材料成型原理复习纲要
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均质形核 ：形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从 液相自身发生形核的过程(方式)，所以也称“自发形核” 。 非均质形核：依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核 过程，亦称“异质形核”或“非自发形核”。 8均质形核
令
得临界晶核半径 r*：
（综合分析）
在过冷度相同时，球形晶核较立方晶核更易形核。
改善焊接工艺性能作用
熔渣分酸性、碱性
3熔渣的粘度 短渣 随温度增高粘度急剧下降的渣
在焊缝凝固后迅速凝固，可保证全位置焊缝外观成型，
长渣 随温度增高粘度下降缓慢的渣
只能用于平焊位置焊接。
4熔渣的表面张力 表面张力的影响 1）因素温度 T
2) 原子间键能 表面张力较大
碱性氧化物为离子键化合物，
碱性氧化物为极性键化合
16铸件的宏观组织
激冷晶区的晶粒细小;
柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.
内部等轴晶区的晶粒较为粗大
17铸件宏观组织的控制途径和措施
1） 加入孕育剂
2） 控制浇注工艺和增大铸件冷却速度
18气孔的分类及特征
析出性气孔 气体溶解度下降，析出气体来不及逸出而产生气孔。
侵入性气孔 液态金属高温作用下产生的气体，侵入金属内部所形成
控制组织脆化，必须调整工艺参数 限制扩散氢的含量 严格限制氢的来源
预热和紧急后热减少扩散氢含量 高强钢采用奥氏体焊条 控制拘束应力
三金属塑性加工力学
1塑性与塑性指标 材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性
的能力。
延伸率 δ=△L/L0*100%
断面收缩率 ψ=△A/A0=(A0-Ak)/A0 x 100%
②平衡液相线温度TL(x’)随x’增大上升
③当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小于液相线的斜率
时，即:
液相中只有有限扩散时形成“成分过冷”的判据
工艺因素
材料因素
（越小越好 ）
（越大越好）
液相中温度梯度小（G L小）； 晶体生长速度快，R大； m L大，即陡的液相线斜率； 原始成分浓度高，C 0大； 液相中溶质扩散系数 D L低； K 0＜1 时，K 0 小；K 0＞1 时，K 0 大 15“成分过冷”对单相合金固溶体结晶形态的影响
一液态成型理论
1液态金属结构特点：
长程无序
两个实验（X射线衍射分析、熔化过程物理性质
分析）
—— 不具备平移、对称性； 短程有序
—— 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有 序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性
物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大，表明液态金属 的原子间距接近于固体，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于 气体的混乱度。
再分配。
固-液界面侧固相溶质浓度Cs与液相浓度CL之比。
k=Cs/CL
固液两相共存条件下溶质原子在界面两侧的平衡分配特征
12平衡凝固时溶质再分配。（重点） 描述P54 图4-2d
13近平衡凝固时溶质再分配。
P55图4-3d P57图4-4d、e
14 成分过冷
由于溶质再分配引起的过热现象。
形成条件 ①界面前沿形成溶质富集层
2应力分析
主平面：切应力为零的平面称为主平面； 主应力：主平面上的正应力叫做主应力； （名词解释） 主方向：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称为主方向或应力主 轴。 3应力张量 应力张量的三个不变量I1、I2、I3表示了一个确定的应力状态其应力 分量之间的确定关系
设三个主应力的关系为
，
工艺因素 材料因素
无成分过冷(G1) 平面晶 窄成分过冷区间(G2) 胞状晶 成分过冷区间较宽(G3) 柱状树枝晶 宽成分过冷(G4) 内部等轴晶
晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称
为“外生生长”。
平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。
等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。
控制缩孔和缩松的工艺措施 使用冒口、补贴和冷铁
二连接成形理论基础
1氧与金属作用
1） 氧在金属中溶解
2） 氧化反应
若氧在金属－氧－氧化物系统中的实际分压为{Po2}，则:
{ Po2} > Po2 时，金属被氧化；
{ Po2} = Po2 时，处于平衡状态；
{ Po2} < Po2 时，金属被还原。
2熔渣作用 机械保护作用 冶金处理作用
4影响充型能力的因素及促进措施 内因 —— 金属本身的流动性；（金属性质）
成分
成分不同，合金的结晶特点不同。
结晶潜热
凝固时释放的结晶潜热越多，凝固越缓慢
比热容，密度，热导率 比热容，密度↑→流动性↑ 热导率 ↓→流动
性↑
粘度
影响不大
表面张力
外因 —— 铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是
各种因素的综合反映。
9非均质形核形核功
形核半径与均质形核相同，但形核功要小很多
一般情况下，，异质性核的速率大于均质形核
10纯金属结晶长大方式
宏观 平面方式长大——正温度梯度
树枝晶方式生长——负温度梯度
微观 粗糙界面
P47 图3—13 α≤2 x=0.5 具有最低值，此时界
面粗糙。
平整界面
11溶质再分配
结晶过程中固液两相内部不断进行溶质元素的重新分布过程，为溶质
中间状凝固方式
中间
影响因素：①合金化学成分（凝固温度区间） ②温度梯度
T -T L S较小，层状凝固
温度梯度小，体积凝固
6铸件凝固时间-----平方根定律 t= 凝固层厚度平方/凝固系数平方
7凝固热力学条件（简答题）
Tm纯金属的平衡结晶温度 ΔT过冷度ΔT=Tm-T
ΔGV>0 凝固自发进行 Tm及 L对一特定金属或合金为定值，所以过冷度ΔT是影响相变 驱动力的决定因素。过冷度ΔT 越大，凝固相变驱动力ΔGV 越大。 名词解释
6脱氧反应 先期脱氧
沉淀脱氧 原，
溶解在液态金属中的脱氧剂与FeO直接反应，把铁还
脱氧产物浮出液态金属的过程。
合脱氧。 扩散脱氧
酸性焊条用锰铁做脱氧剂 碱性焊条用硅铁做脱氧剂，不单独使用硅。硅铁锰铁联
7裂纹 在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破
坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹 8热裂纹 焊接过程中，在高温阶段产生的开裂现象，多在固相线附近发生。
表面张力与原子间作用力的关系： 原子间结合力↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑ 原子间结合力↑→界面张力↑
3液态金属的充型能力 概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸
件的能力 金属本身的流动性为确定条件下的充型能力。金属结晶温度范 围越宽，流动性越差，具有最大溶解度的合金，流动性最小。 在液态金属前析出15%—20%的固相时，流动就停止。
的的气体。
反应性气孔 金属内部与铸件间化学反应产生的气孔
19缩孔与缩松的形成
收缩：金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生体积减小的现象。
液态收缩 凝固收缩 产生缩孔和缩松的基本原因。
固态收缩 铸件收缩
缩孔的形成：纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般
铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过
程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固部
位形成尺寸较大的集中缩孔。（简答题）
20防止铸件产生缩孔和缩松的途径
顺序凝固
铸件各部位由远及近，朝着冒口方向顺序凝固。
用于凝固收缩大、结晶间隔窄的金属。
名词解释
同时凝固
凝固时产生热裂纹、变形倾向小。
用于凝固收缩小、对气密性要求不高的铸件。
蓄热系数↑
充型能力↓
铸型性质 铸型温度 预热后减小温差 充型能力↑
浇注温度↑
充型能力↑
浇注条件 充型压头↑
充型能力↑
浇注系统 简单
充型能力↑
铸件折算厚度↑
充型能力↑选择正确的位置
铸件结构 铸件复杂程度↑
充型能力↑
5铸件的凝固方式及影响因素（简答题）
层状凝固方式
窄时 P35，图2--10
根据固液两相区的宽度 体积凝固方式（或糊状凝固方式） 宽时
凝固裂纹 最常出现 液化裂纹 高温失延温度区越大，凝固裂纹的倾 向越大 杂质元素偏析 使得凝固温度区加大，显著增大裂纹倾向 凝固组织形态 晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹倾
向越大 工艺因素 熔合比 必须尽量减少熔合比或者开大坡口。 成形系数 拘束度减小应变量与应变增长率，以降低接头的拘束度
10防止热裂纹措施 焊接成分的控制 选择合适的焊接材料 限制有害物质 调整焊接工艺 适宜的焊接系数 控制焊缝金属成形系数 减小熔合比 减小拘束度
11冷裂纹 是指金属经焊接或铸造成形后冷却到室温时产生的裂纹。 按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类： 延迟裂纹（氢致裂纹） 淬火裂纹 低塑性脆化裂纹
12冷裂纹形成机理 与钢的淬硬倾向，氢含量及其分布，拘束力的状态有关 1）氢的作用 在氢致裂纹形成起主要作用。决定了裂纹形成的延迟特性 和断面上的氢脆开裂特性。 2）钢材的淬硬倾向 淬硬倾向越大，越易产生裂纹 3）拘束度越大，越易产生裂纹 13冷裂纹的控制
物，表面张力较大
5活性熔渣对金属的氧化 FeO既溶于渣，又溶于钢液，因此能在熔渣与钢液之间进行扩
散分配，在
扩散氧化 一定温度下平衡时，它在两相中的浓度符合分配定
律。
为什么碱性焊条对氧更敏感？
扩散氧化主要发生在熔滴阶段和熔池的高温区，温度越高，越有利于
FeO向液态金属扩散。并且碱性渣中比酸性渣中更容易向液态金属扩 散。在FeO总量相同的情况下，碱性渣液态金属中的氧含量比酸性渣 高。因为碱性渣中含SiO2等酸性氧化物少，FeO的活度大，容易向液态 金属扩散，使其含氧量增加。。因此碱性焊条对氧敏感，对FeO必须限 制。
令
得临界晶核半径 r*：
（综合分析）
在过冷度相同时，球形晶核较立方晶核更易形核。
改善焊接工艺性能作用
熔渣分酸性、碱性
3熔渣的粘度 短渣 随温度增高粘度急剧下降的渣
在焊缝凝固后迅速凝固，可保证全位置焊缝外观成型，
长渣 随温度增高粘度下降缓慢的渣
只能用于平焊位置焊接。
4熔渣的表面张力 表面张力的影响 1）因素温度 T
2) 原子间键能 表面张力较大
碱性氧化物为离子键化合物，
碱性氧化物为极性键化合
16铸件的宏观组织
激冷晶区的晶粒细小;
柱状晶区的晶粒垂直于型壁排列，且平行于热流方向.
内部等轴晶区的晶粒较为粗大
17铸件宏观组织的控制途径和措施
1） 加入孕育剂
2） 控制浇注工艺和增大铸件冷却速度
18气孔的分类及特征
析出性气孔 气体溶解度下降，析出气体来不及逸出而产生气孔。
侵入性气孔 液态金属高温作用下产生的气体，侵入金属内部所形成
控制组织脆化，必须调整工艺参数 限制扩散氢的含量 严格限制氢的来源
预热和紧急后热减少扩散氢含量 高强钢采用奥氏体焊条 控制拘束应力
三金属塑性加工力学
1塑性与塑性指标 材料在外力的作用下产生一定的永久变形而不破坏其完整性
的能力。
延伸率 δ=△L/L0*100%
断面收缩率 ψ=△A/A0=(A0-Ak)/A0 x 100%
②平衡液相线温度TL(x’)随x’增大上升
③当GL（界面前沿液相的实际温度梯度）小于液相线的斜率
时，即:
液相中只有有限扩散时形成“成分过冷”的判据
工艺因素
材料因素
（越小越好 ）
（越大越好）
液相中温度梯度小（G L小）； 晶体生长速度快，R大； m L大，即陡的液相线斜率； 原始成分浓度高，C 0大； 液相中溶质扩散系数 D L低； K 0＜1 时，K 0 小；K 0＞1 时，K 0 大 15“成分过冷”对单相合金固溶体结晶形态的影响
一液态成型理论
1液态金属结构特点：
长程无序
两个实验（X射线衍射分析、熔化过程物理性质
分析）
—— 不具备平移、对称性； 短程有序
—— 相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停“游荡”着的局域有 序的原子集团，液体结构表现出局域范围的有序性
物质熔化时体积变化﹑熵变(及焓变)一般均不大，表明液态金属 的原子间距接近于固体，在熔点附近其混乱度只是稍大于固体而远小于 气体的混乱度。
再分配。
固-液界面侧固相溶质浓度Cs与液相浓度CL之比。
k=Cs/CL
固液两相共存条件下溶质原子在界面两侧的平衡分配特征
12平衡凝固时溶质再分配。（重点） 描述P54 图4-2d
13近平衡凝固时溶质再分配。
P55图4-3d P57图4-4d、e
14 成分过冷
由于溶质再分配引起的过热现象。
形成条件 ①界面前沿形成溶质富集层
2应力分析
主平面：切应力为零的平面称为主平面； 主应力：主平面上的正应力叫做主应力； （名词解释） 主方向：主平面的法线方向，亦即主应力的方向称为主方向或应力主 轴。 3应力张量 应力张量的三个不变量I1、I2、I3表示了一个确定的应力状态其应力 分量之间的确定关系
设三个主应力的关系为
，
工艺因素 材料因素
无成分过冷(G1) 平面晶 窄成分过冷区间(G2) 胞状晶 成分过冷区间较宽(G3) 柱状树枝晶 宽成分过冷(G4) 内部等轴晶
晶体自型壁生核，然后由外向内单向延伸的生长方式，称
为“外生生长”。
平面生长、胞状生长和柱状枝晶生长皆属于外生生长。
等轴枝晶在熔体内部自由生长的方式则称为“内生生长”。
控制缩孔和缩松的工艺措施 使用冒口、补贴和冷铁
二连接成形理论基础
1氧与金属作用
1） 氧在金属中溶解
2） 氧化反应
若氧在金属－氧－氧化物系统中的实际分压为{Po2}，则:
{ Po2} > Po2 时，金属被氧化；
{ Po2} = Po2 时，处于平衡状态；
{ Po2} < Po2 时，金属被还原。
2熔渣作用 机械保护作用 冶金处理作用
4影响充型能力的因素及促进措施 内因 —— 金属本身的流动性；（金属性质）
成分
成分不同，合金的结晶特点不同。
结晶潜热
凝固时释放的结晶潜热越多，凝固越缓慢
比热容，密度，热导率 比热容，密度↑→流动性↑ 热导率 ↓→流动
性↑
粘度
影响不大
表面张力
外因 —— 铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是
各种因素的综合反映。
9非均质形核形核功
形核半径与均质形核相同，但形核功要小很多
一般情况下，，异质性核的速率大于均质形核
10纯金属结晶长大方式
宏观 平面方式长大——正温度梯度
树枝晶方式生长——负温度梯度
微观 粗糙界面
P47 图3—13 α≤2 x=0.5 具有最低值，此时界
面粗糙。
平整界面
11溶质再分配
结晶过程中固液两相内部不断进行溶质元素的重新分布过程，为溶质
中间状凝固方式
中间
影响因素：①合金化学成分（凝固温度区间） ②温度梯度
T -T L S较小，层状凝固
温度梯度小，体积凝固
6铸件凝固时间-----平方根定律 t= 凝固层厚度平方/凝固系数平方
7凝固热力学条件（简答题）
Tm纯金属的平衡结晶温度 ΔT过冷度ΔT=Tm-T
ΔGV>0 凝固自发进行 Tm及 L对一特定金属或合金为定值，所以过冷度ΔT是影响相变 驱动力的决定因素。过冷度ΔT 越大，凝固相变驱动力ΔGV 越大。 名词解释
6脱氧反应 先期脱氧
沉淀脱氧 原，
溶解在液态金属中的脱氧剂与FeO直接反应，把铁还
脱氧产物浮出液态金属的过程。
合脱氧。 扩散脱氧
酸性焊条用锰铁做脱氧剂 碱性焊条用硅铁做脱氧剂，不单独使用硅。硅铁锰铁联
7裂纹 在应力与致脆因素的共同作用下，使材料的原子结合遭到破
坏，在形成新界面时产生的缝隙称为裂纹 8热裂纹 焊接过程中，在高温阶段产生的开裂现象，多在固相线附近发生。
表面张力与原子间作用力的关系： 原子间结合力↑→表面内能↑→表面自由能↑→表面张力↑ 原子间结合力↑→界面张力↑
3液态金属的充型能力 概念：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸
件的能力 金属本身的流动性为确定条件下的充型能力。金属结晶温度范 围越宽，流动性越差，具有最大溶解度的合金，流动性最小。 在液态金属前析出15%—20%的固相时，流动就停止。
的的气体。
反应性气孔 金属内部与铸件间化学反应产生的气孔
19缩孔与缩松的形成
收缩：金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生体积减小的现象。
液态收缩 凝固收缩 产生缩孔和缩松的基本原因。
固态收缩 铸件收缩
缩孔的形成：纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围窄的合金，在一般
铸造条件下按由表及里逐层凝固的方式凝固。由于金属或合金在冷却过
程中发生的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，从而在铸件最后凝固部
位形成尺寸较大的集中缩孔。（简答题）
20防止铸件产生缩孔和缩松的途径
顺序凝固
铸件各部位由远及近，朝着冒口方向顺序凝固。
用于凝固收缩大、结晶间隔窄的金属。
名词解释
同时凝固
凝固时产生热裂纹、变形倾向小。
用于凝固收缩小、对气密性要求不高的铸件。
蓄热系数↑
充型能力↓
铸型性质 铸型温度 预热后减小温差 充型能力↑
浇注温度↑
充型能力↑
浇注条件 充型压头↑
充型能力↑
浇注系统 简单
充型能力↑
铸件折算厚度↑
充型能力↑选择正确的位置
铸件结构 铸件复杂程度↑
充型能力↑
5铸件的凝固方式及影响因素（简答题）
层状凝固方式
窄时 P35，图2--10
根据固液两相区的宽度 体积凝固方式（或糊状凝固方式） 宽时
凝固裂纹 最常出现 液化裂纹 高温失延温度区越大，凝固裂纹的倾 向越大 杂质元素偏析 使得凝固温度区加大，显著增大裂纹倾向 凝固组织形态 晶粒越粗大，方向性越明显，产生热裂纹倾
向越大 工艺因素 熔合比 必须尽量减少熔合比或者开大坡口。 成形系数 拘束度减小应变量与应变增长率，以降低接头的拘束度
10防止热裂纹措施 焊接成分的控制 选择合适的焊接材料 限制有害物质 调整焊接工艺 适宜的焊接系数 控制焊缝金属成形系数 减小熔合比 减小拘束度
11冷裂纹 是指金属经焊接或铸造成形后冷却到室温时产生的裂纹。 按裂纹形成原因，冷裂纹可分为以下三类： 延迟裂纹（氢致裂纹） 淬火裂纹 低塑性脆化裂纹
12冷裂纹形成机理 与钢的淬硬倾向，氢含量及其分布，拘束力的状态有关 1）氢的作用 在氢致裂纹形成起主要作用。决定了裂纹形成的延迟特性 和断面上的氢脆开裂特性。 2）钢材的淬硬倾向 淬硬倾向越大，越易产生裂纹 3）拘束度越大，越易产生裂纹 13冷裂纹的控制
物，表面张力较大
5活性熔渣对金属的氧化 FeO既溶于渣，又溶于钢液，因此能在熔渣与钢液之间进行扩
散分配，在
扩散氧化 一定温度下平衡时，它在两相中的浓度符合分配定
律。
为什么碱性焊条对氧更敏感？
扩散氧化主要发生在熔滴阶段和熔池的高温区，温度越高，越有利于
FeO向液态金属扩散。并且碱性渣中比酸性渣中更容易向液态金属扩 散。在FeO总量相同的情况下，碱性渣液态金属中的氧含量比酸性渣 高。因为碱性渣中含SiO2等酸性氧化物少，FeO的活度大，容易向液态 金属扩散，使其含氧量增加。。因此碱性焊条对氧敏感，对FeO必须限 制。
