内容发布更新时间 : 2024/7/3 16:05:18星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

金属材料加工先进技术

1.块状纳米晶金属材料的显微组织与力学性能特点。 显微组织

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。就最近邻组态而言，纳米晶(金属)材料是由晶体部分(由所有“晶体原子”所组成)和晶界部分(由所有“晶界原子”所组成)构成的。

纳米材料微观组织超细，含有大量的内界面，大量原子位于纳米内界面上，与传统微米、亚微米尺度的材料相比，纳米材料常表现出一系列特殊的物理性能和优异的机械性能，如高比热、高热膨胀率、高强度、高塑性变形能力等。 力学性能

晶粒大小是影响传统多晶金属材料力学性能的重要因素。随着晶粒减小，材料的强度和硬度增大。当晶粒小到纳米量级时，它将具有非常独特的力学性能。 强度与延伸率：纳米金属比粗晶金属具有较高的屈服强度，对于金属面心立方纳米晶金属(如Cu, Ni, Pd等)，当晶粒尺寸在15 -100nm时，屈服强度和硬度随着晶粒尺寸的减小而增大，而当晶粒尺寸小于l0nm时，纳米金属的强度随晶粒尺寸的减小而降低，呈现出反Hall-Petch关系。

对于同成分的单质或合金纳米材料，除了晶粒大小外，影响因素还有:(1)应力状态和微观结构(如界面结构、微观应变等)；(2)样品的致密度; (3)合金及化合物的相组成、成分分布和界面组态;（4）纳米材料的强度对样品表面状态。 塑性：当晶粒细化至纳米量级时，通常几乎不能变形的陶瓷或金属间化合物将可能表现为相当大的塑性，但是在压制纳米粉粒时引入的空隙等缺陷会大幅度降低塑性。

变形机理：a)纳米晶体变形过程少有位错行为。b)金属单质样品的变形过程主要由晶粒转动或晶界滑动完成。 断裂机制：纳米晶金属块体材料的断裂很大程度上与晶界和三叉晶界上空隙的形成和试样的致密度有关。

2.块体纳米晶金属材料的主要制备工艺及每种工艺的优缺点。

金属蒸发凝聚一原位冷压成型法、机械研磨法、非晶晶化法、电解沉积法等几种主要制备技术。

这些制备方法按其界面形成过程可分为三大类： （1）外压力合成，如超细粉冷压法、机械研磨法; （2）沉积合成，如各种沉积方法; （3）相变界面形成，如非晶晶化法。

针对不同的用途，这三类方法各有其优缺点。

目前，金属纳米晶材料制备的一个主要目标，是获得大尺寸的纳米晶体样品，其中界面清洁致密，无微孔隙，晶粒尺寸细小均匀。而目前利用上述几种制备方法均较难达到这一目标。

惰性气体冷凝法

该方法适应范围广，微粉颗粒表面洁净，块体纯度高，相对密度较高;但由于为了防止氧化，制备的整个过程是在惰性气体保护和超高真空室内进行的，设备昂贵，对制备工艺要求较高，故制备难度较大;且加上制备的固体纳米晶体材料中都不可避免地存在杂质和孔隙等缺陷，从而影响了纳米材料的性能，也影响了对纳米材料结构与性能的研究。 高能球磨法

该方法已经成为制备纳米材料的一种重要方法，但其存在的问题是:晶粒尺寸分布不均匀，粉末容易受来自球磨介质(球与球罐)和气氛杂质的污染，容易发生氧化和形成应力，在固结过程中晶粒粗化，很难得到洁净的纳米晶体界面和无微孔隙的纳米晶金属块体材料，从而对一些基础性研究工作不利。 快速凝固法

是通过传导传热或对流传热等方式加快熔体的冷却速度，和凝固，在凝固过程中，控 制形核率和长大速率，从而获得超细的晶粒的方法。常用的快速凝固方法是快淬法。 严重塑性变形法

该工艺的特点是适用范围较宽，可制备体积大、致密度高、晶粒界面洁净的纳米块体材料;局限性在于制备成本较高，晶粒度范围较大。 非晶晶化法

该方法的优点是制备的纳米块体材料的晶粒界面清洁致密、样品中无微孔隙、晶粒度容易控制、成本低廉、产量大;局限性在于必须以块状的非晶体材料为先驱材料，依赖于非晶态固体的获得，仅仅适合于容易形成非晶的合金系。采用这种方法很难获得大尺寸的块体纳米材料。 粉末冶金法

制备过程主要控制压力和烧结工艺参数。由于纳米粉体颗粒尺寸小、表面能高。高的表面能为原子运动提供驱动力，有利于块体材料内部空洞的收缩，故在较低的烧结温度下也能使块体材料致密化。但该法也存在晶粒尺寸容易长大、尺寸分布不均匀、微孔隙、致 密度较低等问题。 电沉积法

主要优点是:(1)可沉积大量晶粒尺寸在纳米量级的纯金属、合金以及化合物;(2)投资少，生产率高，不受试样尺寸和形状的限制，可制成薄膜、涂层或块体材料;(3)疏松孔洞少，密度较高，且在生产中无需压制，内应力较小;(4)电沉积产物微观结构可控，可以是等轴的，也可以是随机取向或织构;(5)属室温技术，费用和成本相对低廉，可进行大规模生产。但是，该方法只能获得厚度较薄的纳米晶金属块体材料。 磁控溅射法

是物理气相沉积薄膜的重要方法之一。 放电等离子烧结法

具有快速、低温、高效率等优点。 燃烧合成熔化法

燃烧合成熔化法具有制备气压与温度低、工艺简单、成本与能耗低、能制备大尺寸纳米块体材料等优点。

纳米晶体材料的制备方法还有激光气相合成法、高能粒子辐射法、化学气相沉积法、高温高压固相淬火法、高速射击法等。但要真正获得界面清洁、无微孔隙的高质量的纳米晶金属块体材料，还必须对现有技术进行优化，或寻找新的技术，开发出适合大量生产无微孔隙的高质量块体纳米材料的成熟技术，使纳米材料早日走向产业化。

3.铝基复合材料固态法制备技术特点分析。 固态制造法一般指的是在进行复合材料加工中，基体基本上处于固态或者有少量液相的存在。固态法的制造温度较低，基体与增强体的界面反应不严重，主要包括粉末冶金法，固态热压，热等静压法和爆炸焊接法。

4.分析挤压铸造技术和搅拌摩擦铸造技术的工艺流程、技术特点及区别。

挤压铸造： 所谓挤压铸造就是把锻造和铸造结合为一, 其工艺过程是: 将熔融金

属浇入阴模内, 让其固化一定程度夕再把密配合的阳模合在一起, 把金属压至阴模的各个角落, 以形成所要求的零件外形。在整个固化期间保持最大压力, 其情形就像锻造那样通过活动的压模直接施压。

其工艺流程如图1所示，可分为金属熔化、模具准备、合金浇注、合模和施压、卸模和顶出制件等。

技术特点：挤压铸造是一种近终形铸造技术。在挤压铸造中金属液在压力下充型和凝固，有效地提高了铸件的补缩和成形能力，很大程度上提高了铸件的内在质量和外观质量。在理想条件下，挤压铸造出的零件是紧公差的, 表面光洁度良好而且无孔; 在结构上则是细纹的、均质和无方向性的。总之, 挤压铸造的零件兼有锻造的性能和铸造的造价，研究挤压铸造技术对于节省原材料、降低能耗和提高铸件质量有很大实际意义。因此, 美国海军武器中心准备用这种工艺来制造8英寸直径制导炮弹的壳体、尾翼等部件, 陆军也准备用来制造“ 爱国者” 地空导弹战斗部舱底座。

目前挤压铸造仅适用于高径比小于3.5的铸件。当高径比较大时，远离冲头的区域出现明显的缩松缺陷，铸件的力学性能尤其是塑性和韧性显著降低。 挤压铸造的主要特点可概括为:

(1)在成形过程中，尚未凝固的金属液自始至终承受等静压，并在压力作用下，发生结晶凝固、流动成形;

(2)已凝固的金属，在成形的全过程中，在压力的作用下，发生微量的塑性变形，使制件外侧紧贴金属模膛壁;

(3)由于结晶凝固层产生塑性变形，要消耗一部分能量，因此金属液经受的等静压不是定值，而是随着凝固层的增厚而下降;

(4)固一液区在压力作用下，发生强制性的补缩，从而消除制件内部缩孔、缩松之类铸造缺陷，以提高制件机械性能和其它性能。

搅拌铸造法具有工艺流程短、设备简单、操作容易、成本低廉、对颗粒种类及尺寸适应范围广等优点, 是制备铝基复合材料有效的方法之一。

挤压铸造法工艺的缺点在于预制块在压力作用下易变形,制得的复合材料微观结构不均匀,晶粒尺寸也比较大,有害界面反应难以控制。而搅拌铸造法具有成本较低,工艺流程短,易于实现批量生产的优点。