热制造学引论

第0章 绪论

0.1 热制造技术的特征及作用

0.2 热制造技术的发展趋势

0.3 热制造技术的科学基础

第1章 材料热力学基础

1.1 概述

1.2 热力学基本概念

1.2.1 热力系统与过程

1.2.2 热力学第一定律

1.2.3 热力学第二定律

1.2.4 热力学基本方程

1.3 溶体热力学性质

1.3.1 溶体与相及相律

1.3.2 多组分系统热力学

1.3.3 相平衡

1.4 相变热力学

1.4.1 相变热力学条件

1.4.2 固-液相变

1.4.3 固态相变的热力学条件

1.5 界面热力学

1.5.1 液体表面张力

1.5.2 液-固界面性质

1.5.3 金属的晶界与相界

1.6 非平衡现象

1.6.1 非平衡过程

1.6.2 耗散结构

1.6.3 分岔与混沌

1.6.4 非平衡相变

1.7 工程材料热力学性质

1.7.1 材料的热容

1.7.2 材料的热膨胀性

1.7.3 材料的熔点

思考题

第2章 传输理论

2.1 概述

2.2 动量传输

2.2.1 流体及其流动的基本概念

2.2.2 流体动力学方程

2.2.3 流体流动的能量守恒

2.2.4 平板层流边界层方程

2.3 热量传输

2.3.1 热量传输的基本概念

2.3.2 固体中的热传导

2.3.3 对流换热

2.3.4 辐射换热

2.3.5 强化传热

2.4 质量传输

2.4.1 质量传输的基本概念

2.4.2 扩散传质

2.4.3 对流传质

思考题

第3章 热制造冶金理论

3.1 概述

3.2 熔池冶金反应

3.2.1 冶金熔体

3.2.2 液态金属与气体的反应

3.2.3 液态金属与熔渣的反应

3.2.4 非金属夹杂物及去除

3.2.5 真空冶金

3.3 液态金属的凝固

3.3.1 纯金属的凝固

3.3.2 合金的凝固

3.3.3 共晶合金的凝固

3.4 合金的固态相变

3.4.1 固态相变特征

3.4.2 固态相变类型

3.5 回复与再结晶

3.5.1 回复动力学

3.5.2 再结晶动力学

3.5.3 晶粒的长大

3.5.4 动态回复与再结晶

3.6 强化机制

……

第4章 材料变形力学理论

第5章 热制造工程系统

第6章 凝固成型原理

第7章 热塑性成型原理

第8章 粉体聚合工艺原理

第9章 焊接基本原理

第10章 热制造工艺数值模拟

参考文献

0.1热制造技术的特征及作用

1.热制造技术的特征

热制造是科学利用材料在热态下的物理化学和力学性能而实现对其形状、成分、组织及性能进行控制的制造技术。热制造过程就是基于材料的热学与力学行为成型零件或制造结构，其技术领域包括凝固成型、塑性成型、粉体聚合、焊接等热加工技术。现代热制造技术是多学科交叉的高技术领域，是先进制造技术的重要组成部分,是新材料与新结构应用的关键。数。

热制造是相对非热制造而言的。热制造过程需要特定的热源,对材料的加热及冷却是必要的工艺条件。非热制造过程则无需特定热源对材料进行加热,即使在加工过程中伴随生热和温度变化，其对工件整体的影响也可以忽略。热制造技术的主要特征是借助材料的热态效应，即加工过程中材料(特别是金属及合金)的固态高温软化状态和熔融状态。材料的热态与非热态(与环境保持热平衡)的差异是材料粒子的热激活机制。热制造过程中,通过热源作用使材料处于热激活状态,促使材料易于流变并具有良好的成型工艺性。材料的热态温度没有严格的界定，一般因材质及其熔点而异。热态的作用一方面是对材料的抗力和流变性进行合理的调和以方便成型，另一方面是利用热作用调控其组织形态。

任何产品或工程结构都是由多种形状的零部件或构件组成的,热制造工艺就是根据设计的要求将工程材料加工成具有一定形状和尺寸的零部件或装配成结构的过程。热制造不仅赋予零件或构件以形状,而且控制着零件或构件及结构的最终使用特性。零部件的材料结构与性能是热制造的结果，与加工前的材料结构及性能不同,最终成型后的材料必须能够以经济和社会可以接受的方式使产品或结构在规定的寿命期间完成特定的任务，即所谓的使用性能。热制造工艺、使用性能、材料性质、成分/组织四个因素中任一因素发生变化都会引起其他因素发生变化。对同一材料,不同热制造工艺制造的构件性能会有较大的差异。热制造技术的关键就是掌握这些因素之间的相互联系,制造符合要求的产品。

热制造是极其复杂的过程,在这个过程中,材料经液态流动充型、凝固结晶,或发生固态流动变形、相变、再结晶和重结晶等一系列复杂的物理、化学、冶金变化，而最后成为零部件或构件。通过对热制造过程的有效控制,使材料的成分、组织、性能处于最佳状态，缺陷减到最小，以满足产品或结构的使用要求。

热制造不但赋予材料形状和性能,而且也是使材料增值的经济活动。尽管不同的产品和结构所采用的热制造技术有很大的不同,但在提高技术能力和效率上是一致的。为了高效、低成本地研制高性能产品，必须不断发展并采用先进的热制造技术。

……

本教材将材料热力学、传输理论、冶金与变形力学等多学科理论进行有机集成，探索构建了热制造科学与工程基础。紧密结合凝固成型、热塑性成型、粉体聚合成型与焊接等热制造工艺，探讨了能量与材料相互作用的机制与工艺原理。本教材的编写目标是突出各种热制造工艺的共性基础和内在联系，通过教学内容的有机整合，使各种热制造工艺在理论上进行有机衔接。本版教材共分10章。其中第1章至第4章介绍材料热力学、传输理论、热制造冶金学与材料变形力学等热制造理论基础；第5章介绍热制造的工程原理；第6章至第9章分别介绍凝固成型、热塑性成型、粉体聚合工艺和焊接原理；第10章介绍热制造工艺数值模拟技术。