上海大学材料成型技术

关键词： 成形 材料 技术 课程

上海大学材料成型技术（精选6篇）

篇1：上海大学材料成型技术

绪论

“材料成形技术基础”是机械工程专业和相关工程专业学生的一门重要的技术基础课程，主要研究机器零件的常用材料和材料成形方法，即从选择材料到毛坯或零件成形的综合性课程。通过本课程的学习，可获得常用工程材料及材料成形工艺的知识，培养学生工艺分析的能力，了解现代材料成形的先进工艺、技术和发展趋势，为后续课程学习和工作实践奠定必要的基础。

材料是科学与工业技术发展的基础。先进的材料已成为当代文明的主要支柱之一。人类文明的发展史，是一部学习利用材料、制造材料、创新材料的历史。如果查看一下诺贝尔物理、化学奖的获得者，不难发现20世纪的物理学家和化学家们曾对材料科学做过一系列的贡献。Laue（1914）发现X光晶体衍射，Guillaume（1920）发现合金中的反常性质，Bridgeman（1946）发现高压对材料的作用，Schockley、Bardeen、Brattain（1956）三人发现了半导体晶体管，Landau（1962）的物质凝聚态理论，Townes（1964）发现导致固体激光的出现，Neel（1970）发现材料的反铁磁现象，Anderson、Mott、van Vleck（1977）研究了非晶态中的电子性状，Wilson（1982）对相变的研究成功，Bednorz、Müller（1987）发现了30°K的超导氧化物，Smaller、Kroto（1996）发现C-60，Kilby（2000）发明第一块芯片，上述物理领域的诺贝尔获奖者的不少工作是直接针对材料的。至于化学家们，可以举出Giauque（1949）研究低温下的物性，Staudinger（1953）研究高分子聚合物，Pauling（1954）研究化学键，Natta、Ziegler（1963）合成高分子塑料，Barton、Hassel（1969）研究有机化合物的三维构象，Heegler、Mcdermild、白川英树（2000）三人发现导电高分子。

近年来，材料科学的发展极为迅速。以钢铁工业为例，2003年，我国钢产量2.2亿t，是世界钢产量9.6亿t的23％，从1890年张之洞创办汉阳铁厂，直到1949年半个多世纪，中国产钢总量只有760万t，不足现在一个大型钢铁厂的年产量。1949年，全国产钢15.8万t，占世界钢产量的0.1％，只相当于现在全国半天的产量。1996年至今，我国钢产量年年超过1亿t，成为世界第一产钢大国。从6000万t增长到1亿t钢，美国经过13年，日本经过6年，中国为7年。这对于我国立足于工业化、现代化的世界，意义重大。但是我国又是一个钢的消费大国，2003年我国钢消费2.67亿t。我国钢厂结构不合理，10%以上的钢是由规模不到50万t以下的小型钢铁企业完成的，70%以上的生产能力是由150万t以下的中小钢铁企业完成的。因此，我国钢铁企业的能耗大，产品品质不高，许多高附加值的优质钢材仍需进口，2003年就进口了3717万t的优质钢材。为此，新一代钢铁材料的主要目标是探索提高钢材强度和使用寿命。经研究证明，纯铁的理论强度应能高于8000MPa，而目前碳素钢为200MPa级，低合金钢（如16Mn）约400MPa级，合金结构钢也只有800MPa级。日本拟于2010年将钢的强度和寿命各提高1倍，2030年再翻一番（即1t钢可相当于现在的4t），这个计划展示了材料挖潜的前景。

类比钢铁，其他材料也有很大潜力可挖。现代材料逐步向高比强度、比模量方向发展。20世纪上半叶，材料科学家利用合金化和时效硬化两个手段，把铝合金的强度提高到700MPa，这样，铝的比强度（强度/密度）达到2.64×106cm，是钢的比强度（0.64×106cm）的4倍有余。要达到同样的强度，铝合金的用量只有钢的1/4，这就是铝合金作为结构材料的极大优势。

美国1980年汽车平均质量为1500kg，1990年则为1020kg。每台车的铸铁用量由225kg降至112kg，铸铁的比例由15％减至11％；而铝合金由4％增至9％；高分子材料由6％增至9％。汽车重量减轻10%可使燃烧效率提高7%，并减少10%的污染。为了达到这个目标，要求整车重量要减轻40%～50%，其中，车体和车架的重量要求减轻50%，动力及传动系统必须减轻10%。美国福特公司新车型中使用的主要材料如下图所示。从图中可见，黑色金属用量将大幅减少，而铝、镁合金用量将大幅增加。

在航天航空工业上，材料减重获得的效益更大，卫星减重1kg，可减少发射推力5kg。一枚小型洲际导弹，减轻结构质量1kg，在有效载荷不变的条件下，可增加射程15km左右，可减轻导弹起飞质量约50kg。图2为航空器飞行速率与效益的关系。

在过去30年，燃气轮机叶片的工作温度平均每年提高6.67℃。而工作温度每提高83℃，就可使推力提高20％。在1960年以前，主要用锻造镍基高温合金，20世纪60年代初，美国采用在真空下的精密铸造，并铸出多冷却孔，提高工作温度50℃，70年代中期采用单晶合金（PWA1442），工作温度又提高50～100℃，目前采用第二代单晶（PWA1484），进一步改进冷却技术，再加上热障涂层，涡轮进口温度达到1650℃。推重比达15～20的叶片材料要能承受1930～2220℃的高温，所以涡轮叶片实际上是材料与制造工艺的结合，不仅要求高性能的材质，而且要求高度精确的成形技术。

材料成形技术一般包括铸造成形、锻压成形、焊接成形和非金属材料成形等工艺技术。材料成形技术是一门研究如何用热或常温成形的方法将材料加工成机器部件和结构，并研究如何保证、评估、提高这些部件和结构的安全可靠度和寿命的技术科学。它属于机械制造学科。材料成形过程与金属切削过程不同，在大部分成形过程中，材料不仅发生几何尺寸的变化，而且会发生成分、组织结构及性能的变化。因此材料成形学科的任务不仅是要研究如何使机器部件获得必要的几何尺寸，而更重要的是要研究如何通过过程控制获得一定的化学成分、组织结构和性能，从而保证机器部件的安全可靠度和寿命。

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四。20世纪末和21世纪初，我国的材料成形技术有了突飞猛进的发展，如三峡水利建设中，440t不锈钢转轮、750t蜗壳和300t的闸门都是世界上最重的钢铁结构。最近建成的30万t超级大型油轮（长333m，宽58m）、1000t级的大型热壁加氢反应器（壁厚280mm）、空间环境模拟装置（直径18m、高22m的大型不锈钢真空容器）等都是材料及材料成形工艺的重大成就。

材料成形加工是制造业的重要组成部分。据统计，全世界75%的钢材经塑性加工，45%的金属结构用焊接得以成形。我国铸件年产量超过1400万t，成为世界铸件生产第一大国。汽车工业是材料成形技术应用最广的领域。以汽车生产为例，1953～1992年40年间，我国共生产汽车100万辆，而2003年一年全国就生产汽车207万辆，预计到2010年，年产量将达到1000万辆左右，成为世界汽车生产第二大国。据统计，2000年全球汽车用材总重量的65%由钢材（约45%）、铝合金（约13%）及铸铁（约7%）通过锻压、焊接和铸造成形，并通过热处理及表面改性获得最终所需的实用性能。

对国防工业而言，由于现代武器装备性能提高很快，相应的结构、材料和成形制造工艺就成为关键。以航空航天工业为例，中国航空业40余年来共生产交付了各种类飞机14000余架，各种类发动机50000余台，海防和空-空战术导弹14000余枚，目前已能成批生产第二代军用飞机，正在研制相当于国际水平的第三代军用飞机，从“九五”开始开展了第四代军用飞机的预研。现代飞机要求超音速巡航、非常规机动性、低环境污染、低油耗、全寿命成本等性能，很大程度上是依靠发动机性能的改进和提高来实现的。发动机性能提高的目标是提高推重比、功率重量比、增压比和涡轮前温度，国外现役机推重比7～8，在研机9～10，预研机15～20，我国相应为5.5、6.5～7.5、8～10。要实现上述指标，要不断发展先进涡轮盘材料和这些材料的精密成形和加工技术。因此，材料精密成形和加工技术成为关系国防安全的一种关键技术。

材料成形技术在21世纪发展过程中，逐步形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”和“信息化”的特色。

1.精密的材料成形特征 随着材料资源和能源的日益紧缺，材料的少无切削加工已作为制造技术发展的重要方向。材料成形加工的精密化，从尺度上看，已进入亚微米和纳米技术领域。表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形(Near Net Shape Forming)向净成形（Net Shape Forming），即近无余量成形方向发展。毛坯与零件的界线越来越小。采用的主要方法是多种形式的精铸（如熔模铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、挤压铸造、充氧压铸、流变铸造、触变铸造等）、精密压力加工（如精锻、零件精轧、精冲、粉末冶金温压成形、冷温挤压、超塑成形、反压力液压成形、铸锻工艺、同步成形工艺、变压力压胀形技术等）、精密焊接与切割（如等离子弧焊、电子束焊、激光焊、脉冲焊、窄间隙焊、激光和电弧复合加热焊、等离子弧切割、激光切割、水射流切割等）等。

2.优质的成形技术特征 反映成形加工的优质特征是产品近无缺陷、零缺陷。此缺陷是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程控制及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。美国GM公司采用CAE技术，每年节省试制费用数百万美元。

3.快速的成形技术特征 表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，新型铸造、锻压、焊接方法从不同角度提高生产率。采取的主要措施有，将逆向设计(RE)、快速成形(RP)、快速制模（RT）技术相结合，建立起快速制造平台；应用数值模拟技术于铸、锻、焊和热处理等工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合来确定工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及防止措施，控制和保证成形工件的质量。波音公司采用的现代产品开发系统，将新产品研制周期从8年缩短到5年，工程返工量减少了50％。日本丰田公司在研制2002年嘉美新车型时缩短了研发周期10个月，减少了试验样车数量65％。德国RIVAGE公司以一辆旧保时捷跑车作基础，以逆向工程和快速制造为手段，7个月造出一辆概念新车。

4.复合的材料成形特征 激光、电子束、离子束、等离子束等多种新能源和能源载体的引入，形成多种新型成形方法与改性技术，其中以各种形式的激光成形技术发展最迅速。一批新型复合工艺的诞生，如超塑成形/扩散连接技术、爆炸焊/热轧复合成形技术等造就了一些特殊材料如超硬材料、复合材料、陶瓷等的应用。此外，复合的特征还表现在冷热加工之间、加工过程、检测过程、物流过程、装配过程之间的界限趋向淡化、消失，而复合、集成于统一的制造系统之中。

5.绿色的材料成形特征 成形加工向清洁生产方向发展，其主要的技术意义在于： ①高效利用原材料，对环境清洁；②以最小的环境代价和能源消耗来获取最大的经济效益； ③符合持续发展和生态平衡。美国在展望2020年的制造业时，把材料净成形工艺发展为“无废弃物成形加工技术（Waste-free Process），即加工过程中不产生废弃物，或产生的废弃物能被整个制造过程中作为原料而利用，并在下一个流程中不再产生废弃物。由于无废物加工减少了废料、污染和能量的消耗，成为今后推广的重要绿色制造技术。

6.信息化特征 成形工艺逐步向柔性、集成系统发展，大量应用了各种信息和控制技术，如柔性压铸系统，轧、锻柔性生产线、搅拌摩擦焊机器人柔性生产线、弧焊/压焊焊接机器人生产线等；使用远程控制和无人化成形工厂，质量控制向控制过程智能化方向发展等等，都使材料成形技术注入自动化、信息化特征。

综上所述，现代科学的发展使材料成形技术的内容远远超出了传统的热加工范围。现代材料成形技术可拓展为：一切用物理、化学、冶金原理制造机器部件和结构，或改进机器部件化学成分、微观组织及性能，并尽可能采用复合制造、绿色制造、信息化制造获得优质毛坯或零件的现代制造方法。

所有的零件加工工艺在成形学上按对材料的操作方式可归结为三类，即受迫成形、去除成形和堆积成形。

（1）受迫成形 利用材料的流动性和塑性在特定外力或边界的约束下成形的方法。铸造、锻压以及注塑成形工艺都属于受迫成形。在这种成形方式中，能量的使用体现在使零件发生形态变化或塑性形状变化上；零件的制造信息（几何信息、工艺信息和控制信息等）经预处理后以形状信息的形式物化于工具之中，如模具、型腔等。这种信息处理过程与物理制造过程的结合形式，具有较好的刚性，即制造零件时重复性好，但其柔性较差。零件信息的任何改变都将导致工具的重新制造，因而较适用于定型产品的大批量生产方式或毛坯制造。

（2）去除成形 运用材料的可分离性，把一部分材料（裕量材料）有序地从基体分离出去而成形的方法。传统的车、铣、刨、磨等机加工工艺和激光、电火花加工工艺均属于去除成形。在这种成形方式中，零件制造信息体现在去除材料的顺序和每一步材料的去除量上，即信息通过控制刀具（激光、电火花等也可看作去除刀具）与待加工工件的相对运动，实现材料的有序去除。与受迫成形相比，这种信息过程与物理过程的结合方式具有较大的柔性，实际上，可以把刀具与工件的相对运动看作是一种易于修改、易于编程和易于控制的“动态模具”。但这种零件加工方式由于受到刀具与工件相对运动的条件限制，难以加工形状极为复杂的零件。

（3）堆积成形 利用材料的可连接性，将材料有序地合并堆积起来而成形的方法。快速成形是堆积成形的典型方法，其次，一些焊接和喷镀也可视为堆积成形。快速成形的特点是从无到有，从小到大有序进行，零件的制造信息体现在材料结合的顺序以及每一次材料转变量与深度的控制上，即信息通过控制每个单元的制造和各个单元的结合而实现对整个成形过程的控制。在堆积成形过程中，信息过程与物理过程的结合达到比较高级的阶段，没有“模具”、“卡具”和“切削加工”的概念，成形零件不受复杂程度的限制，它提供了一种直接地并完全自动地把三维CAD模型转换为三维物理模型或零件的制造方法。

第一章 工程材料

1.1 概述

材料是现代文明的三大支柱之一，也是发展国民经济和机械工业的重要物质基础。科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；20世纪80年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。

1.1.1 金属材料的发展

人类早在6000年以前就发明了金属冶炼。我国青铜冶炼始于公元前2000年（夏代早期）。古埃及在5000年以前，就用含镍7.5％的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。铸铁的发展经历了5000年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸气机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。15世纪到18世纪，从高炉炼钢到电弧炉炼钢，奠定了近代钢铁工业的基础。

19世纪后半叶，欧洲社会生产力和科学技术的进步，推动了钢铁工业的大步发展，扩大了钢铁生产规模，提高了产品质量。从20世纪50年代到2003年，全世界的钢产量由2.1亿吨增加到9.6亿吨。而我国2003年钢产量达到2.2亿吨，超过20世纪50年代全球钢产量，跃居全球钢产量首位。1.1.3 新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。今日先进材料强度比早期材料增长50倍。

1.1.3 新材料的发展趋势

随着社会的发展和科学技术的进步，新材料的研究、制备和加工应用层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。今日先进材料强度比早期材料增长50倍。1.2 固体材料的性能

固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。力学性能是工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种外载荷如图1-2所示。

1.强度和塑性

材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。

材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。动画为低碳钢拉伸实验测得的应力-应变图。实验时将材料做成如图标准试样，试样在外力作用下，其内部产生一种内力，其数值大小与外力相等，方向相反。材料单位面积上的内力称为应力（Pa），以ζ表示。

1）弹性和弹性模量

试样加载后应力不超过ζe，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不产生永久变形的性能，称为弹性。ζe为材料不产生永久变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。OP的斜率E（E=ζ/ε）称为材料的弹性模量，即引起单位弹性变形所需要的应力。

2)塑性 载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形，称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性 的大小用伸长率δ和断面收缩率ψ表示。

3）强度

在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力作用方式不同，可分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，以抗拉强度最为常用。当材料承受拉力时，强度主要是指屈服强度ζs和抗拉强度ζb。

（1）屈服强度σs 在S点（称屈服点）出现横向震荡曲线或水平线段，这表示拉力不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，产生微量的塑性变形。ζs即表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。

需要指出，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按GB228-87要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为0.2％时的应力，记为ζp0.2，作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，可用ζ0.2表示。

（2）抗拉强度 抗拉强度为动画所示的σb值，是试样保持最大均匀塑性变形的极限应力，即材料被拉断前的最大承载能力。当载荷达到Fb时，试样的局部截面缩小，产生所谓的“缩颈”现象。由于试样局部截面逐渐缩小，故载荷也逐渐减小，当达到拉伸曲线上k点时，试样发生断裂。σs与σb的比值称为屈强比，其值一般在0.65～0.75之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高，万一超载也不会马上断裂；屈强比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。抗拉强度是零件设计时的重要参数。合金化、热处理、冷热加工对材料的σs与σb均有很大的影响。

冲击韧度

评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度αk。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法是按GB229-84制成带U型缺口的标准试样，将具有质量G（N）的摆锤举至高度为H（m），使之自由落下，将试样冲断后，摆锤升至高度h（m）。如试样断口处的截面积为S（cm）。则冲击韧性αk 的值为：αk =G(H-h)/S(J/cm)材料的冲击韧度值主要取决于其塑性，并与温度有关。

224.疲劳强度

许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。

5.断裂韧度

一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。材料中存在一条长度为2a的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力ζ作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，存在严重的应力集中现象，形成裂纹尖端应力集中场，其大小可用应力强度因子KⅠ来描述。

6.金属的高温力学性能

金属材料随温度的升高，弹性模量E、屈服强度ζS、硬度等值降低，而塑性增加 的现象称高温蠕变。小资料：纽约世界贸易中心大楼曾是世界第一高楼，它高411米，单个塔楼的重量约5万吨；撞击大楼的波音757飞机起飞重量104吨，波音767飞机起飞重量156吨，它们的飞行速度大约是每小时1000公里。这次撞击大楼的波音757飞机大约可载35吨燃油，波音767飞机可载51吨燃油，由于是从美国东部飞往西部的远程航班，所以飞机上的油箱估计装满了燃油。第一波飞机撞击世贸大楼的北部塔楼接近顶部的位置。大火燃烧了1小时43分钟后世贸大楼北部塔楼才倒塌。第二波飞机于撞击世贸大楼的南部塔楼。撞击位置较低，上层压力很大，大火燃烧了1小时零2分钟后，后被撞击的南部塔楼反而率先倒塌。

1.3 金属的结构

固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。固态金属基本上都是晶体，非金属物质大部分也是晶体，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等，而常见的玻璃、松香等，则为非晶体。1.3.1金属的晶体结构 1.晶体和金属的特性

原子在空间呈规则排列的固体物质称为“晶体”。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。

● 金属键

金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；同时金属具有正的温度系数；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结合，使金属具有良好的塑性。

2.晶格、晶胞和晶格常数

为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子，称为“晶格”所示。

晶格中各种方位的原子面称为“晶面”，构成晶格的最基本几何单元称为“晶胞”。晶胞的大小以其各边尺寸a、b、c表示，称为“晶格常数”，以（埃）为单位（1 =1×10-8cm）。晶胞各边之间的夹角以α、β、γ表示，如动画所示。

3.晶向与晶面

1）立方晶系的晶向指数

在晶体中，任意二个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。确定立方晶系的晶向指数方法如下：

（1）选定晶胞某一点阵为原点，以晶胞3条棱边为坐标轴，以棱边的长度为单位长度；

（2）过原点作一有向线平行于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同的晶向指数[uvw]，如果方向相反，则它们的晶向指数的数值相同，但符号相反；

（3）取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，[uvw]即为晶向指数。例如，当座标值X=1，Y=2, Z=1/3时，其晶向指数为[361]。

2）立方晶系的晶面指数

晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与3个坐标轴的截距来决定。晶面指数的一般表示形式为（h k l），其确定步骤如下：

（1）建立坐标：选晶胞中不在所求晶面上的某一晶胞阵点为坐标原点（以免出现零截距），以晶胞3条棱边为坐标轴，以晶格常数为单位；

（2）取晶面的三坐标截距值为倒数，并化为最简整数，依次计入圆括号（）内，即为该晶面的晶面指数。

与晶向指数相似，所有相互平行的晶面都有相同的晶面指数。指数值相同而符号相反的两个晶面，如（100）与（），则平行地分布在原点两边。

4.常见的晶格类型

根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角关系，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵。大多数金属属于以下三种晶格类型。1)体心立方晶格

其中心的原子周围有8个最邻近原子环绕，称其配位数为8。

2)面心立方晶格

面心立方晶格的晶胞由八个原子构成一个立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1／8个原子，中心面上的原子为二个晶胞共有，故晶胞中实际原子数为 4个。属于这类晶格的金属有：γ-Fe、铝（Al）、铜（Cu）、银（Ag）、镍（Ni）、金（Au）等。

3)密排六方晶格

密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体。柱体的上、下底面六个角及中心各有一个原子，柱体中心还有三个原子。柱体角上的原子为相邻六个晶胞共有，上、下底面的原子为两个晶胞共有，柱体中心的三个原子为该晶胞独有，故晶胞中实际原子数为6个。属于这类晶格的金属有：镁Mg）、锌（Zn）、铍（Be）、镉（Cd）等。

1.3.2实际金属的晶体结构

1.多晶体与亚结构

单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。同一颗晶粒内还存在许多尺寸更小、位向差也很小（1°～2°）的小晶块，称为“亚晶粒”，亚晶粒的边界称为“亚晶界”。

2.晶格缺陷

在实际金属晶体中，由于结晶条件或加工等方面的影响，使原子的排列规则受到破坏，因而晶体内部存在大量的晶格缺陷。根据晶格缺陷的几何形状特点，可分为三类。

1)点缺陷

点缺陷是指长、宽、高三个方向上尺寸都很小的缺陷，如“间隙原子”、“置换原子”和“空位”。

2)线缺陷

线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种类型的位错。较简单的一种是“刃型位错”，好象沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样。多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“┴”表示；多出的一列原子位于晶体的下部称为“负刃型位错”，用符号“┬”表示。

3)面缺陷

面缺陷是指在两个方向上尺寸较大，而在另一个方向上尺寸很小的缺陷，如晶界和亚晶界。多晶体中存在晶界和亚晶界，晶界和亚晶界处原子不规则排列，导致晶格畸变，使晶界处能量高出晶粒内部，使晶界表现出与晶粒内部不同的性能。如晶界易被腐蚀；晶界的熔点较低；晶界处原子扩散速度较快；晶界的强度、硬度较晶粒内部高。

1.4 金属的结晶

• 液体的结构

液体的结构不同于气体。有以下特点：

① 存在短程有序现象，即液体中微小体积范围内存在着紧密接触规则排列的原子团，一瞬间又变成另外的原子团。② 存在结构起伏现象，即液态金属中的原子集团此起彼伏地不断产生与消失的现象。此现象也称为相起伏。③ 存在成分起伏现象，即固溶体合金的液体中微小体积范围内偏离液相平均成分现象。④ 在一定条件下形成长程有序，即晶体中大范围原子有序稳定排列。

金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在，即内部原子由不规则的排列转变到规则排列，形成晶体的过程，称为结晶过程。

1.4.1 纯金属的冷却曲线和过冷现象

1．纯金属的冷却曲线

纯金属都有一个固定的熔点或结晶温度。金属的结晶温度可以用热分析法测定。将液态金属放在坩埚中缓慢冷却，在冷却过程中记录温度随时间变化的数据，并将其绘成如图1-19所示的纯金属冷却曲线。

篇2：上海大学材料成型技术

1从凝固学角度，结合实例谈谈细化合金晶粒的主要措施并说明细化原因。

晶粒细化措施：

凡是促进形核、抑制晶体长大的措施均可细化晶粒。提高冷速：冷速高，则过冷度大，形核率增加。进行变质处理：促进非均匀形核 控制加热温度(过热度)：过热导致非均匀形核速率下降，但可以提高过冷度使形核率增加，两者竞争，寻求最佳过热度。

进行熔体振动：机械搅拌、电场、磁场、对流和超声波作用等。利用成分过冷效应，制造形核带，产生大量的等轴晶粒。

晶粒细化实例：

变质处理：向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒，达到提高材料性能的目的。（铸造铝硅合金的变质处理以细化晶粒）【铝硅合金具有良好的力学性能和铸造性能，在工业中应用广泛，如用作汽车发动机缸体、活塞等材料。随着硅含量增加，Al+Si的共晶体增多；当硅含量超过13%时，合金中还析出粗大的多角形板状初晶硅。由于硅相质脆且以粗大片状存在，在硅相尖端和棱角部位容易引起应力集中，从而严重降低其力学性能。通过相铝硅合金中加入锶、钠及稀土等元素对其进行变质处理以改变硅相形态，以提高合金的性能。】

外场作用细化合金晶粒：(1)超声波作用：超声波增大形核数量，提高形核率；超声波对熔体的搅拌作用使得大量碎小枝晶形成，提高晶核数量；超声波的导入加大了过冷度，有利于晶体细化。（2）电磁场作用：电磁振荡凝固细晶技术、脉冲电磁凝固细晶技术（磁压强引起的熔体振荡导致了凝固组织的细化）（3）熔体过热处理细化合金晶粒：熔体过热可消除其固相夹杂和不可逆类固形原子团簇，控制形核过程。提高过热温度和延长保温时间均可消除熔体中的异质核心，使得熔体达到结构和成分的均匀化，消除组织遗传性，从而得到性能良好的组织。过热温度和保温时间不能过高、过长，否则难熔的异质相溶解，减小了形核数，不利于得到细晶组织。（4）利用成分过冷效应细化合金晶粒（5）快速凝固细化合金晶粒：通过提高冷却速率使液态金属获得大的过冷度，增大形核速率。该方法可达到很好的细化效果，甚至达到微晶或纳米晶，但生产试件尺寸小，控制困难，晶粒内应力大。

2实现单向凝固的条件有哪些？列举定向凝固铸造的主要方法。选取一种定向凝固方法谈谈其原理和优缺点。

实现单向凝固条件：（1）处于成分过冷状态 成分过冷判据”方程

随GL/R的减少，凝固组织形态的变化为：平面状→胞状→枝状→等轴晶(2)严格保证单向散热，使成正的温度梯度(3)提高G/R比值

(4)提高液体的纯净度，减小金属液体的形核能力(5)避免液态金属的对流、搅拌和振动

定向凝固铸造的主要方法: 发热铸型法------早期研究用，已淘汰 炉内单向凝固法:功率下降法;快速凝固法------最为常用;液态金属冷却法------实验室和小批量生产阶段.高速凝固法: 原理：为提高定向凝固速率，发展了HRS法。在感应加热体下部安装一隔热挡板，并在水冷结晶器下有一个型壳抽出机构，使浇注后型壳随同水冷结晶器逐渐下移。隔热挡板挡住了感应体的辐射热，使型壳内未凝固区处于热区的高温下，而型壳移出部分的凝固区处于冷区，热流则由水冷结晶器通过传导传出，一部分热流则通过辐射向四周散热，从而使合金凝固界面前沿的温度梯度G值和凝固生长速率尺值比PD法提高数倍。铸件质量和生产效率均显著提高，适合制造较长的定向叶片。

优点：

 可以更好地控制冷凝曲线，很好的控制凝固生长速率R，显著改善了生产的稳定性和可重复性；  缩短周期，提高生产效率

 凝固过程中温度梯度G和凝固生长速率R保持相对稳定，明显提高了铸件组织在垂直和水平方向上的均匀性；

 凝固过程基本不受铸件尺寸影响，铸件尺寸受工艺的限制较小

3连续铸造的主要工艺方法有哪些？产品有何特点？并结合实例谈谈其在生产实际中的应用。

连续铸造的主要工艺方法为：

（1）立式连续铸造：连续铸造工艺过程中铸件沿垂直于地平面方向运动的称为立式连铸；（2）卧式连续铸造：铸件沿水平方向运动的连续铸造工艺过程称为卧式连铸或水平连铸；

（3）立弯式连续铸造：立式与卧式连铸方法相结合，产生了立弯式连铸工艺，钢液首先经过立式连铸工艺成形后，经专门的轧辊机构使其在高温时沿一定的回转半径呈弯曲最后呈水平方向运动，因而达到完全连续铸造。

连续铸造产品特点：

（1）晶粒细化、组织细密；（2）较小偏析倾向，成分分布较均匀；（3）力学性能得到提高；（4）铸件的表面较平整，易于实行后续加工。(5)但是连铸件冷却速度快，也会造成较大的内部应力，控制不当会造成裂纹和硬度分布的不均匀。

连续铸造实际生产应用：

（1）作为铸件直接用于各种场合或作为毛坯用于机械加工制造各种机械零件，如连续铸造铸铁管和水平连续铸造铸铁型材。

（2）用于冶金工业中作为金属轧制成材用得铸锭及坯料，如连续铸造铜、铝锭及立弯式连续铸造的钢坯。后者产量很大，例如一台立弯式钢坯连铸机的年产量可达几十万至上百万吨

4挤压铸造的主要工艺方法有哪些？产品有何特点？并结合实例谈谈其在生产实际中的应用。

挤压铸造也称“液态模锻”，是对充入铸型的液态或半固态金属施以高的机械压力，并使其在高压下凝固成形的一种铸造技术 挤压铸造分为：直接挤压，间接挤压。

其产品特点为：(1)由于铸件在较高的压力下凝固，不易产生气孔、缩孔和缩松等内部缺陷，组织致密性好，可以进行固溶处理;(2)挤压铸造件组织得到细化;(3)铸件的力学性能比金属型重力铸造件有显著提高;(4)铸件尺寸精度较高，表面粗糙度值较低;(5)铸件工艺出品率高;(6)工艺适应性强，可用于非铁合金、钢铁金属的各种铸造合金和部分变形合金，还适于制取金属基复合材料件。(7)产品生产效率较高，便于自动化;(8)不适合生产结构复杂件或薄件。挤压铸造应用：

挤压铸造以铸件内部质量高、表面光洁度好、生产效率高、对铸造工人的技术要求低等优点在我国受到越来越高的重视。与其它铸造方式相比，挤压铸造工艺的另一大优势是可使用变形合金进行生产，为生产高力学性能的挤压铸件取代锻件提供有利条件。

适用范围：适于生产各种对力学性能要求高，致密性好的厚壁铸件。如汽车受力件（铝合金活塞、汽车轮毂）汽车耐压件（压缩机涡轮）及散热片、电机壳体、轴套等零件。

5半固态铸造的基本工艺方法有哪些？产品有何特点？并结合实例谈谈其在生产实际中的应用。

半固态铸造主要分两大类：流变铸造和触变铸造。流变铸造：利用剧烈搅拌等方法制备出预定固相分数的半固态金属浆料并对半固态金属浆料进行保温，将该半固态金属浆料直接送往成形机进行铸造或锻造成形的工艺。可分为流变压铸、流变锻造等。

触变铸造：首先利用剧烈搅拌等方法制备出球状晶的半固态金属浆料，将该半固态金属浆料进一步凝固成锭坯或坯料，再按需要将金属坯料分切成一定大小，把这种切分的同态坯料重新加热至固液两相区，然后利用机械搬运将该半固态坯料送往成形机(如压铸机、锻造机等)进行铸造或锻造成形。根据成形机的种类，可分为触变压铸、触变锻造等。半固态铸造产品特点：

(1)机械性能比常规铸造和压铸高；

(2)含有一定固相比例的半固态金属在搬运过程时更多呈固态特性，易于搬运；而在压铸时更多呈液态特性，流动性好，易于充型，产品密实无缺陷。(3)含有一定球状晶粒的半固态浆料凝固后，无缩孔，无偏析，因此性能更均匀。(4)半固态浆料温度低，对模具的热影响小，提高模具寿命

(5)由于半固态浆料的温度低，可以加入低熔点的增强材料（纤维等），为复合材料的廉价生产开辟了途径。

半固态铸造技术的应用：半固态铸造金属主要是铝、镁合金，这些合金最成功的应用主要集中在汽车领域，如半固态模锻铝合金制动总泵体、挂架、汽缸头、轮载、压缩机活塞等。铝合金半固态加工技术（触变成形）已经成熟并进入规模生产，主要应用于汽车、电器、航空航天领域，与铝合金半固态成形比较，镁合金的半固态成形技术发展较晚，成熟的技术只有Thixomolding技术。

6论述超塑性的种类、实现条件、力学特征以及超塑性在材料成形中的意义。

超塑性：金属和合金在特定组织结构和变形温度速度条件下，可以呈现异常高的塑性，伸长率可达数100%甚至达1000%以上，变形抗力也很小，这种现象称为超塑性。

超塑性种类：组织（细晶）超塑性（包括共晶型与共析型合金双相组织超塑性）、相变超塑性、其他超塑性（短暂超塑性、相变诱发超塑性、高应变速率超塑性、电致超塑性）超塑性实现条件：（1）内部组织条件：晶粒尺寸小；晶粒形貌等轴；显微组织多相。（2）外部变形条件：变形温度较高；变形温度恒定；应变速率较低。实现组织超塑性的条件: 1：材料具有均匀的、细小的等轴晶粒，晶粒尺寸通常<10m，并且在超塑性温度下晶粒不易长大；

2:变形温度T>0.5Tm(Tm为材料熔点)，并且在变形时温度保持恒定； 3:应变速率έ=10-4～10-5/s，要比材料常规拉伸试验时应变速率至少低一个数量级。

相变超塑性实现条件：内部组织条件：发生固态相变；外部变形条件：循环加热冷却。

【超塑性的宏观变形特征：大变形；低变形抗力；无缩颈；易成形。】 超塑性力学特征：

1为了描述超塑性的力学特征，应力与应变速率的关系式：=Kέm

2材料在超塑变形过程中，会在低应力下呈现很好的稳态流变能力，基本上没有应变硬化现象，拉伸试样经过长时间的均匀变形，其截面不断变小而最终断裂，无明显颈缩。

超塑性在材料成形中的意义：

将材料的塑性成形置于材料的超塑状态下进行的超塑成形技术，与传统的塑性加工技术相比，其优势十分明显：

(1)成形力小，可以降低成形设备吨位，节约能源，延长成形模具使用寿命，降低对模具材料的要求。

(2)塑性好，充型能力强，可成形出复杂形状制件，可将多道次的塑性成形改为一次成形，可将多工序的组合件或镶嵌件改为整体结构一次成型。(3)可提高成形件的精度，可成形出精细的尖角、沟槽、凸台，成形件表面光洁，轮廓清晰。

(4)可提高材料利用率，实现少无切削的近终加工。

(5)某些不能进行常规塑性加工的所谓脆性材料、加工性能差的难加工材料，在其超塑状态下可以进行塑性加工。

(6)可以将塑料制品、玻璃制品的某些加工方法用于金属制品的加工。(7)由于超塑状态下的成形过程是较低速度和应力下的稳态塑性流变过程，故成形后残余应力很小，不会产生裂纹、弹性回复和加工业，成形件尺寸稳定；超塑性成形后材料仍能保持等轴细晶组织，无各向异性，不会出现制耳等不均匀塑性流变引起的缺陷。常规塑性加工时极易出现的各种缺陷在超塑成形时大多不会出现。

【应用：

（1）材料在超塑状态下具有很好的塑性加工成形性和焊合性，因而超塑性在塑性加工和固态连接中均有很好的应用前景。

（2）如果塑性成形制件不希望成形后的组织因具有常规塑性变形的组织特征而影响使用性能，那么采用超塑成形替代常规塑性成形具有明显的技术优势（3）超塑变形过程中的高密度晶体缺陷及亚结构，在变形结束时立即通过淬火将其固定下来，以提高材料的强韧性，这种技术思想在双相钢和双相钛合金的超塑性研究中已得到试验证实

（4）材料在超塑状态下极好的可塑性、易焊合性、原子易扩散性、以晶界行为为主的变形机制及其组织特性等等，可以为含有超塑技术因素的组合或复合技术的构建提供很大的自由度

应用：

1、将超塑性引入到传统塑性加工中，可开发出超塑性挤压、超塑性模锻、超塑性轧制、超塑性胀形等，还有超塑性扩散焊接、超塑性烧结、超塑性模锻等】

7锻造成形技术的种类有哪些？各有何优缺点？模锻工艺流程中的关键工序有哪些？如何保证锻件的质量？

分类：

按成形工具分类：自由锻、模锻、胎模锻造、特种锻造 自由锻：通常把采用简单通用的工具(如平砧、型砧)使坯料或铸锭产生塑性变形，从而得到所需的形状尺寸和良好组织性能锻件的塑性加工方法称为自由锻造。优点：自由锻造方便、灵活，工装简单，工件变形抗力小，广泛应用于试制、修理、单件小批生产。对大型关键锻件的生产，自由锻造是主要的塑性加工技术 缺点；生产率低，工人劳动强度大，金属损耗大，自由锻件的精度及复杂程度不高

模锻：在锻压机械的动力作用下，坯料在锻模型腔中被迫塑性流动成形，从而形成比自由锻造质量更高的锻件（根据模具的终锻型槽结构不同，模锻可分为开式模锻、合闭式模锻。根据所用的设备不同，模锻可分为锤上模锻、热模锻压机上模锻和水压机模锻。）优点： 生产效率高

锻件形状复杂，尺寸精度高，粗糙度低 锻件的机械加工余量少，材料利用率高 流线分布更合理，提高工件使用寿命 操作简便，劳动强度小 锻件批量大时，其成本较低 缺点： 设备投资大

生产准备周期长

锻模成本高，使用寿命短 工艺灵活性不如自由锻

胎模锻造：是在自由锻设备上采用不与上、下砧相接的活动模具成型的方法。进一步发展又形成了模锻工艺，因此其特点介于两者之间

优缺点：胎膜锻造与自由锻造相比，具有能够提高锻件质量、节省原材料、提高生产率等优点；与模锻相比，具有不用贵重模锻设备、锻模加工简单等优点。其缺点是锻件的精度稍差、劳动强度大、生产效率低、胎膜使用寿命短等。

按成形温度分类：热锻、温锻、冷锻 热锻：在再结晶温度以上进行的塑性变形；

优点：减少金属的变形抗力；改变钢锭的铸态结构；提高钢的塑性。温锻：在室温以上完全再结晶温度以下进行的塑性变形 优点：减少锻压力；精度较高 冷锻：在室温时进行塑性变形

优点：没有温度波动和氧化作用，锻件精度高而表面光洁;提高锻件的强度和硬度；限于比较小的机器零件和低碳钢及有色金属材料。模锻工艺流程

1、备料工序（按工序要求将原材料切割成单件毛坯，除锈，防氧化，和润滑处理）

2、加热工序（按变形的加热温度和生产节拍，加热原坯料和中间坯料）

3、变形工序：制坯+模锻、预锻+终锻（根据锻件类型和选用的模锻设备确定制坯工序和模锻工序，其中模锻工序包括预锻和终锻）。预锻的作用是使制坯后的坯料进一步变形，以保证终锻是金属充满型槽，已得到无折叠、裂纹或其他缺陷的优质锻件，同时有助于减少终锻型槽磨损，提高使用寿命。

4、锻后工序

5、检验工序(检验项目：几何形状尺寸、表面质量、金相组织和性能)。其中最重要的是变形工序。

8结合具体实例分析自由锻和模锻的优缺点。通常把采用简单通用的工具(如平砧、型砧)使坯料或铸锭产生塑性变形，从而得到所需的形状尺寸和良好组织性能锻件的塑性加工方法称为自由锻造。优点：自由锻造方便、灵活，工装简单，工件变形抗力小，广泛应用于试制、修理、单件小批生产。对大型关键锻件的生产，自由锻造是主要的塑性加工技术。缺点；生产率低，工人劳动强度大，金属损耗大，自由锻件的精度及复杂程度不高。在锻压机械的动力作用下，坯料在锻模型腔中被迫塑性流动成形，从而形成比自由锻造质量更高的锻件。1.优点：生产效率高；锻件形状复杂，尺寸精度高，粗糙度低；锻件的机械加工余量少，材料利用率高；流线分布更合理，提高工件使用寿命；操作简便，劳动强度小；锻件批量大时，其成本较低。缺点：设备投资大；生产准备周期长；锻模成本高，使用寿命短；工艺灵活性不如自由锻。

9焊接方法的种类有哪些？选取其中一种焊接方法谈谈其原理、优缺点及其应用。

焊接方法主要有：熔化焊、钎焊、固相焊接。熔化焊按照热源的不同分为：气焊（氧-乙炔焊）、电弧焊（手工电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护焊、钨极惰性气体保护焊、熔化极气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊、等离子焊）、高能束焊（电子束焊、激光焊）。钨极气体保护焊：工艺原理是通过建立在非消耗性电极—钨电极和金属焊件之间的电弧来加热并熔化焊丝和部分待焊母材来进行焊接的一种工艺。因保护气体的不同分为钨极惰性气体保护焊和钨极活性气体保护焊。

钨极气体保护焊的工艺优缺点：优点：电弧稳定，可以分别控制送丝速度和焊接电流，以在焊缝尺寸不变的情况下，改变熔池稀释率和热输入，可以实现自熔焊，可以焊接活泼的有色金属。缺点：焊接电流不能过大，设备暂载率低，熔覆率、生产效率相对较低。直流正接适用材料：除铝镁外的金属；直流反接一般不采用；交流适用于铝、镁、铝青铜等。氧-乙炔焰焊： 原理：利用可燃气体和助燃气体(氧气)混合点燃后产生的高温火焰来熔化工件的待焊部位来进行焊接的工艺，叫做气焊。当可燃气体为乙炔时，为氧-乙炔焊。

优缺点：

优点：设备简单、轻便、且价格低廉，保养和维修非常方便。

缺点：能量密度低，焊接速度慢，热输入大，易产生较大热影响区、构件变形严重。会污染一些活泼金属的焊缝，因此不被推荐用于焊接钛合金、铝合金等。

电阻焊：

原理：工件通电后，在被焊构件间和与电极表面间接触区域的接触电阻作用下被加热，发生局部熔化后，接触电阻减弱甚至消失(在闪光对焊过程中由于反复分离而被加速)。此后，其主要生热作用的是决定于电流密度的体积加热。

优点：效率高，变形小，节省材料，劳动条件好。

缺点：一次投资大，耗电量大，用于板料焊接只能用于较薄的板材

应用：多用于厚度较薄材料的搭接；各种直径线材、管材、棒材的对接。焊接缺陷有哪些类型？产生原因是什么？在生产实际中如何控制？

焊接缺陷：焊瘤、夹渣、裂纹、气孔、咬边、未焊透、偏析等。产生原因：

焊瘤产生的原因:焊条熔化太快、电弧过长、电流过大、焊速太慢、运条不当。夹渣的原因：施焊中焊条未搅拌熔池、焊件不洁、电流过小、分层焊时，各层渣未去除。

裂纹的原因：焊件中含碳、硫、磷高；焊接结构设计不合理；焊接程序不当；焊缝冷却太快；存在咬边、气泡、夹渣、未焊透等。

气孔的原因：焊件不洁、焊条潮湿、电弧过长、焊速太快、电流过大、焊件含碳量高。

咬边的原因：电流过大、焊条角度不对、运条不当、电弧过长。

未焊透的原因：装配间隙过小、坡口开得太小、钝边太大、电流过大、焊速过快、焊条未对准焊缝、焊件不洁。【

1)咬边：在沿着焊趾的母材部位烧熔形成的沟槽或凹陷，称为咬边。焊接电流太大，以及运条速度不当所造成。

2)未焊透：焊接时，焊接接头根部未完全熔透的现象，称为未焊透。坡口角度过小、间隙过小或钝边过大；焊接电流太小；焊接速度过快；电弧电压偏低；焊(或焊丝)可焊性不好；清根不彻底。

3)气孔：焊接时，熔池中的气体在凝固时未能逸出而残留在焊缝中所形成的空穴，称为气孔。其气体可能是熔池从外界吸收的，也可能是焊接冶金过程中反应生成的。主要原因母材或填充金属表面有锈、油污等,焊条及焊剂未烘干会增加气孔量，因为锈、油污及焊条药皮、焊剂中的水分在高温下分解为气体，增加了高温金属中气体的含量。焊接线能量过小，熔池冷却速度大，不利于气体逸出。焊缝金属脱氧不足也会增加氧气孔。4)夹渣：焊接熔渣残留在焊缝中。原因可能是熔池温度低（电流小），液态金属黏度大，焊接速度大，凝固时熔渣来不及浮出；运条不当，熔渣和铁水分不清；坡口形状不规则，坡口太窄，不利于熔渣上浮；多层焊时熔渣清理不干净。5)未熔合：熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分，称为未熔合。主要是焊接线能量太低，电弧偏吹，坡口侧壁有锈垢及污物，层间清渣不彻底等。

6)烧穿：在焊接过程中，熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的缺陷，称为烧穿。焊接电流过大，焊接速度太慢，装配间隙过大或钝边太薄等。7)焊瘤：焊接过程中熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤，称为焊瘤。操作不熟练和运条不当，埋弧焊工艺参数选择不合适等。】

生产实际中焊接缺点的控制：

1)焊接电流：焊接电流大小选择恰当与否直接影响到焊接最终质量。焊接电流过大，可以提高生产率，并使熔深增加，但易出现咬边 焊瘤等缺陷，并增大气孔倾向尤其在立焊时熔池难以控制，易出现焊瘤，弧长增加，就会产生咬边焊接电流过小，溶深减小，易出现未焊透融合不良夹渣脱节等缺陷。

2)焊速：焊接速度是表征焊接生产效率的主要参数。合理选择焊接速度对保证焊接质量极其重要。焊速过快，使熔池温度不够，易造成未焊透未融合焊缝成形不良等缺陷 焊速过慢，使温度过高，热影响区宽度增加，焊接接头的晶粒变粗，机械性能降低，变形量增大，同时焊速过慢还会使每层的厚度增大，导致熔渣倒流，形成夹渣等缺陷。

3)电弧电压：焊接过程中合理的控制电弧长度是保证焊缝稳定的重要因素。电弧过长对熔化金属保护差，空气中的氧 氮等有害气体容易侵入，使焊缝产生气孔，焊接金属的机械性能降低 但弧长过短，就会引起粘焊条现象，且由于电弧对熔池的表面压力过大，不利于熔池的熔合，使熔池中气体及熔渣上浮受阻，从而引起气孔 夹渣等缺陷的产生 4)操作因素：在焊接生产过程中，焊工操作技术水平低，就意味着打底层的运条方法焊条角度接头方法中间层及盖面层的运条方法接头收尾等操作方法掌握不熟练

11焊接接头的组织特征有哪些？对焊接接头的性能有何影响？

焊接接头是基本金属或基本金属和填充金属在高温热源的作用下，经过加热和冷却过程而形成不同组织和性能的不均匀体

1)焊接熔池和焊缝：焊接熔池是指由熔化的局部母材和填加材料所组成的具有一定几何形状的液态区域，而焊缝是指熔池凝固后所形成的固态区域。焊缝金属的组织和性能不仅取决于焊缝的相变行为，而且受到焊接熔池结晶行为的直接影响。

2)焊接热影响区：焊接热影响区是焊接接头的重要组成部分，是焊缝两侧未经过熔化但组织和性能发生变化的区域。由于焊接热影响区不同部位所受热作用的不一致性，造成其内部组织和性能的分布极不均匀，以致可能使其成为焊接接头的较薄弱环节

3)熔合区：熔合区是介于焊缝与热影响区之间的相当窄小的过渡区，是由部分熔化的母材和部分未熔化的母材所组成的区域。其化学成分、微观组织和力学性能极不均匀，常常是热裂纹、冷裂纹及脆性相的发源地，从而成为焊接接头的最薄弱环节。

对焊接接头性能的影响：

焊接接头的特点：具有组织和性能的不均匀性；易产生各种焊接缺陷；存在着应力集中，焊接残余应力、焊接变形等。

熔池焊缝：

熔池中的金属从液态变为固态的这种过程称为熔池的一次结晶。熔池凝固后的焊缝金属从高温冷却到室温时，还会发生固态的相变，产生不同的组织。焊缝的这种固态相变过程称为焊缝金属的二次结晶。

焊缝一次结晶组织中细柱状晶比粗柱状晶好，胞状晶比树枝晶好，因为粗晶体金属的强度、塑性和韧性都较低，而且热裂纹敏感性大，尤其是粗大的树枝晶对热裂纹的敏感倾向很强。

由于偏析、化学成分极不均匀，焊缝的抗裂性变差，偏析越严重，力学性能和抗腐蚀性的不均匀程度就越大，偏析使S、P聚集在焊缝中心，就容易产生热裂纹。

二次结晶组织的类型、特征和形态不同，则焊缝金属的性能也不同。晶粒度，晶粒越细，组织越均匀，其性能比粗大的不均匀组织要好。

热影响区：

热影响区的宽窄对焊接接头性能是有影响的，热影响区越窄，焊接产生的应力越大，越容易产生焊接裂纹；热影响区越宽，内应力越小，变形越大，但对于常用焊接结构，单纯的焊接应力还不足以形成裂纹，因此总希望热影响区越小越好。

熔合区：

篇3：新型金属材料成型加工技术分析

关键词：金属复合材料,加工成型,方式方法

MMCs, 即金属基复合材料, 在现实生活中已被广泛应用。即便一些复合材料存在技术复杂和成本较高等因素, 很难应用于某些低端化的工程实践中, 但由于在强化相长度方向的静态和动态力学性能较高, 如纤维化强化相增强以及连续晶须复合材料, 以陶瓷为主增强颗粒的金属基复合材料 (Ti C、Si C、B4C和Al2O3等) , 目前在全国乃至世界各地的工程建设中, 已被广泛应用。纵观众多已应用于各个领域的零部件, 其使用价值都是在金属复合材料的二次加工成型后才能得到充分体现, 而在加工成型过程中所产生的众多加工方法, 对于完善金属基复合材料的加工工艺做出了突出的贡献。

一、选材原则

金属复合材料中添加增强物可使复合材料强度高, 耐磨性好, 但也会给对金属复合材料的二次加工增加相当的困难, 而因为金属复合材料种类的不同, 使得在加工方法和工艺上也会产生许多的差异。比如某些金属复合材料在复合过程中便能完成, 如连续纤维曾强金属基复合材料构件, 而有些却需要更多的技术手段, 而这些技术的应用与实践, 更是需要我们长期研究与探讨的长久性课题。某一个细节, 某个小小的发现, 或是某个细微的纰漏, 都可能会造成金属基复合材料结构的改变, 而一个细微的改变, 在应用于实践工程中都可能会造成不可预计的后果, 因此在对金属复合材料的可塑性, 了解材料本质的基础上, 对金属复合材料的选材, 以及选材原则, 也是我们必不可少的课题之一。

二、材料成型加工方法

1、铸造成型法

铸造成型法是生产复合材料零件的最常用的方法。但是在现有的基础上, 在选择工艺方法和参数时对加工工艺以及参数的改进, 是在实践中所必不可少的程序之一。在铸造过程中, 当熔体的流动性、黏度等随着强度颗粒的加入而增强, 从而产生对基础材料本质的改变, 以及在高温下增强颗粒与熔体之间所产生化学反应, 可在基础材料熔化时严格控制保温时间和熔化温度, 对于加入颗粒增强的金属基复合材料, 特别是对于高温时的碳化硅颗粒增强铝基复合材料, 很可能会产生3 Si C+4 Al→Al4 C3+3 Si等界面反应, 而导致黏度增大无法浇铸, 从而是材料本质受到影响, 此时可采用精炼, 再用变质剂进行造渣, 如铝合金复合材料。需要注意的是, 在颗粒增强铝基复合材料时不能使用以上这些方法, 因为精炼剂会除去铝基复合材料中的颗粒, 其结果往往会适得其反, 从而达不到铸造加强的目的。

2、挤压、锻模塑性成型法

在实践过程中, 我们可以使用润滑剂以及模具表面涂层等技术手段, 来改善实践操作中所产生的压力, 有效的改善摩擦阻力, 可使挤压力降低25%~35%, 甚至超过当前数据, 由此而降低增强颗粒对模具的损害, 以及降低金属塑性, 改善变形阻力、成型困难等因素。另外我们可以提高挤压温度, 可有效的提高基础材料的可塑性, 这是由于增强颗粒的加入使基础材料变形抗力增加, 降低可塑性及增强变形抗力, 而提高挤压温度, 可使基础材料与增强颗粒更好的溶合。增强物的含量往往决定着挤压速度, 因此, 采用较高的挤压速度可适用于增强物含量较低的金属基复合材料, 而使用较低的挤压速度, 则适用于增强物含量较高的金属基复合材料。但超高的挤压速度, 也会使成品型材产生横向裂纹, 因此:1, 、使用滑润剂及表面涂层处理, 2、控制挤压温度, 3、调控挤压速度, 对于挤压、锻模塑性成型法来说至关重要。

3、粉末冶金法

制造颗粒、晶须增强金属基复合材料、复合材料零部件等, 粉末冶金法作为最早的制作形态, 在实践经验中起着不可忽视的作用。同样相对于形状简单, 尺寸小, 而又较为精密的零部件来说, 该方法的运用也同样重要。界面反应少、可据实按需调节增强相的含量 (颗粒含量50%) 、增强相分布均匀、组织细密, 是粉末冶金法的优点。在美国, 这种制作方法被广泛应用, 着名的DWA公司, 已将粉末冶金法广泛应用于各种自行车架及支撑设备架, 各种零件, 管材, 以及Si Cp增强铝合金基体等产品。由于采用粉末冶金法所制作的产品具有较高的比强度、比模量和耐磨性, 如今在世界各地已被广泛应用于汽车、飞机、航天器材等。

4、机械加工法

金刚石刀具作为现代最为广泛应用的切割刀具之一, 如今已被应用于各行各业的各个领域。用金刚石刀具精加工铝基复合材料, 同车、铣、钻加工各种金属基复合材料一样, 在现代社会中随处可见。最常用的使用金刚石刀具精加工铝基复合材料, 大致可分为钻削、铣削、车削三种形式。钻削采用镶片麻花钻头, 比如钻削Si C和B4C颗粒增强铝基复合材料, 配备使用外切削液;铣削, 采用PCD (黏结剂15%~20% (W+C) , 80%~85%PCD) 端面铣刀, 比如铣削颗粒 (Si C) 增强铝基复合材料, 使用切削液冷却;车削的刀具为硬合金刀具, 如车削Si Cw/Al复合材料, 冷却材料为乳化液。

三、结束语

金属基复合材料越来越被世界上众多的发达国家所认可, 目前已被誉为世界上最有价值的先进材料。其具有高强度、高韧性及高耐磨性能等优点, 在航天、汽车、建筑甚至军事等领域都有着较高的使用价值。然而, 由于涉及的学科范围广, 加工工艺复杂等因素, 造成二次加工基础研究不广, 加工工艺尚不完善, 因此具有广大的发展空间。在科学技术迅猛发展的今天, 将金属基复合材料更为广泛的研究和推行, 使其应用到更多的领域, 将是我们今后努力的方向, 以及更深入学习和探讨的重要学科。

参考文献

[1]雷玉成:《金属材料成型原理》, 化学工业出版社, 2007 (01) 。

篇4：浅析高分子材料成型加工技术

[关键词]高分子材料；成型加工；技术

近年来，某些特殊领域如航空工业、国防尖端工业等领域的发展对聚合物材料的性能提出了更高的要求，如高强度、高模量、轻质等，各种特定要求的高强度聚合物的开发研制越来越显迫切。

一、高分子材料成型加工技术发展概况

近50年来，高分子合成工业取得了很大的进展。在l950年，全世界塑料的年产量为200万t。20世纪90年代。塑料产量的年均增长率为5.8%，2000年增加至1.8亿t至2010年，全世界塑料产量将达3亿t，此外。合成工业的新近避震使得易于璃确控制树脂的分子结构，加速采用大规模进行低成本的生产。随着汽车工业的发展，节能、高速、美观、环保、乘坐舒适及安全可靠等要求对汽车越来越重要.汽车规模的不断扩大和性能的提高带动了零部件及相关材料工业的发展。为降低整车成本及其自身增加汽车的有效载荷，提高塑料类材料在汽车中的使用量便成为关键。

据悉，目前汽车上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的传统汽车材料（如钢铁等）。因此，汽车中越来越多的金属件由塑料件代替。此外，汽车中约90%的零部件均需依靠模具成型，例如制造一款普通轿车就需要制造1200多套模具，在美国、日本等汽车制造业发达的国家，模具产业超过50%的产品是汽车用模具。目前，高分子材料加工的主要目标是高生产率、高性能、低成本和快捷交货。制品方面向小尺寸、薄壁、轻质方向发展；成型加工方面，从大规模向较短研发周期的多品种转变，并向低能耗、全回收、零排放等方向发展。

二、现今高分子材料成型加工技术的创新研究

（一）聚合物动态反应加工技术及设备

聚合物反应加工技术是以现双螺杆挤出机为基础发展起来的。国外的公司已开发出作为连续反应和混炼的十螺杆挤出机，可以解决其它挤出机（包括双螺杆和四螺杆挤出机）作为反应器所存在的问题。国内反应成型加工技术的研究开发还处于起步阶段，但我国的经济发展强烈要求聚合物反应成型加工技术要有大的发展。指交换法聚碳酸酯（PC）连续化生产和尼龙生产中的比较关键的技术是缩聚反应器的反应挤出设备，我国每年还有数以千万吨计的改性聚合物及其合金材料的生产。关键技术也是反应挤出技术及设备。

目前国内外使用的反应加工设备从原理上看都是传统混合、混炼设备的改造产品，都存在传热、传质过程、混炼过程、化学反应过程难以控制、反应产物分子量及其分布不可控等问题.另外设备投资费用大、能耗高、噪音大、密封困难等也都是传统反应加工设备的缺陷。聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同，该技术是将电磁场引起的机械振动场引入聚合物反应挤出全过程，达到控制化学反应过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点，解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题，同时从技术上解决了设备结构集成化问题。新设备具有体积重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、适应性好、可靠性高等优点，这些优点是传统技术与设备无法比拟或是根本没有的。该项新技术使我国聚合物反应加工技术直接切人世界技术前沿，并在该领域处于技术领先地位。

（二）以动态反应加工设备为基础的新材料制备新技术

1.信息存储光盘盘基直接合成反应成型技术。此技术克服传统方式的中间环节多、周期长、能耗大、储运过程易受污染、成型前处理复杂等问题，将光盘级PC树脂生产、中间储运和光盘盘基成型三个过程整合为一体，结合动态连续反应成型技术，研究酯交换连续化生产技术，研制开发精密光盘注射成型装备，达到节能降耗、有效控制产品质量的目的。

2.热塑性弹性体动态全硫化制备技术。此技术将振动力场引入混炼挤出全过程，控制硫化反直进程，实现混炼过程中橡胶相动态全硫化.解决共混加工过程共混物相态反转问题。研制开发出拥有自主知识产权的熱塑性弹性体动态硫化技术与设备，提高我国TPV技术水平。

三、高分子材料成型加工技术的发展趋势

塑料电磁动态塑化挤出设备已形成了7个规格系列，近两年在国内20多个省、市、自治区推广应用近800台（套）。销售额超过1.5亿元，还有部分新设备销往荷兰、泰国、孟加拉等国家.产生了良好的经济效益和社会效益。例如PE电磁动态发泡片材生产线2000年和2001年仅在广东即为国家节约外汇近1600万美元，每条生产线一年可为制品厂节约21万k的电费。塑料电磁动态注塑机已开发完善5个规格系列，投入批量生产并推向市场；塑料电磁动态混炼挤出机的中试及产业化工作已完成，目前开发完善的4个规格正在生产试用。并逐步推向市场目前新设备的市场需求情况很好，聚合物新型成型装备国家工程研究中心正在对广州华新科机械有限公司进行重组。将技术与资本结合，引入新的管理、市场等机制，争取在两三年内实现新设备年销售额超亿。我国已加入WTO，各个行业都将面临严峻挑战。

综上所述，我国必须走具有中国特色的发展高分子材料成型加工技技术与装备的道路，打破国外的技术封锁，实现由跟踪向跨越的转变；把握技术前沿，培育自主知识产权。促进科学研究与产业界的结合，加快成果转化为生产力的进程，加快我国高分子材料成型加工高新技术及其产业的发展是必由之路。

参考文献：

[1]江成平，聚合物动态塑化成型加工理论与技术[M].北京：科学出版社，2005 427435.

[2]瞿金平，聚合物电磁动态塑化挤出方法及设备[J].中国专利9O101034.0，I990；美国专利5217302，1993.

篇5：材料成型与控制技术简历

销售行政及商务

酒店/旅游

职位名称：技术员，销售 ; 工作地区： 待遇要求：-3000元/月 不需要提供住房 到职时间：可随时到岗

篇6：材料成型与加工技术(DOC)

制造业是提高国家工业生产率、经济增长、国家安全及生活质量的基础，是国家综合实力的重要标志。现如今我国制造业面临巨大挑战，因而加强材料成形加工技术与科学基础研究，大力采用先进制造技术，对国民经济的发展具有重要意义。

材料成形加工技术与科学既是制造业的重要组成部分，又是材料科学与工程的四要素之一，对国民经济的发展及国防力量的增强均有重要作用。“新一代材料精确成形加工技术”与“多学科多尺度模拟仿真”是现代两个重要学科研究前沿领域。高新技术材料的出现，将加速发展以“精确成形”及“短流程”为代表的材料加工工艺，包括：全新的成形加工方法与工艺，及传统成形加工方法的改进与工序综合。“模拟仿真”是产品计算机集成制造、敏捷制造的主要内容，是实现制造业信息化的先进方法。并行工程已成为产品及相关制造过程集成设计的系统方法，以计算机模拟仿真与虚拟现实技术为手段的虚拟制造设计将是先进制造技术的重要支撑环境。网络化、智能化是现代产品与工艺过程设计的趋势，绿色制造是现代材料加工技术的进一步发展方向。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用先进的材料加工技术，才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业以高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用，可扩大材料及制造范围、提高生产率、降低产品成本、增强企业国际竞争能力。

制造业在过去的几年中发生了巨大变化，而现代高科技及新材料的出现将导致材料成形加工技术的进一步发展与变革，出现全新的成形加工方法与工艺，传统加工方法不断改进并走向工艺综合，材料成形加工技术则逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

第二章 现代材料成形加工技术与科学

2.1现代材料成形加工技术的作用与地位

我国已是制造大国，仅次于美、日、德，位居世界第四位。材料成形加工行业则是制造业的重要组成部分，材料成形加工技术也是先进制造技术的重要内容。铸造、锻造及焊接等材料加工技术是国民经济可持续发展的主体技术。目前，在汽车行业中汽车重量的65%以上仍由钢铁、铝及镁合金等材料通过铸造、锻压、焊接等加工方法而成形。材料成形加工技术与科学又是材料科学与工程的四要素之一，它不仅赋予零部件以形状，而且给予零部件以最终性能及使用特性。

制造业在过去的几年中发生了巨大的变化，这种变化还会延续。高速发展的工业技术要求材料加工产品精密化、轻量化、集成化；国际竞争更加激烈的市场要求产品性能高、成本低、周期短；日益恶化的环境要求材料加工原料与能源消耗低、污染少；另外材料成形本身制造好、成品率高。为了生产高精度、高质量的产品，材料正由单一的传统型向复合型、多功能型发展；材料加工技术逐渐综合化、多样化、柔性化、多科学化。

面对市场经济、参与全球竞争，必须加强材料成形加工科学与技术的基础和应用研究。只有使用新近的材料加工技术才能获得高质量产品的结构和性能，这些高性能的先进材料包括传统材料和新材料。发展材料成形加工技术对我国制造业已高新技术生产高附加值的优质零部件有积极作用。

2.2材料成形加工技术的发展趋势

美国在“新一代制造计划”中指出，未来的制造模式将是批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好；未来的制造企业要掌握十大关键技术，其中包括快速产品与工艺开发系统、新一代制造工艺及装备及模拟与仿真三项关键技术。其中新一代工艺包括精确成形加工制造或称净终成形加工工艺。净终成形加工工艺要求材料成形加工制造向更轻、更薄、更强、更韧及成本低、周期短、质量高的方向发展。

轻量化、精确化、高效化将是未来材料成形加工技术的重要发展方向。近年来，随着汽车工业的迅速发展，对通过降低产品的自重以降低能源消耗 和减少污染（包括汽车尾气和废旧塑料）提出了更迫切的要求，轻质、高质量的绿色环保材料将成为人们的首选。镁合金就是被世界各国材料界看好的最具有开发和应用发展前途的金属材料。

镁合金压铸件广泛应用于交通工业（汽车、摩托车及飞机零件等）、IT行业（手机、笔记本等）、小型家电行业（摄像机、照相机及其它电子产品外壳等）。汽车离合器和变速箱壳体采用镁合金压铸件比铝合金重量分别减轻2.6kg和2.5kg。同时，压铸镁铝合金产品在体育运动（自行车架与踏板、滑雪板等）、手工工具（链锯、岩钻等）、国防建设（轻型武器、步兵装备）等领域亦有十分广阔的应用前景。

2.3材料成形加工过程的建模与仿真

随着计算机技术的发展，技术材料科学已成为一门新兴的交叉学科，成为材料研究的重要手段，是除实验和理论外解决材料科学中实际问题的第三个重要研究方法。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究。因此，基于知识的材料成形工艺模拟仿真是材料科学与工程的前沿领域及研究热点，而高性能、高保真和高效率则是模拟仿真的努力目标。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模拟仿真可提高产品质量5～15倍，增加材料出品率25%，降低工程技术成本13%～30%，降低人工成本5%～20%，增加投入设备的利用率30%～60%，缩短产品设计和试制周期30%～60%，增加分析问题广度和深度的能力3～3.5倍等。

2.4材料的快速成形与虚拟制造

我国制造业的主要问题之一是缺乏创新产品的开发能力，因而缺乏国际市场竞争能力。随着全球化市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户要求，必须有较强的灵活性，以最快的速度提供高质量产品。

虚拟制造是CAD、CAM和CAPP等软件的集成技术，其关键是建立制造过程的计算模型，虚拟仿真制造过程。虚拟制造以并行方式进行产品设计、加工和装配，对各单元采用分布管理，而且不受时间、空间限制。虚拟制造的基础是虚拟现实技术。所谓“虚拟现实”技术是利用计算机和外观设备，生成与真实环境一致的三维虚拟环境，使用户通过辅助设备从不同的“角度”和“视点”与环境中的“现实”交互。与智能制造、虚拟工厂、网络化制造集成，材料加工过程建模与仿真将成为制造业新产品过程设计的非常有效的工具。

第三章 新一代材料成形加工

3.1材料成形加工技术发展特征

材料成形加工技术在现代发展的过程中，形成“精密”、“优质”、“快速”、“复合”、“绿色”、“信息化”的特征。

1.材料成形加工技术的“精密”特征：成形精度向净成形的方向发展 材料成形加工技术的重要特征是精密化，以制造技术而论，从尺度上看，精密制造技术已经跨越了微米级技术，进入了亚微米和纳米技术领域。材料成形加工技术也在朝着精密化的方向发展，表现为零件成形的尺寸精度正在从近净成形向净成形，即近无余量成形方向发展。“毛坯”与“零件”的界限越来越小。

2.材料成形加工技术的“优质”特征：成形质量向近无缺陷、“零”缺陷的方向发展

如果说净成形技术主要反映的是成形加工技术的尺寸与形状精密的特征，反映了成形加工保证尺寸及形状的精密程度，那么，反映成形加工优质特征的则是近无缺陷、“零”缺陷成形加工技术。这个“缺陷”是指不致引起早期失效的临界缺陷的概念。采取的主要措施有：采用先进工艺、净化熔融金属、增大合金组织的致密度，为得到健全的铸件、锻件奠定基础；采用模拟技术、优化工艺技术，实现一次成形及试模成功，保证质量；加强工艺过程监控及无损检测，及时发现超标零件；通过零件安全可靠性能研究及评估，确定临界缺陷量值等。

3.材料成形加工技术的“快速”特征：成形过程向快速方向发展

为满足现代消费观念的变革以及市场的剧烈竞争化，“客户化、小批量、快速交货”的要求不断增加，需要材料成形加工技术的快速化。

成形加工技术的快速特征表现在各种新型高效成形工艺不断涌现，星星铸造、锻造、焊接方法都从不同角度提高生产效率。

3.2新一代材料成形加工技术

制造技术可分为加工制造和成形制造（以液态铸造成形、固态塑性成形及连接成形等为代表）技术，其中成形制造不仅赋予零件以形状，而且决定了零件的组成。

3.2.1精确成形加工技术

近年来出现了很多新的精确成形加工制造技术。在轿车工业中还有很多材料精确成形新工艺，如用精确锻造成形技术生产凸轮轴等零件，液压胀形技术，半固态成形及三维挤压发等。摩擦压力焊接技术近来也备受人们关注。

以挤压铸造及半固态铸造为代表的精确成形技术由于熔体在压力下充型、凝固，从而使零件具有好的表面及内部质量。半固态铸造是一种生产结构复杂、近净成形、高品质铸件的材料半固态加工技术。半固态铸造铝合金零件在汽车上的应用其区别于压力铸造和锻压的主要特征是：材料处于半固态时在较高压力（约200MPa）下充型和凝固。材料在压力作用下凝固可形成细小的球状晶粒组织。

3.2.2快速原型制造技术

随着全球化及市场的激烈竞争，加快产品开发速度已成为竞争的重要手段之一。制造业要满足日益变化的用户需求，制造技术必须具有较强的灵活性，能够以小批量甚至单批量生产迎合市场。快速原型制造技术以离散和堆积原理为基础和特征，将零件的电子模型按一定方式离散成为可加工离散面、离散线和离散点，然后采用多种手段将这些离散的面、线和点堆积形成零件的整体形状。有人因该技术高度的柔性而称之为“自由成形制造”。近年来快速原型制造已发展为快速模具制造及快速制造，这些技术能大大缩短产品的设计开发周期，解决单件或小批零件的制造问题。

3.3新一代产品制造设计的研究

未来智能制造公司需要一系列核心智能，以便在集成设计、制造和商业服务系统内进行智能商务运作。这一系列的智能核心即可预测性、可生产性和廉价性、污染防治、产品与工艺性能。

研究这些特点已使集成设计、制造和服务成为一个具有竞争力的系统学科。如果将这种集成工程系统理解成为一种科学，就可以将其归为已经成熟的分析方法，然后就可以确定基本参数及如何测量它们，从而可以预测期行为。下面是在材料加工和新一代产品制造设计中将建模与仿真用作智能核心的基本要点：

1.数字产品和工艺建模的可预测性

随着具有竞争力的缩减产品发展与实现周期的蓬勃发展，在产品与工艺合成中的所有决策需要精度的建模与仿真工艺，以使物理基础的或行为基础的设计属性生效。在动力学、热力学、理学、材料和行为系统中有效运用建模工具是未来数字制造的先决条件。这些模型和知识要在网络和协作环境下共享，最新的SGI（美国图形工作站生产厂商）工作站可以在数分钟至数小时内解决极为复杂的工程问题。制造商可以使用高度工程化的仿真模型来帮助供货商改变模型设计和运送近于零缺陷的铸件给消费者，这样会尽量减少返工和缺陷。2.材料的可生产性和廉价性

廉价的制造材料对制造业特别是航空业一直是一个挑战。随着对环境和性能的规范和限制越来越多，各公司正在寻找更好的超级合金高温材料和类似网状的工艺技术，以降低原材料和制造运作过程的成本。现在，研究机构中的多数研究工具和工艺模型对公司在制造过程中预测并验证材料属性是远远不够的。我们必须将着眼点从尺寸精确性扩展到材料性能，以便获得对工艺、机器和零件的品质的全面了解。这将引导我们开创集材料、制造、物理和计算学等交叉学科的研究工作，以推进我们对制造学的了解。

3.绿色生产和工艺的污染防治

我们需要新的规范使传感器和工艺控制这种技术更好的整合，以便更少的发展和安装成本提供更高的能源效率并降低污染。绿色制造系统应改进以使工厂监控工艺参数，并直接、精确和快速的获得真实的工艺信息。另外，需要可代替的化学基础的涂层技术来影响化学自由制造工艺，还需要新型的传感器通过化学手段监控和控制腐蚀环境。正在出现的技术，诸如微电子机械基础的工艺传感器和无线电通信，需要发展和工程化以满足这些挑战性的需求。

4.产品与工艺性能的先进维护技术

服务和维护对于保持产品和工艺的质量及客户的满意度是非常重要的。确定系统失效原因的难点归结为几种因素，包括系统复杂性、不确定性和缺乏足够的纠错工具。当前，许多组织工业正实行的服务和维护就是基于响应的方法。组织我们解决这些问题的基本原因是对制造机器和设备每天的情况了解不足。我们只是不知道如何定量预测零件和机器的性能退化。我们缺乏有效地预测模型和工具，它们可以告诉我们给定工艺参数的具体值时会有什么情况发生。我们要进行研究，以了解产品和机器故障生产的原因，开发智能和可重复配置这些目标，需要智能软件和网络设备来提供预先维护能力，诸如性能退化测量、故障修复、自维护和远程诊断。这些特点允许制造和加工工业能发展预先维护策略，以保证产品和工艺性能，并最终消除不必要的系统瘫痪。

第4章 绿色再制造与材料成形加工的可持

续发展

在当今全球经济发展的同时，对自然资源的任意开发利用带来了全球的生态破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。其中，机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染资源之一。通过研究再制造工程理论和技术，可以为废旧产品的科学利用提供依据，指导规范当前的再制造市场。

再制造工程是以产品全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、环保为目标，以先进技术和产业化市场为手段，来恢复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。通过再制造的研究，可形成闭环的产品物质及信息流系统，实现由产品的开环处理和材料资源的闭环回收，发展到产品闭环使用的高级阶段，实现高级资源物质流的最优化循环。

4.1再制造过程的设计基础

针对失效的产品进行再制造，首先要对其进行再制造设计，再制造的设计基础包括产品的失效机理及寿命预测、再制造性的评价等内容。

4.1.1产品失效机理及寿命预测

产品服役的环境行为及失效机理研究是实施再制造工程重要的基础理论依据。从宏观和微观上研究零部件在复杂的环境中失效的机理和损伤的规律。主要研究复杂环境中多因素非线性耦合作用下的零部件失效机理，包括腐蚀介质与力学因素联合作用下的零件损伤机理，温度场与应力场耦合作用下的零部件损伤行为，多轴载荷作用下零部件的疲劳破坏行为，以及汽液固多相流环境中零部件的腐蚀、冲蚀、穴蚀交互损伤规律。

产品寿命预测与剩余寿命评估方法建立在零部件失效分析的基础上，应用力学理论建立失效行为的数学模型，并与加速试验结果相结合，以建立产品寿命的预测评估系统，评估新品、再制造产品的寿命及产品的剩余寿命。

4.1.2产品再制造性的评价

废旧产品的再制造性是决定其能否进行再制造的前提，是再制造基础理论研究中的首要问题。再制造性是指将技术、经济和环境等因素综合分析后，废旧产品所具有的通过维修或改造后恢复或超过原产品性能的能力。

4.2再制造材料成形加工关键技术

废旧产品经过再制造论证后，要实施再制造必须依赖于先进的材料成形加工技术。

4.2.1复合表面工程技术

零件的失效多起源于表面，因此表面工程技术是再制造过程中的核心技术。表面过程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，已获得所需要表面性能的系统工程。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其他学科密切相关的表面工程基础理论。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。表面工程的基本特征是综合、交叉、复合、优化。复合表面工程是先进表面工程的重要基础内容。复合表面工程主要包括多种表面技术的复合和多种表面材料的复合两种形式。国外称之为第二代表面工程新技术。

1.多种表面技术的复合

多种表面技术的复合能够形成新的涂层体系，并建立表面工程新领域。单一的表面技术由于其固有的局限性，往往不能满足日益苛刻的工况条件的要求。综合运用多种表面技术的复合可以通过最佳协同效应获得了“1+1>2”的效果，解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。

多种表面技术的复合主要研究内容包括：

⑴ 研究可产生协同效应的多种技术之间的复合和设计；表面复合涂层在恶劣工况下表面或界面之间的协同效应机理。

⑵ 研究表征功能梯度材料（FGM）性能与组成的梯度变化，应用计算机逆向设计对FGM覆层的组成和结构进行优化；开发热喷涂、电刷镀、气相沉积等工艺制备FGM覆层的技术；研究金属、金属间化合物、陶瓷等FGM涂层性能。

⑶ 应用物理气相沉积、化学气相沉积和高能束辅助沉积在再制造毛坯上形成超硬膜。研究真空膜层成膜界面行为与膜层性能关系；形核及生长动力学；在晶格错配度较大条件基体强度与超硬膜结合强度的关系；复合膜组元之间的交互作用。

2.多种表面材料的复合

多种表面材料形成的复合涂层不但具有单一结构涂层所具有的性能，还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的性能涂层，复合涂层的研究和应用日益增多。由各种材料复合获得的复合涂层种类主要有：金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、梯度功能复合涂层等。

4.2.2纳米表面工程技术

纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。纳米涂层及纳米表面自修复材料和技术是以纳米材料为基础，通过特定的工艺手段，对固体的表面进行强化、改性，或者赋予表面新功能，或者对损伤的表面进行自修复。例如：

⑴ 纳米颗粒复合电镀刷技术 ⑵ 纳米颗粒复合原位动态自修复技术 ⑶ 纳米材料热喷涂技术 ⑷ 金属表面纳米晶化技术

纳米表面工程的主要技术基础包括：

① 纳米涂层的制备技术的基础研究，特别是研究纳米材料在介质中的分散和稳定等关键工艺；纳米涂层的高强度、高韧性及其他特殊优异性能；纳米涂层对热疲劳及高温磨损等苛刻条件下的微裂纹萌生、扩展和损伤抑制机理；纳米涂层抗氧化性和热稳定性的机理等。

② 研究非晶复合纳米晶涂层形成的机理与影响因素，包括材料表面纳米结构和非晶纳米晶复合涂层结构和体相的物理化学现象；涂层显微组织的形成与演化规律、缺陷与热应力的形成机理、界面结合情况等。研究非平衡条件下低维材料的结构与行为以及宏观与微观的一体化，包括“尺度问题”和“表面、界面问题”，为开发纳米电刷镀技术、纳米热喷涂技术、纳米气相沉积等及其复合技术提供技术基础。

③ 纳米原位动态减摩自修复技术的基础研究。在不停机、不解体的状况下，应用摩擦化学理论，利用纳米颗粒的特性在摩擦微损伤表面原位动态形成自修复膜层的方法及材料。研究内容包括：纳米结构的润滑膜、自修复薄膜等的生长机理和服役特性；纳米润滑添加剂对摩擦表面的强化和对初期磨损表面的原位动态自修复等机制；纳米添加剂的组成、形态、结构、反映活性等与损伤动态自修复功能的关系规律，开发与摩擦表面结合良好、具有优良抗磨损和承载能力的纳米磨损动态自修复技术及摩擦表面原位强化技术。

4.2.3特殊环境下的应急再制造技术

我国有大量的设备服役在苛刻的环境条件下，如在野外环境下石油、天然气设备；水电、公路铁路施工设备等；在严重快速磨损的高原沙漠地区，在高温、高湿、高烟雾海洋环境下的严重腐蚀或磨损等。特殊环境下的装备应急再制造关键技术以恢复服役性能为重点，对再制造的时间、空间、标准、技术条件等有特殊要求，具有现场性、应急性、易噪性等特点。研究内容主要包括：

1.应急快速维修技术

高科技条件下的局部战争及生产线协同运行等作业方式缩短了损伤装备修理的时间和空间，因此应急快速维修的地位和作用也变得更为重要。采用先进技术快速修复损伤的装备，使其迅速恢复战斗力和生产力，是高科技条件下的作战与生产对应急维修技术的要求，也是装备再制造的重要研究方向。主要技术基础：

⑴ 研究军用装备的战伤特点及装备突发故障规律，建立应急维修技术专家系统。

⑵ 开发适应于高低温、高负荷、强辐射等苛刻条件下使用的耐磨、防腐化学粘涂材料（复合型胶粘剂、纳米胶粘剂、特种功能胶粘剂）；研究粘结粘涂层的衰变性能；研究快速固化机理和技术，如紫外线固化、微波固化技术等；重点开发适用于战伤及突发损伤的粘接、冷焊、扣合、堵漏等应急快速抢修技术。

⑶ 研究提高部队作战和野外施工作业应急机动保障能力的关键技术，开发通用化、小型化、标准化、智能化、数字化的靠前抢修配套工具和仪器，开发多种现场抢修车及方舱等。

2.再制造毛坯快速成形技术

再制造毛坯快速成形技术，是利用原有废旧的零件作为再制造零件毛坯原料，根据离散和堆积成形原理，利用CAD零件模型所确定的几何信息，采用积分原理和先进熔覆技术进行金属的熔融堆积，快速成形。主要技术基础：

⑴ 建立产品结构、零部件及表面涂层体系的再制造计算机辅助工程系统（RCAE），研究零件受损检测和几何特征定位，开发再制造毛坯表面三维几何参量测试及再制造建模系统。

⑵ 研究适宜快速成形的高熔点材料，解决金属直接快速成形的致密性、成形材料与基体的结合强度、成形材料间的内聚强度等问题。

结 论

本文指出我国制造业的基础共性技术领域材料成形加工技术与科学的发展方向，以推动该领域的发展和进步。

新一代制造工艺及装备、建模与仿真及快速产品与工艺开发系统是面向现代的三项关键先进制造技术。轻量化、精确化、高效化将是新一代成形加工技术的重要发展方向，材料成形加工向更轻、更薄、更精、更强、更韧、质量高、周期短及成本低的方向发展。

在新一代成形加工技术与材料成形加工的发展中不断面临的环保、资源、市场竞争等问题上，绿色再制造又成为了成形加工技术的进一步发展趋势。绿色再制造材料成形加工关键技术基础的研究目标和内容涉及材料学科和机械学科的前沿，符合废品资源化和我国可持续发展战略的原则和内容，其中许多技术基础的研究内容优又是根据我国废旧产品再制造的需求提出的，具有较强的学科创新性、前瞻性以及广阔的应用与发展前景。

参考文献

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柳百成，李敏贤，吴俊郊等.国家自然科学资金优先资助领域战略研究报告—

—先进制造技术基础.北京：高等教育出版社，1998，3456789

石力开.新材料的发展趋势及其在我国的发展状况，1996，师昌绪.高技术新材料的现状与展望.机械工程材料，1994，柳百成，荆涛等.铸造工程的模拟仿真及质量控制.北京：机械工业出版社2001，中国机械工程学会.“九五”机械工业科学技术重大进展，2001

中国环境污染状况备忘录.世界环境，1998

徐滨士，马世宁，刘世参等.21世纪的再制造工程.中国机械工程，2000

周尧和.21世纪需要绿色集约化铸造，1998

成都理工大学

材料成型与加工技术

姓名：陈康

学号：2015050207 专业：机械工程及其自动化

院系：核技术与自动化学院