材料冶金學(xué)與成型工藝

李亞江，山東大學(xué)材料學(xué)院，教授、博導(dǎo)，作者博士研究生畢業(yè)于山東大學(xué)材料加工專(zhuān)業(yè)（焊接方向），獲博士學(xué)位。曾在工廠作為焊接技術(shù)人員工作7年，有從事基層技術(shù)工作的經(jīng)驗(yàn)；研究生畢業(yè)后留校任教，從事新材料特種焊接技術(shù)的教學(xué)和科研工作。主持完成*、?。ú浚┘?jí)科研課題十多項(xiàng)，與企業(yè)合作課題20多項(xiàng)；獲教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省科技進(jìn)步獎(jiǎng)5項(xiàng)，獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利16項(xiàng)，發(fā)表論文280多篇，主要著作有《特殊及難焊材料的焊接》、《焊接修復(fù)技術(shù)》等。研究生畢業(yè)后留校（山東大學(xué)）任教，主講本科生專(zhuān)業(yè)課《焊接冶金學(xué)-材料焊接性》，也主講過(guò)下述選修課：《特種焊接技術(shù)》、《焊接材料選用》、《焊接質(zhì)量控制與檢驗(yàn)》等；主講研究生課：《材料連接技術(shù)》、《界面擴(kuò)散理論》。已指導(dǎo)博士研究生14人，碩士研究生20多人。

第1章概述

1.1焊接的途徑和方法

1.2焊接過(guò)程的物理本質(zhì)

1.3焊接能源、熱輸入及溫度場(chǎng)

1.4焊接冶金學(xué)涉及的內(nèi)容

復(fù)習(xí)思考題

第2章焊接化學(xué)冶金

2.1焊接化學(xué)冶金的特點(diǎn)

2.1.1焊接區(qū)金屬的保護(hù)

2.1.2焊接化學(xué)冶金的反應(yīng)區(qū)

2.1.3焊接區(qū)氣體與金屬的作用

2.1.4焊接化學(xué)冶金系統(tǒng)的不平衡性

2.2焊接熔渣

2.2.1焊接熔渣的作用、分類(lèi)及特性

2.2.2熔渣的結(jié)構(gòu)理論及性質(zhì)

2.2.3焊接熔渣對(duì)金屬的氧化

2.2.4焊縫金屬的脫氧

2.3焊縫金屬的合金化與雜質(zhì)控制

2.3.1焊縫金屬的合金化

2.3.2合金過(guò)渡系數(shù)及影響因素

2.3.3合金元素對(duì)焊接性的影響

2.3.4氮、氫、氧對(duì)焊接質(zhì)量的影響及控制

2.3.5焊縫中硫、磷的危害及控制

復(fù)習(xí)思考題

第3章焊材冶金

3.1焊接材料的作用

3.1.1不同焊接方法所用的焊接材料

3.1.2焊條、焊絲和焊劑的作用

3.2電焊條及配方設(shè)計(jì)

3.2.1電焊條的分類(lèi)及組成

3.2.2焊條和藥皮的冶金性能

3.2.3焊條的工藝性能

3.2.4焊條的藥皮設(shè)計(jì)及原材料

3.2.5鈦鈣型藥皮焊條的設(shè)計(jì)

3.2.6低氫型藥皮焊條的設(shè)計(jì)

3.3焊絲及保護(hù)氣體

3.3.1焊絲的分類(lèi)及特點(diǎn)

3.3.2實(shí)芯焊絲及工藝特性

3.3.3藥芯焊絲及工藝特性

3.3.4焊接用保護(hù)氣體及選用

3.4焊劑及焊絲—焊劑組合

3.4.1焊劑的分類(lèi)及特點(diǎn)

3.4.2熔煉焊劑

3.4.3燒結(jié)焊劑

3.4.4焊劑與焊絲的組合

復(fù)習(xí)思考題

第4章熔池結(jié)晶及焊縫組織

4.1熔池凝固結(jié)晶

4.1.1焊接熔池凝固的特點(diǎn)

4.1.2熔池金屬的受力和流動(dòng)狀態(tài)

4.1.3焊接熔池結(jié)晶的規(guī)律

4.1.4熔池凝固的組織形態(tài)及影響因素

4.2焊縫成分偏析與氣孔

4.2.1焊縫中的成分偏析

4.2.2焊縫中的氣孔及產(chǎn)生原因

4.2.3氣孔的影響因素及防止措施

4.3焊縫固態(tài)相變

4.3.1低碳鋼焊縫的顯微組織

4.3.2低合金鋼焊縫的組織演變

4.3.3焊縫CCT圖及其應(yīng)用

4.3.4焊縫組織性能的改善措施

復(fù)習(xí)思考題

第5章焊接熔合區(qū)

5.1熔合區(qū)特征及結(jié)晶形態(tài)

5.1.1焊接熔合區(qū)的特征

5.1.2焊接熔合區(qū)的形成

5.1.3焊接熔合區(qū)的結(jié)晶形態(tài)

5.2熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性

5.2.1熔合區(qū)液—固界面的成分分布

5.2.2熔化邊界的液化現(xiàn)象

5.2.3熔合區(qū)凝固過(guò)渡層（馬氏體脆性層）

5.2.4熔合區(qū)碳遷移擴(kuò)散層（增碳層和脫碳層）

5.3熔合比、稀釋和稀釋率

5.3.1熔合比

5.3.2稀釋和稀釋率

5.3.3異相焊縫金屬的成分估算

5.4液—固結(jié)晶模式及熔合邊界組織

5.4.1奧氏體鋼液—固結(jié)晶模式

5.4.2Ⅱ型邊界及特性

5.4.3低合金鋼熔合區(qū)附近的組織

復(fù)習(xí)思考題

第6章焊接熱影響區(qū)組織性能

6.1焊接熱循環(huán)及參數(shù)計(jì)算

6.1.1焊接熱循環(huán)及特征參數(shù)

6.1.2焊接熱循環(huán)特征參數(shù)的計(jì)算

6.1.3多層焊的熱循環(huán)

6.2焊接加熱和冷卻過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變

6.2.1焊接加熱過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變

6.2.2焊接冷卻過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變

6.2.3影響過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的因素

6.3焊接熱影響區(qū)劃分及組織性能

6.3.1焊接熱影響區(qū)的劃分

6.3.2低合金鋼熱影響區(qū)的組織特征

6.3.3熱影響區(qū)組織分析的特點(diǎn)

6.3.4熱影響區(qū)性能變化

6.4熱影響CCT圖及焊接熱模擬

6.4.1熱影響區(qū)CCT圖的表達(dá)形式

6.4.2熱影響區(qū)CCT圖的應(yīng)用

6.4.3焊接熱模擬技術(shù)

復(fù)習(xí)思考題

第7章焊接冶金缺欠

7.1焊接缺欠與缺陷

7.1.1焊接缺欠與焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

7.1.2焊接缺欠對(duì)接頭質(zhì)量的影響

7.1.3焊接缺欠的分類(lèi)

7.2焊接外觀缺欠與內(nèi)部缺陷

7.2.1常見(jiàn)的焊接外觀缺欠

7.2.2焊縫咬邊、未熔合及未焊透

7.2.3孔穴和固體夾雜

7.2.4焊接裂紋的危害及分類(lèi)

7.3焊接缺欠的評(píng)級(jí)與處理

7.3.1焊接缺欠的評(píng)級(jí)

7.3.2焊接缺欠的原因及控制

7.3.3超標(biāo)缺欠的返修

復(fù)習(xí)思考題

第8章焊接裂紋與斷裂

8.1焊接熱裂紋

8.1.1焊接熱裂紋的分類(lèi)及特征

8.1.2焊接熱裂紋的影響因素

8.1.3焊接熱裂紋敏感性的判定

8.1.4焊接熱裂紋的防止對(duì)策

8.2焊接冷裂紋

8.2.1焊接冷裂紋的特點(diǎn)及分類(lèi)

8.2.2焊接冷裂紋的形態(tài)特征

8.2.3焊接冷裂紋的影響因素

8.2.4焊接冷裂紋起源與擴(kuò)展

8.2.5焊接冷裂紋的防止對(duì)策

8.3再熱裂紋

8.3.1再熱裂紋的特征

8.3.2再熱裂紋的判定

8.3.3再熱裂紋的形成機(jī)理

8.3.4防止再熱裂紋的措施

8.4層狀撕裂和應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC）

8.4.1層狀撕裂的特征

8.4.2層狀撕裂的影響因素和防止措施

8.4.3應(yīng)力腐蝕裂紋的特征

8.4.4影響SCC的因素和防止措施

8.5焊接結(jié)構(gòu)的斷裂

8.5.1焊接結(jié)構(gòu)斷裂事故

8.5.2焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中

8.5.3脆性斷裂與延性斷裂

8.5.4焊接斷口特征

復(fù)習(xí)思考題

參考文獻(xiàn)

本書(shū)從冶金學(xué)角度闡明焊接冶金原理的基本理論、概念并保持連貫性。主要內(nèi)容包括：焊接化學(xué)冶金、焊材冶金、熔池結(jié)晶及焊縫組織、焊接熔合區(qū)、焊接熱影響區(qū)組織性能、焊接冶金缺欠、焊接裂紋與斷裂等。在闡述焊接化學(xué)冶金、焊接材料、焊接缺欠等基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，以焊接接頭的三個(gè)組成部分——焊縫、熔合區(qū)和熱影響為主線展開(kāi)深入論述。

本書(shū)可作為高等院校本科材料成型與控制工程、高職高專(zhuān)焊接專(zhuān)業(yè)的教材，也可供與焊接技術(shù)相關(guān)的工程技術(shù)人員參考。

目錄

0 緒論

0.1 材料與成型工藝發(fā)展史

0.2 本課程的主要內(nèi)容

0.3 學(xué)習(xí)本課程的目的和基本要求

1 工程材料的分類(lèi)及力學(xué)性能

1.1 工程材料的分類(lèi)

1.2 工程材料的力學(xué)性能

1.2.1 強(qiáng)度

1.2.2 塑性

1.2.3 硬度

1.2.4 沖擊韌性

1.2.5 疲勞強(qiáng)度

1.2.6 斷裂韌度

復(fù)習(xí)思考題

2 金屬學(xué)基礎(chǔ)

2.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2.1.1 晶體與非晶體

2.1.2 典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2.1.3 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

2.1.4 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)

2.2 金屬的結(jié)晶

2.2.1 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律

2.2.2 金屬結(jié)晶后晶粒的大小及控制

2.3 金屬的塑性變形與再結(jié)晶

2.3.1 金屬塑性變形的實(shí)質(zhì)

2.3.2 金屬的冷變形與加工硬化

2.3.3 回復(fù)與再結(jié)晶

2.4 合金結(jié)構(gòu)與合金相圖

2.4.1 固溶體

2.4.2 金屬化合物

2.4.3 機(jī)械混合物

2.4.4 合金相圖

2.4.5 相圖與合金性能的關(guān)系

復(fù)習(xí)思考題

3 鐵碳合金

3.1 鐵碳合金狀態(tài)圖

3.1.1 鐵碳合金的基本組織

3.1.2 Fe-Fe3C狀態(tài)圖分析

3.1.3 典型合金的結(jié)晶過(guò)程分析

3.2 鐵碳合金狀態(tài)圖的應(yīng)用

3.2.1 鐵碳合金的成分—組織—性能關(guān)系

3.2.2 Fe-Fe3C狀態(tài)圖的應(yīng)用

復(fù)習(xí)思考題

4 鋼的熱處理

4.1 鋼在加熱和冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

4.1.1 鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

4.1.2 鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變

4.2 鋼的退火與正火

4.2.1 退火

4.2.2 正火

4.2.3 退火與正火的選擇

4.3 鋼的淬火

4.3.1 淬火的目的

4.3.2 淬火工藝

4.3.3 鋼的淬透性

4.4 鋼的回火

4.4.1 回火的主要目的

4.4.2 回火后鋼的組織與性能變化

4.4.3 回火工藝及應(yīng)用

4.5 鋼的表面熱處理

4.5.1 鋼的表面淬火

4.5.2 鋼的化學(xué)熱處理

4.5.3 熱處理新技術(shù)簡(jiǎn)介

復(fù)習(xí)思考題

5 鋼和鑄鐵

5.1 碳鋼

5.1.1 含碳量對(duì)鋼組織和力學(xué)性能的影響

5.1.2 鋼中常存雜質(zhì)元素對(duì)力學(xué)性能的影響

5.1.3 碳鋼的分類(lèi)

5.1.4 碳鋼的牌號(hào)、性能和用途

5.2 合金鋼

5.2.1 合金鋼中的合金元素及其作用

5.2.2 合金鋼的分類(lèi)和牌號(hào)

5.2.3 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

5.2.4 合金結(jié)構(gòu)鋼

5.2.5 合金工具鋼

5.2.6 特殊性能鋼

5.3 鑄鐵和鑄鋼

5.3.1 概述

5.3.2 鑄鐵的牌號(hào)與性能

5.3.3 鑄鋼

復(fù)習(xí)思考題

6 非鐵金屬材料與粉末冶金材料

6.1 鋁及鋁合金

6.1.1 純鋁

6.1.2 鋁合金

6.2 銅及銅合金

6.2.1 純銅

6.2.2 銅合金

6.3 鎂及鎂合金

6.3.1 純鎂

6.3.2 鎂合金

6.4 鈦及鈦合金

6.4.1 純鈦

6.4.2 鈦合金

6.5 滑動(dòng)軸承合金

6.5.1 概述

6.5.2 常用的滑動(dòng)軸承合金

6.6 粉末冶金材料

6.6.1 粉末冶金特點(diǎn)及應(yīng)用

6.6.2 粉末冶金的主要工序

6.6.3 硬質(zhì)合金

復(fù)習(xí)思考題

7 非金屬材料及其成型

7.1 高分子材料及其成型

7.1.1 高分子材料基本知識(shí)

7.1.2 塑料

7.1.3 橡膠

7.1.4 纖維

7.1.5 高分子材料的成型工藝

7.2 陶瓷材料及其成型

7.2.1 陶瓷的特性

7.2.2 常用陶瓷及應(yīng)用

7.2.3 陶瓷材料的制備與成型

7.3 復(fù)合材料及其成型

7.3.1 復(fù)合材料的定義、分類(lèi)及性能

7.3.2 常用復(fù)合材料

7.3.3 復(fù)合材料的成型工藝

7.3.4 未來(lái)材料的發(fā)展方向

復(fù)習(xí)思考題

8 鑄造成型

8.1 砂型鑄造

8.1.1 造型材料

8.1.2 造型方法

8.2 合金的鑄造性能

8.2.1 合金的流動(dòng)性

8.2.2 合金的收縮

8.3 鑄造工藝設(shè)計(jì)

8.3.1 澆注位置的確定

8.3.2 分型面的確定

8.3.3 鑄造工藝參數(shù)的確定

8.3.4 典型鑄件的鑄造工藝方案分析

8.4 鑄件結(jié)構(gòu)工藝性

8.4.1 鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求

8.4.2 合金鑄造性能對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的要求

8.5 特種鑄造

8.5.1 金屬型鑄造

8.5.2 壓力鑄造

8.5.3 離心鑄造

8.5.4 熔模鑄造

8.5.5 其他特種鑄造方法

復(fù)習(xí)思考題

9 塑性成型

9.1 金屬的塑性成型性能

9.1.1 金屬塑性變形后的組織與性能

9.1.2 金屬鍛造性能

9.1.3 金屬塑性變形基本規(guī)律

9.2 自由鍛造

9.2.1 基本工序及設(shè)備

9.2.2 自由鍛工藝規(guī)程制定

9.2.3 自由鍛結(jié)構(gòu)工藝性

9.3 模型鍛造

9.3.1 錘上模鍛

9.3.2 胎模鍛造

9.3.3 模鍛工藝規(guī)程的制定

9.3.4 模鍛件結(jié)構(gòu)工藝性

9.4 板料沖壓

9.4.1 沖壓工藝

9.4.2 沖模分類(lèi)與結(jié)構(gòu)

9.4.3 板料沖壓結(jié)構(gòu)工藝性

9.5 軋制、擠壓與拉拔

9.5.1 軋制

9.5.2 擠壓

9.5.3 拉拔

9.6 塑性成型新技術(shù)

9.6.1 超塑性成型技術(shù)

9.6.2 液態(tài)模鍛

9.6.3 擺動(dòng)碾壓

9.6.4 計(jì)算機(jī)在塑性成型技術(shù)中的應(yīng)用

復(fù)習(xí)思考題

10 焊接成型

10.1 焊接成型的工藝基礎(chǔ)

10.1.1 焊接冶金基礎(chǔ)

10.1.2 焊接接頭的組織與性能

10.1.3 焊接應(yīng)力與變形

10.2 常用焊接方法

10.2.1 手工電弧焊

10.2.2 埋弧自動(dòng)焊

10.2.3 二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊

10.2.4 氬弧焊

10.2.5 電渣焊

10.2.6 電阻焊

10.2.7 釬焊

10.3 常用金屬材料的焊接

10.3.1 金屬材料的焊接性

10.3.2 鋼的焊接

10.3.3 鑄鐵的焊補(bǔ)

10.3.4 非鐵金屬及其合金的焊接

10.4 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

10.4.1 焊接結(jié)構(gòu)材料的選擇

10.4.2 焊接方法的選擇

10.4.3 焊接接頭工藝設(shè)計(jì)

10.4.4 典型焊接實(shí)例分析

復(fù)習(xí)思考題

11 材料及毛坯的選擇

11.1 機(jī)械零件的失效及其防止

11.1.1 零件失效的主要形式

11.1.2 失效分析的步驟、方法

11.1.3 零件失效的原因

11.1.4 機(jī)械零件早期失效的防止

11.2 零件材料及毛坯的選擇

11.2.1 機(jī)械零件材料選擇的一般原則

11.2.2 毛坯的種類(lèi)及選擇

11.2.3 典型零件選材及工藝路線

11.3 毛坯質(zhì)量檢驗(yàn)

11.3.1 毛坯的質(zhì)量檢驗(yàn)方法

11.3.2 毛坯加工中常見(jiàn)缺陷

復(fù)習(xí)思考題

參考文獻(xiàn)

材料與冶金學(xué)院是東北大學(xué)具有舉足輕重地位的一個(gè)學(xué)院。學(xué)院的專(zhuān)業(yè)設(shè)置體現(xiàn)了傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科與新型前沿學(xué)科的交叉與融合，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中起到了重要的支撐作用，在國(guó)內(nèi)相關(guān)行業(yè)（尤其是基礎(chǔ)材料工業(yè)）的社會(huì)影響重大。因此，本科畢業(yè)生和畢業(yè)研究生的社會(huì)需求十分旺盛，呈現(xiàn)出供不應(yīng)求的喜人態(tài)勢(shì)。

學(xué)院按照創(chuàng)辦一流大學(xué)的總體要求，在改革與強(qiáng)化本科生教育的基礎(chǔ)上，大力發(fā)展研究生教育，學(xué)院各類(lèi)研究生總數(shù)與本科生總數(shù)的比例達(dá)到了1:1。學(xué)院現(xiàn)有在籍本科生1892人、研究生1932人（其中碩士研究生949人、博士研究生632人、工程碩士生351人）。

（1）8個(gè)研究所：鋼鐵冶金、有色金屬冶金、材料、冶金物理化學(xué)、熱能與環(huán)境工程、材料成形及控制工程、工程熱物理、冶金資源與環(huán)境工程研究所

（2）3個(gè)博士后流動(dòng)站：冶金工程、材料科學(xué)與工程、動(dòng)力工程及工程熱物理

（3）3個(gè)一級(jí)博士學(xué)位授權(quán)學(xué)科：冶金工程、材料科學(xué)與工程、動(dòng)力工程及工程熱物理

（4）11個(gè)二級(jí)學(xué)科：鋼鐵冶金、有色金屬冶金、材料學(xué)、冶金物理化學(xué)、熱能工程、材料加工工程、工程熱物理、環(huán)境科學(xué)、化學(xué)工藝、化學(xué)工程、制冷與低溫工程等11個(gè)二級(jí)學(xué)科

（5）4個(gè)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科：鋼鐵冶金、有色金屬冶金、材料學(xué)、材料加工工程

（6）2個(gè)省級(jí)重點(diǎn)學(xué)科：冶金物理化學(xué)、熱能工程、為遼寧省重點(diǎn)學(xué)科

（7）13個(gè)博士學(xué)位授予權(quán)學(xué)科：鋼鐵冶金、有色金屬冶金、材料學(xué)、冶金物理化學(xué)、材料加工工程、熱能工程、工程熱物理、制冷與低溫工程，以及化工冶金、特殊冶金、冶金工程科技史，無(wú)機(jī)材料工程、材料電磁工程與科學(xué)等內(nèi)設(shè)博士點(diǎn)

（8）3個(gè)碩士授予權(quán)學(xué)科：環(huán)境科學(xué)、化學(xué)工程、化學(xué)工藝

（9）8個(gè)本科生專(zhuān)業(yè)：冶金工程、材料科學(xué)與工程、材料成型與控制工程、熱能與動(dòng)力工程、環(huán)境科學(xué)與工程、新能源科學(xué)與工程、資源循環(huán)科學(xué)與工程、功能材料

“985工程”二期重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目—“現(xiàn)代冶金與材料過(guò)程工程科技創(chuàng)新平臺(tái)”被教育部認(rèn)定為我校唯一的國(guó)家級(jí)Ⅰ類(lèi)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目。材料與冶金學(xué)院、軋制與連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是這個(gè)建設(shè)項(xiàng)目的依托單位。