材料加工新技术_材料加工新技术

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1.材料技术的概念和分类：将材料科学和其他相关学科(如计算机、机械、自动控制)的知识应用于材料(制备)生产和使用的实际，以获得所需的材料产品、提高材料的使用效能的技艺。分类：(1)制备技术;(2)成形与加工技术;(3)改质改性技术;(4)防护技术；(5)评价表征技术；(6)模拟仿真技术；(7)检测与监控技术。

按照传统的三级学科进行分类，材料加工技术(方法)包括机加工、凝固加工、粉末冶金、塑件加工、焊接、热处理等。按照被加工材料在加工时所处的相态不同进行分类：气态加工、液态加工、半固态加工、固态加工。材料加工技术的总体发展趋势：过程综台、技术综合、学科综台。主要特征：(1)性能设计与工艺设计的一体化；(2)在材料设计、制备、成形与加工处理的全过程中对材料的组织性能和形状尺寸进行精确控制 材料加工技术的主要发展方向：（1）常规材料加工工艺的短流程化和高效化；（2）发展先进的成形加工技术实现组织与性能的精确控制；（3）材料设计、制备与成形加工一体化；（4）开发新型制备与成形加工技术，发展新材料和新制品；（5）发展计算机数值模拟和过程仿真技术，构建完善的材料数据库；（6）材料的智能制备与成形加工技术。快速凝固定义为：由液相列固相的相变过程进行得非常快，从而获得普通铸件和铸锭无法获得的成分、相结构和显微结构的过程。实现快速凝固的两个基本方法是：（1）快速冷却：通过提高铸型的导热能力，增大热流的导出速度可使凝固界面快速推进，实现快速凝固（2）深过冷：快冷法只能在薄膜、细线及小尺寸颗粒中实现，减少凝固过程中热流导出量是大尺寸试件中实现快速凝固的唯一途径，通过抑制凝固过程的形核，使合金溶液获得很大的过冷度，从而凝固过程释放的潜热被过冷溶体吸收，可大大减少凝固过程要导出的热量，获得很大的凝固速度。金属快速凝固的组织特征：（1）偏析形成倾向减小（2）形成非平衡相（3）细化凝固组织（4）析出相的结构发生变化（5）形成非晶态 快速凝固技术的用途：（1）获得新的凝固组织，开发新材料（2）制备难加工材料薄带、细小线材和块体材料（3）简化制备工序，实现近终形成形。

线材快速凝固成形：玻璃包覆熔融纺线法、合金溶液注入快冷法、旋转水纺线法、传送带法 带材快速凝固成形：单辊法、双辊法、溢流法、甩出法、体材料快速凝固成形：喷射沉积技术、大块非晶合金

3定向凝固是指在凝固过程中采用强制手段，在凝固金属和未凝固金属熔体中建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到具有特定取向柱状晶的技术 定向凝固方法有：（1）发热剂法（2）功率降低法（3）高速凝固法（4）液态金属冷却法（5）流态床冷却法（6）区域熔化液态金属冷却法（7）连续定向凝固

连续定向凝固：在连续定向凝固过程中对铸型进行加热，使它的温度高于被铸金属的凝固温度，并通过在铸型出口附近的强制冷却，或同时对铸型进行分区加热与控制，在凝固金属和未凝固溶体中建立起沿拉坯方向的温度梯度，从而使熔体形核后沿着与热流（拉坯方向）相反的方向，按单一的结晶取向进行凝固，获得连续定向结晶组织（连续柱状晶组织）甚至单晶组织。OCC法特点：（1）可以得到完全单方向凝固的无限长柱状组织（2）是一种近终形连铸生产技术（3）凝固过程中固液界面始终凸向液相，有利于析出的气体及夹杂进入液相（4）铸锭中缺陷少，组织致密，消除了横向晶界。简述半固态加工的概念：在金属凝固过程中，对其施以剧烈的搅拌作用，充分破碎树枝状的初生固相，得到一种液态金属母液中均匀的悬浮着一定球状初生固相的固液混合浆料（固相组分一般50%），即流变浆料，利用这种流变浆料直接进行成形加工的方法称之为半固态金属的流变成形；如果将流变浆料凝固成锭，按需要将此金属锭切成一定大小，然后重新加热至金属的半固态温度区，这时的金属锭一般称为半固态金属坯料。利用金属的半固态坯料进行成形加工，称为触变成形。特点：（1）溶质元素的局部浓度不断变化（2）宏观变形抗力很低（3）随着固相分数的降低，呈现黏性流体特征，在微小外力作用下即可很容易变形流动（4）当固相在极限值（75%）一下时，浆料可以进行搅拌，并容易混入各种异种材料的粉末、纤维等（5）固相粒子间无结合力，容易分离，由于液相成分存在又容易将分离部位连接形成一体化，特别液相成分很活跃，不仅半固态金属间的结合，而且与一般固态金属材料也容易形成很好的结合（6）可加工含有陶瓷颗粒、纤维等难加工材料（7）当施加外力时，液相和固相成分存在分别流动的情况（8）上述现象在固相分数很高或很低或加工速度特别高的情况下都很难发生。独特优点：（1）黏度比液态金属高，容易控制（2）流动应力比固态金属低（3）应用范围广。金属半固态制备方法：（1）电磁搅拌法（2）机械搅拌法（3）应变诱导熔化激活法（4）液态异步轧挤法（5）超声振动法（6）粉末冶金法（7）倾斜冷却板制备法（8）低过热度铸造法制备半固态金属浆料或坯料直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材的工艺称为连续铸轧

结晶器为两个带水冷系统的旋转铸轧辊，熔体于很短的时间内（2~3S）在其辊缝间完成凝固和热轧两个过程。双辊薄带钢铸轧影响因素：（1）钢水流动的影响（2）凝固行为的影响（3）铸轧速度的影响（4）侧封的影响（5）铸轧力和辊缝控制问题 铸轧基本条件：（1）浇铸系统预热温度（2）金属液面高度。热平衡条件：（1）铸轧温度（2）铸轧速度（3）冷却强度 铸轧产品缺陷：（1）条痕（2）孔洞（3）横波（4）白条（5）黑皮（6）板面不平（7）边部不齐实现连续挤压满足两个基个条件：(1)不需借助挤压轴和挤压垫片的直接作用，即可对坯料施加足够的力以实现挤压变形；(2)挤压简应具有无限连续工作长度，以便使用无限长的坯料 连续挤压有哪些优缺点 优点：（1）利用挤压型腔与坯料之间的摩擦，挤压变形能耗大大降低；（2）可以省略常规热挤压中坯料的加热工序；（3）可以实现真正意义上的无间断连续生产，获得长度达到数千乃至数万米的成卷制品；（4）具有广泛的使用范围；（5）设备紧凑，占地面积小，设备造价及基建费用较低。缺点：（1）对坯料预处理要求高；（2）主要适用于生产小断面型材，生产大断面型材时效率低；（3）由于坯料的预处理效果、难以获得大挤压比等原因，该法生产的空心制品在焊缝质量、耐高压性能等方面不如常规挤压-拉拔生产的制品好；（4）对工模具材料的耐磨耐热性能要求高；（5）工模具更换比常规挤压困难；（6）对设备液压系统、控制系统要求高。

连续铸挤：坯料以熔融金属的形式通过电磁泵或重力浇铸连续供给，由水冷式槽轮与槽封块构成的环型型腔同时起到结晶器和挤压筒的作用。优点：金属处于液态与半固态或接近熔点的高温状态，能耗低（2）凝固开始到结束始终处于变形状态，有利于细化晶粒，减少偏析、气孔等缺陷（3）直接液态金属成形，省略坯料预处理工序，工艺流程简单，设备结构紧凑。

7双金属包覆铸造的方法有哪些？途径方法的共同关键技术是什么？

（1）水平磁场制动复合连铸法 ：水平磁场的作用强度；两种金属的浇铸速度（2）包覆层连续铸造法：温度的正确设定、匹配与控制；辊芯防氧化（3）电渣包覆铸造法

（4）反向凝固连铸复合法：侧封技术；凝固控制技术；母带预处理技术（5）复合线材铸拉法：钢丝表面预处理；铸拉工艺控制（6）双流连铸梯度复合法（7）双结晶器连铸法（8）充芯连铸法

复合铸造是指将两种或两种以上具有不同性能的金属材料铸造成为一个完整的铸件，使铸件的不同部位具有不向的性能，以满足使用的要求。常见的复合铸造工艺有镶铸工艺、重力复合铸造、离心复台铸造。

复合铸造铸件的质量除取决于铸造合金本身的性能外，更主要地取决于两种合金材料界面结合的质量。在双金属复合铸造过程中，两种金属中的主要元素在一定温度场内可以相互扩散、相互熔融形成一层成分勺组织介于两种金属之间的过渡台金层，一般厚度为40～60 μm。控制各工艺因素以获得理想的过渡层的成分、组织、性能和厚度，是制造优质复合铸造铸件的技术关键。按界面结合状态，层状复合材料可以分为哪两大类？

机械结合法：镶套（热装和冷压入）、液压扩管、冷拉拔。

冶金结合法：爆炸成形、扩散热处理、轧制、挤压、粉末塑性加工、摩擦焊接、复合铸造。等温成形特点、适用范围

等温成形方法是通过模具和坯料在变形过程中保持同一温度来实现的，从而避免了坯料在变形过程中温度降低和表面激冷的问题。特点：（1）降低材料的变形抗力；（2）提高材料的塑性流动能力；（3）成形件尺寸精度高、表面质量好、组织均匀、性能优良；（4）模具使用寿命长；（5）材料利用率高 适用范围：（1）低塑性材料的成形（2）优质或贵重材料的成形（3）形状复杂的高精度零件的成形（4）采用低压力成形大型结构零件（5）研究材料的塑性变形规律 10 激光焊和电子焊统称为高能束焊，试比较这两种方法在工艺上的应用

激光焊、电子束焊特点：（1）能量密度高（2）焊接速度快（3）焊接金属冷速快容易得到细晶组织（4）焊接热影响范围小，残余应力和变形小。

激光焊、电子束焊应用：一般金属材料的激光焊与电子束焊都有良好的抗热裂和冷裂能力，焊接性较普通电弧焊时焊接性好。激光焊拼焊的冲压成型板了毛坯可大幅度降低成本，提高质量，激光焊接的组合齿轮具有变形小，精度高，接头剪切强度大，生产效率高等特点，焊后可直接装配使用。电子束焊穿透能力强，焊缝深宽比大，因此在大厚件焊接方面电子束焊接具有不可替代的地位，涉及的材料主要有钛合金、高强钢、高温合金、不锈钢、复合材料等。电子束焊还能应用于金属间化合物的连接。试说明粉末冶金的特点，并举出一种粉末冶金的工艺

（1）可以直接制备具有最终形状和尺寸的零件，是一种无切削，少切削的新工艺，有效降低生产的资源和能源消耗（2）可以实现多种类型的复合，充分发挥各组员材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷基复合材料的工艺技术（3）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品。（4）可以最大限度的减少合金成分的偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。（5）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和过饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料（6）可以充分利用废旧原料，是一种有效的材料再生和综合利用新技术

工艺：雾化制粉技术（二流雾化、离心雾化），机械合金化制粉技术，超微粉末制粉技术，粉末注射成型技术，温压成型技术，热压成型技术，等静压成型技术，场活化烧结技术。

等静压成形按其特性分成冷等静压(CIP)和热等静压(GIP)。前者常用水或油作压力介质，故又称液静压、水静压或油水静压；后者常用惰性气体作压力介质，故又称气体热等静压。