材料成形原理

0 绪论1

0.1 材料液态成形技术1

0.2 材料连接成形技术2

0.3 材料塑性成形技术3

0.4 粉末成形技术4

0.5 本课程的性质与任务4

0.6 本课程与其他课程的联系与分工5

第一篇 液态金属的凝固

第1章 液态金属的结构与性质6

1.1 固态金属的加热、膨胀及熔化6

1.1.1 原子间作用力的电子理论6

1.1.2 金属的加热膨胀7

1.1.3 金属的熔化7

1.2 液态金属的结构8

1.2.1 从物质熔化过程对液态金属结构的认识8

1.2.2 X射线衍射对液态结构的研究8

1.2.3 理想液态金属结构9

1.2.4 实际金属和合金的液体结构10

1.3 液态合金的性质11

1.3.1 液态合金的表面张力11

1.3.2 液态合金的黏度15

1.4 液态金属的流动性与充型能力16

1.4.1 流动性与充型能力的基本概念17

1.4.2 影响液态金属充型能力的因素及铸造工艺中的促进措施18

思考与练习23

第2章 铸件的凝固24

2.1 铸件的温度场24

2.1.1 数学分析法24

2.1.2 数值计算方法25

2.1.3 铸件温度场的测定29

2.1.4 影响铸件温度场的因素29

2.2 铸件的凝固方式31

2.2.1 凝固动态曲线31

2.2.2 凝固区域及其结构31

2.2.3 铸件的凝固方式32

2.2.4 影响铸件凝固方式的因素33

2.3 铸件的凝固时间34

2.3.1 理论计算法34

2.3.2 经验计算法——平方根定律34

思考与练习36

第3章 液态金属结晶的基本原理38

3.1 生核过程38

3.1.1 液态金属结晶的热力学条件38

3.1.2 自发形核39

3.1.3 非自发形核41

3.2 晶体的长大43

3.2.1 晶体长大的动力学条件43

3.2.2 液固界面自由能及界面的微观结构44

3.2.3 晶体的微观生长方式和速率45

3.2.4 晶体的生长方向和生长表面47

3.3 凝固过程中的质量传输47

3.3.1 溶质分配方程47

3.3.2 凝固传质过程的有关物理量48

3.3.3 稳定态扩散过程的一般性质49

3.4 单相合金的凝固51

3.4.1 溶质再分配现象的产生51

3.4.2 平衡凝固时的溶质再分配51

3.4.3 非平衡凝固时的溶质再分配52

3.4.4 成分过冷的产生58

3.4.5 界面前方过冷状态对凝固过程的影响60

3.5 共晶合金的凝固65

3.5.1 共晶组织的分类与特点65

3.5.2 规则共晶的凝固66

3.5.3 非小平面小平面共晶合金的凝固70

思考与练习72

第4章 铸件宏观凝固组织的形成与控制74

4.1 铸件宏观凝固组织的形成及其影响因素74

4.1.1 铸件宏观凝固组织特征74

4.1.2 凝固过程中晶粒游离的产生74

4.1.3 表面细晶粒区的形成76

4.1.4 柱状晶区的形成77

4.1.5 内部等轴晶区的形成77

4.2 铸件宏观凝固组织的控制78

4.2.1 铸件凝固组织对铸件质量和性能的影响78

4.2.2 等轴晶组织的获得和细化78

思考与练习84

第5章 凝固新技术85

5.1 快速凝固85

5.1.1 快速凝固技术85

5.1.2 快速凝固的热力学及动力学87

5.1.3 快速凝固晶态合金的显微结构特征89

5.1.4 快速凝固的非晶态合金89

5.2 定向凝固90

5.2.1 定向凝固的理论基础90

5.2.2 单晶生长92

5.2.3 柱状晶的生长93

5.3 半固态金属的特性94

5.3.1 连续搅拌对半固态金属凝固的影响94

5.3.2 半固态铸造95

第二篇 材料连接成形基础

第6章 焊接热过程97

6.1 焊接热过程的特点97

6.2 焊接热源97

6.2.1 单一热源98

6.2.2 复合热源98

6.3 焊接热效率99

6.3.1 焊接热效率及其影响因素99

6.3.2 焊接热效率的测试及计算方法100

6.4 焊件加热区的热能分布102

6.5 焊接温度场104

6.5.1 焊接温度场的分类104

6.5.2 影响温度场的因素104

6.6 焊接热过程计算107

6.6.1 解析法108

6.6.2 数值方法110

6.7 焊接热循环111

6.7.1 焊接热循环的特征参数111

6.7.2 焊接热循环参数的测试与计算113

6.7.3 多层焊热循环114

思考与练习116

第7章 焊接化学冶金117

7.1 焊接化学冶金的特点117

7.1.1 焊接过程对金属的保护117

7.1.2 冶金反应区118

7.1.3 冶金反应的影响因素119

7.2 气体对金属的作用120

7.2.1 气体的来源与组成120

7.2.2 气体对金属的作用121

7.3 焊接熔渣125

7.3.1 熔渣的作用125

7.3.2 熔渣的成分及结构理论126

7.3.3 熔渣的性能127

7.4 焊接过程中的化学反应129

7.4.1 氧化反应及脱氧129

7.4.2 合金化134

7.4.3 焊缝中硫、磷的控制136

思考与练习137

第8章 焊缝金属的组织和性能138

8.1 焊接熔池的形成及凝固138

8.1.1 熔池凝固的特点138

8.1.2 熔池凝固的一般规律139

8.1.3 熔池的结晶形态141

8.2 焊缝金属的组织143

8.2.1 焊缝金属的一次结晶组织143

8.2.2 焊缝金属的固态相变143

8.3 焊缝金属的强韧化148

8.3.1 焊缝金属的强韧化方式148

8.3.2 焊缝金属的强韧性匹配151

8.4 焊缝金属的性能控制152

8.4.1 焊接工艺152

8.4.2 变质处理153

8.4.3 振动结晶153

8.4.4 其他方法154

思考与练习154

第9章 焊接热影响区156

9.1 焊接热影响区的组织分布156

9.2 焊接热影响区的组织转变158

9.2.1 相变温度159

9.2.2 晶粒的长大159

9.2.3 焊接热影响区的组织转变161

9.2.4 焊接条件下的CCT图及其影响因素162

9.3 焊接热影响区性能164

9.3.1 焊接热影响区的力学性能164

9.3.2 焊接热影响区的硬度165

9.3.3 软化166

9.3.4 脆化168

9.3.5 焊接热影响区的韧性170

9.4 焊接热模拟技术171

9.4.1 焊接热模拟的原理及试验装置171

9.4.2 焊接热模拟技术的应用及局限性172

思考与练习174

第三篇 材料成形过程中缺陷的形成与控制

第10章 化学成分的不均匀性175

10.1 微观偏析175

10.1.1 枝晶偏析175

10.1.2 晶界偏析176

10.1.3 胞状偏析177

10.2 宏观偏析177

10.2.1 晶间液体的流动对宏观偏析的影响177

10.2.2 正常偏析179

10.2.3 逆偏析180

10.2.4 V形偏析和逆V形偏析180

10.2.5 带状偏析181

10.2.6 重力偏析181

10.3 焊接接头的化学成分不均匀性182

10.3.1 焊缝中的化学成分不均匀性182

10.3.2 熔合区的化学成分不均匀性183

思考与练习183

第11章 气孔与夹杂物184

11.1 气孔184

11.1.1 气体的析出与气泡的形成184

11.1.2 析出性气孔的形成及防止措施185

11.1.3 反应性气孔的形成及防止措施187

11.1.4 焊缝中的气孔188

11.2 非金属夹杂物190

11.2.1 夹杂物的来源和分类190

11.2.2 一次非金属夹杂物191

11.2.3 二次氧化夹杂物193

11.2.4 偏析夹杂物193

11.2.5 焊缝中的夹杂物195

思考与练习196

第12章 缩孔与缩松197

12.1 金属收缩的概念197

12.1.1 液态收缩197

12.1.2 凝固收缩198

12.1.3 固态收缩199

12.1.4 铸件的收缩200

12.2 缩孔与缩松的形成机理200

12.2.1 缩孔的形成201

12.2.2 缩松的形成201

12.2.3 缩孔和缩松的相互转化202

12.2.4 灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松203

12.3 防止铸件产生缩孔和缩松的途径205

12.3.1 顺序凝固205

12.3.2 同时凝固206

12.3.3 浇注系统的引入位置及浇注工艺207

12.3.4 冒口、补贴和冷铁的应用207

12.3.5 加压补缩207

思考与练习208

第13章 热裂纹209

13.1 焊接热裂纹209

13.1.1 结晶裂纹210

13.1.2 高温液化裂纹213

13.1.3 多边化液化裂纹215

13.2 铸件的热裂及其影响铸件热裂纹的因素、防止措施216

13.2.1 铸件的热裂纹216

13.2.2 影响铸件热裂因素216

13.2.3 防止铸件产生热裂的途径217

思考与练习218

第14章 应力与变形、裂纹219

14.1 内应力219

14.1.1 内应力的形成机理219

14.1.2 焊接件残余应力的分布规律220

14.1.3 残余应力的防止及去除措施222

14.2 焊接变形与焊接变形的控制与消除223

14.2.1 焊接残余变形223

14.2.2 焊接变形控制与消除224

14.3 焊件冷裂纹226

14.3.1 焊接冷裂纹的分类及特征226

14.3.2 冷裂纹的形成机理227

14.3.3 焊接冷裂纹的防止230

14.4 铸件的变形、冷裂及其控制与消除230

14.4.1 铸件的变形230

14.4.2 铸件的冷裂纹231

14.4.3 防止铸件产生变形、冷裂的途径231

思考与练习232

第四篇 金属塑性成形力学原理

第15章 应力状态分析233

15.1 外力、内力与应力233

15.2 斜面上的应力234

15.3 主应力与主方向236

15.4 最大剪应力与正八面体面应力238

15.5 应力球张量与偏张量239

15.6 平衡微分方程240

15.6.1 直角坐标系中的平衡方程240

15.6.2 平面极坐标系中的平衡微分方程242

思考与练习242

第16章 应变状态分析244

16.1 几何方程244

16.1.1 直角坐标系中的几何方程244

16.1.2 其他正交坐标系中的几何方程245

16.2 主应变和任意方向的线应变246

16.2.1 任意方向的线应变246

16.2.2 主应变248

16.3 主剪应变和应变张量的分解248

16.4 应变率张量与应变增量张量250

16.4.1 应变率张量250

16.4.2 应变增量张量251

16.5 应变协调方程251

思考与练习252

第17章 弹性平面问题254

17.1 弹性本构方程254

17.1.1 直角坐标系中的本构方程254

17.1.2 柱坐标系中的本构方程255

17.2 弹性平面问题255

17.2.1 平面应力问题与平面应变问题255

17.2.2 艾雷应力函数256

17.2.3 逆解法与半逆解法257

17.3 受均布载荷的简支梁258

17.4 平面问题的极坐标解答261

17.4.1 极坐标系中的应力函数与协调方程261

17.4.2 轴对称问题的应力和位移262

17.5 受均布压力作用的圆环264

17.6 薄板中圆孔附近的应力集中265

思考与练习268

第18章 屈服准则与塑性本构关系269

18.1 弹性与塑性269

18.1.1 弹性变形与塑性变形269

18.1.2 几种简化的本构模型269

18.2 屈服准则270

18.2.1 屈服准则的概念270

18.2.2 特雷斯卡屈服准则271

18.2.3 米塞斯屈服准则272

18.3 屈服准则的几何描述273

18.3.1 平面应力状态下的屈服轨迹273

18.3.2 三维主应力空间中的屈服曲面274

18.3.3 π平面上的屈服轨迹275

18.4 屈服准则的实验验证275

18.4.1 罗德实验275

18.4.2 泰勒和奎宁实验276

18.4.3 两个屈服准则作比较276

18.5 塑性本构关系277

18.5.1 塑性变形的特点277

18.5.2 增量理论278

18.5.3 全量理论281

思考与练习282

第19章 弹塑性问题分析实例283

19.1 圆轴的弹塑性扭转283

19.2 梁的弹塑性弯曲284

19.2.1 纯弯曲梁的弹塑性分析284

19.2.2 横力弯曲梁的弹塑性分析285

19.2.3 残余应力的计算287

19.3 厚壁筒的弹塑性分析287

19.3.1 厚壁筒的弹性分析287

19.3.2 厚壁筒的弹塑性分析288

19.3.3 厚壁筒的位移计算290

19.3.4 厚壁筒的残余应力计算290

思考与练习292

第20章 塑性问题分析实例293

20.1 主应力法及其应用293

20.1.1 受内拉塑性圆环问题293

20.1.2 平行模板间平面应变镦粗294

20.1.3 平行模板间圆柱体镦粗295

20.2 滑移线场法及其应用297

20.2.1 滑移线场的概念297

20.2.2 滑移线场的性质298

20.2.3 几种典型的滑移线场299

20.2.4 滑移线场确定极限载荷举例300

20.3 上限法及其应用302

20.3.1 动可容速度场302

20.3.2 变形体的虚功原理302

20.3.3 最大散逸功原理303

20.3.4 上限定理304

20.3.5 上限法应用实例305

思考与练习306

第五篇 粉末成形原理

第21章 粉末成形过程与原理308

21.1 粉末的制取及性能308

21.1.1 粉末体及粉末性能308

21.1.2 粉末粒度及其测定308

21.1.3 粉末的比表面积309

21.2 粉末压制成型309

21.2.1 金属粉末压制过程309

21.2.2 影响压制过程的因素309

21.3 烧结311

21.3.1 烧结过程热力学基础311

21.3.2 烧结机构312

21.3.3 烧结装置与烧结气氛314

21.3.4 烧结体的性能314

21.4 液相烧结316

21.4.1 液相烧结方法316

21.4.2 液相烧结条件与过程318

21.4.3 影响液相烧结的因素319

21.4.4 液相烧结的优缺点与应用321

附录A 指标符号与二阶张量322

参考文献326

《材料成形原理》系统阐述了各种材料成形过程的基本原理，即材料成形过程中的能流、物质流和信息流规律及其物理本质，涵盖了铸件形成理论、塑性成形原理、熔焊原理、粉末冶金原理等基本内容，并对它们之间的共性部分进行了有机整合，对个性部分也作了有选择性的重点论述。本教材共分为5篇，主要内容包括：液态金属的凝固、材料连接成形基础、材料成形过程中缺陷的形成与控制、金属塑性成形力学原理、粉末成形原理。本教材注重理论分析与实际应用相结合，既有一定的理论深度，又注意深浅适度。通过对本教材的学习，可对材料成形过程及其基本原理有较深入和系统的理解，为后续专业课程的学习以及研究新材料、新工艺奠定了理论和实践基础。
　　《材料成形原理》适合作为材料成型及控制工程专业应用型本、专科学生学习的教材，也可作为相关专业学生和工程技术人员的参考用书。