过程，浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等，都会使气体进入液态金属。

2. 气体是如何溶解到金属中的？电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程一样吗？答：（1）气体在高温下可以分子，原子或离子状态存在，原子或离子状态的气体可直接融入液态金属，而分子状态的气体必须分解为原子或离子状态，才能溶解到液态金属中，气体无论以何种方式向金属中溶解，都要先趋近于表面上，然后以吸附，分解和扩散，而分解和吸附的先后顺序取决于气体的性质。

（2）电弧焊条件下，氮和氢的溶解过程不一样，氢在高温时分解度较大，电弧温度下可完全分解为原子氢，其溶解过程为分解—吸附—溶入。

在电弧气氛中，氮以分子形式存在，其溶解过程为吸附—分解—溶入。

3.哪些因素影响气体在金属中的溶解度，其影响因素如何？答：气体在金属中的溶解度与压力，温度，合金成分等因素有关：（1）当温度一定时，双原子的溶解度与其分压的平方根成正比（2）当压力一定时，溶解度与温度的关系决定于溶解反应类型，气体溶解过程为吸热反应时，△H为正值，溶解度随温度的升高而增加；金属吸收气体为放热反应时，△H为负值，溶解度随温度的上升而降低。

（3）合金成分对溶解度的影响：液态金属中加入能提高气体含量的合金元素，可提高气体的溶解度；若加入的合金元素能与气体形成稳定的化合物（即氮、氢、氧化合物），则可降低气体的溶解度。

刘祥顺-建筑材料-第三版课后练习思考题答案第五章 建筑砂浆1、何谓建筑砂浆？砂浆与混凝土相比有何异同点？答：砂浆是以胶凝材料、细骨料、掺加料和水等为主要原材料进行拌合，硬化后具有强度的工程材料。

同：原料中都包含水、水泥、砂子；都有一定的配比要求；都是建筑用材料异：混凝土的主要骨料是石子，砂浆主要骨料是砂子；混凝土用于建筑结构，砂子用于砌筑、抹面。

2、砂浆拌合物的和易性包括那些内容？砂浆的保水性不良，对其质量有何影响？采取哪些措施可提高砂浆的保水性？答：包括流动性、稳定性。

砂浆容易泌水、分层活水分流失过快，不便于施工，不能保证工程质量。

措施：加大胶结材料的数量；参入适量的掺合料；采用较细砂并加大掺量。

3、根据砌筑砂浆强度公式，是否说明砂浆强度不遵循水灰比规律？为什么？答：是的，砌筑砂浆的强度主要取决于水泥的强度及水泥的用量，而与拌合水量无关，所以跟水灰比也无关。

4、为什么水泥石灰混合砂浆在砌筑工程中能得到广泛应用？答：水泥石灰混合砂浆具有良好的和易性，硬化后的抗压强度高，耐久性好。

5、某砌砖工程采用M5.0等级的水泥石灰混合砂浆，稠度要求80—100mm。

现有强度等级32.5级矿渣水泥；中砂，堆积密度为1460kg/m³，现场砂含水率为2.5%；石灰膏稠度100mm；施工水平：一般，试求该砂浆的配合比。

答：5+0.645X1.25=5.8625MPaA=3.03 B=-15.09F=1000（5.8625+15.09）/（3.03 X 32.5）第六章烧土及熔融制品1、烧结普通砖有哪些品种？如何表示？答：烧结黏土砖N，烧结页岩砖Y，烧结煤矸砖M，烧结粉煤灰砖F2、欠火砖与过火砖有何特征？红砖与青砖有何差别？答：欠火砖色浅、断面包心（黑心或白心）、敲击声哑、孔隙率大、强度低、耐久性差。

过火砖色教深、敲击声脆、教密实、强度高、耐久性好，但容易出现变形砖（酥砖或螺纹砖）红砖中含有高价氧化铁，青砖中含有低价的氧化铁；青砖比红砖结实、耐用，青砖价格比红砖高。

第一章金属材料与热处理1、常用的力学性能有哪些？各性能的常用指标是什么？答：刚度：弹性模量E强度：屈服强度和抗拉强度塑性：断后伸长率和断面收缩率硬度：冲击韧性：疲劳强度：2、4、金属结晶过程中采用哪些措施可以使其晶粒细化？为什么？答：过冷细化：采用提高金属的冷却速度，增大过冷度细化晶粒。

变质处理：在生产中有意向液态金属中加入多种难溶质点（变质剂），促使其非自发形核，以提高形核率，抑制晶核长大速度，从而细化晶粒。

7、9、什么是热处理？钢热处理的目的是什么？答：热处理：将金属材料或合金在固态范围内采用适当的方法进行加热、保温和冷却，以改变其组织，从而获得所需要性能的一种工艺。

热处理的目的：强化金属材料，充分发挥钢材的潜力，提高或改善工件的使用性能和加工工艺性，并且可以提高加工质量、延长工件和刀具使用寿命，节约材料，降低成本。

第二章铸造成型技术2、合金的铸造性能是指哪些性能，铸造性能不良，可能会引起哪些铸造缺陷？答：合金的铸造性能指：合金的充型能力、合金的收缩、合金的吸气性；充型能力差的合金产生浇不到、冷隔、形状不完整等缺陷，使力学性能降低，甚至报废。

合金的收缩合金的吸气性是合金在熔炼和浇注时吸入气体的能力，气体在冷凝的过程中不能逸出，冷凝则在铸件内形成气孔缺陷，气孔的存在破坏了金属的连续性，减少了承载的有效面积，并在气孔附近引起应力集中，降低了铸件的力学性能。

6、什么是铸件的冷裂纹和热裂纹？防止裂纹的主要措施有哪些？答：热裂是在凝固末期，金属处于固相线附近的高温下形成的。

在金属凝固末期，固体的骨架已经形成，但树枝状晶体间仍残留少量液体，如果金属此时收缩，就可能将液膜拉裂，形成裂纹。

冷裂是在较低温度下形成的，此时金属处于弹性状态，当铸造应力超过合金的强度极限时产生冷裂纹。

防止措施：热裂——合理调整合金成分，合理设计铸件结构，采用同时凝固原则并改善型砂的退让性。

冷裂——对钢材材料合理控制含磷量，并在浇注后不要过早落砂。

《材料成型理论基础》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料成型理论基础英文名称：Fundamentals for Materials Processing二、课程编码及性质课程编码：0809554课程性质：专业核心课，必修课三、学时与学分总学时：56学分：3.5四、先修课程工程材料学、传热学、流体力学、材料成形工艺基础五、授课对象本课程面向材料成型及控制工程专业学生开设，也可以供材料科学与工程专业和电子封装技术专业学生选修。

六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程是本专业的核心课程之一，其教学目的主要包括：1．让学生对液态成形、连接成形、固态塑性成形及高分子材料成形的基本过程有较全面、深入的理解，掌握其基本原理和规律。

2．了解液态金属的结构和性质；掌握液态金属凝固的基本原理，冶金处理及其对产品性能的影响。

3．掌握材料成形中化学冶金基本规律和缺陷的形成机理、影响因素及防止措施。

4．掌握塑性成形过程中的应力与应变的基础理论，金属流动的基本规律及其应用。

5．了解高分子材料的组织转变及流动、成形的基本规律。

表1 课程目标对毕业要求的支撑关系七、教学重点与难点：教学重点：1）本课程以材料成形工艺的理论基础为主线，根据成形加工过程中材料所处或经历的状态，分为液态凝固成形、固态塑性成形、连接成形、塑料注射成形等几类，学习材料在成形过程中的组织结构、性能、形状随外在条件的不同而变化的规律性知识。

2）本课程着重利用前期所学的物理、化学等基础理论，以及传热学、流体力学等专业基础理论知识，学习液态成形、塑性成形、连接成形等基本材料成形技术的内在规律和物理本质，包括共性原理，同时也要注重个性规律性认识。

3）课程将重点或详细介绍三种主要材料成形方法中的主要基础理论和专门知识，阐述这些现象的本质，揭示变化的规律。

而对次要成形方法的基本原理或发展状况等只作简要介绍或自学。

4）重点学习的章节内容包括：第4章“单相合金与多相合金的凝固”（6学时）、第5章“铸件凝固组织的形成与控制”（6学时）、第7章“焊缝及其热影响区的组织和性能”（6学时）、第8章“成形过程的冶金反应原理”（6学时）、第11章“应力与应变理论”（4学时）、第12章“屈服准则”（6学时）。

《材料成型工艺基础（第三版）》部分课后习题答案第一章⑵.合金流动性决定于那些因素？合金流动性不好对铸件品质有何影响？答：①合金的流动性是指合金本身在液态下的流动能力。

决定于合金的化学成分、结晶特性、粘度、凝固温度范围、浇注温度、浇注压力、金属型导热能力。

②合金流动性不好铸件易产生浇不到、冷隔等缺陷，也是引起铸件气孔、夹渣、縮孔缺陷的间接原因。

⑷.何谓合金的收縮？影响合金收縮的因素有哪些？答：①合金在浇注、凝固直至冷却至室温的过程中体积和尺寸縮减的现象，称为收縮。

②影响合金收縮的因素：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。

⑹.何谓同时凝固原则和定向凝固原则？试对下图所示铸件设计浇注系统和冒口及冷铁，使其实现定向凝固。

答：①同时凝固原则：将内浇道开在薄壁处，在远离浇道的厚壁处出放置冷铁，薄壁处因被高温金属液加热而凝固缓慢，厚壁出则因被冷铁激冷而凝固加快，从而达到同时凝固。

②定向凝固原则：在铸件可能出现縮孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。

第二章⑴.试从石墨的存在和影响分析灰铸铁的力学性能和其他性能特征。

答：石墨在灰铸铁中以片状形式存在，易引起应力集中。

石墨数量越多，形态愈粗大、分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重。

灰铸铁的抗拉强度低、塑性差，但有良好的吸震性、减摩性和低的缺口敏感性，且易于铸造和切削加工。

石墨化不充分易产生白口，铸铁硬、脆，难以切削加工；石墨化过分，则形成粗大的石墨，铸铁的力学性能降低。

⑵.影响铸铁中石墨化过程的主要因素是什么？相同化学成分的铸铁件的力学性能是否相同？答：①主要因素：化学成分和冷却速度。

②铸铁件的化学成分相同时铸铁的壁厚不同，其组织和性能也不同。

在厚壁处冷却速度较慢，铸件易获得铁素体基体和粗大的石墨片，力学性能较差；而在薄壁处，冷却速度较快，铸件易获得硬而脆的白口组织或麻口组织。

⑸.什么是孕育铸铁？它与普通灰铸铁有何区别？如何获得孕育铸铁？答：①经孕育处理后的灰铸铁称为孕育铸铁。