第一章１.什么叫材料？什么叫材料技術？答：材料是指人類用以制造用于生活和生產的物品、器件、構件、機器以及其他產品的物質。材料技術可以理解為關于材料的制備、成形與加工、表征與評價、材料的使用和保護的知識、經驗和訣竅。２.列舉三種油氣田材料，并說明其特性。答：（1）鉆桿。鉆桿是鉆柱的基本組成部分，其上端連著方鉆桿，下端連著鉆鋌。鉆桿包括鉆桿體和鉆桿接頭兩部分，利用鉆桿接頭的螺紋連接鉆桿，桿體和接頭則通過摩擦焊連接。鉆進時，鉆桿受力非常復雜，主要有以下三種：①鉆桿上部受到由于鉆柱本身重量而產生的拉應力，這種應力越往上越大，在方鉆桿和鉆桿連接處最大；②鉆進時由于方位變化或定向鉆斜井時，還要承受較大的交變彎曲應力；③在有負荷的情況下旋轉時會產生扭應力。針對鉆桿復雜的受力情況，工程上對鉆桿性能要求主要有：①強度高；②自直性好；③內壁光滑；④具有一定的耐蝕性和耐磨性。鉆桿管體的強度主要包括抗拉強度、抗扭強度和抗擠強度，而鉆桿接頭的強度主要包括抗拉強度和抗扭強度，接頭的抗拉強度要大于管體的抗拉強度。鉆桿制備過程復雜，涉及軋制、拉拔、焊接和熱處理等加工工序，每一道工序都會對鉆桿性能產生重要影響。（2）油井水泥。油井水泥是油氣井鉆井工程固井作業中必不可少的膠凝材料，是指應用于各種鉆井條件下進行固井、修井、擠注等作業的硅酸鹽水泥和非硅酸鹽水泥，包括摻有各種外摻料或外加劑的改性水泥或特種水泥的油井水泥體系。油氣井地層結構異常復雜，有深井、超深井、高溫井和強腐蝕井等，為適應這些特殊類型的油井，油井水泥要求具備以下性能：①水泥能配成流動性良好的水泥漿，從配制開始到注入套管的環形空間內的一段時間內都應保持這種性能；②水泥漿在井下溫度和壓力條件下應保持穩定；③水泥漿應在規定的時間內凝固并達到一定的強度；④水泥漿應能和外加劑相配合，可調節各種性能；⑤形成的水泥環具有較低滲透性能。油井水泥的質量主要是由其化學成分決定的。固井水泥漿要求具有以下基本性能：①密度大小適宜。②流變性能良好。③稠化時間合適。④失水量和自由水較低。⑤凝固時間適當。⑥穩定性良好。（3）聚合物鉆井液處理劑。鉆井液是指鉆井時用來清洗井底并把巖屑攜帶到地面，維持鉆井操作正常進行的流體。聚合物鉆井液是指將聚合物作為處理劑或主要用聚合物調控性能的鉆井液體系，具有如下特點：①固相含量和亞微米粒子含量較低。這是聚合物鉆井液的基本特征，是聚合物處理劑選擇性絮凝和抑制巖屑分散的結果，有利于提高鉆井速度。②流變性能好。在高剪切力作用下，架橋作用被破壞，黏度和剪切力降低，故聚合物鉆井液有較高的剪切稀釋作用。由于聚合物溶液為典型的非牛頓流體，所以聚合物鉆井液黏度值較低。③鉆井速度高。聚合物鉆井液固相含量低、亞微米粒子比較小，剪切稀釋性好，懸浮攜帶鉆屑能力強，洗井效果好，故鉆井速度高。④穩定井壁能力較強，井徑比較規則。鉆井液中的聚合物能有效抑制巖石的吸水分散作用，從而穩定井壁。⑤對油氣層損害小，有利于發現和保護產層。聚合物鉆井液密度低，可實現平衡壓裂鉆井，固相含量少可減輕固相侵入，從而減少對油層的損害程度。⑥鉆井成本低。由于聚合物鉆井液中的聚合物處理劑用量少，鉆井速度快，縮短完井周期，可大幅度降低鉆井成本。聚合物鉆井液根據所使用的聚合物不同，分為陰離子聚合物鉆井液、陽離子聚合物鉆井液和兩性離子聚合物鉆井液。３.常用的材料加工技術有哪些？答：材料加工技術是制造業的關鍵共性技術之一，也是生產高質量產品的基礎。液態金屬成形、金屬塑性成形、焊接以及熱處理等材料加工技術仍然是當今制造業，特別是裝備制造業的主要加工技術。隨著科學技術的發展，尤其是計算機技術和人工智能的發展，材料加工技術也在不斷進步，新型材料加工技術不斷涌現出來。除了這些傳統的材料加工技術外，還有定向凝固、快速凝固、半固態加工、先進連接、增材制造、表面改性等新型加工技術。4.材料加工技術的發展趨勢是什么？答：隨著科學技術的發展，材料加工技術的發展越來越迅速，金屬材料加工技術的主要發展方向如下：（1）材料加工的智能化。隨著人工智能的快速發展，材料加工技術也將由傳統方法向智能化方向發展。將機器學習的思想引入材料成分設計及加工過程，加上機器人的出現，將大大減輕人們的勞動強度，同時也會使得材料的制備和加工更加穩定，提高材料的性能，滿足各行各業對新材料性能的需求。（2）常規材料加工工藝的短流程化和高效化。半固態流變成形、連續鑄軋等是將凝固與成形兩個過程合二為一，實現了精確控制，縮短了生產工藝流程，簡化了工藝環節，提高了生產效率。目前，國外鎂合金和鋁合金的半固態加工技術已經進入較大規模的工業應用階段。鋁合金和鎂合金熔點相對于鋼鐵材料較低，采用半固態加工技術實現起來相對容易，但高熔點的鋼鐵材料如何利用半固態加工這種新技術將是未來發展和研究的重點。（3）發展先進的成形加工技術，實現組織和性能的精確控制。計算機技術的發展有望實現對材料成形加工后的組織和性能進行精確控制，降低材料制備的成本。采用電磁連鑄、先進超塑性成形等技術可以改善材料的組織，大幅度提高材料的性能，有利于發展新材料，促進新材料的應用。（4）材料設計、制備與成形加工一體化。發展材料設計、制備與成形加工一體化技術，有利于實現材料與零部件的高效、近終形和短流程成形，如粉末注射成形和激光快速成形是不銹鋼、高溫合金、金屬間化合物、陶瓷等零部件制備技術的關鍵。（5）開發新型制備與成形加工技術，發展新材料與新制品。新材料的制備在很大程度上依賴于新設備，因為新工藝與新設備息息相關。例如，采用常規的甩帶法可以制備非晶薄帶，但很難制備較厚的大塊非晶，而新設備銅模吸鑄系統則可以制備大塊非晶；先進包覆材料的用途越來越廣，但現有各種制備方法具有工藝復雜，界面質量控制困難，生產成本較高等缺點，科研工作者開發的充芯連鑄法適合于包覆層金屬熔點高于芯材金屬熔點的特種高性能復合材料的直接成形。（6）發展計算機數值模擬與材料基因技術，構筑完善的材料數據庫。材料的研發主要依賴于實驗，但計算機數值模擬與過程仿真技術可以起到很好的補充作用，節約研發時間，降低研發成本，對材料加工技術的研發起到了重要的促進作用。構筑材料數據庫可以進一步提高數值模擬的結果可靠性和廣泛適用性，國外有些國家從20世紀80年代起就開始有計劃有步驟地開啟了這方面的工作，我國在這方面起步較晚，目前也在快速發展這項技術。第二章1.什么是快速凝固？快速凝固有何特點？答：快速凝固技術是指在比常規凝固工藝過程快得多的冷卻速度（104~109℃/s）或大得多的過冷度（可達幾十至幾百攝氏度）下，合金以極快的凝固速率從液態轉變為固態的材料成形過程。快速凝固也可以理解為由液相到固相的相變過程進行得非常快，從而獲得普通鑄件和鑄錠無法獲得的成分、相結構和顯微結構的過程?？焖倌毯辖鸬慕M織特點主要有：（1）偏析傾向減小，成分均勻化。溶質原子不均勻分布或偏析的范圍減小，通常，可用枝晶偏析的二次枝晶臂間距來表征成分偏析的范圍或距離?？焖倌毯蟮暮辖鹁Я＜毣?，枝晶間距減小，偏析范圍呈數量級減小。（2）形成超飽和固溶體。大多數液態合金是無限互溶的（CLmax→1），而在快速凝固過程中，發生了非平衡或無溶質分配凝固?？焖倌毯辖鹬兄脫Q式固溶體和間隙式固溶體的溶質固溶度都會有較大的亞穩擴展，而且一般冷速高、擴展大。（3）組織超細化、尺寸均勻化。快速凝固合金晶粒，隨冷速增大，依次可能為樹枝狀晶、胞狀或柱狀晶與等軸晶?？焖倌毯辖鹁Я３叽鐦O小，而且大小分布均勻。由于凝固形核前熔體過冷度可達幾十甚至幾百度，而結晶形核速率比長大速度更強烈地依賴于過冷度，大大提高了凝固形核速率，同時，在極短的凝固時間內晶粒難以充分長大。通常，快速凝固晶態合金被稱為微晶合金，甚至有人根據凝固速度很高的合金中晶?？尚∵_納米量級，而把快速凝固晶態合金分為微（米）晶合金和納米晶合金。（4）晶體缺陷增加。與鑄態合金相比，快速凝固合金中的空位、位錯等缺陷密度有較大增加，其原因主要是因為液態合金中空位形成能（0.11eV）比固態合金中的（0.76eV）小得多，故液態合金中空位濃度高，快速凝固時大部分空位來不及消失而留在固態合金中。凝固速度快，晶體生長過程中也容易形成空位，導致固態合金中空位濃度高。由于快速凝固過程中熱應力大，空位聚集、崩塌，形成位錯環，導致位錯密度（尤其是位錯環）高。2.快速凝固的熱力學和動力學的特點分別是什么？答：快速凝固的熱力學特點是在較大的過冷度下發生的高生長速率的凝固過程中，液/固界面可偏離平衡或亞穩平衡狀態，直至發生無擴散、無溶質分離的凝固，乃至結晶過程完全被遏制，形成非晶結構（金屬玻璃）。固態凝固的熱力學條件是自由能變化(△GL-S)必須符合△GL-S<0。動力學特點是穩態形核理論關于形核孕育期的計算方法只有在下列條件下才是適合的，即所有晶胚原子團簇在溫度變化時會足夠快地形成。對于在大的過冷度下開始的快速凝固過程，這種方法不再適用，而應根據時間依從（瞬態）的形核理論來計算。運用以上理論方法，針對不同的合金成分及不同的固態相（穩定或亞穩），即可得到：某一成分合金中不同結構的各固態相的T（形核溫度）-τ（孕育時間）圖；確定在不同的熔體冷卻速度下，領先形核的是哪個相；確定為避免某個初生相（常為金屬間化合物）先于基體相形成所必須的臨界冷卻速度；預測不同粒度或厚度的粉、片中的相組成。3.非晶態合金的形成條件是什么？非晶態合金在結構上有什么特點？答：非晶態合金的形成是有條件的，既與合金成分有關，也與凝固過程的冷卻速率有關。從相變角度看，非晶態形成的過程就是避免結晶的過程，即避免原子重排的過程。粘滯系數是標志原子遷移難易程度的物理量，大則不易結晶。形成非晶態合金的過程是：過熱液態金屬過冷液態金屬非晶態合金。熔液黏度越大，冷卻速度越快，越容易形成非晶態合金。構成非晶態固體的原子或原子團，沒有任何的長程序，只在幾個原子間距的區間內具有短程序。一般從否定含義可對非晶態固體作如下定義：非晶態固體沒有晶態結構，原子在三維空間呈無序排列。所謂“無序”不是單純的混亂，而是殘缺不全的秩序。非晶態合金在宏觀上處于非熱平衡的亞穩態。這里亞穩的含義是指在同樣外界條件下，非晶態合金的能量要比相應晶態的能量高。4.簡述非晶態合金的應用前景。答：非晶態合金具有長程無序、短程有序的結構特性，導致了其具有與晶態合金不同的特性。非晶態合金不僅具有優異的力學性能，也具有優異的軟磁性能。非晶態合金具有廣闊的應用前景。（1）非晶帶材的應用。非晶合金帶材在低頻領域的應用主要是用于電力輸配電領域，如配電變壓器、互感器和漏電開關等。與用常規材料（如硅鋼片）制備的變壓器相比，非晶配電變壓器具有鐵損低的突出優點，但也存在價格高、工作磁感低和疊片系數低等不足。非晶合金帶材在高頻領域的應用主要是用于電力電子領域、中大功率高頻開關電源、電子信息領域、計算機開關電源、網絡接口設備、電源濾波器、防盜標簽以及非晶釬焊料等。（2）非晶絲材的應用。非晶絲材的應用較廣，目前主要集中于信息技術、自動化技術和微電子技術等領域。比如在磁性ID標簽、智能輪胎傳感器、汽車導航傳感器等都有廣泛的應用。（3）塊體非晶的應用。塊體非晶在結構材料領域、化工領域、磁性材料領域、空間探測領域生物醫學材料領域有著廣泛的應用。第3章思考題的參考答案（1）定向凝固，又稱為定向結晶，是指金屬或合金在凝固過程中，通過控制或調節特定方向上的溫度梯度，使得合金熔體沿著溫度梯度的方向生長，最終獲得具有特定晶粒取向的柱狀晶或單晶的一種工藝方法。（2）對定向凝固理論和技術的研究，在共晶凝固、定向柱狀晶生長、單晶制備等方面具有重要的意義；對推動新型高溫合金、人工晶體、磁性材料、自生復合材料、高熵合金、TiAl基合金的研究和開發具有重要的意義；（1）成分過冷，是指合金凝固過程中，由于液相中溶質分布發生變化，使得固液界面前沿液相的液相線溫度發生了變化，即改變了固液界面前沿液相的熔點，此時，過冷是由成分變化與實際溫度分布這兩個因素共同決定的，稱為成分過冷。（2）定向凝固界面狀態受G/V值控制，當溫度梯度G足夠高，凝固速度V足夠小時，就可以實現平面凝固，但當G/V逐漸減少時，平面界面就有可能失穩，逐漸發展為胞狀晶，直至樹枝晶和等軸晶等。功率降低法（PD）、高速凝固法（HRS）、液態金屬冷卻法（LMC）三種定向凝固法在工藝上的差異主要表現在以下幾個方面，（1）溫度梯度G和凝固速度V的差異，LMC法的溫度梯度G和凝固速度V最大，HRS次之，PD法最小，LMC法的冷卻介質是高導熱系數、低熔點、高沸點、熱容量大的液態金屬，而HRS的冷卻介質主要是氣體強制循環冷卻介質，PD法的冷卻介質是對流的空氣；（2）冷卻速度的差異，LMC的冷卻速度最大，可達4700℃?h-1，HRS次之，PD冷卻速度最??；（3）局部凝固時間，由于LMC冷卻速度高，凝固時間快，導致局部凝固時間短，而HRS次之，PD的局部凝固時間最長。這些工藝上的主要差異，將導致鑄件性能會有明顯的差異。區域熔化液態金屬冷卻法的優勢：（1）液態金屬冷卻介質與鑄型的接觸時間大大縮短，減少了液態金屬冷卻介質對鑄件的影響；（2）有效提高了溫度梯度和冷卻速度；（3）擴大了所允許的凝固速度范圍，細化組織，改善偏析。區域熔化液態金屬冷卻法顯著提高定向合金凝固使用性能。過冷是指金屬或合金熔體在平衡液相線以下仍然保持液態的現象，過冷度是指金屬或合金熔體實際溫度與平衡液相線溫度的差值。一般情況下，當熔體凝固時，由于合金熔體內部或器壁具有較多的非均勻異質形核點的存在，因此，凝固所需的過冷度往往只有攝氏幾度。然而，清潔的熔體即內部不具有或非常少的異質形核核心條件下凝固時，往往需要非常大的過冷度，而深過冷就是指在盡可能消除異質形核的前提下，使得液態金屬保持到液相線以下數百攝氏度，而后突然形核并獲得快速凝固組織形態。深過冷熔體的形核和生長很大程度上不受外部散射條件的限制，但卻可以達到急冷過程的結晶速度。略。請查閱界面穩定性理論文獻，根據MS穩定性理論做出說明。第四章1、什么是半固態成形技術？它與鑄造，塑性變形有何區別？參考答案：利用金屬材料在固液共存狀態下所特有的流變特性進行成形的技術。首先要制造含有一定體積比例的非枝晶固相的固液混合漿料，成形方法有流變成形和觸變成形兩種。鑄造是將通過熔煉的金屬液體澆注入鑄型內，經冷卻凝固獲得所需形狀和性能的零件的工藝過程。材料在外力作用下產生形變，而在外力去除后，彈性變形部分消失，不能恢復而保留下來的的那部分變形即為塑性變形。2、半固態成形工藝分為哪兩種典型工藝？各有什么特點？參考答案：流變成形和觸變成形。流變成形是在冷卻過程中，對金屬熔體進行強烈的攪拌或其他處理，獲得具有部分凝固的半固態漿料，并使漿料中的初生固相呈近球形;然后直接將所得的半固態金屬漿液進行成形，如壓鑄、擠壓或軋制。利用材料觸變性成形的工藝叫觸變成形，它是一種利用金屬在固相線和液相線溫度范圍內的流變行為的成形工藝。3、哪些合金適合半固態成形制造零件？哪些不合適？為什么？參考答案：半固態成形技術適合那些具有寬結晶范圍的合金，而窄結晶范圍或共晶合金不適合用半固態成形技術。這是因為在成形過程中需要在固液共存溫度區域內進行，如果結晶范圍太窄可操作的溫區太窄。4、半固態漿料的制備方法有哪些？其機理是什么？參考答案：機械攪拌法、磁力攪拌、噴射鑄造、化學晶粒細化、液相鑄造、斜坡冷卻、新MIT法、旋轉熱焓平衡裝置法、直接熱法、氣體誘導半固態加工法、超聲波振動、剪切-冷卻-軋制法、應力誘發熔體激活法、重熔再結晶、直接部分重熔法、固溶處理和部分重熔法。主要是通過不同方式獲得具有近球形晶粒的固液共存漿料，用于后續加工成形。5、半固態粉末成形與半固態成形技術有什么根本區別？簡述應用范圍？參考答案：半固態粉末成形就是將SSF中的塊體材料換成粉末材料。在半固態成形中，有涉及到半固態漿料的制備過程；在半固態粉末成形中，不需要制備漿料?？捎糜阡X合金、鈦合金、鎂合金等及其復合材料的制備。第五章1、什么是連續鑄軋？它與連鑄連軋有何區別？參考答案：連續鑄軋是指金屬熔體在連續鑄造凝固的同時進行軋制變形的過程。將液態金屬直接澆入輥縫中，軋輥既起著結晶器的作用又同時對金屬進行軋壓變形，此過程又稱為液態軋制或無錠軋制。連續鑄軋工藝與通常的連鑄連軋工藝不同，后者是待金屬在連鑄機中凝固成連鑄坯后，趁熱裝爐或稍經補熱后直接進行軋制，其節能效果和經濟效益也遜于前者，但技術上比前者較為容易實現。2、什么是連續擠壓？常用的連續擠壓方法有哪些？參考答案：連續擠壓技術是擠壓成型技術的一項較新的技術，以連續擠壓技術為基礎發展起來的連續擠壓復合、連續鑄擠技術為有色金屬管、棒、型、線及其復合材料的生產提供了新的技術手段和發展空間。CONFORM連續擠壓、連續包覆（CONKLAD）、3、連續鑄軋和連續擠壓主要應用？參考答案：連續鑄軋主要應用于鋼鐵材料、鋁合金及其復合材料、鎂合金、鈦合金、高溫合金等。連續擠壓主要應用于銅及銅合金、鋁及鋁合金、雙金屬復合線。4、連續鑄軋的凝固理論與半固態成形凝固理論有何異同？參考答案：連續鑄軋過程中軋輥既起著結晶器的作用又同時對金屬進行軋壓變形，因此有著激冷和機械折斷枝晶效應，可以細化晶粒。半固態成形過程中是通過使用一定方法將凝固的枝晶變成近球形晶粒，他們有一定的相似性，但存在根本區別。第6章思考題的參考答案：提示：復合材料是由兩種或兩種以上的不同性質的材料，通過不同的工藝方法人工制備出的，各組成部分之間有明顯界面的多相組織材料。復合材料按性能可分為結構復合材料和功能復合材料；按基體材料可分為金屬基復合材料、無機非金屬基復合材料、聚合物基復合材料；按增強材料可分為疊層復合材料、纖維增強復合材料、晶須增強復合材料、顆粒增強復合材料、混雜復合材料；按組成復合材料各組成在復合材料的分布情況可分為分散強化復合材料、層狀復合材料、梯度復合材料等等。提示：對于金屬基復合材料的設計，金屬組合的選擇、界面的設計和控制等問題是關鍵，其根本是界面的結構。提示：由于復合材料的種類不同，其制備方法有較大的差別，例如樹脂基復合材料有噴射成型、模壓成型、熱壓成型、注射成型等；陶瓷基復合材料有固相燒結成型、化學氣相沉積成型等；而金屬基復合材料制備方法有鑄造法、粉末冶金法、預制件滲浸法、塑性變形加工法等。層狀金屬基復合材料可分為機械結合法和冶金結合法。機械結合復合法包括鑲套（包括熱裝和冷壓入）、液壓擴管復合、冷拉拔復合等等。冶金結合法是指界面結合以冶金結合為主，包括固-固相復合法、液-固相復合法、液-液相復合法等等。提示：復合鑄造是指兩種或兩種以上具有不同性能的金屬材料鑄造成為一個完整的鑄件，使得鑄件在不同的部位具有不同的性能，以滿足應用場景的使用要求。復合鑄造鑄件質量主要取決于鑄造合金本身的化學成分和性能、以及更為關鍵的是兩種合金復合界面的質量。略。提示：采用包覆層連續鑄造法（CPC）制備復合軋輥有以下優點：①輥芯材質可選擇強韌性好的合金系材料；②外層材質可選擇耐磨性好的特殊高合金材料；③外層金屬凝固速度快，顯微組織致密均勻；④由于是自下而上的順序凝固，可明顯改善縮孔、偏析及非金屬夾雜等缺陷；⑤CPC法制備的復合軋輥，工藝適當的情況下，外層和芯部材料界面結合強度高；⑥CPC法在改善外層金屬復合的完整性及控制復合效果方面具有獨特的優勢，從實際生產和工藝控制方面，復合材料質量容易得到保障。提示：反向凝固連鑄復合工藝的關鍵在于以下三個方面，首先是側封技術；其次是連鑄復合控制技術；再則，是母帶的預處理技術。這種方法是包覆層金屬液由里到外的凝固，非常有利于凝固補縮，是一種很有應用潛力的工藝。提示：首先是凝固順序不同，雙結晶連鑄法首先凝固的是芯部金屬，包覆層后凝固，而充芯連鑄法首先凝固的是包覆層金屬，芯部金屬后凝固；其次，在工藝上關鍵控制點不同，雙結晶連鑄法在連鑄過程中，連鑄溫度、拉坯速度是該工藝的關鍵參數和首要條件，而充芯連鑄法在連鑄過程中，外層和芯部控溫坩堝的控溫調節、導流管的結構設計、導流管下端伸入位置等是工藝的關鍵控制點。提示：與熱軋復合相比，溫軋、冷軋復合溫度低，復合界面結合困難，但由于溫度低，界面無氧化，界面不易生成脆性金屬間化合物，無需真空焊接等坯料前處理工藝。因此，金屬組合自由度大，產品性能穩定、適用面廣。提示：利于組元結合；可阻止碳鋼中的碳向包覆層擴散；在加熱和軋制時，可防止氧化。提示：在熱軋復合過程中，兩種金屬的待復合表面發生塑性變形，從而導致金屬表層破裂，從破裂處露出的新鮮金屬相互接觸，在壓力作用下使金屬間形成冶金結合，但這種結合并非接觸面的全部結合，因此需要對熱軋溫度和熱軋道次進行有效控制，同時，又需要避免界面脆性相的生成，因此，需要對熱軋溫度和熱軋道次有精確要求。提示：金屬減振材料一般可分為合金型減振材料和復合型減振材料。合金型減振材料其本身具有振動衰減性能，而復合型減振材料是通過與黏彈性高分子材料復合而獲得具有較高振動衰減性能的材料。提示：采用靜液擠壓法制備包覆線材時，坯料與擠壓筒壁、坯料與擠壓墊片之間填充的是粘性介質，擠壓力通過這些粘性介質傳遞，可極大改善傳統復合坯料擠壓法易造成金屬流動的不均勻性，從而改善復合界面的性能。提示：查閱文獻，結合實例說明超導線材的一些制備方法。略。提示：拉拔復合成型雙金屬管是在拉拔過程中實現材料的復合，其工藝原理是內外金屬經過拉拔塑性變形后，內外層材料因材質的差異，導致內外層彈性回復量存在著差異，從而外層金屬管對內層金屬管產生附加抱緊力，實現內外層界面的機械結合。思考題及參考答案焊接領域目前主要采用哪兩種激光器？各有什么特點？在焊接領域，目前主要采用的激光器有兩種，分別是YAG激光器和光纖激光器。YAG激光器，即釔鋁石榴石激光器，其工作原理是利用脈沖氙燈激發Nd:YAG激光晶體產生激光。YAG激光器的主要特點是能夠提供高峰值功率的脈沖激光，適用于薄壁金屬材料的點焊和縫焊。由于其脈沖特性，焊接過程中工件的整體溫升很小，熱影響區小，因此特別適合于對熱影響要求嚴格的焊接應用，如3C產品外殼、鋰電池、電子元器件等。此外，YAG激光器對焊接速度的要求不是很嚴格，適合于一些低速焊接的應用。光纖激光器，則是通過光纖傳輸激光，具有光束質量好、光斑小、能量強等特點。其工作原理是利用光纖激光器產生的連續激光，經過聚焦后實現焊接。光纖激光器的主要優點是焊接速度快，適用于高速焊接的應用，如汽車、船舶等行業。同時，由于其高功率和良好的光束質量，也能實現深熔焊接，適用于厚板材料的焊接。此外，光纖激光器結構緊湊，穩定性好，維護簡單，適用于自動化生產線?？偟膩碚f，YAG激光器和光纖激光器在焊接領域各有特點，YAG激光器適合于薄壁材料和低速焊接，熱影響區?。欢饫w激光器則適合于高速焊接，焊接速度快，適用于自動化生產線。簡述激光-電弧復合焊接的主要特點及應用。激光-電弧復合焊接是將激光和電弧兩種熱源相結合的焊接技術，通過利用兩種熱源的優點，實現了高效、高質量的焊接過程。其主要特點和應用如下：主要特點：（1）大焊接熔深：激光和電弧的協同作用使得焊接熔深大，可以實現更深的焊接接頭。（2）高工藝穩定性：復合焊接技術具有較高的工藝穩定性，焊接質量可靠。（3）高焊接效率：利用激光和電弧的快速加熱和冷卻特性，實現了高速焊接，提高生產效率。（4）較強的焊接間隙橋接能力：電弧具有良好的間隙橋接能力，可以適應一定的焊接間隙變化。（5）小焊接變形：由于激光和電弧的復合作用，焊接過程中熱輸入較低，減小了焊接變形。應用領域：（1）汽車制造領域：激光-電弧復合焊接技術在汽車制造領域得到了廣泛應用，如車身框架、發動機部件等的關鍵部位焊接。（2）航海船舶領域：在船舶制造中，激光-電弧復合焊接用于船體結構、甲板等部件的焊接，提高了生產效率和焊接質量。（3）航空航天領域：航空航天領域的結構件焊接，對焊接質量要求極高，激光-電弧復合焊接技術可以滿足這些要求。（4）工程機械領域：在工程機械制造中，激光-電弧復合焊接用于焊接結構件，提高了產品的承載能力和使用壽命。（5）軌道交通領域：軌道交通設備的關鍵部件焊接，如車體結構、軌道橋梁等，激光-電弧復合焊接技術為其提供了高效的焊接解決方案。總之，激光-電弧復合焊接技術具有眾多優點，廣泛應用于各個領域，為焊接行業的發展做出了巨大貢獻。簡述電子束焊的原理。低真空和非真空電子束焊各有什么優點？分別用于什么場合？電子束焊的原理是利用高速運動的電子束轟擊工件，將電子束的動能轉化為熱能，使焊接處的金屬熔化，從而實現焊接。電子束焊設備主要由電子槍、真空室、高壓電源、控制系統等部分組成。在焊接過程中，電子槍發射的電子束在高電壓的作用下加速，并通過電磁透鏡聚焦成高能量密度的電子束。當聚焦后的電子束轟擊工件時，電子束的動能轉化為熱能，使焊接處的金屬熔化，形成熔池。隨著工件的移動，熔池冷卻并凝固，形成焊縫。低真空電子束焊的優點主要體現在以下幾個方面：設備成本相對較低，因為低真空環境較易實現，不需要非常高級的真空設備。焊接速度快，因為電子束在真空中的傳播速度接近光速，且不需要像高真空那樣緩慢抽真空的過程?？梢栽诖髿猸h境中進行焊接，省去了復雜的高壓電源和真空系統的維護。低真空電子束焊適用于一些不需要非常嚴格真空環境的焊接場合，如一些金屬的焊接，特別是當焊接材料對氧敏感時，可以在低真空條件下減少氧化。非真空電子束焊的優點在于：

可以在大氣環境中進行焊接，不需要抽真空，操作簡單。適用于焊接較大的工件，因為非真空環境下的電子束可以照射到更大的面積。焊接過程中可以觀察到焊接區域，便于操作和監控。非真空電子束焊通常用于一些對焊接質量要求不是非常高的場合，如一些建筑材料、重型機械部件的焊接。簡述傳統摩擦焊的基本特點及應用。傳統摩擦焊是利用工件端面之間的相對滑動摩擦產生的熱量，使接觸面材料達到塑性狀態，施加頂鍛力使之形成連接的一種壓焊方法。摩擦焊的特點有：焊接接頭質量好，強度高，接頭性能接近于原材料性能。生產效率高，可實現自動化、連續化生產。設備簡單、成本低。適用范圍廣，可焊接同種金屬或異種金屬，也可以焊接金屬與非金屬。摩擦焊的主要應用領域有：航空、航天工業中的火箭發動機燃燒室、燃氣輪機葉片、飛機發動機的渦輪盤和葉片等。電氣工程中的電刷、換向器、電機轉子等。汽車、拖拉機等動力機械中的傳動齒輪、鏈輪、彈簧等。機械制造工業中的軸、齒輪、螺栓、緊固件等。簡述攪拌摩擦焊的原理、特點及應用。攪拌摩擦焊的主要焊接參數有哪些？簡述攪拌摩擦焊接頭的組織特征。攪拌摩擦焊（FrictionStirWelding，簡稱FSW）是一種固相連接技術，由英國焊接研究所（TWI）于1991年發明。攪拌摩擦焊的原理是在焊接過程中，攪拌頭一邊高速旋轉，一邊沿著焊接方向前進，焊接過程中，攪拌頭軸肩與被焊工件表面摩擦產生熱量使工件達到塑性狀態，塑性狀態的金屬在攪拌頭旋轉壓力的擠壓作用下，轉移到攪拌頭后面，填滿后面的空腔，從而形成連接。攪拌摩擦焊的主要特點有：（1）焊接溫度低，即使在長焊縫情況下也是如此，從而可以避免熔化焊所產生的氣孔、裂紋、變形和氧化等問題。（2）固相連接，不產生類似熔焊的鑄造組織缺陷，接頭各種力學性能，比如疲勞、彎曲、拉伸等指標好。（3）焊前、焊后輔助修補工時較少，生產成本大幅度降低。焊接過程中的攪拌和摩擦可有效去除工件表面氧化膜及附著雜質，減少了清理步驟。（4）焊接過程不需要添加保護氣體和焊料。（5）能夠進行全位置焊接，適應性好，效率高，操作簡單。攪拌摩擦焊的主要焊接參數包括：攪拌頭旋轉速度、攪拌頭軸向進給速度、焊接壓力、焊接時間等。攪拌摩擦焊接頭的組織特征主要有：（1）微觀結構均勻，無明顯熔化焊縫和鑄造組織。（2）晶粒細化，由于攪拌摩擦過程中金屬的塑性變形和再結晶作用，使焊縫區域的晶粒顯著細化。（3）硬度提高，焊縫區域的硬度明顯高于母材，這是由于焊接過程中產生的細晶強化和析出強化作用。（4）接頭性能優良，攪拌摩擦焊接頭的強度、韌性、耐腐蝕性等性能均優于傳統的熔化焊接接頭。什么是增材制造，它與其他傳統制造方法相比有什么特點？增材制造是指通過逐層增加材料來實現3D實體的生成，克服了傳統制造工藝和結構的限制，快速精準地實現產品的構建。通常是采用數字技術材料打印機來實現的。增材制造方法相比較于傳統的制造方法存在著以下特點：（1）增材制造無需機械加工或任何模具就能實現制造，極大地縮短制造周期，即使結構復雜的零件也無需增加加工時間，便于實現低成本的工業化生產；（2）增材制造可實現產品的一體化，避免分開制造的產品進一步組裝；（3）增材制造不再受限于產品的形狀結構，能夠制造出傳統工藝無法實現的或是結構復雜的零件，精準快速地進行滿足需求的產品制造，增強了定制化的實現能力；（4）增材制造可減少制造時產生的副產物，極大程度上避免了材料的浪費；（5）3D打印機具有較高的單位空間生產能力，其制造能力非常強，可以打印出比自身更大的產品，并且打印出來的產品精度高；（6）增材制造技術的生產門檻較低，對員工的技術要求較低，可減少生產失誤，降低人員培訓成本，提高生產效率。也就是說，增材制造能夠簡化操作步驟，變革生產方式，實現零技能制造。增材制造的主要技術分類有哪些？（1）選區激光熔化（SLM）技術；（2）選區激光燒結（SLS）技術；（3）熔融沉積成型（FDM）技術；（4）光固化（SLA）技術；（5）激光近凈成型（LENS）技術；（6）電子束選區熔化（EBSM）技術；（7）電弧熔絲增材制造（WAAM）技術增材制造給生活帶來的積極影響是什么？（1）個性化定制：增材制造允許根據個體需求和設計要求制作定制化的產品，從個性化定制的鞋子、眼鏡到醫療器械，都能夠更好地滿足個人需求。（2）醫療應用：在醫療領域，增材制造被廣泛用于生產個體化的假體、植入物和義肢。通過掃描患者的身體部位，可以精確制造適應患者獨特解剖結構的醫療器械，提高治療效果。（3）原型制作和產品研發：增材制造技術使得快速原型制作變得更加容易，有助于設計師和工程師在產品開發過程中迅速驗證概念，加快產品上市速度。（4）藝術和創意領域：藝術家和設計師利用增材制造技術創造出獨特的藝術品和裝置，通過打破傳統制造的限制，展示了更多創意和想象力。（5）減少資源浪費：增材制造是一種精確的生產方法，可以減少原材料的浪費，對于環境可持續性和資源節約具有積極的影響。談談你對新增材制造技術的了解以及增材制造技術的未來發展趨勢。新增材制造技術的了解：新增材制造技術的核心原理是逐層堆積材料，其中包括直接墨水書寫增材制造技術（DIW），連續纖維增強復合材料（CFRTPCs）的增材制造技術等不同的實現方式。這些方法使用計算機輔助設計（CAD）創建的數字模型，并通過逐層添加或固化材料來制造物體。增材制造技術的未來發展趨勢：（1）未來的增材制造技術有望更加注重多材料和多工藝的整合，以實現更復雜的產品。這將推動材料科學和工藝技術的發展。（2）隨著材料科學的不斷進步，新增材制造將更多地采用高性能材料，以滿足各種特殊需求，如高強度、高溫、耐腐蝕等。（3）隨著數字化技術的不斷發展，新增材制造將更加數字化，包括數字化設計、數字化工藝控制和智能制造。這將提高生產效率和產品質量。（4）增材制造技術有望在可持續發展方面發揮作用，通過減少廢料和能源消耗，促進資源的可持續利用。5.智能制造對我國的制造業的意義是什么？智能制造是實現我國制造業高端化的重要路徑。智能制造技術在我國的應用和普及，必將催生一批具有世界先進水平、引領世界制造業發展的龍頭企業，引領我國制造業實現自主創新跨越發展。發展智能制造既符合我國制造業發展的內在要求，也是重塑我國制造業新優勢，實現轉型升級的必然選擇，應該提升到國家發展目標的高度。6.請嘗試列舉智能制造的幾個關鍵技術。（1）電火花加工工藝方法電火花線切割加工工作原理是利用移動的細金屬導線（鉬絲或銅絲）作電極，靠脈沖火花放電對工件進行切割。（2）仿生制造模仿生物的組織結構和運行模式的制造系統與制造過程稱為“仿生制造”。它通過模擬生物器官的自組織、自愈、自增長氣自進化等功能，以迅速響應市場需求并保護自然環境。生物體能夠通過諸如自我識別、自我發展、自我恢復和進化等功能使自己適應環境的變化來維持自己的生命并得以發展和完善。（3）智能設計技術智能設計是指應用現代信息技術，采用計算機模擬人類的思維活動，提高計算機的智能水平，從而使計算機能夠更多、更好地承擔設計過程中的各種復雜任務，成為設計人員的重要輔助工具。（4）綠色設計綠色設計（GreenDesign）也稱生態設計、環境設計、環境意識設計，是一種概念設計。綠色設計是指在產品整個生命周期內，要充分考慮對資源和環境的影響，在充分考慮產品的功能質量、開發周期和成本的同時，更要優化各種相關因素，使產品及其制造過程中對環境的總體負影響降到最小，使產品的各項指標符合綠色環保的要求。7.智能制造新技術有哪些，請舉例說明？人工智能技術；工業機器人技術；大數據技術；云計算技術；物聯網技術；整體的信息化系統。8.云計算技術最大的優勢是什么？工業云平臺打破了各部門之間的數據壁壘，讓數據真正地流動起來，發現數據之間的內在關聯，使得設備與設備之間，設備與生產線，工廠與工廠之間無縫對接，監控整個生產過程，提高產品質量，幫助企業做出正確的決策，生產出最貼近消費市場的產品。9.物聯網技術和人工智能技術的特點是什么？物聯網技術：智能制造的最大特征就是實現萬物互聯，工業物聯網是工業系統與互聯網，以及高級計算、分析、傳感技術的高度融合，也是工業生產加工過程與物聯網技術的高度融合。工業互聯網具有全面感知、互聯傳輸、智能處理等特點。人工智能技術：人工智能技術的三大特點就是大數據技術、按照計劃規則的有序采集技術、自我思考的分析和決策技術。新一代的人工智能在新的信息環境的基礎上，把計算機和人連成更強大的智能系統，來實現新的目標。人工智能正在從多個方面支撐著傳統制造向智能制造邁進。10.增材制造技術對油氣田領域的發展有什么作用？（1）隨著增材制造技術的快速發展，油氣田領域將其與傳統制造、油氣田服務相結合，加速促進增材制造業在油氣田領域的應用。（2）增材制造技術的快速成型可顯著減少制造時間和成本，大大改善傳統的油田裝備制造、油氣勘察開發等板塊，為提高油氣田領域的工作質量做出卓越貢獻。（3）增材制造技術在油氣田領域展現出材料成本相對較低，浪費少；在高精度、高強度、高復雜度的測井儀器加工制造中，利用增材制造技術，可實現一臺設備完成多道工序，解決批量小、換產頻的生產效率問題，還可提升產品性能。（4）增材制造技術可增加產品設計自由度，提高設備性能。（5）增材制造技術在油氣田領域的應用不僅可以發揮出本身的優勢，還可以結合油氣田領域的特殊性，滿足油氣開采生產過程對設備零件的靈活性需求。11.智能制造技術對油氣田領域的發展有什么作用？在油氣田領域應用數字化管理平臺，整合工程設計、設備材料采購、施工建設、生產運行等環節的全部數據，通過數字建模，可大幅提高設計和建設效率，節約采購和施工成本，為項目實施全生命周期管理打下基礎；通過將大數據、物聯網、云計算、人工智能等技術與客戶的具體應用場景結合的方式，為客戶提供滿足其需要的各類定制化服務。智能制造在油氣田領域的應用體現在數字化油氣田的建設以及從數字化向智能化的邁進。12.根據你對油氣田領域中增材制造技術和智能制造技術的了解，發表你對其在油氣田領域中應用的看法。（1）油氣田設備通常需要特殊設計的零部件，以適應特殊的工作環境和要求。增材制造技術可以提供定制化的解決方案，快速制造出復雜形狀和高性能的零部件，提高設備的可靠性和適應性。（2）在油氣田領域，需要不斷進行新設備和工具的研發。增材制造技術可以用于快速原型制作，使工程師能夠快速驗證設計概念，可為生產過程提供快速、批量的零部件支持，以避免延長施工期的風險。（3）在油氣田設備中引入物聯網技術，實現設備之間的實時數據交互和監控。這將有助于提高設備運行效率，減少故障發生，并優化維護計劃。（4）智能制造技術可以實現油氣田設備的自動化生產，減少人為操作的依賴，提高生產一致性和效率。（5）油氣田產生大量的數據，包括地質勘探數據、設備運行數據等。通過應用大數據分析，可以更好地理解油氣藏的特性，優化生產過程，并預測設備可能的故障。綜合來看，增材制造技術和智能制造技術在油氣田領域中的應用有望帶來生產效率的提升、設備可靠性的增強以及成本的降低。隨著技術的不斷發展，它們將在油氣產業中扮演越來越重要的角色。第九章1.什么是表面改性技術？常用的表面改性技術有哪些？答：表面改性技術是指在保障基體材料化學組分基本保持不變或僅有較小改變的前提下，通過采用單一或復合技術手段以直接或間接的方式來提高零部件表面理化性能的一種技術。常用的金屬材料表面改性技術主要有：化學熱處理、噴涂技術、氣相沉積、溶膠-凝膠法、激光表面處理、電泳沉積法、氧化法等。2.微弧氧化的機理是什么？答：微弧氧化是指將鋁、鎂、鈦等有色金屬及其合金置于特定的電解液中，利用電化學和等離子體化學原理，使金屬材料表面出現火花放電，在熱力學、電化學、等離子體的共同作用下，在原金屬表面原位生長陶瓷層的技術。微弧氧化是發生在陽極工件表面的極其復雜的熱力學、電化學、等離子體的相互作用，過程非常復雜，瞬間溫度可達1800℃以上，熔融的金屬液體隨后會快速凝固，起弧點還在不斷移動，整個過程既有高溫高壓，而且持續的時間很短，因此對過程的跟蹤比較困難，有些理論還只是假設和推測，很難用儀器測試進行驗證。鐵木辛柯(Timoshenko)等人認為微弧氧化由以下幾個過程組成：①在氧化物基體中形成空間電荷；②在膜層孔洞中進行氣體放電；③局部膜層被熔化；④孔洞微區內進行熱擴散、等離子體化學和熱化學反應等極其復雜的過程。Apelfeld等人研究發現，膜層孔洞在等離子體放電過程中溫度急劇升高，電解液與基體金屬之間發生電化學反應，膜層向基體內側生長。Yerokhin等人認為，在微弧氧化過程中將發生大量的電解過程，如圖9-4