材料成形原理

0 緒論1
0.1 材料液態(tài)成形技術(shù)1
0.2 材料連接成形技術(shù)2
0.3 材料塑性成形技術(shù)3
0.4 粉末成形技術(shù)4
0.5 本課程的性質(zhì)與任務(wù)4
0.6 本課程與其他課程的聯(lián)系與分工5
第一篇 液態(tài)金屬的凝固
第1章 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)6
1.1 固態(tài)金屬的加熱、膨脹及熔化6
1.1.1 原子間作用力的電子理論6
1.1.2 金屬的加熱膨脹7
1.1.3 金屬的熔化7
1.2 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)8
1.2.1 從物質(zhì)熔化過程對液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)的認識8
1.2.2 X射線衍射對液態(tài)結(jié)構(gòu)的研究8
1.2.3 理想液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)9
1.2.4 實際金屬和合金的液體結(jié)構(gòu)10
1.3 液態(tài)合金的性質(zhì)11
1.3.1 液態(tài)合金的表面張力11
1.3.2 液態(tài)合金的黏度15
1.4 液態(tài)金屬的流動性與充型能力16
1.4.1 流動性與充型能力的基本概念17
1.4.2 影響液態(tài)金屬充型能力的因素及鑄造工藝中的促進措施18
思考與練習(xí)23
第2章 鑄件的凝固24
2.1 鑄件的溫度場24
2.1.1 數(shù)學(xué)分析法24
2.1.2 數(shù)值計算方法25
2.1.3 鑄件溫度場的測定29
2.1.4 影響鑄件溫度場的因素29
2.2 鑄件的凝固方式31
2.2.1 凝固動態(tài)曲線31
2.2.2 凝固區(qū)域及其結(jié)構(gòu)31
2.2.3 鑄件的凝固方式32
2.2.4 影響鑄件凝固方式的因素33
2.3 鑄件的凝固時間34
2.3.1 理論計算法34
2.3.2 經(jīng)驗計算法——平方根定律34
思考與練習(xí)36
第3章 液態(tài)金屬結(jié)晶的基本原理38
3.1 生核過程38
3.1.1 液態(tài)金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件38
3.1.2 自發(fā)形核39
3.1.3 非自發(fā)形核41
3.2 晶體的長大43
3.2.1 晶體長大的動力學(xué)條件43
3.2.2 液固界面自由能及界面的微觀結(jié)構(gòu)44
3.2.3 晶體的微觀生長方式和速率45
3.2.4 晶體的生長方向和生長表面47
3.3 凝固過程中的質(zhì)量傳輸47
3.3.1 溶質(zhì)分配方程47
3.3.2 凝固傳質(zhì)過程的有關(guān)物理量48
3.3.3 穩(wěn)定態(tài)擴散過程的一般性質(zhì)49
3.4 單相合金的凝固51
3.4.1 溶質(zhì)再分配現(xiàn)象的產(chǎn)生51
3.4.2 平衡凝固時的溶質(zhì)再分配51
3.4.3 非平衡凝固時的溶質(zhì)再分配52
3.4.4 成分過冷的產(chǎn)生58
3.4.5 界面前方過冷狀態(tài)對凝固過程的影響60
3.5 共晶合金的凝固65
3.5.1 共晶組織的分類與特點65
3.5.2 規(guī)則共晶的凝固66
3.5.3 非小平面小平面共晶合金的凝固70
思考與練習(xí)72
第4章 鑄件宏觀凝固組織的形成與控制74
4.1 鑄件宏觀凝固組織的形成及其影響因素74
4.1.1 鑄件宏觀凝固組織特征74
4.1.2 凝固過程中晶粒游離的產(chǎn)生74
4.1.3 表面細晶粒區(qū)的形成76
4.1.4 柱狀晶區(qū)的形成77
4.1.5 內(nèi)部等軸晶區(qū)的形成77
4.2 鑄件宏觀凝固組織的控制78
4.2.1 鑄件凝固組織對鑄件質(zhì)量和性能的影響78
4.2.2 等軸晶組織的獲得和細化78
思考與練習(xí)84
第5章 凝固新技術(shù)85
5.1 快速凝固85
5.1.1 快速凝固技術(shù)85
5.1.2 快速凝固的熱力學(xué)及動力學(xué)87
5.1.3 快速凝固晶態(tài)合金的顯微結(jié)構(gòu)特征89
5.1.4 快速凝固的非晶態(tài)合金89
5.2 定向凝固90
5.2.1 定向凝固的理論基礎(chǔ)90
5.2.2 單晶生長92
5.2.3 柱狀晶的生長93
5.3 半固態(tài)金屬的特性94
5.3.1 連續(xù)攪拌對半固態(tài)金屬凝固的影響94
5.3.2 半固態(tài)鑄造95
第二篇 材料連接成形基礎(chǔ)
第6章 焊接熱過程97
6.1 焊接熱過程的特點97
6.2 焊接熱源97
6.2.1 單一熱源98
6.2.2 復(fù)合熱源98
6.3 焊接熱效率99
6.3.1 焊接熱效率及其影響因素99
6.3.2 焊接熱效率的測試及計算方法100
6.4 焊件加熱區(qū)的熱能分布102
6.5 焊接溫度場104
6.5.1 焊接溫度場的分類104
6.5.2 影響溫度場的因素104
6.6 焊接熱過程計算107
6.6.1 解析法108
6.6.2 數(shù)值方法110
6.7 焊接熱循環(huán)111
6.7.1 焊接熱循環(huán)的特征參數(shù)111
6.7.2 焊接熱循環(huán)參數(shù)的測試與計算113
6.7.3 多層焊熱循環(huán)114
思考與練習(xí)116
第7章 焊接化學(xué)冶金117
7.1 焊接化學(xué)冶金的特點117
7.1.1 焊接過程對金屬的保護117
7.1.2 冶金反應(yīng)區(qū)118
7.1.3 冶金反應(yīng)的影響因素119
7.2 氣體對金屬的作用120
7.2.1 氣體的來源與組成120
7.2.2 氣體對金屬的作用121
7.3 焊接熔渣125
7.3.1 熔渣的作用125
7.3.2 熔渣的成分及結(jié)構(gòu)理論126
7.3.3 熔渣的性能127
7.4 焊接過程中的化學(xué)反應(yīng)129
7.4.1 氧化反應(yīng)及脫氧129
7.4.2 合金化134
7.4.3 焊縫中硫、磷的控制136
思考與練習(xí)137
第8章 焊縫金屬的組織和性能138
8.1 焊接熔池的形成及凝固138
8.1.1 熔池凝固的特點138
8.1.2 熔池凝固的一般規(guī)律139
8.1.3 熔池的結(jié)晶形態(tài)141
8.2 焊縫金屬的組織143
8.2.1 焊縫金屬的一次結(jié)晶組織143
8.2.2 焊縫金屬的固態(tài)相變143
8.3 焊縫金屬的強韌化148
8.3.1 焊縫金屬的強韌化方式148
8.3.2 焊縫金屬的強韌性匹配151
8.4 焊縫金屬的性能控制152
8.4.1 焊接工藝152
8.4.2 變質(zhì)處理153
8.4.3 振動結(jié)晶153
8.4.4 其他方法154
思考與練習(xí)154
第9章 焊接熱影響區(qū)156
9.1 焊接熱影響區(qū)的組織分布156
9.2 焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變158
9.2.1 相變溫度159
9.2.2 晶粒的長大159
9.2.3 焊接熱影響區(qū)的組織轉(zhuǎn)變161
9.2.4 焊接條件下的CCT圖及其影響因素162
9.3 焊接熱影響區(qū)性能164
9.3.1 焊接熱影響區(qū)的力學(xué)性能164
9.3.2 焊接熱影響區(qū)的硬度165
9.3.3 軟化166
9.3.4 脆化168
9.3.5 焊接熱影響區(qū)的韌性170
9.4 焊接熱模擬技術(shù)171
9.4.1 焊接熱模擬的原理及試驗裝置171
9.4.2 焊接熱模擬技術(shù)的應(yīng)用及局限性172
思考與練習(xí)174
第三篇 材料成形過程中缺陷的形成與控制
第10章 化學(xué)成分的不均勻性175
10.1 微觀偏析175
10.1.1 枝晶偏析175
10.1.2 晶界偏析176
10.1.3 胞狀偏析177
10.2 宏觀偏析177
10.2.1 晶間液體的流動對宏觀偏析的影響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 帶狀偏析181
10.2.6 重力偏析181
10.3 焊接接頭的化學(xué)成分不均勻性182
10.3.1 焊縫中的化學(xué)成分不均勻性182
10.3.2 熔合區(qū)的化學(xué)成分不均勻性183
思考與練習(xí)183
第11章 氣孔與夾雜物184
11.1 氣孔184
11.1.1 氣體的析出與氣泡的形成184
11.1.2 析出性氣孔的形成及防止措施185
11.1.3 反應(yīng)性氣孔的形成及防止措施187
11.1.4 焊縫中的氣孔188
11.2 非金屬夾雜物190
11.2.1 夾雜物的來源和分類190
11.2.2 一次非金屬夾雜物191
11.2.3 二次氧化夾雜物193
11.2.4 偏析夾雜物193
11.2.5 焊縫中的夾雜物195
思考與練習(xí)196
第12章 縮孔與縮松197
12.1 金屬收縮的概念197
12.1.1 液態(tài)收縮197
12.1.2 凝固收縮198
12.1.3 固態(tài)收縮199
12.1.4 鑄件的收縮200
12.2 縮孔與縮松的形成機理200
12.2.1 縮孔的形成201
12.2.2 縮松的形成201
12.2.3 縮孔和縮松的相互轉(zhuǎn)化202
12.2.4 灰鑄鐵和球墨鑄鐵鑄件的縮孔和縮松203
12.3 防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的途徑205
12.3.1 順序凝固205
12.3.2 同時凝固206
12.3.3 澆注系統(tǒng)的引入位置及澆注工藝207
12.3.4 冒口、補貼和冷鐵的應(yīng)用207
12.3.5 加壓補縮207
思考與練習(xí)208
第13章 熱裂紋209
13.1 焊接熱裂紋209
13.1.1 結(jié)晶裂紋210
13.1.2 高溫液化裂紋213
13.1.3 多邊化液化裂紋215
13.2 鑄件的熱裂及其影響鑄件熱裂紋的因素、防止措施216
13.2.1 鑄件的熱裂紋216
13.2.2 影響鑄件熱裂因素216
13.2.3 防止鑄件產(chǎn)生熱裂的途徑217
思考與練習(xí)218
第14章 應(yīng)力與變形、裂紋219
14.1 內(nèi)應(yīng)力219
14.1.1 內(nèi)應(yīng)力的形成機理219
14.1.2 焊接件殘余應(yīng)力的分布規(guī)律220
14.1.3 殘余應(yīng)力的防止及去除措施222
14.2 焊接變形與焊接變形的控制與消除223
14.2.1 焊接殘余變形223
14.2.2 焊接變形控制與消除224
14.3 焊件冷裂紋226
14.3.1 焊接冷裂紋的分類及特征226
14.3.2 冷裂紋的形成機理227
14.3.3 焊接冷裂紋的防止230
14.4 鑄件的變形、冷裂及其控制與消除230
14.4.1 鑄件的變形230
14.4.2 鑄件的冷裂紋231
14.4.3 防止鑄件產(chǎn)生變形、冷裂的途徑231
思考與練習(xí)232
第四篇 金屬塑性成形力學(xué)原理
第15章 應(yīng)力狀態(tài)分析233
15.1 外力、內(nèi)力與應(yīng)力233
15.2 斜面上的應(yīng)力234
15.3 主應(yīng)力與主方向236
15.4 最大剪應(yīng)力與正八面體面應(yīng)力238
15.5 應(yīng)力球張量與偏張量239
15.6 平衡微分方程240
15.6.1 直角坐標(biāo)系中的平衡方程240
15.6.2 平面極坐標(biāo)系中的平衡微分方程242
思考與練習(xí)242
第16章 應(yīng)變狀態(tài)分析244
16.1 幾何方程244
16.1.1 直角坐標(biāo)系中的幾何方程244
16.1.2 其他正交坐標(biāo)系中的幾何方程245
16.2 主應(yīng)變和任意方向的線應(yīng)變246
16.2.1 任意方向的線應(yīng)變246
16.2.2 主應(yīng)變248
16.3 主剪應(yīng)變和應(yīng)變張量的分解248
16.4 應(yīng)變率張量與應(yīng)變增量張量250
16.4.1 應(yīng)變率張量250
16.4.2 應(yīng)變增量張量251
16.5 應(yīng)變協(xié)調(diào)方程251
思考與練習(xí)252
第17章 彈性平面問題254
17.1 彈性本構(gòu)方程254
17.1.1 直角坐標(biāo)系中的本構(gòu)方程254
17.1.2 柱坐標(biāo)系中的本構(gòu)方程255
17.2 彈性平面問題255
17.2.1 平面應(yīng)力問題與平面應(yīng)變問題255
17.2.2 艾雷應(yīng)力函數(shù)256
17.2.3 逆解法與半逆解法257
17.3 受均布載荷的簡支梁258
17.4 平面問題的極坐標(biāo)解答261
17.4.1 極坐標(biāo)系中的應(yīng)力函數(shù)與協(xié)調(diào)方程261
17.4.2 軸對稱問題的應(yīng)力和位移262
17.5 受均布壓力作用的圓環(huán)264
17.6 薄板中圓孔附近的應(yīng)力集中265
思考與練習(xí)268
第18章 屈服準(zhǔn)則與塑性本構(gòu)關(guān)系269
18.1 彈性與塑性269
18.1.1 彈性變形與塑性變形269
18.1.2 幾種簡化的本構(gòu)模型269
18.2 屈服準(zhǔn)則270
18.2.1 屈服準(zhǔn)則的概念270
18.2.2 特雷斯卡屈服準(zhǔn)則271
18.2.3 米塞斯屈服準(zhǔn)則272
18.3 屈服準(zhǔn)則的幾何描述273
18.3.1 平面應(yīng)力狀態(tài)下的屈服軌跡273
18.3.2 三維主應(yīng)力空間中的屈服曲面274
18.3.3 π平面上的屈服軌跡275
18.4 屈服準(zhǔn)則的實驗驗證275
18.4.1 羅德實驗275
18.4.2 泰勒和奎寧實驗276
18.4.3 兩個屈服準(zhǔn)則作比較276
18.5 塑性本構(gòu)關(guān)系277
18.5.1 塑性變形的特點277
18.5.2 增量理論278
18.5.3 全量理論281
思考與練習(xí)282
第19章 彈塑性問題分析實例283
19.1 圓軸的彈塑性扭轉(zhuǎn)283
19.2 梁的彈塑性彎曲284
19.2.1 純彎曲梁的彈塑性分析284
19.2.2 橫力彎曲梁的彈塑性分析285
19.2.3 殘余應(yīng)力的計算287
19.3 厚壁筒的彈塑性分析287
19.3.1 厚壁筒的彈性分析287
19.3.2 厚壁筒的彈塑性分析288
19.3.3 厚壁筒的位移計算290
19.3.4 厚壁筒的殘余應(yīng)力計算290
思考與練習(xí)292
第20章 塑性問題分析實例293
20.1 主應(yīng)力法及其應(yīng)用293
20.1.1 受內(nèi)拉塑性圓環(huán)問題293
20.1.2 平行模板間平面應(yīng)變鐓粗294
20.1.3 平行模板間圓柱體鐓粗295
20.2 滑移線場法及其應(yīng)用297
20.2.1 滑移線場的概念297
20.2.2 滑移線場的性質(zhì)298
20.2.3 幾種典型的滑移線場299
20.2.4 滑移線場確定極限載荷舉例300
20.3 上限法及其應(yīng)用302
20.3.1 動可容速度場302
20.3.2 變形體的虛功原理302
20.3.3 最大散逸功原理303
20.3.4 上限定理304
20.3.5 上限法應(yīng)用實例305
思考與練習(xí)306
第五篇 粉末成形原理
第21章 粉末成形過程與原理308
21.1 粉末的制取及性能308
21.1.1 粉末體及粉末性能308
21.1.2 粉末粒度及其測定308
21.1.3 粉末的比表面積309
21.2 粉末壓制成型309
21.2.1 金屬粉末壓制過程309
21.2.2 影響壓制過程的因素309
21.3 燒結(jié)311
21.3.1 燒結(jié)過程熱力學(xué)基礎(chǔ)311
21.3.2 燒結(jié)機構(gòu)312
21.3.3 燒結(jié)裝置與燒結(jié)氣氛314
21.3.4 燒結(jié)體的性能314
21.4 液相燒結(jié)316
21.4.1 液相燒結(jié)方法316
21.4.2 液相燒結(jié)條件與過程318
21.4.3 影響液相燒結(jié)的因素319
21.4.4 液相燒結(jié)的優(yōu)缺點與應(yīng)用321
附錄A 指標(biāo)符號與二階張量322
參考文獻326