工艺 I · 凝固、铸造与成形

几乎所有金属制品的第一步都是从液体开始——凝固决定了原始组织，而原始组织是后续一切工艺的起点（"铸造缺陷带进服役"是行业常识）。本页把凝固组织的三大控制点（形核、枝晶、偏析）讲清楚，然后接上塑性成形（轧锻挤拉）与焊接的材料学。

1. 凝固组织的形成

三步：形核（热力 III 的机器：过冷 + 非均匀形核为主）→ 长大（枝晶——因为界面前沿的成分过冷使凸起加速，形成树枝状；这是界面不稳定性的经典案例）→ 相互碰撞形成晶粒。

铸锭三区：模壁激冷区（细等轴晶）→ 柱状晶区（沿热流方向长）→ 中心等轴晶区。控制手段：

偏析：宏观偏析（大尺度成分不均，铸锭中心/顶部）与枝晶偏析（微观，热力 I 的欠账）——后者靠均匀化退火抹平（热力 II 的 \(t \sim L^2/D\) 计时）。

快速凝固：冷速 \(10^4\)–\(10^7\) K/s ⇒ 极细组织、扩展固溶度、甚至非晶（结构 IV）——甩带、雾化制粉（下一页增材制造的原料就来自这里）。

2. 塑性成形：用变形改造组织

热加工 vs 冷加工的分界不是温度数字，是再结晶温度（约 \(0.4T_m\)）：

• 热加工（>再结晶温度）：变形与再结晶同时发生 ⇒ 组织细化、消除铸造缺陷、变形抗力小、不加工硬化——但表面氧化、精度差；
• 冷加工（<）：加工硬化（性能 I）、精度与表面质量好、可提高强度——但需中间退火恢复塑性。

退火三阶段（冷变形后加热）：回复（位错重排、内应力降，性能变化小）→ 再结晶（无畸变新晶粒形核长大，强度骤降、塑性回升——这是软化的主事件）→ 晶粒长大（过火：晶粒粗化、性能下降）。工业上"控制轧制 + 控制冷却"就是在这条曲线上精确停车（现代高强钢板的核心工艺）。

成形工艺谱：轧制（板带，产量之王）、锻造（承力件，纤维流线沿受力方向 = 天然增强）、挤压（型材）、拉拔（丝材）、冲压（板成形——回弹与成形极限图 FLD 是难点）、深冲（各向异性/织构影响制耳，结构 II）。

3. 焊接：局部熔化与它的代价

焊缝 = 一次微型铸造 + 母材的热影响区（HAZ）。HAZ 才是焊接的真正难题：经历不同峰值温度 ⇒ 组织各异（粗晶区脆化、回火软化带），常是失效起点。

四大焊接病与对策：热裂（凝固末期液膜 + 拉应力 ⇒ 控成分、降杂质 S/P）、冷裂（氢 + 马氏体 + 拘束应力 ⇒ 预热、低氢焊材、后热）、残余应力与变形（⇒ 焊后热处理 PWHT、顺序设计）、不锈钢敏化（450–850 °C 析出 Cr₂₃C₆ 使晶界贫铬 ⇒ 晶间腐蚀；对策：低碳级 304L/316L 或稳定化 321/347——🔗 工艺 IV 详述）。

碳当量 CE：\(\mathrm{CE} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}\) ——>0.45 需预热：一条把成分翻译成工艺规程的经验公式，现场最常用的材料学计算。

固相连接：摩擦焊、搅拌摩擦焊 FSW（不熔化 ⇒ 无凝固缺陷，铝合金船舶/航天贮箱/电动车电池托盘的主力）、扩散焊、钎焊——异种材料连接的答案通常在这里（前沿 I 的多材料结构）。

4. 数字感与反直觉

• 凝固收缩：铝 6.5%、铸铁近零（石墨析出膨胀抵消——铸铁"好铸"的物理原因）；
• 再结晶温度 ≈ \(0.4T_m\)（K）：铅、锡的再结晶温度低于室温 ⇒ 它们在室温下"热加工"，永远不会加工硬化；
• 反直觉：焊接最弱处常不是焊缝而是 HAZ；铸铁比钢好铸不是因为熔点低（相近），而是共晶成分流动性好 + 凝固收缩小（热力 I 的共晶价值）；快速凝固能把固溶度扩展到相图之外——相图是平衡的地图，工艺可以短暂违章。

【研】对标 Kurz & Fisher《Fundamentals of Solidification》、Kou《Welding Metallurgy》；成分过冷判据、枝晶间距标度律（\(\lambda \propto \dot T^{-n}\)）、凝固数值模拟是研究生主干。🔗 机器的力学站制造线讲设备与工艺参数，本页讲材料学后果。

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