材料成型原理與工藝

1、材料成型原理與工藝概論1主要參考書目：1：材料成型原理與工藝 應宗榮 主編 哈爾濱工業(yè)大學出版社，2005 2：工程材料及成形工藝基礎 齊樂華 主編 西北工業(yè)大學出版社，2002 3：材料成形技術基礎 何紅媛 主編 東南大學出版社，2000 2 材料要獲得應用和發(fā)展必須具備兩個基本條件：一.材料必須具有能滿足特定應用場合所要求的性能二.有經(jīng)濟有效的成形方法將其成形為特定的制品 因此材料工業(yè)包括了：材料制備工業(yè)和制品加工工業(yè)兩大工業(yè)體系；制品加工工業(yè)是材料工業(yè)的兩極之一，它與材料制備工業(yè)(如金屬的冶金工業(yè)、聚合物的合成工業(yè))相互關聯(lián)、互相依存并且相互促進。 3 材料總是以一定的制品形式獲得應用的

2、。而材料要變成制品必須經(jīng)歷一定的成形工藝過程。成形工藝過程包括：溫度、壓力和各種場力的施加及變化。 成形工藝過程既賦予制品所需要的形狀，同時也直接影響制品的微觀結構和宏觀性能。因此掌握制品成形工藝方法與成形行為、制品結構的形成過程與規(guī)律、制品結構與制品性能關系、制品成形工藝條件對制品質(zhì)量的影響規(guī)律等，對于在制造特定的制品時指導材料及成形工藝方法的選擇、成形工藝過程與條件的確定以及設備與模具的設計和選用等都具有重要的意義。本課程的基本任務就是闡明制品成形的基本原理和工藝方法，為指導制品生產(chǎn)打下必要的理論基礎。40.1 材料種類與應用 材料是人類進行生產(chǎn)生活和與大自然作斗爭的物質(zhì)基礎，今天它與能源

3、、信息和生物技術共同構成了現(xiàn)代科學技術的四大支柱。材料作為用來制造機器零件、構件和其它可供使用制品的物質(zhì)，按化學組成特征，可分為金屬材料、高分子材料、陶瓷材料和復合材料。 50.1.1 金屬材料 金屬材料是目前應用最廣泛、重量用量最大的材料，是現(xiàn)代機械制造工業(yè)的最主要材料?，F(xiàn)在世界上有86種金屬！在各種機床、礦山機械、冶金設備、動力設備、農(nóng)業(yè)機械、交通運輸設備、航空航天器、現(xiàn)代兵器中，金屬制品占80%90%，金屬材料在材料領域中占有舉足輕重的地位。 金屬材料按組成可分為純金屬和金屬合金兩大類。由于金屬合金比純金屬有更好的力學性能和工藝性能，且成本低，因而實際中多使用金屬合金。金屬合金是一種以金

4、屬元素為基礎，加入其它金屬或非金屬元素經(jīng)熔煉或燒結而制成的、具有金屬特性的材料。最常用的金屬合金是以鐵(Fe)和碳(C)為基礎的鐵碳合金，其用量占整個金屬材料的90%以上。6 鐵碳合金通常稱為鋼鐵或黑色金屬，黑色金屬只有三種：鐵、錳與鉻。而它們?nèi)齻€都不是黑色的！純鐵是銀白色的；錳是銀白色的；鉻是灰白色的。黑色金屬分為鋼和鑄鐵兩大類。鋼是指含碳量小于2.11%的鐵碳合金，是使用最廣泛的金屬材料，產(chǎn)量占金屬的90%以上，1990年世界鋼產(chǎn)量為6.85億噸，中國2000年鋼產(chǎn)量1.285億噸。根據(jù)鋼的化學成分，鋼又可以分為碳素鋼（簡稱碳鋼）和合金鋼兩大類。碳鋼除含主要成分鐵和碳外，還含有少量的硅(S

5、i)、錳(Mn)、磷(P)、硫(S)等元素。碳鋼具有良好的工藝性能和較好的機械性能，且價格低廉，應用最廣泛，其產(chǎn)量占鋼產(chǎn)量的80%以上。為了改善和提高鋼的性能，在碳鋼基礎上有針對性地加入某些元素，這種鋼稱為合金鋼，它主要用來制造性能要求高的機械零部件。7 含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵，除含鐵和碳外，它還含有Si、Mn、P、S及某些合金元素，其成分大致為：2.5%4.0%C，1.0%3.0%Si，0.5%1.4%Mn，0.01%0.5%P，0.02%0.2%S。與鋼相比，主要區(qū)別在于鑄鐵含C、Si較高，含P、S雜質(zhì)元素較多，所以其組織和性能與鋼差別較大，鑄鐵的鑄造性能優(yōu)良但物理機械性能

6、不如鋼。鑄鐵是重要的工程材料，中國2000年的鑄鐵產(chǎn)量近1000萬噸，鑄鐵主要應用于農(nóng)業(yè)機械、汽車拖拉機、機床制造等領域。8 除鋼鐵(黑色金屬只有三種：鐵、錳、鉻)以外的各種金屬材料又稱非鐵材料或有色金屬，如鋁(Al)、銅(Cu)、鎂(Mg)和鈦(Ti)等。有色金屬的種類很多，其用量和產(chǎn)量不及鋼鐵，但由于它們具有某些獨特的性能和優(yōu)點，在空間技術、航海、原子能、計算機等新型工業(yè)部門獲得了重要的應用，已成為現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的重要材料。2000年中國10種常用有色金屬及其合金的年產(chǎn)量已超過800萬噸。9 鋁是地殼中儲量最豐富的金屬元素，約占地殼總量的8.2%，居四大金屬Al、Fe、Mg和Ti之首。

7、鋁具有良好的塑性和韌性以及僅次于銀、銅的導電性和導熱性，廣泛用作導電材料和熱傳導材料。但純鋁強度低，不宜作結構材料，為了提高其強度，通常加入一定量的合金元素（如Si、Cu、Mg、Mn等）制成鋁合金。鋁合金廣泛用作飛機結構材料、艦船構件、各種缸體、殼體及其它制件。10 銅及其合金按其顏色分為紫銅、黃銅、青銅和白銅，紫銅即為純銅，其它三種為銅合金。純銅塑性高、強度低，有優(yōu)良的低溫韌性，突出的優(yōu)點是優(yōu)良的導電性和導熱性及良好的耐腐蝕性(抗大氣和淡水腐蝕)，廣泛用作電機電器、電線電纜、電刷、防磁機械、化工用傳熱或深冷設備。以鋅、鎳或除鋅與鎳以外的其它元素為主要合金元素的銅合金，分別為黃銅、白銅和青銅，

8、銅合金主要用作船用耐腐蝕零件、高溫高壓管道、冷凝器、彈殼、彈簧、抗磁元件和電工材料等。11 鈦及其合金資源豐富，具有比強度高、耐熱性好、抗蝕性能優(yōu)異等突出特點。鈦有-Ti和-Ti兩種同素異形體，其合金一般按退火組織分為鈦合金、鈦合金和鈦合金。鈦及其合金常用作飛機結構材料、發(fā)動機部件、柴油機活塞、耐海水腐蝕管道與閥門、低溫材料等，已成為航空、航天、冶金、造船及化工工業(yè)重要的結構材料，但因其化學性質(zhì)非?；顫?，因而加工工藝復雜，價格昂貴，其應用領域比較局限。 12表0.1 金屬材料的種類種 類范 圍鋼碳素鋼：碳素結構鋼、碳素工具鋼合金鋼：合金結構鋼(包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、易切鋼等)合金

9、工具鋼(包括刃具鋼、模具鋼和量具鋼等)特殊性能鋼(包括不銹鋼、耐熱鋼和耐磨鋼等)鑄 鐵灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、特殊性能鑄鐵(如耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵)等有色金屬及合金鋁及鋁合金：變形鋁合金(包括防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁四類)鑄造鋁合金(包括鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金四類)銅及銅合金：紫銅(純銅)、黃銅、白銅和青銅(包括錫青銅和無錫青銅)、鈦及鈦合金其它金屬及合金(如鎂及其合金)13 此外，金屬還可按應用性能分為高溫合金、彈性合金、軸承合金、低熔點合金、釬焊合金、形狀記憶合金、儲氫合金等類型，它們分別應用于各自相應的領域。140.1.2 高分子材料 高分子材料是地位僅次于金屬材料的

10、一大類新型材料，它是20世紀才發(fā)展起來的材料，但由于其綜合性能優(yōu)越、成形工藝相對簡單和價格低廉等優(yōu)勢，應用領域極其廣泛，發(fā)展非常迅速。高分子材料又常常稱為聚合物、高聚物或高分子化合物，通常可分為塑料、化學纖維和橡膠三大材料，其次還包括粘合劑和涂料等材料。2000年世界塑料消耗量已達1.2億噸，化學纖維消耗量近3000萬噸，橡膠消耗量達20003000萬噸，其中僅塑料的體積消耗量已超過鋼鐵。按體積消耗量來說，高分子材料已超過金屬材料而成為第一大類材料。據(jù)測算，100150萬噸塑料可發(fā)揮1000萬噸鋼鐵的作用，代替一噸鋼所需的塑料的建設投資僅為一噸鋼所需投資的1/31/2，而生產(chǎn)一噸鋼的能耗則為生

11、產(chǎn)相當塑料的4.5倍。因此就目前而論，高分子材料的發(fā)展速度仍遠遠超過金屬材料的發(fā)展速度，其在材料王國已占有極其重要的地位。15 高分子材料具有質(zhì)輕、傳熱系數(shù)小、耐腐蝕性良好、電氣絕緣性和成形加工性優(yōu)良、減震消音、透光、易著色等明顯的突出特點，其在日常生活和各個工業(yè)領域都獲得了極其廣泛的應用。但也應注意，高分子材料的熱膨脹系數(shù)大、使用溫度低(一般不超過200，僅少數(shù)品種可達300400)，同時容易燃燒和容易老化等。16 塑料按用途和性能可分為通用塑料和工程塑料。通用塑料是指生產(chǎn)量大、用途廣、價格低廉且成形加工工藝性良好的一類塑料品種，它們約占塑料總產(chǎn)量的80%。但由于其綜合力學性能和耐熱性不高，

12、故通常不宜用作結構零件和耐熱件。工程塑料是指那些拉伸強度大于50MPa、沖擊強度大于6KJm2、長期耐熱溫度超過100、耐腐蝕性和電絕緣性優(yōu)良、可代替金屬材料在不同的工程環(huán)境中用作承載結構零件的塑料。 塑料可用作飲水杯、椅子、手提箱包、購物袋等日常用品，還可用作各種家用電器外殼和絕緣構件、塑料門窗、給排水管道、農(nóng)用薄膜、開關、齒輪、軸承、電線電纜、儀器表盤等，特別是由于其質(zhì)輕節(jié)能，現(xiàn)廣泛用作汽車、火車、飛機、輪船、兵器、航空航天等零部件，此外還可作為軍事上的防彈隱身材料等。據(jù)估計，1990年軍用結構材料中，塑料及其復合材料占78%，而鋼鐵僅占1519%。據(jù)預測，在21世紀期間，塑料及其復合材料

13、在航空航天和兵器工業(yè)等軍事領域?qū)⒊蔀橹鲗Р牧稀?7 化學纖維包括人造纖維和合成纖維兩大類。人造纖維是指天然原料,如天然纖維素和蛋白質(zhì)等，經(jīng)化學改性或處理后再紡絲而制成的纖維。合成纖維是使用化學合成的高分子化合物通過紡絲制成的纖維，其中滌綸和錦綸的產(chǎn)量分別占整個化學纖維的6065%和2030%，為最主要的兩大品種?；瘜W纖維按纖維長度可分為長絲和短纖兩大類。長絲是連續(xù)不斷的很長纖維，主要用于機織和針織物，而短纖是被切斷成一定長度(如25150毫米)的纖維,主要用于棉混紡?；瘜W纖維廣泛用于替代棉、麻、蠶絲、羊毛等天然纖維制造各種織物，目前其產(chǎn)量已超過天然纖維。化學纖維除用于民用領域外，還廣泛用于交通

14、運輸、建筑、道路、化工等工業(yè)領域，如作為繩索、輪胎簾子線、土工布、過濾材料等，而芳綸纖維等耐熱高性能纖維還在航空航天、軍事等領域獲得應用，如各種零部件、防彈衣、防彈裝甲等。18 橡膠是一類在較寬的溫度范圍內(nèi)，通常在50150之間，表現(xiàn)出優(yōu)異彈性的高分子材料的總稱。按來源分，橡膠可分為天然橡膠和合成橡膠兩大類，天然橡膠是橡樹上流出的膠乳經(jīng)凝聚、干燥等工序制成的橡膠，合成橡膠是化學合成的高分子化合物。按用途和性能分，合成橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠性能與天然橡膠相近，廣泛用作輪胎、膠鞋、膠輥、膠管、輸送帶、減震部件等。特種橡膠主要用于制作特殊條件下使用的橡膠制品，如油槽、輸油管、耐高溫電

15、線電纜、化工設備、飛機和宇航用密封件。 19 此外，聚合物粘合劑和涂料也廣泛用于國民經(jīng)濟的各個工業(yè)部門。聚合物粘合劑是固態(tài)材料粘接連接工藝最常用的材料，而聚合物涂料在建筑、公路、化工防腐、船艦防腐、飛機隱身等方面應用很廣泛。20種類舉 例塑料通用塑料：聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、酚醛樹脂(PF）、氨基塑料(UF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環(huán)氧樹脂(E-51)等工程塑料：聚酰胺(PA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚苯醚（PPO）、丙稀晴丁二烯苯乙烯樹脂(ABS)、聚酰亞胺(PI)等纖維人造纖維：粘膠纖維、銅氨纖維、醋酸纖維素纖

16、維、蛋白質(zhì)纖維等合成纖維：PET纖維(滌綸)、PA纖維(錦綸或尼龍)、聚丙稀睛纖維(晴綸)、聚丙稀纖維(丙綸)、聚氨酯纖維(氨綸)、聚氯乙稀纖維(氯綸)等橡膠通用橡膠：順丁橡膠(BR)、丁苯橡膠(SBR)、丁基橡膠（IIR）、乙丙橡膠（EPR）等特種橡膠：丁睛橡膠(NBR)、硅橡膠(MQ)、氟橡膠(FPM)、聚硫橡膠等表0.2 高分子三大材料的種類210.1.3 陶瓷材料 陶瓷材料有時也稱為無機非金屬材料，種類繁多，應用很廣。陶瓷材料可分為傳統(tǒng)陶瓷材料和特種陶瓷材料兩大類。傳統(tǒng)陶瓷材料也稱為普通陶瓷材料，泛指硅酸鹽材料，它是用天然粘土、石英、長石為原料經(jīng)成形和燒結而制成。特種陶瓷材料是指化學合

17、成陶瓷，采用經(jīng)人工提煉、純度較高的金屬氧化物、氮化物、硼化物、硫化物、硅酸鹽及其它鹽類和單質(zhì)經(jīng)配料、成形和燒結工藝而制成。22 傳統(tǒng)陶瓷材料是工業(yè)和基本建設所必需的基礎材料，如瓷磚、陶器、瓷器等。但由于傳統(tǒng)陶瓷材料脆性大，因而難以用作機械結構部件。特種陶瓷材料具有高熔點、高硬度、化學穩(wěn)定性好、耐高溫、耐磨損等突出優(yōu)點，其中的結構陶瓷還具有較高的強度和韌性，某些品種的韌性甚至已接近鑄鐵水平，而功能陶瓷還具有介電性、壓電性、鐵電性、熱電性、半導體性或軟硬磁性等某些特殊性能，因而特種陶瓷具有廣泛的應用領域。特種陶瓷在機械、汽車、化學等傳統(tǒng)工業(yè)領域可用作切削刀具、熱機部件、耐熱耐腐部件、熱交換器等，在

18、激光、光纖、微電子、光電子等領域用作激光器元器件、光電元器件等，在空間和軍事領域用作宇宙飛船隔熱瓦、高溫高壓弦窗玻璃、陶瓷裝甲、導彈和飛機端頭帽與紅外窗等。特種陶瓷是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要支柱，在微電子、激光、光纖、光電子、傳感、超導和空間軍事等工業(yè)的發(fā)展中，占有十分重要甚至是核心的地位。23表0.3 陶瓷材料的種類種 類范 圍傳統(tǒng)陶瓷玻璃、水泥、耐火材料和陶瓷特種陶瓷結構陶瓷(如氧化鋁陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等)功能陶瓷(如電功能陶瓷、磁功能陶瓷、光功能陶瓷、生物陶瓷等)240.1.4 復合材料 在現(xiàn)代高技術領域，特別是航空航天、海洋工程、原子能工業(yè)、現(xiàn)代兵器工業(yè)等，要求材料兼具有高強度、高

19、韌性和低密度等，還常要求能經(jīng)受住各種極端環(huán)境條件如超高溫、超高壓、超高真空、高腐蝕性介質(zhì)和輻射等的考驗。單一材料往往不能滿足這些要求，例如金屬的力學性能固然不錯，但耐溫性有限，陶瓷材料雖然既耐高溫又耐腐蝕，但較脆；高聚物雖然密度低、韌性好，但強度、剛度和耐熱性低。把兩種和兩種以上性質(zhì)不同的材料通過設計結合在一起成為一體，這樣的多相固體材料往往可以綜合各種組分材料如金屬、高分子材料、陶瓷等的優(yōu)點，可滿足各種不同特殊環(huán)境的使用要求，這類多相多質(zhì)固體新型材料稱為復合材料。目前對復合材料提出了“三高一低”的要求，即高強度、高模量、耐高溫和低密度的要求。25 復合材料一般有兩個基本相：一相是連續(xù)相，稱為

20、基體相；另一相是分散相，稱為增強相。分散相可以是增強纖維，也可以是顆粒狀或彌散性的填料，其中纖維增強的復合材料發(fā)展最快，應用最廣。常用的增強纖維有玻璃纖維、碳纖維、石墨纖維、硼纖維、碳化硅纖維、芳香族聚酰胺纖維(芳綸)、晶須等。 復合材料通常按基體材料進行分類，可以分為聚合物基復合材料(PMC)、金屬基復合材料(MMC)和陶瓷基復合材料(CMC)，其使用溫度分別可高達250350、3501200和2000以上。26 聚合物基復合材料由于既具有聚合物的特性，同時又具有更高的比強度和比模量以及某些特種功能，是目前復合材料的主流。其中又以玻璃纖維增強塑料使用最廣泛，其次是高性能纖維增強的耐高溫聚合物

21、基結構復合材料和具有特定功能的聚合物基功能復合材料。他們廣泛應用在建筑、運輸、化工防腐和航空航天等工業(yè)領域，如冷卻塔、浴缸、門窗、車廂外殼、頭盔、化工防腐管道、大型雷達罩、防彈裝甲、防彈衣等。金屬基復合材料目前發(fā)展較快，其中鋁基復合材料占主導地位。由于金屬基復合材料具有金屬特性，又具有高比強度、比模量、耐熱、耐磨等特性，在航空航天、電子、汽車、先進武器系統(tǒng)中具有重要的地位。陶瓷基復合材料可具有強度高、硬度大、耐高溫等陶瓷特性，同時采用高強度、高模量纖維或晶須增強后，其高溫強度和韌性大幅度提高，作為航空航天領域用的高溫結構零件具有獨特的優(yōu)勢，如導彈頭錐、火箭噴管、滑動構件等，但由于制備工藝復雜和

22、缺少耐高溫纖維，陶瓷基復合材料相比之下發(fā)展較緩慢。27 此外，還有增強材料和基體為同種物質(zhì)的一類同質(zhì)復合材料，如碳/碳復合材料，它們在飛機起落架、導彈帽等方面獲得了應用。280.2 材料成形原理和工藝體系0.2.1 材料成形原理問題 對于材料成形原理的劃分有多種方法，最常見的方法有三種：(1)按材料來劃分，材料成形原理分為金屬成形原理、高分子材料成形原理、陶瓷成形原理和復合材料成形原理。(2)采用一部分按成形工藝而另一部分按材料，這樣兩者都同時并存的方式來劃分。如將材料成形原理劃分為鑄造原理、鍛造原理、沖壓原理、焊接原理、粉末冶金原理、高分子成形原理和陶瓷成形原理等內(nèi)容。(3)按材料成形過程屬

23、性來劃分，不論材料和具體成形工藝如何，基于在材料的成形過程中都存在一些共同的屬性，如流動形變、固化成形、分子結構和組織結構變化等，這些問題在材料成形過程中是最基本和最普遍的問題，其基本原理對不同的材料和不同的成形工藝都是相通的。因此將材料成形的基本原理分為流變學原理、固化原理、結晶原理、取向原理、化學冶金學、交聯(lián)與降解原理和燒結理論等。290.2.2 材料成形工藝體系 材料成形工藝體系也有多種分類方法。按材料性質(zhì)分，可分為金屬工藝、陶瓷工藝、高分子材料工藝和復合材料工藝四大類。 按材料成形所處的物態(tài)分，材料成形工藝可分為固態(tài)成形工藝和液態(tài)成形工藝兩大類。其中粉末成形與燒結工藝劃屬固態(tài)成形工藝。

24、此外，金屬新近發(fā)展的流變鑄造技術，應劃屬半固態(tài)成形工藝為宜。 按材料成形時的工藝特征分，材料成形工藝可分為澆鑄工藝、擠出工藝、注射工藝、壓制工藝、壓延工藝、塑性成形工藝、粉末成形與燒結工藝、連接工藝、熱處理工藝、沉積工藝、切削工藝等。30表0.4 四大材料的成形工藝方法材 料常見成形方法金屬澆鑄(鑄造)、焊接、鍛造、沖壓、粉末冶金等高分子材料擠出、注射、模壓、壓延、流涎、澆鑄、熱成型、中空吹塑、薄膜和纖維拉伸等陶瓷壓制-燒結、澆鑄-燒結、擠出-燒結、注射-燒結、吹制、拉制、浮法等復合材料手糊成形、壓制成型、傳遞模塑、擠出、注射、浸漬、共沉積、粉末冶金等31表0.5 不同物態(tài)的成形工藝方法體系常

25、見工藝方法固態(tài)成形工藝塑性成形工藝(包括鍛造、沖壓、中空吹塑、薄膜和纖維拉伸等)、粉末成形與燒結(如粉末冶金)、機械切削等液態(tài)成形工藝澆鑄、焊接、擠出、注射、壓延、壓制、浸漬、吹制、拉制、浮法等320.2.3 材料成形工藝體系的發(fā)展 材料的成形工藝可以追溯到久遠的古代，它與材料的發(fā)展密切聯(lián)系在一起，并反過來促進材料的發(fā)展。材料的成形工藝體系是基于傳統(tǒng)材料金屬和陶瓷的成形發(fā)展起來的。其中粉末冶金、鑄造和鍛造工藝最為源遠流長。 粉末冶金最早應用在制磚和制陶方面，時間是在公元前5000年前左右的陶器時代，粉末冶金在金屬方面的應用出現(xiàn)在金屬冶煉技術之前，人們將拾來的金屬礦石碎塊加熱后捶打在一起，制成器

26、物。建于公元前2世紀Ashoka王朝時代的著名“德里鐵柱”高7.1米,重60噸,鐵柱裸露在荒野中,距今已有1500年的歷史。和遠古時期的著名“大馬士革之劍”都是粉末冶金工藝應用的典范。現(xiàn)在粉末冶金除在金屬和陶瓷方面獲得重要應用外，還應用于高分子材料如聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯的成型，并在復合材料方面也獲得了一定的應用。3334 我國鑄造工藝的應用始于公元前三千多年前的夏朝初期，最早出現(xiàn)于青銅制品，如司母戊鼎和編鐘等。公元前6世紀開始用于鑄鐵的成型，先后出現(xiàn)了失蠟法鑄造、泥型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造等鑄造方法，歷史上著名的鑄造業(yè)代表人物有春秋戰(zhàn)國時期的鑄劍家干將和莫邪等。1849年發(fā)明了重要

27、的鑄造方法壓鑄法，大大提高了生產(chǎn)效率和工件質(zhì)量。特別是近二三十年來鑄造工藝獲得了重大的發(fā)展，鑄造新技術不斷出現(xiàn)。與此同時，鑄造技術在陶瓷、高分子材料和復合材料方面獲得了重要的應用，成為四大材料極為重要的成形工藝。3536 鍛造工藝出現(xiàn)的時期大致與鑄造工藝相近，它是金屬成形的重要工藝。在19世紀，由于蒸汽機和液壓機的發(fā)明和應用，發(fā)展了金屬的沖壓成型，它和鍛造工藝一起構成金屬的塑性成形工藝體系。高分子材料的塑性成形工藝如熱成型、薄膜和纖維的拉伸等都是在金屬塑性成形工藝基礎上發(fā)展起來的，大約在20世紀40年代獲得應用；而高分子材料塑性成形工藝的中空吹塑技術則源自公元前三世紀發(fā)明的玻璃吹瓶技術。37

28、我國是最早使用焊接和膠接工藝的國家，早在戰(zhàn)國墓出土的殉葬銅器中就發(fā)現(xiàn)銅器的耳和足是用釬焊方法與本體連接在一起的，比歐洲運用釬焊技術早2000多年。在秦始皇陵出土的金銀飾品中，金銀飾器之間采用了無機膠粘劑膠接方法。但材料的焊接技術在19世紀末和20世紀初才真正發(fā)展起來，而粘接技術則是在高分子膠粘劑出現(xiàn)以后才被廣泛應用。38 擠出工藝最早應用于制磚和陶瓷制品，1845年在高分子材料上獲得應用，采用擠出工藝生產(chǎn)古塔波膠(天然膠)包覆的電線，當時的擠出機是柱塞式的，生產(chǎn)過程為間歇式，生產(chǎn)效率和成形質(zhì)量差。擠出成形工藝在1880年發(fā)明了螺桿式擠出機之后才逐漸獲得廣泛應用并逐漸得到發(fā)展和完善。注射工藝是基

29、于金屬壓鑄法原理發(fā)展起來的，最早應用于高分子材料的成型，第一臺高分子材料注射機制造于1872年，1937年注射工藝開始應用于陶瓷坯件的成型。目前擠出工藝和注射工藝成為高分子材料最主要的工藝方法，并已成為陶瓷和復合材料的重要成形方法。材料的其它成形工藝如壓延、流涎、壓制等工藝大多是在造紙、陶瓷方面首先發(fā)展起來，然后逐漸應用到高分子材料和復合材料的。39 材料成形工藝的發(fā)展過程表現(xiàn)出一個非常重要和明顯的特點，即：同一種成形工藝可以用于不同材料的成形，不同材料的成形工藝可以相互借鑒，并共同促進該成形工藝的發(fā)展，當然同一種成形工藝應用于不同材料可能存在一些特殊性。材料成形工藝的這種互通性，正是本課程成

30、形工藝部分的內(nèi)容以成形工藝為主線，而不以材料為主線來進行組織的原因和基礎。 40目前材料成形工藝表現(xiàn)出以下的一些發(fā)展趨勢：(1)材料成形向精密、精確、低能耗、無污染方向發(fā)展。比如成形工藝正在從制造工件的毛坯和從接近零件的形狀向直接制造最終工件即精密成形或凈成形方向發(fā)展。(2)材料成形工藝向連續(xù)化、自動化方向發(fā)展，不斷提高生產(chǎn)效率。(3)材料成形工藝由技藝發(fā)展成為工程科學，使工藝設計、工藝模擬和成形制造過程科學化。(4)新技術在材料成形工藝方面獲得應用。如激光技術、微波技術、紅外技術、超聲波技術、高能輻射、電磁動態(tài)技術等。(5)計算機集成制造系統(tǒng)、智能制造技術等的應用，使成形工藝過程、結構和性能

31、做到可設計和可監(jiān)控，向?qū)崿F(xiàn)制品性能裁剪的方向發(fā)展。410.3 材料成形的基本過程 材料在成形過程中，通常會同時發(fā)生形狀、結構和性質(zhì)的變化，其中形狀的變化是首要和最基本的變化。對于液態(tài)成形來說，形狀的變化由形狀的獲得和形狀的保持兩個過程完成，材料通過流動或形變獲得形狀，然后固化將獲得的形狀保持下來而獲得制品，有時還需一定的后續(xù)工序如修邊、機械切削甚至裝配才能形成最終形狀的制品。制品在獲得形狀變化的同時，材料的結構和性質(zhì)也伴隨著發(fā)生一定的變化。制品有時甚至會采用專門的后續(xù)處理工藝過程(如熱處理和表面處理等)，以獲得所需的組織結構，由此提高制品性能或滿足特殊應用環(huán)境對制品性能的要求。42 盡管制品的

32、類型和形式多種多樣，但材料成形通常都要經(jīng)歷一些基本的過程。材料采用澆鑄、擠出等成形工藝時，通常首先按材料配方進行備料和配料，而采用焊接、塑性成形工藝時，則常常需將大的預制件切割、下料裁成或制成尺寸相應的坯件。物料有時需經(jīng)一定的預處理，如預熱、干燥或熱處理后才進行成形，成形工藝得到的制品可能是半成品坯件或終成品。有些半成品坯件可能需經(jīng)熱處理調(diào)節(jié)內(nèi)部組織結構，或有些半成品毛坯尚需進行機械精加工、打孔或開槽等。對于表面性能有特殊要求或外觀要求美觀的制品，則需進行表面滲碳、滲氮等表面處理或進行表面修飾，最后有的制品可能尚需多部件組裝成為一個整體。43原 材 料預 處 理配料等準備切割和下料熱處理成形(

33、型)工藝機械加工表面處理成品裝配圖0-1 材料成形的基本流程44 制品和材料不同，選擇的工藝方法不同，具體成形過程可能相應有所不同。金屬雖然可以用先進的凈形或近似凈形成形加工新方法從原材料直接制成最終的成品，但目前普通的金屬成形工藝方法如澆鑄、鍛造、焊接等，在絕大多數(shù)情況下得到的通常都需經(jīng)進一步的熱處理和機械切削加工才得到所需要的最終機械零件。而高分子材料和陶瓷制品除特殊情況外一般可不需機械切削加工即直接得到制品。 45熱處理粉末制備配料精加工坯體成型施釉表面改性干燥燒結連接制品圖0-2 陶瓷的典型成形工藝流程46陶瓷制品通常要經(jīng)過坯體成形和燒結兩道基本工藝過程才能制得。坯體成形通常有壓制成型

34、、注漿成形、旋壓成形、滾壓成形、擠壓成形和注射成型等工藝方法，其中粉末壓制成型是最重要的坯體成型工藝。坯體需經(jīng)燒結才能獲得必要的物理力學性能，燒結是陶瓷制品的關鍵工序，對制品的結構和性能至關重要。47圖0-3 合成纖維的典型熔體紡絲成形工藝流程聚合物原料配合劑擠出紡絲干燥配料和混合熱定型吹風凝固熔融拉伸成品(長絲)成品(短纖維)熱定型干燥集束拉伸吹風凝固切斷打包假捻或空氣變形等卷曲48 合成纖維的最重要的制造方法是熔體紡絲和溶液紡絲兩條工藝路線，它們都屬于擠出成形。滌綸、尼龍、丙綸等采用熔體紡絲路線，睛綸、維尼綸、芳綸采用溶液紡絲路線。合成纖維熔體紡絲時，除聚合物原料外還常加入顏料等有關助劑，

35、經(jīng)干燥后在擠出機中熔融成熔體，再經(jīng)擠出成為初生纖維，初生纖維經(jīng)拉伸、取向以提高纖維的力學性能，有時提高纖維的紡織加工和使用性能，還對拉伸后的纖維進行假捻變形、空氣變形等加工，最后經(jīng)熱定型消除應力和提高結晶度即得纖維成品。當要求成品是短纖維時，通常采用集束拉伸，然后進行卷曲以提高紡織加工和使用性能，再經(jīng)熱定型、干燥后并切斷成一定長度，制造的工藝流程相應長一些。 49塑煉配合劑混煉橡膠制品橡膠生膠成型硫化圖0-4 橡膠制品的典型成形工藝流程50 橡膠制品加工的特別之處是開始加工的橡膠原料(生膠)為線性大分子，制成橡膠制品后，橡膠制品整個變成一個三維網(wǎng)絡體形大分子，獲得優(yōu)異的彈性和其它的相應力學性能。由于生膠的分子量較大，粘度很高，流動性很差，混煉和成形困難，故首先需經(jīng)塑煉降低分子量，然后再與使用的各種配合劑(如填料、硫化劑等)混煉均勻，混合均勻的膠料再經(jīng)壓延、擠出或模壓成形為坯件半成品，最后通過硫化劑等將線性橡膠大分子交聯(lián)成為三維網(wǎng)絡體形大分子，才得到我們?nèi)粘Ｒ姷降母鞣N橡膠制品。 510.4 成形制品時材料及其成形工藝的選擇 在成形特定的制品時，不可避免地會遇到應選用什么材料和采用什么成形工藝的問題，正確選用材料和成形工藝方法是制品成形必須面對的任務。成形制品時選擇材料及其成形工