材料成形原理(林小娉)

  为适应国家教育改革形势、满足教育部制定的材料成型及控制工程专业培养目标和培养要求，从学生宽口径、厚基础的人才培养目标出发，根据材料成型及控制工程专业教学大纲编写了本教材。本教材是将原铸造、焊接、模具三个专业“凝固成形原理”、“焊接成形原理”、“塑性成形原理”、“粉末成形原理”等原理性课程有机结合、融会贯通，形成的一本系统性强、重点突出、内容精炼，并适合材料成型及控制工程专业的理论基础教材，主要解释了近代材料成形技术中共同的物理现象、基本规律以及各种成形技术的基本原理、理论基础、分析问题的方法，使学生对材料成形过程及原理有深入的理解，为后续专业课程学习及科学研究奠定了理论基础。
  本教材分为5篇21章，第一篇液态金属的凝固包括：第1章液态金属的结构与性质，第2章铸件的凝固，第3章液态金属结晶的基本原理，第4章铸件宏观凝固组织的形成与控制，第5章凝固新技术。第二篇材料连接成形基础包括：第6章焊接热过程，第7章焊接化学冶金，第8章焊缝金属的组织和性能，第9章焊接热影响区。第三篇材料成形过程中缺陷的形成与控制包括：第10章化学成分的不均匀性，第11章气孔与夹杂物，第12章缩孔与缩松，第13章热裂纹，第14章应力与变形、裂纹。第四篇金属塑性成形力学原理包括：第15章应力状态分析，第16章应变状态分析，第17章弹性平面问题，第18章屈服准则与塑性本构关系，第19章弹塑性问题分析实例，第20章塑性问题分析实例；第五篇粉末成形原理包括第21章粉末成形过程与原理。
  本教材由东北大学秦皇岛分校林小娉担任主编，河北工业大学陈翠欣、焦永树担任副主编，参加编写的还有太原理工大学张金山、河南科技大学张占领、内蒙古工业大学韩永全以及河北工业大学李海鹏、丁检、薛海涛、李日。具体编写分工如下：第2章22、23节，第4章、第11章、第12章由林小娉编写；第6、8、9章由陈翠欣编写；第15～20章由焦永树编写；第1章、第5章、第10章由张占领编写；第3章由张金山编写；第7章由薛海涛编写；第14章由韩永全编写；第2章21节由李日编写；第21章由丁检编写；绪论、第13章由李海鹏编写。全书由林小娉统稿。
  本教材在编写过程中参考了大量相关文献资料和书籍，在此对文献资料和书籍作者表示衷心的感谢！
  由于本教材编者水平所限，书中难免有缺点和不足之处，恳求读者批评指正。
编者
2010年4月

  本教材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。
  本书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。

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2X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4V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3π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